发动机爆震传感器的设计开发及应用

2016-09-28肖俊强

中国新技术新产品 2016年18期

关键词：爆震压电极化

张　楠肖俊强

（安卡精密机械（天津）股份有限公司，天津 300384）

发动机爆震传感器的设计开发及应用

张楠肖俊强

（安卡精密机械（天津）股份有限公司，天津 300384）

本文从理论上概述了发动机爆震现象的产生机理以及所带来的危害，分析了发动机爆震传感器的结构、工作原理；进而介绍了一款新设计开发的爆震传感器。

发动机爆震；爆震传感器；设计开发

1.发动机爆震

在发动机的实际工作中，有时会发生所谓的非正常燃烧，即火花塞点火后，离火花塞较远的末端混合气，在火焰面尚未到达前就已经发生焰前反应而发生自燃，形成新的火焰中心，并产生强烈的压力脉冲，它以极快的速度向附近的气体传播。由于汽油机缸径较小（一般缸径小于110mm），所以强烈的压力波在气缸顶、气缸盖底面等机件之间多次反射，引起这些机件的高频振动，发出我们所听到的尖锐的金属敲击声，称之为爆震。它会使发动机工作粗暴，功率下降，燃油经济性和振动舒适性变差。

现代发动机利用发动机控制系统（简称EMS）对发动机的运行状态进行调整、控制。控制发动机爆震的发生也是EMS的主要工作之一。EMS根据事先设置的标定数据适度调整发动机的点火正时或加浓混合气，从而使得发动机在避免爆震的同时取得最佳燃烧效率。

2.EMS系统控制发动机爆震的主要目标

确保台架所有稳态爆震点都能检测出，所有工况点都不会被误检测，爆震逻辑不会造成功率扭矩损失和排温超标。

确保整车各种行驶条件，加减速下，没有客户不可接受的爆震，确保夏季冬季和高原试验没有大量爆震误检测和漏检测。

确保排放循环内没有误检测爆震，爆震控制没有对车辆加速性能指标造成严重影响。

确保在加恶劣油品时能够将发动机爆震控制在安全范围内。确保由于发动机厂商安装和制造误差等造成的发动机持续爆震控制到安全范围内。

3.爆震传感器及其工作原理

爆震传感器是发动机控制系统（简称EMS）优化发动机工作、避免爆震发生的最重要元件之一。利用爆震传感器，提取发动机爆震信号的特征，可以准确地判断燃烧过程中是否出现爆震和爆震强度的大小。

爆震传感器是采用压电效应原理制成的传感器。所谓压电效应是指当压电陶瓷晶体受到某固定方向上的外力作用时，内部产生电极化并同时在上下两个端面产生符号相反的电荷的现象。

爆震传感器安放在发动机机体或气缸的不同位置，当发动机发生爆震时，在发动机缸体上产生一定量值的冲击振动，传感器内部的配重块2在振动的激励下由于惯性而产生压力F，并作用在传感器的压电陶瓷1上，使压电陶瓷发内部发生电荷移动，在其上下端面形成电压，通过接触端子输入到控制单元处理。

目前国际普遍采用平直特性频率响应式爆震传感器。爆震越大，压电陶瓷上产生的冲击峰值就越大。爆震传感器通常工作在3kHz～20kHz的频率范围。需要注意的是爆震传感器的自身共振频率必须大于其工作频率范围，且越远越好。

这种平直特性频率响应式爆震传感器输出信号相对较弱，需要系统采用屏蔽线作为信号引出线，向EMS提供信号输入。同时需要在EMS系统中设计有滤波电路，以对不同频率的信号进行处理，滤掉各种背景噪音，检查除发动机爆震时产生的频率。

图1是各个国外供应商爆震传感器输出特性的比较，可以看到BOSCH的输出电压最低，Delphi和INZI的输出电压最高，这和实际经验符合。

4.传感器的设计开发

4.1传感器的结构特征

新开发设计爆震传感器是压电式爆震传感器，借鉴了已有的传感器设计，在保证良好产品性能的前提下，降低了生产成本，使产品更具有竞争优势。

爆震传感器主要有压电陶瓷、基座、配重块、导电片、连接端子等，并整体注塑封装而成。新开发的爆震传感器有带线束和不带线束两种设计，其线束的长短可根据客户的具体要求确定，以便满足客户不同的安装要求，如图2所示。

4.2压电材料的选择

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。人们把这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效应”。所谓压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。如水晶（α-石英）、人工极化的铁电体陶瓷、压电陶瓷（PZT）等。

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。

在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，如图3所示。

极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系：

q=d33F

式中：

d33——压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。

压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。

4.3传感器性能对比分析

爆震传感器是以电压作为输出方式，故要求具有较好的线性度和一致性。

通过对BOSCH款典型爆震传感器进行性能检测，分析传感器的响应频率范围、灵敏度、线性度等数据，可以得出：

新开发的爆震传感器在工作要求的响应频率范围内均有良好的输出表现。以每2kHz作为断点测量传感器灵敏度，各个断点值均在合格范围区间内，且线性度和重复性均能满足要求。