任務(wù)六 爆燃傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.了解爆燃傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.了解爆燃傳感器的故障現(xiàn)象

3.了解爆燃傳感器故障案例

課程準(zhǔn)備

知識(shí)準(zhǔn)備

燃燒過(guò)程是這樣的，汽油機(jī)正常燃燒時(shí)，火花塞點(diǎn)火后經(jīng)過(guò)短暫的著火延遲期的準(zhǔn)備，在電極間隙附近形成火焰核心，火焰從火焰核心以30～40m/s的速度向四周的未燃混合氣區(qū)傳播，使燃燒室內(nèi)混合氣循序燃燒，直至結(jié)束。

課前引入

請(qǐng)看圖1-2-59，這是一種發(fā)動(dòng)機(jī)不正常燃燒產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，叫做爆燃，那么在什么情況下還會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？在出現(xiàn)這種情況之前我們?cè)鯓宇A(yù)防它的發(fā)生呢？

圖1-2-59 發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃導(dǎo)致的活塞連桿損壞

一、關(guān)于爆燃的概念

1.什么是爆燃

爆燃是汽油機(jī)中一種不正常燃燒的現(xiàn)象。通過(guò)高速攝影研究汽油機(jī)爆燃時(shí)發(fā)現(xiàn)，在汽油機(jī)燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，遠(yuǎn)離火花塞的未燃混合氣（末端混合氣），被已燃混合氣的膨脹所壓縮，此處的局部溫度因熱輻射作用而超過(guò)燃料的自燃溫度，從而產(chǎn)生自發(fā)反應(yīng)，形成一個(gè)或多個(gè)火焰核心。即在正常火焰?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火自燃，發(fā)出極強(qiáng)的火光，燃燒溫度常在4000℃以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)200～1000m/s以上，比正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀邘资丁８咚賯鞑サ娜紵箽飧變?nèi)產(chǎn)生壓力沖擊波，并在氣缸壁面上反射和反復(fù)沖擊，造成強(qiáng)制振動(dòng)并產(chǎn)生高頻噪聲，即敲缸現(xiàn)象。壓力波的沖擊使壁面的氣膜減薄，向氣缸壁的傳熱損失增大，結(jié)果功率下降，燃料消耗率上升，汽油機(jī)過(guò)熱，冷卻水和機(jī)油溫度增高。持久的爆燃破壞氣缸壁油膜，加劇氣缸壁的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使機(jī)件損壞。

2.造成爆燃最主要有以下幾個(gè)原因：

①點(diǎn)火角過(guò)于提前：為了使活塞在壓縮上止點(diǎn)結(jié)束后，一進(jìn)入動(dòng)力沖程能立即獲得動(dòng)力，通常都會(huì)在活塞達(dá)到上止點(diǎn)前提前點(diǎn)火（因?yàn)閺狞c(diǎn)火到完全燃燒需要一段時(shí)間）。而過(guò)于提早的點(diǎn)火會(huì)使得活塞還在壓縮行程時(shí)，大部分油氣已經(jīng)燃燒，此時(shí)未燃燒的油氣會(huì)承受極大的壓力自燃而造成爆燃。

②發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)度積炭：發(fā)動(dòng)機(jī)于燃燒室內(nèi)過(guò)度積炭，除了會(huì)使壓縮比增大（產(chǎn)生高壓），也會(huì)在積炭表面產(chǎn)生高溫?zé)狳c(diǎn)，使引擎爆燃。

③發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高：發(fā)動(dòng)機(jī)在太熱的環(huán)境使得進(jìn)氣溫度過(guò)高，或是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)不良，都會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)高溫而爆燃。

④空燃比不正確：過(guò)于稀的燃料空氣混合比，會(huì)使得燃燒溫度提高，而燃燒溫度提高會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度提高，當(dāng)然容易爆燃。

⑤燃油辛烷值過(guò)低：辛烷值是燃油抗爆燃的指標(biāo)，辛烷值越高，抗爆燃性越強(qiáng)。壓縮比高的發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒室的壓力較高，若是使用抗爆燃性低的燃油，則容易發(fā)生爆燃。

3.避免爆燃發(fā)生的措施

避免爆燃的措施有：使用高辛烷值汽油，燃用過(guò)濃混合氣，使末端混合氣本身不易發(fā)火；降低進(jìn)氣溫度、加強(qiáng)末端混合氣的冷卻、延遲點(diǎn)火時(shí)刻，以降低末端混合氣的溫度；利用可燃混合氣的湍流和旋流，提高正常火焰?zhèn)鞑ニ俣龋蛟O(shè)計(jì)緊湊的燃燒室，合理布置火花塞位置，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，以縮短正常火焰?zhèn)髦聊┒嘶旌蠚獾臅r(shí)間。

二、爆燃傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.爆燃傳感器的安裝位置

爆燃傳感器（Knock Sensor，KS）位于缸體的一側(cè)，如果是4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，一般在第二缸附近。爆燃傳感器安裝位置見(jiàn)圖1-2-60所示。

2.爆燃傳感器的功能

爆燃傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒狀況是否有爆燃趨勢(shì)，向ECU提供爆燃信號(hào)，便于ECU更好地控制點(diǎn)火提前角。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，如果爆燃傳感器信號(hào)中斷，電控單元會(huì)將各缸的點(diǎn)火提前角推遲一定的時(shí)間。這時(shí)，汽車(chē)在行駛過(guò)程中，駕駛員就會(huì)明顯感到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。各種液體（如機(jī)油、冷卻渡、制動(dòng)液、水等）長(zhǎng)時(shí)間接觸到傳感器，對(duì)傳感器造成腐蝕。為了避免爆燃傳感器傳輸信號(hào)的錯(cuò)誤，必須保證爆燃傳感器固定螺栓的擰緊力矩準(zhǔn)確無(wú)誤。

圖1-2-60 爆燃傳感器安裝位置圖

3.爆燃傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

爆燃傳感器是一種振動(dòng)加速度傳感器，產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的輸出電壓。其中一種類(lèi)型的爆燃傳感器內(nèi)含有一個(gè)陶瓷壓電晶體，該晶體振蕩產(chǎn)生電壓信號(hào)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆燃，ECU會(huì)接收到這個(gè)信號(hào)，濾去非爆燃信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)凸輪軸與曲軸位置傳感器信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)在工作循環(huán)中所處的位置，ECU據(jù)此計(jì)算出是第幾缸發(fā)生爆燃，將會(huì)推遲此缸的點(diǎn)火提前角直到爆燃現(xiàn)象消失。然后再次提前點(diǎn)火提前角直到使點(diǎn)火提前角處于當(dāng)時(shí)工況下的最佳位置。爆燃傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1-2-61所示。

4.爆燃傳感器故障

某一爆燃傳感器失靈時(shí)，ECU會(huì)減少相應(yīng)氣缸的點(diǎn)火提前角，所有爆燃傳感器都失靈時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入爆燃調(diào)節(jié)應(yīng)急模式，并統(tǒng)一減少各缸的點(diǎn)火提前角。這時(shí)無(wú)法提供全部的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

圖1-2-61 爆燃傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

5.爆燃傳感器的安裝要求

①一般爆燃傳感器的安裝力矩為（20±5）N·m；

②確保安裝凸臺(tái)表面潔凈無(wú)油污，安裝時(shí)應(yīng)確保其金屬緊貼在氣缸體上；

③安裝時(shí)，在傳感器與氣缸體之間不允許使用任何類(lèi)型的墊片；

④爆燃感器的信號(hào)電纜布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)該注意不要發(fā)生共振，避免斷裂。

三、爆燃控制原理

爆燃是一種危險(xiǎn)的瞬間的自燃現(xiàn)象，具有可再發(fā)生性，即爆燃有時(shí)自動(dòng)誘發(fā)爆燃。發(fā)生爆燃后，ECU會(huì)根據(jù)爆燃傳感器的信號(hào)修正點(diǎn)火提前角，以消除爆燃，控制方法如下：

輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)包括：爆燃傳感器信號(hào)、霍爾傳感器信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)。圖1-2-62所示為帶有兩個(gè)爆燃傳感器的爆燃控制硬件布置。

圖1-2-62 爆燃控制系統(tǒng)布置

由爆燃引起的振動(dòng)在爆燃傳感器內(nèi)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并傳輸給發(fā)動(dòng)管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，對(duì)每個(gè)氣缸的爆燃識(shí)別信號(hào)進(jìn)行分析。爆燃會(huì)導(dǎo)致相關(guān)氣缸朝“延遲”方向調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻，如果不再出現(xiàn)爆燃，會(huì)朝“提前”方向逐漸調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻，直至達(dá)到所存儲(chǔ)特性曲線(xiàn)族的點(diǎn)火提前角。并依據(jù)爆燃強(qiáng)度輸入信號(hào)，由微機(jī)控制延遲點(diǎn)火提前角的大小。

點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)過(guò)程控制如圖1-2-63所示。當(dāng)任何一缸產(chǎn)生爆燃時(shí)，ECU立即減少一定的點(diǎn)火提前角。當(dāng)接下來(lái)工作的氣缸依據(jù)點(diǎn)火順序再次產(chǎn)生爆燃時(shí)，同樣再減少點(diǎn)火提前角，以此類(lèi)推，逐漸減少點(diǎn)火提前角。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生爆燃時(shí)，則在一定時(shí)間內(nèi)，維持當(dāng)前的點(diǎn)火提前角。在此期間，若有爆燃發(fā)生，也同樣減少點(diǎn)火提前角；若無(wú)爆燃發(fā)生，則又逐漸地增大點(diǎn)火提前角，一直到產(chǎn)生爆燃時(shí)，又恢復(fù)前述的反饋控制。

圖1-2-63 爆燃控制原理

ECU借助霍爾傳感器識(shí)別分缸爆燃信號(hào)。針對(duì)各缸的爆燃調(diào)節(jié)稱(chēng)為分缸爆燃調(diào)節(jié)。分缸爆燃調(diào)節(jié)可在不考慮燃油質(zhì)量、壓縮比、發(fā)動(dòng)機(jī)老化情況下使各個(gè)氣缸在其整個(gè)使用過(guò)程中幾乎所有運(yùn)行條件下都能以接近爆燃限值的方式運(yùn)行。針對(duì)各個(gè)氣缸得出的不同爆燃限值以及新的點(diǎn)火時(shí)刻和取決于運(yùn)行時(shí)刻的點(diǎn)火延遲調(diào)節(jié)都存儲(chǔ)在ECU內(nèi)的點(diǎn)火特性曲線(xiàn)族內(nèi)，并根據(jù)變化的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)（自適應(yīng)爆燃調(diào)節(jié)）。

課程互動(dòng)

1）請(qǐng)說(shuō)明爆燃傳感器對(duì)點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)過(guò)程？

2）請(qǐng)說(shuō)出爆燃傳感器的檢測(cè)方法？

故障案例

爆燃傳感器故障案例

故障現(xiàn)象：豐田佳美轎車(chē)中，有3VZ-FE型V63.0L多點(diǎn)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該車(chē)因機(jī)械故障更換了不包括附件在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)總成。將原發(fā)動(dòng)機(jī)的附件裝到新發(fā)動(dòng)機(jī)上后，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在60℃以下時(shí)動(dòng)力正常，車(chē)輛運(yùn)行良好；當(dāng)溫度升高到90℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)突然動(dòng)力不足，車(chē)速下降，有制動(dòng)感覺(jué)，隨即發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮。診斷：讀取故障碼為52，內(nèi)容是爆燃傳感器故障。拆卸爆燃傳感器，并對(duì)其進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)第一爆燃傳感器的塑料插頭損壞老化，信號(hào)輸出端子松動(dòng)。更換塑料插頭并對(duì)松動(dòng)的端子用粘結(jié)劑固定后裝上發(fā)動(dòng)機(jī)。試車(chē)，故障依舊。再次檢查爆燃傳感器，測(cè)得其信號(hào)輸出端子與外殼間大于1萬(wàn)Ω，證明內(nèi)部沒(méi)有短路。但是用汽車(chē)數(shù)字萬(wàn)用表檢查，無(wú)信號(hào)輸出，證明傳感器已損壞。

故障排除：更換新的爆燃傳感器后，故障排除。

故障分析：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度降低時(shí)，燃燒室溫度也降低，沒(méi)有爆燃現(xiàn)象，故汽車(chē)行駛正常。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)升溫后，因燃燒室溫度升高而發(fā)生爆燃，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降。這時(shí)如果爆燃傳感器良好，它就會(huì)向電子控制單元輸出爆燃信號(hào)。電子控制單元便立即推遲點(diǎn)火時(shí)刻，以消除爆燃，使發(fā)動(dòng)機(jī)維持正常工作。該發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃傳感器不能輸出信號(hào)，控制不了爆燃，因此發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高后，工作失常。