任务六 爆燃传感器的结构及工作原理
学习目标
1.了解爆燃传感器的结构及工作原理
2.了解爆燃传感器的故障现象
3.了解爆燃传感器故障案例
课程准备
知识准备
燃烧过程是这样的，汽油机正常燃烧时，火花塞点火后经过短暂的着火延迟期的准备，在电极间隙附近形成火焰核心，火焰从火焰核心以30～40m/s的速度向四周的未燃混合气区传播，使燃烧室内混合气循序燃烧，直至结束。
课前引入
请看图1-2-59，这是一种发动机不正常燃烧产生的严重后果，叫做爆燃，那么在什么情况下还会产生这种现象呢？在出现这种情况之前我们怎样预防它的发生呢？
图1-2-59 发动机爆燃导致的活塞连杆损坏
一、关于爆燃的概念
1.什么是爆燃
爆燃是汽油机中一种不正常燃烧的现象。通过高速摄影研究汽油机爆燃时发现，在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气（末端混合气），被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度因热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心。即在正常火焰传播到以前先行发火自燃，发出极强的火光，燃烧温度常在4000℃以上，火焰传播速度达200～1000m/s以上，比正常燃烧的火焰传播速度高几十倍。高速传播的燃烧使气缸内产生压力冲击波，并在气缸壁面上反射和反复冲击，造成强制振动并产生高频噪声，即敲缸现象。压力波的冲击使壁面的气膜减薄，向气缸壁的传热损失增大，结果功率下降，燃料消耗率上升，汽油机过热，冷却水和机油温度增高。持久的爆燃破坏气缸壁油膜，加剧气缸壁的磨损，严重时会使机件损坏。
2.造成爆燃最主要有以下几个原因：
①点火角过于提前：为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火（因为从点火到完全燃烧需要一段时间）。而过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃而造成爆燃。
②发动机过度积炭：发动机于燃烧室内过度积炭，除了会使压缩比增大（产生高压），也会在积炭表面产生高温热点，使引擎爆燃。
③发动机温度过高：发动机在太热的环境使得进气温度过高，或是发动机冷却水循环不良，都会造成发动机高温而爆燃。
④空燃比不正确：过于稀的燃料空气混合比，会使得燃烧温度提高，而燃烧温度提高会造成发动机温度提高，当然容易爆燃。
⑤燃油辛烷值过低：辛烷值是燃油抗爆燃的指标，辛烷值越高，抗爆燃性越强。压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆燃性低的燃油，则容易发生爆燃。
3.避免爆燃发生的措施
避免爆燃的措施有：使用高辛烷值汽油，燃用过浓混合气，使末端混合气本身不易发火；降低进气温度、加强末端混合气的冷却、延迟点火时刻，以降低末端混合气的温度；利用可燃混合气的湍流和旋流，提高正常火焰传播速度，或设计紧凑的燃烧室，合理布置火花塞位置，缩短火焰传播距离，以缩短正常火焰传至末端混合气的时间。
二、爆燃传感器的结构及工作原理
1.爆燃传感器的安装位置
爆燃传感器（Knock Sensor，KS）位于缸体的一侧，如果是4缸发动机，一般在第二缸附近。爆燃传感器安装位置见图1-2-60所示。
2.爆燃传感器的功能
爆燃传感器监测发动机燃烧室内混合气的燃烧状况是否有爆燃趋势，向ECU提供爆燃信号，便于ECU更好地控制点火提前角。在发动机工作过程中，如果爆燃传感器信号中断，电控单元会将各缸的点火提前角推迟一定的时间。这时，汽车在行驶过程中，驾驶员就会明显感到发动机动力不足。各种液体（如机油、冷却渡、制动液、水等）长时间接触到传感器，对传感器造成腐蚀。为了避免爆燃传感器传输信号的错误，必须保证爆燃传感器固定螺栓的拧紧力矩准确无误。
图1-2-60 爆燃传感器安装位置图
3.爆燃传感器的结构及工作原理
爆燃传感器是一种振动加速度传感器，产生一个与发动机机械振动相对应的输出电压。其中一种类型的爆燃传感器内含有一个陶瓷压电晶体，该晶体振荡产生电压信号。如果发动机产生爆燃，ECU会接收到这个信号，滤去非爆燃信号并进行计算，通过凸轮轴与曲轴位置传感器信号判断发动机在工作循环中所处的位置，ECU据此计算出是第几缸发生爆燃，将会推迟此缸的点火提前角直到爆燃现象消失。然后再次提前点火提前角直到使点火提前角处于当时工况下的最佳位置。爆燃传感器的结构和工作原理如图1-2-61所示。
4.爆燃传感器故障
某一爆燃传感器失灵时，ECU会减少相应气缸的点火提前角，所有爆燃传感器都失灵时，发动机管理系统就会进入爆燃调节应急模式，并统一减少各缸的点火提前角。这时无法提供全部的发动机功率。
图1-2-61 爆燃传感器的结构及工作原理
5.爆燃传感器的安装要求
①一般爆燃传感器的安装力矩为（20±5）N·m；
②确保安装凸台表面洁净无油污，安装时应确保其金属紧贴在气缸体上；
③安装时，在传感器与气缸体之间不允许使用任何类型的垫片；
④爆燃感器的信号电缆布线时，应该注意不要发生共振，避免断裂。
三、爆燃控制原理
爆燃是一种危险的瞬间的自燃现象，具有可再发生性，即爆燃有时自动诱发爆燃。发生爆燃后，ECU会根据爆燃传感器的信号修正点火提前角，以消除爆燃，控制方法如下：
输入到发动机的信号包括：爆燃传感器信号、霍尔传感器信号、发动机温度信号。图1-2-62所示为带有两个爆燃传感器的爆燃控制硬件布置。
图1-2-62 爆燃控制系统布置
由爆燃引起的振动在爆燃传感器内转化为电压信号，并传输给发动管理系统。在该系统中，对每个气缸的爆燃识别信号进行分析。爆燃会导致相关气缸朝“延迟”方向调节点火时刻，如果不再出现爆燃，会朝“提前”方向逐渐调节点火时刻，直至达到所存储特性曲线族的点火提前角。并依据爆燃强度输入信号，由微机控制延迟点火提前角的大小。
点火提前角的调节过程控制如图1-2-63所示。当任何一缸产生爆燃时，ECU立即减少一定的点火提前角。当接下来工作的气缸依据点火顺序再次产生爆燃时，同样再减少点火提前角，以此类推，逐渐减少点火提前角。当发动机不产生爆燃时，则在一定时间内，维持当前的点火提前角。在此期间，若有爆燃发生，也同样减少点火提前角；若无爆燃发生，则又逐渐地增大点火提前角，一直到产生爆燃时，又恢复前述的反馈控制。
图1-2-63 爆燃控制原理
ECU借助霍尔传感器识别分缸爆燃信号。针对各缸的爆燃调节称为分缸爆燃调节。分缸爆燃调节可在不考虑燃油质量、压缩比、发动机老化情况下使各个气缸在其整个使用过程中几乎所有运行条件下都能以接近爆燃限值的方式运行。针对各个气缸得出的不同爆燃限值以及新的点火时刻和取决于运行时刻的点火延迟调节都存储在ECU内的点火特性曲线族内，并根据变化的发动机运转条件进行调节（自适应爆燃调节）。
课程互动
1）请说明爆燃传感器对点火提前角的调节过程？
2）请说出爆燃传感器的检测方法？
故障案例
爆燃传感器故障案例
故障现象：丰田佳美轿车中，有3VZ-FE型V63.0L多点电喷发动机。该车因机械故障更换了不包括附件在内的发动机总成。将原发动机的附件装到新发动机上后，发动机水温在60℃以下时动力正常，车辆运行良好；当温度升高到90℃时，发动机突然动力不足，车速下降，有制动感觉，随即发动机故障灯亮。诊断：读取故障码为52，内容是爆燃传感器故障。拆卸爆燃传感器，并对其进行检查，发现第一爆燃传感器的塑料插头损坏老化，信号输出端子松动。更换塑料插头并对松动的端子用粘结剂固定后装上发动机。试车，故障依旧。再次检查爆燃传感器，测得其信号输出端子与外壳间大于1万Ω，证明内部没有短路。但是用汽车数字万用表检查，无信号输出，证明传感器已损坏。
故障排除：更换新的爆燃传感器后，故障排除。
故障分析：当发动机温度降低时，燃烧室温度也降低，没有爆燃现象，故汽车行驶正常。当发动机升温后，因燃烧室温度升高而发生爆燃，发动机动力下降。这时如果爆燃传感器良好，它就会向电子控制单元输出爆燃信号。电子控制单元便立即推迟点火时刻，以消除爆燃，使发动机维持正常工作。该发动机的爆燃传感器不能输出信号，控制不了爆燃，因此发动机温度升高后，工作失常。