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1、第七章 爆燃与碰撞传感器的结构、原理与检测 汽车传感器第一节 概述 第二节 爆燃传感器 第三节 碰撞传感器第一节 概 述一、爆燃传感器汽油发动机是利用火花塞产生的电火花将一小团流经 火花混合气点燃，使火焰在混合气中不断扩展传播进行燃 烧，直至燃烧完。尽管混合气燃烧迅速，但是火焰传播到直至燃烧完， 约为2ms3ms，为了使发动机有较好动力性、经济性，因 此要在压缩行程中活塞到达上止点之前点燃混合气。点火时刻过早，大部分混合气在压缩行程的末期燃烧 ，使气缸内的温度和压力过早的升高，压缩行程就会消耗 较多的功。由于点火过早，使最后燃烧部分混合气在燃烧前受到 高温高压的影响，容易引起爆燃。（一）汽油机
2、爆震燃烧产生的机理在过高的高温高压作用下，有时离火花塞最远的那部分 混合气以远超过正常火焰传播的速度，使未燃的混合气瞬间 燃烧完毕。由于燃烧极为迅速，气体容积来不及膨胀，而温 度和压力则急剧增加，这样，压力来不及传给气缸内其他部 分气体，形成气缸内部局部气体压力增高，生成压力波。这 种压力波以超音速传播，撞击燃烧室壁、活塞、气缸壁而使 之振动，发出尖锐的敲击声。这种现象就是爆震燃烧，简称 爆燃或爆震。发动机工作时，如果持续产生爆燃，不但引起汽缸体、 汽缸盖和进气歧管等薄壁构件的高频振动，以及运动机构的 冲击载荷，产生很大噪声最终导致机件损坏，而且火花塞电 极或活塞很可能产生过热、熔损等现象，造
3、成发动机严重故 障，因此必须防止爆燃的产生。 1）改进燃烧室和进气系统结构（二） 爆震燃烧的控制方法2） 改变燃油品质 发动机发出最大转矩的点火刻(MBT)是在开始发生爆震 点火时刻 (爆震界限)附近。对无爆震控制的点火系统，为了防止爆震的产生，其点 火时刻的设定远离爆震边缘，这势必会降低发动机的效率， 增加燃油消耗。具有爆震控制功能的点火系统能使点火时刻到爆震边缘 只有一个较小的余量，这样既可控制爆震的发生，又能更有 效地得到发动机的输出功率。这一功能是由点火控制系统 ECU来完成的。 3）精确控制点火时刻由于爆燃和点火时刻有密切关系，在一定范围内点火时 刻提前，燃烧的最大压力就高，因而容易
4、产生爆燃。如图所 示为爆燃与点火时刻及发动机转矩的关系。爆燃与点火时刻及发动机转矩的关系爆燃范围安全余量有爆燃控制无爆燃控制有爆燃控制无爆燃控制点 火 时 刻转 矩发动机发出最大转矩的点火时刻（MBT）是在开始产生 爆燃的点火时刻的附近。因此在设定点火时刻时，应留有离 开爆燃极限的安全余量。无爆燃控制时，为使其在最恶劣的条件下，如使用劣质 燃油、发动机磨损、燃烧室内积碳等也不致产生爆燃，因此 留的安全余量就更大些，这时的点火时刻比发出最大转矩时 的点火时刻滞后较多，故转矩降低。若用爆燃传感器能检测到爆燃，就可以把点火时刻控制 到接近爆燃极限的位置，以便能更充分发挥发动机的潜力。尤其是在装有废气
5、涡轮增压器的发动机上，由于使用绝 热增压的空气燃烧，发生爆燃的可能性更大，更需采用爆燃 控制。这样可以同时控制点火提前角推迟和打开废气旁通阀 降低增压压力，更有效的抑制燃烧。（三） 爆燃控制系统ECUESA Electronic Spark Advance，点火提前角1. 爆燃控制系统的组成电压元件 圆 盘电压元件平衡块电 器 连接装置外壳爆 燃 传感器火花塞电 器 连接装置外壳 安装螺纹 共振型非共振型火花塞金属垫座型2.爆燃传感器的类型1）压力传感器型：利用各缸火花塞的垫圈部位各装一个压电元件来检测爆燃信息。 2）振动传感器型：在发动机汽缸或进气岐管上对爆燃引起振动较灵敏的部位装爆燃传感器
6、，一般四缸机装一个，六缸机和V型六缸机装两个。振动传感器型又分为非共振型和共振型两类，在第二节介绍其结构和原理。爆燃传感器Bosch Knock sensorGM Knock SensorBMW Knock Sensor3. 爆燃控制的判断传 感 器 输 出 电 压 V产生爆燃频率 / kHz无爆燃发动机转速一定1）爆燃信号的判断2）ECU中的爆燃判别电路3）爆燃判别的范围判断范围爆燃传感器信号曲轴位置信号各缸上止点 0240第一缸第五缸第三缸第六缸360120爆燃 爆 燃 判 别 的 范 围爆燃判断范围 以外强振信号爆燃判断范围点火信号爆燃传感器 输出信号爆燃判断基准值爆燃判断范围爆 燃 判
7、断值点火点火强 度 大爆 燃 强 度 的 判 断4）爆燃强度的判断4）点火提前角闭环控制CA crank angle 曲轴转轴转 角爆燃判断信号逐渐减小 点火提前角逐渐增大点火提前角爆燃未发生时段爆燃发生 时 段MBT点 火 提 前 角 闭 环 控 制时 间点 火 提 前 角 CA二、碰撞传感器安全气囊SRS(Supplemental Restraint Systems)是汽车上 一种常见的被动安全装置。气囊的作用是在驾驶员与方向盘 之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞 击而受伤。安全气囊系统一般由传感器、电控单元(ECU)、气囊模 块(包括气体发生器、气囊、点火器) 、监控装
8、置、储备电源 等组成。碰撞传感器ECU气体发生器气囊碰撞传感器有机电结合式、电子式和水银开关式。（一）碰撞传感器的种类1.碰撞传感器按功能分为：1）碰撞烈度传感器：用于检测汽车受碰撞程度。该传感器按安装位置分为：左前碰撞传感器、右前碰撞传感器和中央碰撞传感器。2）碰撞防护传感器：用于防止安全气囊产生误胀开。又称为安全碰撞传感器或侦测碰撞传感器。2. 碰撞传感器按结构分为：1）机电结合式：利用机械运动使电气触点的通断开来控制安全气囊电路。其结构有滚球式、滚轴式和偏心锤式。 2）电子式：利用碰撞时应变电阻的变形使其电阻值变化；或压电晶体受力使输出电压变化来控制安全气囊电路。 3）水银开关式：利用水
9、银的导电特性控制安全气囊电路。三种类型碰撞传感器的工作原理：1.碰撞传感器的作用：检测汽车发生碰撞时的极大减速度下的惯性力，并将 检测信号输入到安全气囊系统的电子控制装置。（二）碰撞传感器的作用和安装2.碰撞传感器的安装：在安全气囊系统中，一般安装 3 4 碰撞传感器。安装 部位通常在车身两侧前翼子板内侧、前照灯支架下、发动机左前碰撞 传感器SRS指示灯安全气囊 电 脑安全气囊组件盘簧电缆右前碰撞 传感器散热器支架左右 两侧，驾驶室仪 表板和杂物箱下 方等处。如图是丰田 汽车SRS部件的 安装位置。左前碰撞 传感器SRS指示灯安全气囊组件盘簧电缆安全气囊电 脑右前碰撞 传感器喇叭线插头去巡航开
10、关熔断器本田市民汽车SRS部件的安装位置中央碰撞传感器前碰撞传感器备用电池气囊安全气囊组件安全气囊安装位置第二节 爆燃传感器1.共振型磁致伸缩式爆燃传感器的结构和原理一、爆燃传感器的结构原理与检测 （一）爆燃传感器的结构、原理1)传感器的结构接线柱磁性软壳弹簧 线圈罩绝缘体磁致伸缩杆永久磁铁（发动机转速一定）传 感 器 输 出 电 压 V无爆燃频率 / kHz有爆燃2)传感器的原理发动机爆燃时引起发动 机机体振动，磁心受振动移 动使线圈内的磁感应线发生 变化，根据电磁感应原理， 线圈内的磁通量变化，线圈 产生感应电动势，即传感器 的输出电压信号。传感器的输出电压与发 动机的振动频率有关，当传
11、感器的固有振动频率与的振 动频率相同时，传感器输出 的信号电压最大。2.共振型压电式爆燃传感器的结、构原理1)传感器的结构连接器压电元件O型环振荡片密封剂引线端头O型环接头外壳基座基座压电元件振荡片振动传 感 器 输 出 电 压 mV判定爆燃频率 / kHz特定频率2)传感器的原理当发动机发生爆燃 时，当发动机振动频率 与振荡片固有频率相符 时，振荡片产生共振， 压电元件输出的电压信 号明显增大，该传感器 在发动机发生爆燃时输 出电压值较高，易于测 量。 3.非共振型压电式爆燃传感器的结构、原理结构示意图壳体配重压电 晶体引出线安装位置汽缸体传感器1)传感器的结构与共振式相比，非 共振式内部无
12、震荡片， 但设一个配重块，以一 定的预紧压力压紧在压 电元件上。当发动机发 生爆燃时，配重块以正 比于振动加速度的交变 力施加在压电元件上， 压力元件则将此压力信 号转变成电信号输送给 ECU。 2)传感器的原理频率（kHz）传 感 器 输 出 电 压 mV4.火花塞座金属垫型爆燃传感器的结构、原理壳体爆燃传感器 输 出引线火花塞环形传感器结构示意图安装位置汽缸盖燃烧压力 波 形1)传感器的结构（二）爆燃传感器的检测1.万用表检测2.示波器检测第三节 碰撞传感器碰撞传感器是安全气囊系统中的控制信号输入装置。其 作用是在汽车发生碰撞时，由碰撞传感器检测汽车碰撞的强 度信号，并将信号输入安全气囊电
13、脑，安全气囊电脑根据碰 撞传感器的信号来判定是否引爆充气元件使气囊充气。碰撞传感器多数采用惯性式机械开关结构，相当一只控 制开关，其工作状态取决于汽车碰撞时减速度的大小。按结 构可分为机械式和电子式两种。机械式有滚球式、滚轴式、 偏心球式。碰撞传感器分为碰撞烈度传感器、安全碰撞传感器。一、碰撞传感器的结构、原理1）滚球式的结构（一）碰撞传感器滚球壳体触点导缸磁铁1.滚球式的结构、原理2）滚球式的工作原理滚球壳体触点静止状态永久磁铁合力惯性力磁力触点碰撞状态2.偏心锤式传感器的结构、原理 1）偏心锤式传感器的结构电阻 (自检用)传感器总成旋转触点 外壳 偏心重块偏心转子固定触点游丝2）偏心锤式传
14、感器的工作原理传感器触点旋转触点旋转触点固定触点游丝加力偏心重块偏心转子减速止动器静止状态碰撞状态ON ON3.滚轴式碰撞传感器的结构、原理底座片状弹簧滚轴滚动触点固定触点止动销静止状态碰撞状态减速 滚动触点固定触点ON4.电子式传感器的结构、原理汽车遭受碰撞后，应变片在悬臂架 惯性力的作用下弯曲变形而电阻值随之 发生变化，传感器输出端的电压信号发 生变化，SRS的ECU根据输出电压信号 判断汽车的碰撞强度，确定是否打开安 全气囊。传 感 器 架动态 应变仪前方减速度方向 悬臂架电路图半导体 应变片外形图 中央传感器器5.电阻应变计式碰撞传感器的结构、原理汽车遭受碰撞后，振动块振动，缓冲介质随
15、之振动，应 变计的应变电阻变形而电阻值随之发生变化，传感器输出端 的电压信号发生变化，SRS的ECU根据输出电压信号判断汽 车的碰撞强度，确定是否打开安全气囊。底板 密封壳体电子电路电阻应变计振动块 缓冲介质硅膜片电阻应变计传感器结构电路原理6.压电效应式碰撞传感器的结构、原理汽车遭受碰撞后，传感器中的压电晶体在惯性力的作用 下晶体发生形变，使其输出电压信号发生变化，SRS的ECU 根据输出电压信号判断汽车的碰撞强度，确定是否打开安全 气囊。（二）安全传感器（防护传感器）水银(正常位置)减速度方向接通电源外壳 触点 水银(碰撞时位置)接点火器利用水银良好的导电性，在汽车碰撞时，水银向上的 惯性
16、分力将抛向传感器电极，使电极接通，从而接通点火 器电源。原理：二、碰撞传感器的检测1) 气囊系统的故障征兆难以确诊，所以诊断代码就成为故障排除时最重要的信息来源。在脱开蓄电池之前，一定要先检查诊断代码。 2) 检查时断开点火开关，如车辆允许拆去蓄电池负极，最好将电源断开，应在拆下负极 90s 或更长时间才开始。因为气囊系统配有各用电源，在拆下蓄电池负极后 90s 内安全气囊仍有可能张开。 3) 即使只发生轻微的碰撞且气囊并未张开，也应对前碰撞传感器和方向盘缓冲垫进行检查。 4) 不要将前气囊传感器、中央安全气囊传感器总成和方向盘衬垫直接露在热空气和火焰前。 5) 在检测电路时，应使用高阻抗的万用表进行测量。6) 在气囊的零部件上均附有说明标牌，所列的注意事项在作业时均应严格遵照执行。 7) 将气囊的接线插头拔出后，用一根小铜线将气囊接头短接。 8) 千万不能测量气囊充气元件引爆管电阻，以免引起气囊系统误爆。应当采取先分解检测部件的方式，逐步查找。 9) 气囊系统是很灵敏的装置，检查时稍有不慎，都可能会引爆气囊，造成不必要的损
