基于帕萨特18T爆震传感器的基本原理 及常见故障分析毕业论文.docx

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基于帕萨特18T爆震传感器的基本原理及常见故障分析毕业论文

本科毕业论文（设计）

基于帕萨特1.8T爆震传感器的基本原理

及常见故障分析

院部：

机械工程学院

专业：

汽车服务工程

班级：

09汽车服务工程

学号：

091406401057

学生姓名：

包飞

指导教师：

刘洁

完成时间:

2012年3月13日

2013年3月13日

基于帕萨特1.8T爆震传感器的基本原理

及常见故障分析

摘要

汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件，在汽车上得到了广泛地应用。

它的市场应用现状、基本原理、常见故障、未来发展趋势等都与汽车维修息息相关。

汽车传感器是汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。

内燃机强烈爆震是一种不正常的燃烧方式，它会使发动机工作粗暴，功率下降，燃油经济性降低，还会缩短内燃机的使用寿命。

而爆震传感器作为发动机的“神经末梢”能够传递爆震的信号特征，从而使ECU判断出爆震信息，发动机采用合适的点火提前角，从而让发动机工作在比较理想的工况下。

本文将从爆震传感器基本工作原理、构造及常见故障分析论述爆震传感器，力图给汽车维修人员及汽车维修爱好者提供可靠的参考资料。

关键词：

汽车，爆震，原理，结构，故障，传感器

ThebasicprincipleofPassat1.8Tknocksensorbasedon

Analysisandcommonfault

Abstract

Thekeypartsofautomobilesensorasthevehicleelectroniccontrolsystem,hasbeenwidelyappliedinautomobile.Currentsituation,marketapplicationofitsbasicprinciple,commonfaults,thefuturetrendofdevelopmentareallcloselyrelatedwithautorepair.Automotiveelectroniccontrolsystemofautomobilesensoristhesourceofinformation,isoneofthecorecontentofautomotiveelectronictechnologyresearchfield.

Strongdetonationinternalcombustionengineisakindofabnormalcombustionmode,itwillmaketheengineworkrough,powerdown,fueleconomy,reducetheservicelifeofinternalcombustionengine,butalsoshorten.Thesignalcharacteristicofknocksensorastheengineofthe"nerveending"cantransferknock,sotheECUjudgeknockinformation,theengineusingtheappropriateignitionadvanceangle,tomaketheengineworkunderidealconditions.

Thispaperwillanalyzefromthebasicworkofknocksensorprinciple,structureandcommonfaultoftheknocksensor,tryingtoprovidethevehiclemaintenanceandrepairpersonnelandvehiclerepairloverstoprovidereliablereferencedata.

Keywords:

automobile,knock,principle,structure,fault,sensor

第1章绪论

1.1课题研究的背景

现代汽车已经与人们日常生活紧密的联系在一起，随着现代文明的不断发展，汽车不仅仅作为交通工具，而是形成了丰富多彩的汽车文化。

人们对汽车的安全性、舒适性、动力性、经济性等各项指标要求越来越高，这就对汽车技术提出了更高的要求。

而一代代汽车人也不负众望，开发出了发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统等新技术，使汽车的各项指标都得到了显著的改善。

在各个控制系统的协同工作下，使汽车的自动化程度越来越高。

各个控制系统的核心是电子控制系统,其根据各种性能指标来确定各系统最佳特性,使汽车具有较大的柔性,可以相适应于各种工况、环境和状态,自动作响应调整和补偿,把汽车始终保持在最优工况运行。

传感器作为电子控制系统的“神经末梢”能够传递各种信号特征，信号将传递至ECU,为ECU判断处理提供依据。

由此可知传感器已成为现代汽车必不可少的部件，是各控制系统的关键部件。

随着汽车工业的快速发展以及世界性能源问题的日益突出，汽车发动机制造厂商采用更高的压缩比来提高燃油经济性，更高的压缩比势必导致发动机的爆震可能性增大，所以就对识别爆震的精确度提出了更高的要求。

汽车发动机在爆震的过程中势必会产生一些物理的或化学的特征信号，这样就可以通过采集信号特征对发动机的爆震进行精确的识别，通过对不同的特征信号的检查就使得有不同的检测爆震的方法。

作为爆震信号的测量结果，要可以精确的表现出爆震的特征信息来提高发

动机的实时控制性，以提高发动机运行工况的稳定性。

国内外对爆震检测的方法多种多样，例如声音检测法、压力检测法、振动检测法、燃烧光强度测量法、高速摄影法、离子电流法等，但是基本上还只是停留在实验室阶段，距离用于企业规模化生产还有一定的距离，通过研究发现，目前，采用振动检测法来检测爆震最适合为企业批量生产提供支持。

如今国内使用的爆震传感器多数是来自进口或合资厂生产的，所以关于爆震传感器的一些关键性技术并未被国内掌握。

1.2课题研究的目的与意义

汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件，在汽车上得到了广泛地应用。

它的市场应用现状技术、态势、基本原理、常见故障、未来发展趋势等都与汽车维修息息相关。

常用的爆震传感器有两种，一种是压电式爆震传感器，另一种是磁致伸缩式爆震传感器。

图1-1为帕萨特1.8T发动机实训平台外观图，本文主要是在帕萨特1.8T发动机的实训平台上对爆震传感器的工作原理以及常见故障进行分析，对爆震传感器的结构进行介绍，以此辐射其他车型爆震传感器的检测维修方法。

通过电控实训平台对故障的模拟检测，能避免我们纸上谈兵，为今后的工作学习提供一些现实理论依据。

图1-1帕萨特1.8T发动机实训平台外观图

第2章爆震传感器

2.1爆震

在研究爆震传感器之前，我们得首先知道发动机爆震到底是怎么回事，爆震的含义、危害以及发生爆震的原因将直接关系到爆震传感器的研究意义以及研究方向。

机理

汽油机可燃混合气在压缩行程到达设计的点火时刻被火花塞点燃。

在正常燃烧的工况下，有火焰前锋，火焰从火花塞一端逐层向外传播到远离火花塞的末端，直至燃烧完毕。

若在火焰传播的过程中，在火焰前锋到达之前，末端可燃混合气的温度、压力超过过临界温度、压力而自行燃烧，形成新的火焰中心，火焰传播速度达可以到800-1000m/s,导致缸内局部温度、压力急剧升高，压力一时无法平衡，形成巨大的冲击波，冲击波反复撞击缸壁，并发生强烈的震荡，在气缸内产生清脆的金属敲击声，称这种因不正常燃烧而产生的现象为爆震。

发动机的燃烧是十分复杂的，所以需要有非常精确的设计与控制，稍有一点控制失误或失常，就会产生不正常燃烧，“爆震”就是一种不正常燃烧，可以简单的说，爆震是不正常燃烧所导致的燃烧室内的压力失常。

汽油机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，进入气缸内的可燃混合气燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出废气的成分，而燃烧的时间又关系到热量的利用和气缸压力的变化，而爆震作为一种不正常的燃烧现象，势必将会影响到汽油机经济性、动力性和排放物的成分，对噪声、振动、启动性能和使用寿命也有很大的影响。

爆震的危害大致表现在以下几个方面：

1）机件过载及烧损爆震时产生的强烈冲击波使发动机内的连杆、活塞等部件受损加剧，严重时导致机件变形，发动机的噪声增大，局部高温导致气门、活塞烧蚀，这些现象不仅影响了发动机的动力性，而且也缩短了发动机的使用寿命。

2）润滑变差爆震时发动机过热，润滑油在处于高温的情况下将会导致润滑效果变差，使发动机内各运动部件磨损加剧。

3）积碳增多发生爆震时高温裂解的碳粒形成积碳，不正常燃烧会使燃烧室内的积碳不断增多，影响气缸内可燃混合气的正常导致燃烧，导致排气管冒黑烟，严重的污染环境，积碳还会使燃烧室内的传热性能变差，导致缸盖受热不均匀而产生裂纹，积碳还可能导致表面点火，使燃烧状况恶化，使发动机的功率下降，这样就形成了一个恶性循环，大大减少了发动机的使用寿命。

4）油耗上升爆震时可燃混合气燃烧所产生的能量损失严重，导致发动机油耗上升，降低了发动机的经济性。

然而并不是所有的爆震都是有害的，轻微的爆震反而能够提高发动机的功率率。

爆震是发动机的一种不正常的工作状态。

发动机气缸内的可燃混合气在燃烧室内燃烧，其火焰是由点火点以“波”的方式向四周扩散，所以从点火到可燃混合气完全燃烧需要一段短暂的时间。

可燃混合气虽然需要靠火花塞点燃，但是过于高温、高压的环境也会使混合气发生自燃。

一般的爆震是因为燃烧室内的混合气被火花塞点燃后，火焰尚未完全扩散，远离点火点的混合气因高温或者高压自行燃烧，所以造成爆震的最主要的因素如下：

1）点火角过于提前点火提前角是指从火花塞发出电火花到上止点的曲轴转角。

因为火焰的传播需要一段短暂的时间，而为了发动机在压缩冲程结束后进入做功冲程时立即获得动力，通常都会在活塞到达上止点前提前点火。

而过于提前的点火会导致活塞还未到达上止点时，大部分的混合气已经燃烧，而此时远程未燃烧的混合气会承受极大的压力而自燃，从而造成爆震。

2）压缩比过大压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比。

压缩比的大小可以表示活塞由下止点到上止点时，气缸内的气体被压缩的程度。

压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高，可燃混合气就越容易自燃，爆震的可能性也就越大。

3）发动机过度积碳发动机燃烧室内的积碳过多时，发动机在压缩行程终了时产生高温高压，而发动机内的积碳产生高温热点，导致可燃混合气自燃，从而使发动机爆震。

4）发动机温度过高当发动机温度的过高，吸气冲程时混合气进入气缸后将会被高温的气缸或者残留的火焰点燃，形成表面点火或者爆震。

5）燃油辛烷值过低辛烷值是表示点燃式发动机燃料抗爆性的一个约定数，在规定条件下的标准发动机实验中，通过与标准燃料进行比较来测定，采用和被测定燃料具有相同抗爆性的标准燃料中异辛烷的体积百分数表示。

辛烷值越高，抗爆性越强。

压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若使用抗爆性低的燃油，则容易发生爆震。

2.2爆感震传器的结构及原理

随着现代汽车电子控制技术的发展，发动机的点火时刻已能做到适时控制。

点火时刻的闭环控制是采用爆震传感器来检测发动机是否发生爆震作为反馈信号，从而决定发动机的点火时刻是提前还是迟后，达到控制爆震的目的。

图3-1为点火提前角反馈控制系统图。

由图可见爆震传感器是点火时刻闭环控制系统必不可少的重要组成部分，它的功能是将检测到的发动机爆震信号转变成电信号输入ECU,ECU根据爆震信号进行分析比较对点火提前角进行适时修正，从而使点火提前角在任何工况下都保持在最佳值。

反馈信号

图2-1点火提前角反馈控制系统图

图2-2爆震控制的输入处理回路

1-爆震传感器；2-滤波电路；3-峰值检测；4-比较基极能量级计算；5-爆震判定；

6-爆震判定区间信号；7-爆震信号；8-微机

爆震的控制是通过ECU、爆震传感器、点火模块等共同完成的。

图3-2为爆震控制的输入处理回路，由图可知爆震传感器把信号输入ECU后通过滤波电路进行滤波处理，并判定有无爆震产生。

图3-3为爆震处理控制时间图，在发动机的工作过程中，因为爆震只发生在燃烧阶段，为了避免外界干扰信号对爆震传感器引起误检测，所以只在爆震判定期进行判定处理。

ECU程序对爆震信号进行分析处理实现对爆震的控制，在检测到爆震时，立即推迟点火提前角。

ECU通常把爆震强度分为若干等级，当爆震发生时，ECU通过判定爆震发生的强度等级以推迟点火时间，当爆震强度越大，推迟量就大，反之越小。

当爆震停止时，点火提前角逐渐增大以提高功率，直至爆震再次发生为止，如此循环往复，从而到达对爆震的控制，闭环控制调整点火提前角的方式如3-4图。

图2-3爆震控制处理时间图图2-4点火提前角的调整方式

1-爆震判定期；2-爆震判定基准值；

3-爆震传感器输出信号；4-爆震判定值

发动机爆震的检测方法有很多，例如声音检测法、压力检测法、振动检测法、燃烧光强度测量法、高速摄影法、离子电流法等。

目前在汽车发动机上国内外常用的检测方法是振动检测法。

采用发动机机体振动检测法的爆震传感器有共振型和非共振型两大类，共振型又分为磁致伸缩式和压电式两种，非共振型仅有压电式爆震传感器。

下面介绍一下常见3种类型传感器的结构及基本原理：

1）非共振型压电式爆震传感器

图2-6为非共振型压电式爆震传感器结构图，当发动机产生爆震时，发动机缸体出现振动且振动传递到传感器壳体上时，惯性配重因受振动影响而产生加速度，壳体与平衡重之间产生相对运动，夹在这两者之间的压电元件所受的压力发生变化，从而产生电压信号。

图2-5为非共振型压电式爆震传感器输出电压与频率的关系图，由图知，在发动机爆震发生时，这种传感器输出的电压不大，具有平缓的输出特性，所以，需要将反映发动机振动频率的输出电压信号输送到识别爆震的滤波器中，从而判别有无爆震的产生，ECU经过进一步检测，并根据其值的大小判断爆震强度等级。

因为其接收的信号为间接信号，所以这也注定其灵敏度不是很高。

图2-5非共振型压电式爆震传感器输出电压与频率的关系

图2-6非共振型压电式爆震传感器结构图

2）共振型磁致伸缩式爆震传感器

图2-7为共振型磁致伸缩式爆震传感器，该传感器在高镍合金组成的磁心外侧设有永磁铁，在其周围绕有感应线圈，由于发动机爆震而使机体产生振动，磁心受振偏移致使感应线圈内的磁力线发生变化。

根据电磁感应原理，通过线圈的磁通量发生变化，线圈内将产生感应电动势，此电动势即为爆震传感器的输出电压信号。

输出电压的大小与发动机的振动频率有关，当传感器固有振动频率与发动机的振动频率相同时将产生谐振。

这时，传感器将输出最大电压信号。

端子

软磁套

图2-7共振型磁致伸缩式爆震传感器结构图

3）共振型压电式爆震传感器

图2-8为共振型压电式爆震传感器结构图，该传感器中压电元件与振荡片紧密地贴合，振荡片则固定在传感器的基座上。

振荡片随发动机的振动而振荡，压电元件受到波及，其变形产生电压信号。

当发动机爆震时的振动频率与振荡片的固有频率相符合时，振荡片产生共振。

此时，压电元件将产生最大的电压信号。

该爆震传感器在发动机爆震时输出的电压比较高，因此无需使用滤波器即可判别有无爆震产生。

振动

基座

图2-8共振型压电式爆震传感器结构图

由上面三种类型的传感器的结构及工作原理可以看出，ECU所接收到的信号为间接信号，所以整个控制过程可能存在一种迟滞现象。

未来爆震传感器的发展方向应该是朝着更为直接的监测燃烧情况进行的，为爆震控制提供更直接的监测数据，从而更有效的消除爆震。

目前国内使用的爆震传感器大部分是进口的或者合资厂生产的，这就使得关于爆震传感器的关键性技术掌握在别国的手中，我国的科研者要实现对技术的后发赶超，就必须对爆震传感器进行深入的研究。

爆震的检测主要有声音检测法、压力检测法、振动检测法、燃烧光强度测量法、高速摄影法、离子电流法等。

目前主流的是振动检测法，但因为其采集的是间接信号，所以对爆震的控制会存在迟滞现象，笔者认为，必须对混合气的燃烧状况进行实时监控才能缩短ECU的反映时间，从而更好的控制爆震。

所以高速摄影法和离子电流法将成为科研者的主要研究方向。

目前使用的调节点火提前角控制爆震的方法，虽然有效的控制了爆震，但在一定程度上降低了发动机的动力性，我们也期望在未来出现更多的控制爆震的方法，使汽车的动力性、经济性、舒适性等都得到更好的改善。

然而一项新技术从研发到投入市场是需要无数的科研者投入无限的热情与心血而成就的，我们希望在不久后便看到对爆震的监控更为精确的爆震传感器。

若要使用高速摄影法和离子电流法，其所产生的信息量也是庞大的，这必然加重ECU的负担，这就要求ECU的管理能力更强。

在未来的汽车上，智能化将是必然的发展趋势，到那时，汽车的动力性与经济性等指标都肯定会有显著的提升。

第三章帕萨特1.8T发动机爆震传感器

3.1帕萨特1.8T发动机爆震传感器概述

在帕萨特1.8T发动机上装的是非共振型压电式爆震传感器，其结构如图3-1所示，它由压电元件、惯性配重、套筒底座、壳体、传感器信号线、插头等组成。

该传感器结构简单，制造时不需要调整。

图3-1非共振型压电式爆震传感器结构图

帕萨特1.8T发动机爆震传感器（KNK）安装在进气管侧汽缸体上部，一个在第1、2缸之间，另一个在第3、4缸之间，图3-2为帕萨特1.8T发动机2号爆震传感器安装位置。

图3-3为爆震传感器的插头与插座，由图可知其有3个接线端子，其中1、2号为信号端子，3号为屏蔽线端子。

轻击缸体爆震传感器就有信号产生，能将发动机的爆震情况转换成电信号输入ECU，ECU收到爆震信号后将根据爆震强度推迟点火时间，从而修正点火提前角，并能单独的对每一缸进行最佳点火提前角的控制，以清除发动机爆震现象的发生，保证发动机输出的功率高、油耗低，图3-4帕萨特1.8T爆震传感器与ECU的链接电路图。

图3-2帕萨特1.8T发动机2号爆震传感器安装位置

（a）爆震传感器插头（b）爆震传感器插座

图3-3爆震传感器插头与插座

图3-4帕萨特1.8T爆震传感器与ECU的链接电路图

图3-5爆震传感器电压波形图

3.2帕萨特1.8T发动机爆震传感器拆装

当检测到爆震传感器损坏时，维修人员只能将其更换，所以我们必须熟悉其拆装过程。

其拆装过程如下：

1）首先拆下发电机；

2）用内六角将爆震传感器拆下。

值得注意的是：

①传感器扭力只有20N·m（2Kg·m）；②屏蔽线不能破坏否则会受到外界干扰。

第4章爆震传感器的检测及常见故障分析

4.1电控系统维修须知

在维修电控系统时如若对各部件胡乱进行诊断，将可能会对电喷系统造成重大损伤，严重时将导致ECU烧坏，所以在检测电喷系统时必须遵守一定的规范：

一、一般须知

1）只允许使用数字万用表对电喷系统进行检查工作。

2）维修作业请使用正品零部件，否则无法保证电喷系统的正常工作。

3）维修过程中，只能使用无铅汽油。

4）请遵守规范的维修诊断流程进行维修作业。

5）维修过程中禁止对电喷系统的零部件进行分解拆卸作业。

6）维修过程中，拿电子元件（电子控制单元、传感器等）时，要非常小心，不能让它们掉到地上。

7）树立环境保护意识，对维修过程中产生的废弃物进行有效地处理。

二、维修过程注意事项

1）不要随意将电喷系统的任何零部件或其接插件从其安装位置上拆下，以免意外损坏或水份、油污等异物进入接插件内，影响电喷系统的正常工作。

2）当断开和接上接插件时，一定要将点火开关置于关闭位置，否则会损坏电器元件。

3）在进行故障的热态工况模拟和其它有可能使温度上升的维修作业时，决不要使电子控制单元的温度超过80℃。

4）连接蓄电池时蓄电池的正负极不能接错，以免损坏电子元件，本系统采用负极搭铁。

5）发动机运转时，不允许拆卸蓄电池电缆。

6）在汽车上实施电焊前，必须将蓄电池正极、负极电缆线及电子控制单元拆卸下来。

7）不要用刺穿导线表皮的方法来检测零部件输入输出的电信号。

三、爆震传感器检测推荐工具

图4-1汽车故障诊断仪

1）图4-1为汽车故障诊断仪，在电控系统的检测中起着越来越重要的作用，能够检测识别电控系统的故障点，当各机械部件修复时，清除ECU中的故障码，使系统正常运转。

图4-2数字示波器

2）图4-2为数字示波器的外形结构图，它是一种用途十分广泛的电子测量仪器。

它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。

图4-3数字万用表

3）图4-3为数字万用表，一种多用途电子测量仪器，一般包含安培计、电压表、欧姆计等功能。

4.2帕萨特1.8T爆震传感器的检测

在汽车上使用的压电式爆震传感器的检测方法基本相同，所以笔者在这里主要是以帕萨特1.8T电控系统的实验平台对爆震传感器的检测及常见故障进行分析研究。

对于压电式爆震传感器的检测，可以检测传感器线圈的电阻值是否符合标准值范围，也可以检测当发动机工作时传感器有无脉冲电压输出，还可以用示波器检测发动机怠速时爆震传感器的精确波形。

当爆震传感器故障时，在发动机爆震发生时ECU不能辨别爆震发生在哪一缸，为了防止爆震发生时损坏发动机，ECU停止爆震控制，并且不同转速时对各缸推迟点火提前角（最大可达15°），此时发动机输出功率明显下降。

爆震传感器常通过以下手段进行检测：

1）爆震传感器故障存在与否的检测

检测步骤：

①暖机；②暖机后怠速运转3min左右；③将空调打开（增大负荷），突然踩下油门提高转速至50000r/min，如此3次。

如爆震传感器故障存在，突然加速时发动机故障指示灯会亮。

2）爆震传感器的电阻检测

将点火开关置于“OFF”位置，把爆震传感器的信号线插头取下，用数字万用表欧姆档检测信号端子1与2、1与3、2与3之间的电阻，应为“∞”（不导通）；若为“0”（导通），说明爆震传感器已损坏，必须更换。

图4-4为用数字万用表对信号端子间的电阻检测图，此图说明该爆震传感器的电阻值合符规范。

（a）1与2号信号端子（b）1与3号信号端子

（c）2与3号信号端子

图4-4用数字万用表对信号端子间的电阻检测图

对于磁致伸缩式爆震传感器，还可以使用万用表欧姆档检测线圈的电阻，其电阻值应该符合规定值，否则说明传感已损坏，应立即更换。

3）爆震传感器输出信号的检测

将爆震传感器的信号线插头取下，在发动机怠速时用数字万用表电压档检测爆震传感器1、2号信号端子的电压，应有脉冲电压输出。

否则说明传感已损坏，应立即更换。

图4-5为数字万用表对1、2号信号端子电压的检测图。

而对于脉冲电压的测量，还可以通过示波器对波形的分析从而更加精确的判定爆震传感器的故障。

将爆震传感器从发动机上拆下，首先测量爆震传感器的静态波形，得到如图4-5所示波形。

然后敲击爆震传感器的压电元件，得到发动