爆震傳感器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識及其設(shè)置方法

如果點(diǎn)火時間不正確或部件存在故障，發(fā)動機(jī)汽缸就會發(fā)生爆震。現(xiàn)代汽車在發(fā)動機(jī)上安裝了爆震傳感器系統(tǒng)，可最大限度減少爆震，進(jìn)而可最大限度延長發(fā)動機(jī)使用壽命，提高功率并改善燃油效率。本文將討論發(fā)動機(jī)爆震基礎(chǔ)知識以及設(shè)置爆震傳感器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方法。

發(fā)動機(jī)爆震基礎(chǔ)知識

發(fā)動機(jī)爆震是指氣缸中的燃料空氣混合物非受控點(diǎn)燃，而不是由火花塞點(diǎn)燃。發(fā)動機(jī)爆震會顯著增大汽缸壓力，破壞發(fā)動機(jī)部件，導(dǎo)致發(fā)出一聲“砰”響。

在正常燃燒狀態(tài)下，內(nèi)燃機(jī)以受控方式燃燒燃料空氣混合物。燃燒應(yīng)該在活塞通過正上方頂點(diǎn)之前啟動幾個曲軸角度。這種定時提前非常必要，因為燃料空氣混合物完全燃燒需要一定時間，而且該時間隨發(fā)動機(jī)速度及負(fù)載變化而變化。如果定時合適，最大汽缸壓力將在活塞通過正上方頂點(diǎn)之后產(chǎn)生幾個曲軸角度。完全燃燒的燃料空氣混合物隨后以最大力量推動活塞下行，形成每個周期對曲軸施加的最大扭矩。當(dāng)前的發(fā)動機(jī)經(jīng)過精心設(shè)計，不僅可最小化排放，而且還可最大限度提高功率與燃油經(jīng)濟(jì)性。通過優(yōu)化點(diǎn)火火花定時，可最大化扭矩，從而可實現(xiàn)這一應(yīng)用。通過這種定時控制，火花塞不僅可從著火點(diǎn)到汽缸壁點(diǎn)燃燃料空氣混合物，而且還能夠以一定速率均勻燃燒。如果偏離正常燃燒，比如點(diǎn)火過快，就會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆震。而且在極端情況下會造成發(fā)動機(jī)永久性損壞。其它引起發(fā)動機(jī)爆震的情況包括使用錯誤辛烷值汽油或次品點(diǎn)火部件。

信號調(diào)節(jié)器接口

現(xiàn)代汽車都有爆震傳感器系統(tǒng)，用來檢測越過正上方頂點(diǎn)之后特定時間內(nèi)每個汽缸的爆震情況，稱為爆震窗口。該系統(tǒng)通常由壓電傳感元件和信號調(diào)節(jié)器構(gòu)成。傳感器可檢測振動，而信號處理器則可處理信號，并將電壓信號發(fā)送給發(fā)動機(jī)控制模塊。該模塊可解讀爆震信號，因而不僅可控制定時，而且還可提高發(fā)動機(jī)效率。爆震傳感器一般安裝在發(fā)動機(jī)缸體上(圖1)。

圖1：安裝在發(fā)動機(jī)缸體上的爆震傳感器

圖2：帶系數(shù)的 TPIC8101 方框圖

圖2所示的簡化圖是德州儀器 (TI) 提供的TPIC8101雙通道高集成信號調(diào)節(jié)器接口，其可用于連接爆震傳感元件和發(fā)動機(jī)控制模塊。兩個內(nèi)部寬帶放大器(圖3)可為壓電傳感器提供接口。放大器的輸出提供給通道選擇多路復(fù)用器開關(guān)(圖2)，然后提供給三階去假信號濾波器 (AAF)。該信號隨后在可編程增益級之前使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 完成轉(zhuǎn)換。增益級可將該信號饋送給可編程帶通濾波器，用于處理與發(fā)動機(jī)和爆震傳感器有關(guān)的特定頻率組分。帶通濾波器的輸出經(jīng)全波整流后，可根據(jù)編程后的時間常數(shù)和積分時間周期完成積分運(yùn)算。啟動每個爆震窗口時，積分器輸出復(fù)位。積分信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 轉(zhuǎn)換為模擬格式，但可直接連接至微處理器。該處理器不僅可讀取數(shù)據(jù)，而且還可調(diào)節(jié)火花點(diǎn)火定時，從而可在減輕爆震的同時，根據(jù)負(fù)載及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化燃油效率。

圖3：輸入放大器接口詳情

積分器工作從0到B執(zhí)行N次。這將覆蓋輸入的正極。全波整流隨后可通過其它增益系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。替換VIN，從0到1/fBP積分。

表1：TPIC8101產(chǎn)品說明書中第10頁的部分SPI查找表

圖4：GUI值

圖5：示例波形

在振動器頻率中輸入6MHz，在通道數(shù)量中輸入1。GUI值應(yīng)該與圖4中所示的相似。

按以上步驟操作可得出圖5所示的波形。對于不同幅度調(diào)制的更多波形，請參閱參考1中的TIDA-00152參考設(shè)計測試數(shù)據(jù)。

結(jié)論

要實現(xiàn)理想的發(fā)動機(jī)性能并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行保護(hù)，必須執(zhí)行發(fā)動機(jī)爆震控制。TPIC8101爆震傳感器接口的雙通道輸入和高級信號調(diào)節(jié)功能可降低發(fā)動機(jī)控制模塊上的處理負(fù)載。