爆震传感器信号调节系统的基础知识及其设置方法

作者：Yvette Tran，TI汽车系统应用工程师

如果点火时间不正确或部件存在故障，发动机汽缸就会发生爆震。现代汽车在发动机上安装了爆震传感器系统，可最大限度减少爆震，进而可最大限度延长发动机使用寿命，提高功率并改善燃油效率。本文将讨论发动机爆震基础知识以及设置爆震传感器信号调节系统的方法。

发动机爆震基础知识

发动机爆震是指气缸中的燃料空气混合物非受控点燃，而不是由火花塞点燃。发动机爆震会显著增大汽缸压力，破坏发动机部件，导致发出一声“砰”响。

在正常燃烧状态下，内燃机以受控方式燃烧燃料空气混合物。燃烧应该在活塞通过正上方顶点之前启动几个曲轴角度。这种定时提前非常必要，因为燃料空气混合物完全燃烧需要一定时间，而且该时间随发动机速度及负载变化而变化。如果定时合适，最大汽缸压力将在活塞通过正上方顶点之后产生几个曲轴角度。完全燃烧的燃料空气混合物随后以最大力量推动活塞下行，形成每个周期对曲轴施加的最大扭矩。当前的发动机经过精心设计，不仅可最小化排放，而且还可最大限度提高功率与燃油经济性。通过优化点火火花定时，可最大化扭矩，从而可实现这一应用。通过这种定时控制，火花塞不仅可从着火点到汽缸壁点燃燃料空气混合物，而且还能够以一定速率均匀燃烧。如果偏离正常燃烧，比如点火过快，就会导致发动机爆震。而且在极端情况下会造成发动机永久性损坏。其它引起发动机爆震的情况包括使用错误辛烷值汽油或次品点火部件。

信号调节器接口

现代汽车都有爆震传感器系统，用来检测越过正上方顶点之后特定时间内每个汽缸的爆震情况，称为爆震窗口。该系统通常由压电传感元件和信号调节器构成。传感器可检测振动，而信号处理器则可处理信号，并将电压信号发送给发动机控制模块。该模块可解读爆震信号，因而不仅可控制定时，而且还可提高发动机效率。爆震传感器一般安装在发动机缸体上(图1)。


图1：安装在发动机缸体上的爆震传感器


图2：带系数的 TPIC8101 方框图

图2所示的简化图是德州仪器 (TI) 提供的TPIC8101双通道高集成信号调节器接口，其可用于连接爆震传感元件和发动机控制模块。两个内部宽带放大器(图3)可为压电传感器提供接口。放大器的输出提供给通道选择多路复用器开关(图2)，然后提供给三阶去假信号滤波器 (AAF)。该信号随后在可编程增益级之前使用模数转换器 (ADC) 完成转换。增益级可将该信号馈送给可编程带通滤波器，用于处理与发动机和爆震传感器有关的特定频率组分。带通滤波器的输出经全波整流后，可根据编程后的时间常数和积分时间周期完成积分运算。启动每个爆震窗口时，积分器输出复位。积分信号通过数模转换器 (DAC) 转换为模拟格式，但可直接连接至微处理器。该处理器不仅可读取数据，而且还可调节火花点火定时，从而可在减轻爆震的同时，根据负载及发动机转速优化燃油效率。


图3：输入放大器接口详情



积分器工作从0到B执行N次。这将覆盖输入的正极。全波整流随后可通过其它增益系数进行补偿。替换VIN，从0到1/f_BP积分。





表1：TPIC8101产品说明书中第10页的部分SPI查找表



图4：GUI值


图5：示例波形

在振动器频率中输入6MHz，在通道数量中输入1。GUI值应该与图4中所示的相似。

按以上步骤操作可得出图5所示的波形。对于不同幅度调制的更多波形，请参阅参考1中的TIDA-00152参考设计测试数据。

结论

要实现理想的发动机性能并对发动机进行保护，必须执行发动机爆震控制。TPIC8101爆震传感器接口的双通道输入和高级信号调节功能可降低发动机控制模块上的处理负载。