传感器在发动机上的应用

qxlm

传感器在发动机上的应用

发动机传感器控制系统是整个汽车传感器的核心，它有包含的种类很多、温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、氧传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机工作状况的信息，供ECU对发动机工作状况进行精确计算控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。
由于发动机是在高温下工作(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿(100％RH，-40℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染等恶劣环境中，因此发动机控制系统的传感器必须能耐高温并在恶劣环境下的技术指数要比一般工业用传感器要高出1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。否则，由传感器带来的测量误差将最终会导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障因素等。
　　1、温度传感器：
　 温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化器内的温度等。温度传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。
　　已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃~130℃，精度1.5％，响应时间10ms；高温型600℃~1000℃，精度5％，响应时间10ms)、铁氧体式温度传感器(ON/OFF型，-40℃~120℃，精度2.0％)、金属或半导体膜空气式温度传感器(-40℃~150℃，精度2.0％、5％，响应时间20ms)等。
　　2、压力传感器：
　　压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT）、表面弹性波式（SAW）。
　　电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围20~100kPa，具有输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好等特点；压阻式压力传感器受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大量生产；LVDT式压力传感器有较大的输出，易于数字输出，但抗干扰性差；SAW式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作，它是一种较为理想的传感器。
3、流量传感器：
　　流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、启动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式（叶片式）、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。旋转翼片式（叶片式）空气流量计结构简单，测量精度较低，测得的空气流量需要进行温度补偿；卡门涡旋式空气流量计无可动部件，反映灵敏，精度较高，也需要进行温度补偿；热线式空气流量计测量精度高，无需温度补偿，但易受气体脉动的影响，易断丝；热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积少，适合大批量生产，成本低。空气流量传感器的主要技术指标为：工作范围0.11~103立方米/min，工作温度-40℃~120℃，精度≤1％。
　　燃料流量传感器用于检测燃料流量，主要有水轮式和循环球式，其动态范围0~60kg/h，工作温度-40℃~120℃，精度 1％，响应时间＜10ms。
　　4、位置和转速传感器：
　　位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车上使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围0 ~360 ，精度 0．5 以下，测弯曲角达 0．1 。
　　车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100km/h时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围0、5~250km/h，重复精度0、1％，距离测量误差优于0．3％。
　　5、气体浓度传感器：


　　气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中，最主要的是氧传感器，实用化的有氧化锆传感器(使用温度-40℃~900℃，精度1％)、氧化锆浓差电池型气体传感器(使用温度300℃~800℃)、固体电解质式氧化锆气体传感器(使用温度0℃~400℃，精度0．5％)，另外还有二氧化钛氧传感器。和氧化锆传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强的特点。 　　
6、氧传感器：
　 氧传感器的结构和原理发动机的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降。所以为了使装有三元催化转换装置的发动机达到最佳的排气净化性能，必须把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。氧传感器用于检测进入三元催化转换装置的排气气体状态，是使用三元催化转换装置发动机上必不可少的传感器。目前已在汽车上使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。


a、氧化锆式氧传感器：
氧化锆式氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆固体电解质，陶瓷体制成管状(锆管)，固定在带有安装螺纹的固定套中。锆管表面装有透气铂电极，配有护管及电线接头，其内表面与大气相通，外表面与废气相通，外表面还加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时(高于300℃)，氧气发生电离，如果在陶瓷体内(大气)外(废气)测的氧气浓度不同时，就会在2个铂电极表面产生电压降，含氧量高的一侧为高电位。当混合气稀时，排气中含氧多，两侧浓度差小，只产生小的电压；反之，混合气浓时，产生高电压。根据所测电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量，而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ECU根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即λ=1，所以这种传感器又称为λ传感器。 b、氧传感器的故障原因：
氧传感器产生故障会造成其反馈信号出现异常，从而使电脑失去对混合气空燃比的调节。若混合气控制比不精确，会使排气净化恶化，因而必须及时排除故障。
c、导致氧传感器出现故障的原因如下：
氧传感器破碎失效，氧传感器内部进入油污或尘埃等沉积物，使传感器信号失真；使用含铅汽油使传感器中毒，而使其失效；此外，传感器橡胶垫及涂剂也会使传感器失效；电加热器故障也可能造成传感器在发动机起动及低温时不工作。
d、氧传感器的检测：
氧传感器一般有单线、双线、三线、四线4种引线形式。单线为氧化锆式氧传感器；双线为氧化钛式氧传感器；三线和四线为氧化锆式氧传感器。三线和四线的区别：三线氧传感器的加热器负极和信号输出负极共用一根线，四线氧传感器的加热器负极和信号负极分别各用一根线。
7、爆震传感器：
爆震传感器是指燃烧室内的终然混合气所产生自燃的不正常现象,由于爆震会产生高强度的压力波冲击燃烧室,所以不仅能听到尖锐的金属声。还会对发动机的部件产生较大的影响。点火时间过早是产生爆震的的主要原因。为了使发动机以最大功率运行。最好能把点火时间提前到发动机刚好不至于发生爆震的极限范围,所以必须在点火系统中增设爆震传感器。




常见的爆震传感器主要是压电式,它安装在发动机的缸体上,这种传感器利用结晶体或者陶瓷多晶体的压电效应。也可利用掺杂硅的压电电阻效应等。传感器的外壳内装有压电元件/配重块及导线等。其原理是：当发动机的气缸体出现振动传递到传感器外壳时，外壳与配重块之间产生相对运动。使夹在中间的压电元件及配重块产生挤压发生变化，使其输出的电压信号发生变化，而控制组件仅能检测出7KHZ振动而形成的电压。根据此电压的大小来判断爆震强度。进而相应地把点火时间推迟，以避免爆震。


常见的爆震传感器有两种，一种是磁致伸缩式爆震传感器，另一种是压电式爆震传感器。
磁致伸缩式爆震传感器的外形与结构，其内部有永久磁铁、靠永久磁铁激磁的强磁性铁心以及铁心周围的线圈。其工作原理是：当发动机的气缸体出现振动时，该传感器在7kHz左右处与发动机产生共振，强磁性材料铁心的导磁率发生变化，致使永久磁铁穿过铁心的磁通密度也变化，从而在铁心周围的绕组中产生感应电动势，并将这一电信号输入ECU。
8、霍尔传感器：
霍尔传感器的工作原理：霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁场平衡式和直放式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈和放大电路等组成。
直放式电流传感器（开环式）众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为（4v）。
磁场平衡式；磁场平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈、放大器等组成。其工作原理是：由原边电流所产生的磁场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。
9、气门位置传感器TPS：
模拟式节气门位置传感器(TPS)是一个可变电阻(电位计)，大多数节气门位置传感器包含与节气门轴相联的滑动触点臂，该触点臂绕在可动触点的轴所设置的电阻材料上滑动。
节气门位置传感器是一个三线传感器。其中一线从电脑电源引来的5V电压对传感器电阻材料供电，另一线连接电阻材料的另一端为传感器提供（负极）接地。第三根线连至传感器的可动触点上，提供信号输出至（ECU）电脑，电阻材料上每点的电压，由可动触点来探测，并与节气门角度成正比。
这是一个很重要的传感器，因为电脑用它的信号来计算发动机负荷、点火时间、排气再循环控制、怠速控制。一个坏的节气门体位置传感器会引起加速滞后和怠速不稳等问题，以及驾驶性能问题及排放试验失败等。
几乎所有轿车制造商生产的节气门位置传感器以相同方式运行，通常节气门位置传感器在节气门关时产生约低于（1v）的电压信号，在油门全开时产生约低于（5v）的电压信号。
开关式节气门位置传感器是由两个开关触点构成一个旋转开关，一个常闭触点构成怠速开关，节气门处在怠速位置时，它位于闭合状态，将发动机控制电脑的怠速输入信号端子接地搭铁，发动机控制电脑接到这个信号后，即可使发动机进入怠速闭环控制，或者控制发动机在（倒拖）状态时停止喷射燃油，另一个常开触点节气门开度达到全负荷状态时，将发动机控制电脑的全负荷输入信号端接地搭铁。发动机控制电脑接到这个信号后，即可使发动机进入全负荷加浓控制状态。
开关式节气门位置传感器的旋转臂与节气门轴相联，并随节气门一起转动，它是一个三线传感器。