汽车电喷发动机中传感器的构造和工作原理

“电喷”发动机(电子控制燃油喷射发动机的简称)系统主要由各种传感器、发动机电子控制单元(ECU)和各种执行器三大部分组成，如图1所示。

传感器是“电喷”发动机系统的主要组成部分之一。它是ECU的“眼睛”和“耳朵”，时刻监视着系统内外的变化，使发动机始终处在一个良好的运转状态。用于“电喷”发动机中的传感器主要有：进气流量传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、同步信号传感器、氧传感器、爆震传感器、车速传感器。下面对它们的构造和工作原理逐一进行介绍。

一、进气流量传感器

这类传感器是决定喷油量的重要传感器。它安装在空气滤清器后的进气管前端，用来检测进气量的参数。单独检测进气流量或进气压力均能反映进气量的情况，所以有的“电喷”发动机采用进气流量式检测(如凌志LS400、宝马等)，有的则采用进气压力式检测(如皇冠3.0、北京切诺基等)。

进气流量传感器的种类较多，有机械检测的翼片式进气流量计，有光电检测的卡门漩涡式流量计，有热敏元件检测的热线式流量计及它的改进型热膜式流量计。



图2是常采用的热线式进气流量式传感器的工作原理图。为了测量进气温度(即进气流量)的变化，在进气管道中安装了两个由自金丝(或白金薄膜)做成的热敏电阻Rt和Rt’(Rt’为温度补偿电阻)，与外部的R1、R2构成惠斯顿电桥。

发动机不工作时，即进气管道中的空气处于静止状态时，电桥维持在一种平衡状态，控制集成电路(IC)不起调整控制作用。发动机工作时，由于空气从热敏元件Rt、Rt’周围流过，Rt、Rt’周围的空气温度及Rt、Rt’自身的阻值均要降低(PTC特性)。所以电桥改变原平衡状态，在R1两端产生与原来不同的电压，使集成电路(IC)进行控制调整。调整的结果是使Rt两端电压升高，因此流过Rt、Rt’的电流增大，产生更多的热量。最终因温度升高，使Rt、Rt’的阻值升高，直至电桥重新达到平衡状态。

调节控制规律是：进气(空气)流量越大，电桥越不平衡，因而控制调节电压也就越高，流过Rt的热线电流也就越大。由于发动机工作时进气流量是在不断变化的，所以流过电桥上的热线电流也是不断变化的，即Rt两端的电压UO也是在不断变化的。把这个与进气量成正比变化的电压信号UO送至ECU，ECU再去控制喷油量的大小，即可使发动机转速稳定在不同的量级上。

二、进气压力传感器

这类传感器是控制喷油量大小的另一类传感器。它安装在发动机的进气歧管上，用来检测进气歧管内的绝对压力和环境大气压之间的差值。它的种类也较多，有膜片传动的可变电阻式、膜片传动可变电感式、超声波压电换能式、压敏电阻式和电容式。

图3是北京切诺基轿车采用的膜片传动可变电阻式进气压力传感器工作原理图。它的构造及工作原理类似于传统的膜片式机油压力传感器。只不过它没有触点，采用的是可变电阻形式。

来自节气门后部歧管内真空度高低的变化反映了进气压力高低的变化。在真空吸力的作用下，进气压力传感器密封腔内的膜片左右移动，膜片又带动可变电阻的滑片移动，最后使传感器输出的信号电压发生变化。ECU则根据这个随进气压力高低变化的信号电压去控制喷油量的大小。

三、进气温度传感器

这类传感器安装在进气歧管内，用来向ECU提供进气温度信息。进气温度也与喷油量的大小有关。进气温度低(如启动冷车)就要加大喷油量，进气温度高(如热车)就要减小喷油量。实际上测量进气温度的高低，也就是间接地测量进气量(空气密度)的大小。因为进气量的大小与空气的密度有关，而空气的密度又与进气温度成正比。汽车上广泛采用的是半导体热敏电阻式温度传感器，具有负的温度系数(NTC)。它的构造和工作原理很简单，如图4所示。

当进气温度低时，热敏电阻Rt的阻值增大，电路中的电流将减小。当进气温度高时，热敏电阻Rt的阻值将减小，电路中的电流将增大。由于回路中电流的变化，将引起Rt两端电压的变化，ECU接收到这个变化的信号电压后，也就获悉了进气温度的高低，然后去控制喷油量的大小。

四、冷却液温度传感器

这类传感器安装在冷却液管道内，用来向ECU提供发动机温度的信息。它采用的也是上述的半导体热敏电阻式温度传感器，其构造与工作原理基本相同，在此不再赘述。

五、节气门位置传感器

这类传感器与喷油量的大小有直接关系。它安装在节气门阀体上，用来向ECU提供节气门的开启状态及速度的信息。它开启的角度大小，反映着发动机的转速和负荷的情况。

节气门位置传感器有可变电阻式模拟线性输出和触点式开关型输出两种。图5是可变电阻式线性输出的节气门位置传感器的工作原理图。



传感器可变电阻的滑片(即中间抽头)由节气门轴带动在电阻片上滑动。当节气门开启角度小时(如怠速或发动机小负荷运转时)，滑片向上滑动，电阻值增大，这时从B端向ECU输入一个低的信号电压。当节气门开启角度增大时(如汽车爬坡或大负荷运转)，滑片向下滑动，电阻值减小，这时从B端向ECU输入一个高的信号电压。输出信号电压的大小与节气门开度的大小成正比。ECU根据输入电压的高低，以判断发动机当前的情况，决定喷油量的大小、点火是否提前、是否需要中断辅助电器设备(如爬坡、大负荷时断开空调)等。

六、曲轴位置传感器

这类传感器是检测发动机的曲轴转角、活塞位置和发动机转速的重要传感器。它向ECU提供上述被检测对象当前所处的状态信息，它直接关系到点火正时与发动机能否启动。

曲轴位置传感器的结构形式和安装位置因不同的车型而各异。结构形式常见的有：霍尔式、磁脉冲式和光电式。安装的部位有在飞轮及飞轮壳上的，有在分电器内的，还有在曲轴前端或凸轮轴前端的。





图6a是一种安装在飞轮上的霍尔效应式曲轴位置传感器。图中为四缸发动机飞轮上的信号传感器结构。飞轮上有8个槽齿，每4个槽齿为1组，共分成2组。1、4两缸为一组，2、3两缸为一组，各占飞轮圆周60°。每组中每个槽间隔20°，每组相隔180°。

当飞轮上的槽经过传感器时，霍尔传感器便产生信号电压，输出高电平(5v)。当飞轮两槽间的齿经过传感器时，霍尔传感器输出低电平(0.3V)。因此当飞轮上每一个齿槽通过传感器时，都将产生一个高、低电平变化的脉冲信号。四缸发动机的飞轮每旋转一周，将产生两组脉冲信号(每组4个)，如图6b所示。把这两组脉冲信号送人ECU，ECU就可利用一组脉冲信号判断1、4两缸活塞已接近上止点，或利用男一组脉冲信号，判断2、3两缸活塞已接近上止点，然后确定何时喷油。

另外，ECU根据输入的脉冲速率，还能计算出单位时间内飞轮转过的槽齿数，也就是发动机当前的转速。

七、同步信号传感器

ECU通过曲轴位置传感器，只能判定某两个活塞(如1、4两缸)已接近上止点。但它不知道究竟是“1”缸活塞还是“4”缸活塞已接近上止点。对于“电喷”发动机按次序喷射系统来说，必须要知道是哪一个缸的活塞已接近上止点，以备喷油或点火。这就需要同步信号传感器来完成这个判缸任务。

同步信号传感器与曲轴位置传感器的结构和工作原理基本相同，它也有多种安装及结构形式。图7a是安装在分电器内的霍尔式同步信号传感器的结构简图。它主要由分电器轴驱动的脉冲转子和霍尔传惑器组成。图中C、D间虚线以上部分的半圆弧(180°)称作脉冲环，其与霍尔传感器配合工作产生脉冲信号。当分电器轴驱动脉冲转子转动，脉冲环从D端开始进入霍尔传感器内直至C端时，霍尔传感器输出高电平。ECU接收到高电平后，便可判定“4”缸活塞已接近上止点且为排气行程，可进行喷油。而“1”缸活塞也已接近上止点，且为压缩行程可进行点火。

当分电器轴驱动脉冲转子转动，脉冲环从c端开始离开霍尔传感器后，信号传感器输出低电平。ECU接收到低电平信号后，便可判定“4”缸活塞已接近上止点，但为压缩行程可进行点火。

而“1”缸活塞为排气行程，可进行喷油。图7b是发动机转两周，脉冲转子转一周，同步信号传感器产生的脉冲信号电压波形。

八、氧传感器

现代汽车为了减少废气排放(主要成分是一氧化碳CO、碳氢化合物HC及氮氧化物NOx)，以适应排污法规的要求，普遍在排气管装有氧传感器和三元催化反应器。利用氧传感器提供反馈信息送至ECU，实现混合气空燃比的闭环控制。同时还利用三元催化反应器将废气中的CO转化(氧化)为O2，HC化合物转化(氧化)为H2O，NOx转化(还原)为O2、N2无害气体。为了达到此目的，也就是说为了使三元催化反应器能正常工作，要求混合气的空燃比必须在理论空燃比范围内(理论混合气空燃比为14.7：1)。这就需要用氧传感器测定废气中氧的含量(即空燃比大小)，向ECU反馈信息，及时修正喷油量使空燃比回到理论值。

氧传感器有氧化锆式和氧化钛式(电阻型)两种。图8a是氧化锆式氧传感器的构造及工作原理简图。它的外表面电极插入废气管中，与废气接触，内表面电极与大气相通。氧化锆是固体电解质，它在一定的温度时能与氧气发生电离作用。当废气中的氧与大气中的氧含量有差异时，如大气中的氧浓度比废气中的氧浓度高对(混合气浓)，氧离子就从大气侧的内表面电极向排气侧的外表面电极移动，于是在两个电极之间便产生一个电动势，亦即信号电压。当产生的信号电压低时(0.1v)，表明废气中含氧量高，混合气稀。产生的信号电压高时(1v)，表明废气中含氧量低，混合气浓。ECU根据氧传感器送来的信号电压及时修正喷油量，实行闭环控制使空燃比回到理论值，以减少排污，提高经济性。

在实际使用中，因氧化锆传感器的输出信号与温度有关(600℃左右时最佳)，所以常采用图8b带辅助加热元件的工作方式。

九、爆震传感器

发动机工作时因点火时间提前过度(点火提前角)、发动机的负荷、温度及燃料的质量等影响，会引起发动机“爆震”。发生爆震时，由于气体燃烧在活塞运动到上止点之前，轻者产生噪声及降低发动机的功率，重者会损坏发动机的机械部件。为了防止爆震的发生，爆震传感器是不可缺少的重要器件，以便通过电子控制系统去调整点火提前时间。

发动机发生爆震时，爆震传感器把发动机的机械振动转变为信号电压送至ECU。ECU根据其内部事先存储的点火及其它数据，及时计算修正点火提前角，去调整点火时间，防止爆震的发生。

爆震传感器也有多种类型。常见的有压电式(共振型、非共振型)和磁致伸缩式两大类。其中压电式共振型传感器应用最多，它一般安装在发动机机体上部，利用压电效应把爆震时产生的机械振动转变为信号电压。当发生爆震时的振动频率(约6000Hz左右)与压电效应传感器自身的固有频率一致时，即产生共振现象。这时传感器会输出一个很高的爆震信号电压送至ECU，ECU及时修正点火时间，避免爆震的发生。图9(a)是压电式共振型爆震传感器输出信号电压与频率的关系。





十、车速传感器

这类传感器的作用是向ECU提供汽车在怠速、减速、加速和恒速时的速度信息的。它有舌簧开关式、光电式、霍尔式等。一般安装在仪表盘内，由机械部件来驱动。

图10是舌簧开关式车速传感器的工作原理图。它由里程表芯子驱动的磁铁和舌簧开关组成。汽车行驶的车轮转速通过里程表芯子来驱动磁铁每旋转一周，其极性要改变一次，使舌簧开关的触点闭合和断开一次，从而产生一连串的脉冲信号电压。ECU接收到此信号后，通过计算脉冲数的多少，就可知道当前的车速状况。

“电喷”发动机除了以上传感器外，还有类似传感器的一些信号。如：空调请求信号、启动信号、蓄电池电压信号等，在这就不一一叙述了。

综上所述，传感器是“电喷”发动机的重要部件。它们的工作正常与否，直接关系到发动机工作的正常与否。在“电喷”发动机中，传感器出现的故障占有很大的比例，而ECU和执行器出现的故障相比来说要少得多。