传感器在汽车发动机上的应用

传感器在汽车发动机上的应用

摘要：发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度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）提供发动机的工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，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。

关键词：传感器；发动机；发展；应用

在当今社会的发展中，传感器的应用范围已经覆盖了人类社会的所有领域，汽车传感器作为汽车电子控制的关键部件，是汽车设计与制造的发展的主导与核心，尤其伴随着汽车电子技术的飞速发展，低成本、智能、集成多功能的微型新型传感器将逐渐取代传统的传感器，成为现代“电子汽车”发展的助推剂。

一、温度传感器

温度传感器是工业自动化过程中的四大传感器之一。随着汽车电子化程度的提高，汽车上使用温度传感器的地方越来越多。温度传感器主要检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度、催化温度等，将它们转变为电信号，从而控制喷油嘴针阀开启时刻和持续时间。汽车电子控制系统中的计算机能够及时对这些传感器输入的温度信号进行处理，使发动机在最佳工况下运转。

常用的温度传感器有热电阻式、热电偶式、热敏铁式氧体式及晶体管和集成型。目前汽车上使用的大多是热电阻式、热电偶式、热敏铁式氧体式温度传感器。

（1）热电阻按材料特性不同可分为金属热电阻和热敏电阻。金属热电阻作为反应电阻-温度特性关系的检测元件，要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数、稳定的物理和化学性能及大的电阻率。热敏电阻是一种用陶瓷半导体制成的温度系数很大的电阻体。热敏电阻具有电阻值的温度系数大，能测出微小的温度变化的特点。

（2）热电阻式温度传感器是利用热电原理制成的。汽车上使用的热电偶式温度传感器主要用于检测较高的温度，如发动机排气系统中的排气温度。这种传感器测试温度高、体积小、相应速度快，但热点位差不高，需要放大处理。

（3）热敏铁式氧体式温度传感器具有如下性质：当超过某一温度时，其磁性急速转变，由强变弱，这种急变温度成为居里温度。居里温度可以根据烧结体的成分和热处理的温度自由选择。

二、压力传感器

压力传感器主要用于检测汽缸负压，从而控制点火和燃料喷射；检测大气压，从而控制爬坡时的空燃比；检测汽缸内压，从而控制点火提前角；检测废气再循环流量、发动机油压、制动器油压、轮胎空气压力等，并对相关量做出反应。压力传感器的种类很多，有膜片式、应变片、差动变压器式、半导体式等多种形式。目前应用较多的车用压力传感器主要有电容式、压敏电阻式、差动变压器式（LVDT）和表面弹性波式（SAW）等。

电容式压力传感器主要用于检测内压、液压、气压，具有输入能量高、动态响应好、环境适应性好等特点；压敏电阻式传感器受温度影响大，需另设温度补偿电路，但适于大量生产；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，能在高温下稳定工作，是一种较为理想的传感器。

三、流量传感器

现代汽车电子控制燃料喷射系统中，空气流量传感器用于测量发动机吸入的空气流量和燃料流量，它是决定ECU控制部件精度的重要部件之一。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、起动、点火等，它获得进气量信号是ECU计算喷油时间和点火时间的主要依据。空气流量传感器有旋转叶片式、卡门螺旋式、热线式、热模式等四种类型。旋转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；卡门螺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；热模式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积小，适合大规模生产，成本低。

四、位置与角度传感器

位置与角度传感器是计算机控制的点火系统中最重要的传感器，其作用是检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等，并将其输入计算机，从而使计算机能按气缸的点火顺序发出最佳点火指令。

位置与角度传感器按输出形态可分为数字式、模拟式两种。数字式位置与角度传感器主要有光电式和磁性的旋转编码器。模拟式位置与角度传感器是把角度的变化由电位计转换成电阻的变化。

在汽车电子控制系统中，为了能满足汽车的使用要求，位置与角度传感器的类型有很多，主要有节气门式、线性式位置传感器，防滴型、非接触型角度传感器，车高传感器，液位传感器，转向传感器，座椅位置传感器，方位传感器等几种。

为了使喷油量满足不同工况的需求，在电子控制燃油喷射系统中，节气门上装有节气门位置传感器，它可将节气门的开度转换成电信号传送给ECU，作为ECU判定发动机工况的依据。节气门位置传感器有编码式、线性式、滑动式三种。

车高传感器目前均使用光电式。车高传感器把车身高度的变化成传感器轴的转动，并检测出其旋转角度，将其转换成电信号输入到ECU中，可随时对车身高度进行调节；转向传感器是用来检测轴的旋转方向及选择角度，并提供给ECU，由ECU来调节汽车悬架系统的侧倾角度。

座椅位置传感器用于微机控制的动力座椅上，它是通过霍尔元件将旋转永久磁铁的变化位置引起的磁通密度变化检测出来的，并转换成电压，作为脉冲信号的形式送入计算机。

方位传感器是车辆导航系统中非常重要的一种传感器，从电磁的角度来看，它是利用地磁产生电信号而进行检测的传感器，以指示方向的偏差。

五、气体浓度传感器

目前汽车上用于电子控制燃油喷射装置进行反馈控制的传感器是氧传感器，它安装在发动机的排气管上，主要是用于检测排放气体中氧气的含量、空燃比的浓度，并将检测结果转换为电压或电阻信号，反馈给计算机，计算机根据氧传感器的信号，不断休整燃油时间和喷油量，使混合气浓度保持在理想范围内，实现空燃比反馈控制。使用氧传感器对混合气体的空燃比进行控制后，能够使发动机得到最佳浓度的混合气，从而降低有害气体的排放量，减少汽车排放污染。

相对于普通氧传感器而言，有一种传感器能连续检测混合气体从浓到稀的整个过程的空燃比，称为全范围空燃比传感器。在稀燃发动机领域的空燃比反馈控制系统中，采用了稀燃传感器，这种传感器能够在混合气极稀薄的领域中，连续测出稀薄燃烧区的空燃比，实现了稀薄领域的反馈控制。

在不装氧传感器的燃油喷射系统中，可使用可变电阻器为主元件的传感器来改变混合气的浓度，故称之为可变电阻器型传感器。

此外，还有与空气净化器配合使用的烟雾浓度传感器，通过监测烟雾浓度后，可使空气净化器自动运行或停止，从而达到净化驾驶室内空气的目的。

为了降低柴油发动机排出的黑烟导致周围空气的污染，在柴油机的电子控制系统中，采用一种能检测发动机排气中形成的碳烟或未燃烧碳粒的传感器，并将其信号反馈给计算机，实现自动调节空气与燃油的供给，达到接近完全燃烧以形成过多的碳烟。

六、爆燃传感器

爆燃是指燃烧室中本应该逐渐燃烧的部分混合气突然自燃的现象。为了最大限度的发挥发动机功率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值。当发动机产生爆燃时，保障传感器将爆燃产生的振动转变为电信号，并传给电子控制单元。可以通过检测爆燃有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法来检测爆燃。

爆燃传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃～125℃，频率范围为5～10kHz；压电式爆震传感器在中心频率5.417kHz 处，其灵敏度可达200mV/g，在振幅为0.1g～10g范围内具有良好线性度。

发动机控制系统传感器给发动机的电子控制单元提供各种信息，电子控制单元处理这些信息并向发动机提供精确的指令，对发动机进行控制，使发动机能在各种工况下正常的工作，利用这类传感器可提高车辆的动力性能和舒适性、降低油耗、减少废气排放，正确反应行驶故障。