汽车发动机传感器的结构与工作原理

第二节传感器的结构原理与检测一、空气流量传感器（MAF）★安装位置:安装在空气滤清器和节气门之间的进气管上★功用：测量进入发动机气缸的所有空气流量，并转换成电压信号送给发动机控制单元ECU；空气流量计信号是ECU决定喷油量和点火正时的基本信号之一。1.安装位置和功用按检测空气流量的参数不同，可以分为体积流量型和质量流量型；按结构不同，可以分为叶片式、卡门涡旋式和热式，热式又可分为热线式（热丝式）和热膜式叶片式和卡门涡旋式属于体积流量型传感器，要求得空气质量流量，还需同时检测进气温度；热式属于质量流量型传感器，可直接测出空气质量流量，不需要检测进气温度;现代轿车基本采用热式空气流量传感器。2.空气流量传感器的分类（1）结构如右图，空气流量计主要由测量板、补偿板、回位弹簧、电位计、旁通气道组成，此外还包括怠速调整螺钉、油泵开关及进气温度传感器等。1）翼（叶）片式空气流量计下一页补偿挡板缓冲室弹簧测量板温度传感器旁通气道封口调节螺钉电位计1、电位计滑臂2、可变电阻3、接进气管4、测量叶片5、旁通空气道6、接空气滤清器（2）叶片式空气流量计工作原理如右图，来自空气滤清器的空气通过空气流量计时，空气推力使测量板打开一个角度，当吸入空气推开测量板的里与弹簧变形后的回位力相平衡时，叶片停止转动。与测量板同轴转动的电位计检测出叶片转动的角度，将进气量转换成电压信号US送给ECU。在气流通道中放一个柱体，气体通过时在柱体后产生许多涡流。按检测分为：超声波检测法和反光镜检测法2）卡门涡流式空气流量计结构：由超声波信号发生器、超声波发射探头、涡流稳定板、涡流发生器、整流器、超声波接受探头和转换电路组成。原理：卡门涡旋造成空气密度变化，受其影响，信号发生器发出的超声波到达接受器的时机或变早或变晚，测出其相位差，利用放大器使之形成矩形波，矩形的脉冲频率为卡门涡旋的频率。如右图（见视频）（1）超声波检测法1、超声波信号发生器2、超声波发射探头3、涡流稳定板4、涡流发生器5、整流器6、旁通空气道7、超声波接收探头8、转换电路1、反光镜2、发光二极管3、钢板弹簧4、光电管(光敏晶体)5、导压孔6、涡流发生器（2）反光镜检测法检测部分结构：如左图，镜片、发光二级管和光电晶体管组成。原理：空气流经过发生器时，压力发生变化，经压力导向孔作用在反光镜上，使反光镜发生振动，从而将发光二极管投射的的光发射给光电管(光敏晶体)，光敏晶体以簧片得振动频率导通和截止，对反射光进行检测。3）热式空气流量计下一页热丝式空气流量计的检测元件是铂金属丝，热膜式空气流量计的检测元件是铂金属膜。（1）热线式空气流量计（见视频）铂金属检测元件的优点1.响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响(气流脉动在发动机大负荷、低转速运转时最为明显)2.具有进气阻力小、无磨损部件等优点。下一页这种流量计的热线和进气温度传感器都安装在主气道中的取样管内，故称为主通式热线空气流量计。另一种是将热线绕在陶瓷芯管上，并置于旁通气道内，称为旁通式热线空气流量计。（2）热膜式空气流量计控制电路热膜温度传感器防护网3.空气流量计的检测内容包括空气流量计的电源、信号和信号接地。检测空气流量计的信号可用万用表、诊断仪和示波器。空气流量计信号不正确不一定是空气流量计本身的故障，空气滤清器堵塞、进气系统漏气、发动机配气机构故障、三元催化装置堵塞都会造成空气流量计信号过低。1）通用别克君威车空气流量计检测通用别克车采用热丝型空气流量计，如下图所示，由于在空气流量计内部装置了一个A/D转换器，所以其输出信号是数字频率信号。通用别克君威车空气流量计电路图如右图所示，用TECH2检测空气流量计数据如表所示：2）热膜式空气流量计检测从车上拆下空气流量计，插接好线束连接器，并打开点火开关，测量传感器信号端子5与搭铁端子3之间的电压，正常应为1～2V；向空气流量计进气口吹风，同时测量信号端子5与搭铁端子3之间的电压，正常应升高到2～4V。空气流量计电路.swf.swf空气流量计的测量.swf信号搭铁5v12v099到此大众车空气流量计的检测大众车上采用的空气流量计是热膜式空气流量计。以大众3000热膜式空气流量计为例，其电路见图2-11，输出信号是数字信号。空气流量计连接器上有5个端子（见图2-12），由电源继电器给空气流量计端子2提供12V电源，端子1为进气温度传感器信号线，3为搭铁端子、4为5V电源端子、5为信号端子。用K81检测空气流量计数据如表2-1所示：3）热式空气流量计的波形检测热丝式空气流量计的信号是模拟信号，其信号波形如图所示,可用数字万用表直流电压档测量，也可用解码器检测显示直流信号电压。热膜式空气流量计信号是数字频率信号，其信号波形如图（b）所示，应使用解码器检测显示数字频率信号，一般显示单位有g/s（克/秒）、hz（赫兹），也可用示波器显示信号波形。热式空气流量计反光镜检测法超声波检测法叶片式空气流量计卡门旋涡式空气流量计质量流量型体积流量型热膜式空气流量计热线式空气流量计二、曲轴位置传感器（CKP）与凸轮轴位置传感器(CMP)曲轴位置传感器又称为发动机转速与曲轴转角传感器，大众车称为发动机转速传感器G28，凸轮轴位置传感器又称为气缸识别传感器。大众车G40（1）功用与分类曲轴位置传感器安装在曲轴皮带轮后和发动机缸体上。（安装在曲轴飞轮旁)凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴前或后端，或分电器内。（分电器内）在发动机电控单元ECU控制喷油器喷油和控制火花塞跳火时，首先需要知道究竟是哪一个气缸的活塞即将到达排气冲程上止点和压缩冲程上止点，然后才能根据曲轴转角信号控制喷油提前角与点火提前角。曲轴位置传感器CKP的功用是：采集发动机曲轴转速与转角信号并输入ECU，以便计算确定并控制喷油提前角与点火提前角。主控信号凸轮轴位置传感器CMP的功用是：采集配气凸轮轴的位置信号并输入ECU，以便确定活塞处于压缩(或排气)冲程上止点的位置。曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器有光电式、磁感应式和霍尔式三种类型。日产公爵王轿车、三菱与猎豹吉普车采用光电式曲轴位置与凸轮轴位置传感器，丰田系列轿车通常采用磁感应式曲轴位置与凸轮轴位置传感器大众车采用磁感应式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器；别克车有2个曲轴位置传感器，7X传感器采用磁感应式，24X传感器采用霍尔式。红旗CA7220E型轿车和切诺基吉普车采用了霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器，且曲轴位置传感器为差动霍尔式传感器。磁感应式曲轴位置与凸轮轴位置传感器磁力线穿过的路径为：永久磁铁N极→定子与转子间的气隙→转子凸齿→信号转子→转子凸齿与定子磁头间的气隙→磁头→导磁板(磁轭)→永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性的发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性的变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势。2、电磁式凸轮轴/曲轴位置传感器信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期的交变电动势，即电动势出现一次最大值和一次最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号。磁感应式传感器不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用，其磁能不会损失。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁芯中的磁通变化率也将随之发生变化。转速越高，磁通变化率就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高电磁感应原理信号转子为齿盘式，在其圆周上间隔均匀地制作有58个凸齿、57个小齿缺和1个大齿缺。大齿缺输出基准信号，对应于发动机1缸或4缸压缩上止点前一定角度。大齿缺所占的弧度相当于2个凸齿和3个小齿缺所占的弧度。1)大众电磁式曲轴位置传感器（视频）信号转子外缘设制有24个凸齿。传感器轴每转一圈相当于发动机曲轴旋转两圈，所以一个交变信号(即一个信号周期)相当于曲轴旋转30°(720°÷24=30°)、相当于信号转子旋转15°(30°÷2=15°)。2）丰田汽车磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器G信号发生器由No.1信号转子、传感线圈G1、G2和磁头等组成。G1线圈产生的信号对应于发动机第六缸活塞压缩上止点前10°(BTDC10°)、G2线圈产生的信号对应于第一缸活塞压缩上止点前10°(BTDC10°)。检测：检查感应线圈的电阻，冷态下的G1和G2感应线圈电阻应为125～200Ω，Ne感应线圈电阻应为155～250Ω。电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器电路上一页3）磁感应式曲轴位置传感器检测磁感应式曲轴位置传感器的检测包括线圈电阻和输出信号检查。线圈电阻约几百欧姆至1千欧左右，输出信号采用交流电压档测量，信号电压随转速升高而升高。磁感应式曲轴位置传感器若以电压表测量，只能获得平均电压数值，而用示波器检测则能得到感应波形。图2-24所示是磁感应冲式曲轴位置传感器的波形。099091_3.14图中显示发动机转速88lr／min时，频率为5．96Hz，峰值17．3V，脉宽158ms。良好的波形在0V上下的幅值应基本一致，且随发动机转速增加而增大，幅值、频率和形状在确定的条件(等转速)下是一致的、可重复的、有规律的和可预测的。用双踪示波器，可在显示屏上同时显示被检测的曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器两个波形，从而可检查凸轮轴与曲轴之间的正时关系。霍尔效应：把一个通有电流I的长方体形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中时，如图2-45所示，在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电压UH，当取消磁场时电压立即消失。该电压称为霍尔电压。3、霍尔式凸轮轴/曲轴位置传感器霍尔效应.rm凸轮轴位置传感器.swf组成：由转子、永久磁铁、霍尔晶体管和放大器组成。永久磁铁霍尔元件触发轮美国GM公司的霍尔式曲轴位置传感器安装在曲轴前端，采用触发叶片的结构型式，在发动机的曲轴皮带轮前端固装着内外两个带触发叶片的信号轮，与曲轴一起旋转。外信号轮外缘上均匀分布着18个触发叶片和18个窗口，内信号轮外缘上设有3个触发叶片和3个窗口，由于内信号轮外缘上设有3个触发叶片和3个窗口，由于内信号轮的安装位置关系，宽度为100°弧长的触发叶片前沿位于第1缸和第4缸上止点（TDC）前75°，90°弧长的触发叶片前沿在第6缸和第3缸上止点前75°，110弧长的触发叶片前沿在第5缸和第2缸上止点前75°。3)霍尔式曲轴位置传感器检测霍尔式曲轴位置传感器的检测方法有一个共同的特点，即主要通过测量有无输出脉冲信号来判断其工作性能是否良好。以别克君威的霍尔式曲轴位置传感器为例。曲轴位置传感器的控制电路。三端子分别为：电源、信号和搭铁。当飞轮齿槽通过传感器时，霍尔传感器输出脉冲信号，高电位为12V，低电位为0.3V。霍尔式曲轴位置传感器检测端子测试条件测试值A-C点火开关置ON”12VB-C发动机运转O.3～12V之间变化A-BA-C拔下传感器上插头点火开关置“OFF”R=∞霍尔式曲轴位置传感器的信号波形奥迪4）快速起动识别功能有些发动机利用曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器有快速起动识别功能，利用发动机转速传感器的信号识别发动机转速和各相关缸确切的曲轴位置，利用来自霍尔传感器的信号识别各缸，下面以宝来柴油轿车为例。起动发动机时，发动机控制单元必须知道哪缸处于压缩冲程，以便激活相应的泵喷嘴。发动机控制单元计算由霍尔传感器产生的信号，该信号监测凸轮轴传感器上凸齿并确定凸轮轴位置，从而识别各缸。因为每一个工作循环凸轮轴旋转360°，在传感器轮上有四个凸齿分别代表四个缸的位置，它们相隔90°。为了能识别出各缸，传感器轮上另外3个相距角度不同的凸齿来代表1、2和3缸凸齿每次经过霍尔传感器时，都会产生一个霍尔电压，并传送给发动机控制单元。因为凸齿相隔间距不同，霍尔电压产生的时间间隔也不同。据此，发动机控制单元可识别出各缸并控制相应的喷嘴电磁阀。发动机转速传感器轮如图2-30所示，在其圆周上有56（60-2-2）个齿