所谓传感器,就是一种能测量各种机械运动状态的物理量并把它们转变成电量的装置。传感器相当于人的感觉器官,通过传感器的感知来正确地检测出各种条件下的物理量。
汽车传感器的种类很多,且一种被测参数可用多种不同类型的传感器来测量,而同一种传感器往往可以测量多种被测参数。传感器的分类方法有很多种。常用的分类方法有:按有无外加能量分类、按信号转换分类、按工作原理分类、按输出信号形式和按检测控制参数5种。
传感器按能量关系可分为主动型和被动型两类。汽车上使用的大多是被动型传感器,这种传感器需要外加电源才能产生电信号,自身实际是一个能量控制器。外加电源因传感器的种类不同而不同,例如温度传感器,所需外加电源信号一般为5V,氧传感器所需外加电源信号一般为1V。
主动型传感器的工作不需要外界提供电源,由自身吸收其他能量,经变化后再输出电信号,实际上是一个能量变换装置,例如,太阳能电池和热电偶输出的电能分别来源于传感器吸收的光能和热能。采用压电效应、热电效应、磁致伸缩效应、光电效应等原理制成的传感器都属于主动型传感器。目前,被动型传感器发展很快,应用越来越广。
根据传感器信号变换方式的不同,传感器可分为两类:
1)由非电量转换为另一种非电量传感器,如弹性敏感传感器和气动元件。
2)由非电量变换为电量的传感器,如进气温度传感器、进气压力传感器等。
按传感器的工作原理分类可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、光敏式、压电式及热电式传感器。
按传感器输出信号形式分类,有模拟式和数字式传感器两种。模拟信号不能直接送入ECU,需要经过A/D转换后才能被ECU识别。
汽车传感器按控制参数分类,有温度传感器、压力传感器、位置与角度传感器、空气流量传感器、气体浓度传感器等。
各种电控柴油发动机主要采用的传感器有温度传感器、位置传感器、空气流量传感器、压力传感器和速度传感器。
温度传感器主要有:燃油温度传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、机油温度传感器和排气温度传感器。
1)燃油温度传感器。其作用是向ECU提供燃油温度信号,一般设置在第二级燃油滤清器盖内。ECU将根据燃油的温度变化调节供给单体式喷油器的脉宽调制信号,因为燃油随着温度升高而膨胀,不加补偿将会导致发动机功率降低。
2)冷却液温度传感器。其作用是用于向ECU提供发动机冷却液温度信号,作为计算供油的修正值使用。冷机时对供油量进行加浓修正,使柴油机尽快暖机,热机时对供油量进行减少修正,防止柴油机温度过高。如果冷却液温度传感器失灵,ECU会用存储的默认值进行计算。
该传感器还可以用于触发自动降低发动机率的保护功能,像机油压力和机油温度超限一样,当冷却液温度超限时也会使发动机停机。现在许多重型货车还利用该传感器对冷却风扇进行控制。
3)进气温度传感器。其作用是向ECU指示进气管内的空气温度,ECU将根据进气温度调节喷油脉宽调制信号,以控制排放。柴油机进气温度传感器的功能是对喷油量和喷油正时进行修正,同时对柴油机过热进行保护。当检测到进气温度有异常时,限制柴油机的输出功率,防止柴油机过热。
4)机油温度传感器。其作用是始终向ECU指示发动机的机油温度。通常,ECU及发动机保护功能可以提供像机油压力过低时同样的保护持性。当机油温度超过正常的安全限值时,首先会将仪表板上的黄色报警灯点亮,当机油温度进一步升高到预设的最高温度限值时,将会触发发动机停机功能,之后,发动机将像机油压力超限后一样停止运转。许多电控发动机在起动时,特别是在寒冷气温状态下,该传感器信号将使ECU进入快怠速控制,有些发动机的ECU在这种情况下是根据冷却液温度传感器的输入信号进行快怠速控制的。当机油温度或冷却液温度达到预设限值或发动机运转规定时间之后,发动机的怠速转速将自动恢复到正常。
5)排气温度传感器。其作用是在催化转化器异常发热时,能够以排气温度警告灯点亮的方式快速地发出报警信号,以便保护催化转化器,防止高温引发故障。
1)加速踏板位置传感器。加速踏板位置传感器广泛用于各种电子油门式电控柴油机上,其功用是获取加速信号,然后传到电控单元,由电控单元操纵电控喷油泵或喷油器调节喷油量。在加速踏板下面安装一个电位计或变阻器,该传感器用于向ECU传送驾驶人所希望提供的油量。加速踏板位置传感器从ECU接受5V基准直流电压,当驾驶人踩下加速踏板时,加速踏板位置传感器向ECU反映加速踏板踩下的百分比。在加速踏板位置传感器上设有怠速确认开关,该开关可以保证即使在加速踏板位置传感器电路发生故障时发动机仍然能够保持怠速运转,在加速踏板处于怠速位置时,ECU向加速踏板位置传感器电位供给5V电压,电位计滑臂所处的位置使输入电压通过整个线圈,通过滑臂向ECU返回的电压大约只有0.5V,微处理器将加速踏板位置传感器的输入信号与储存的油门关闭时的电压值进行比较。在油门全开位置时,通过滑臂向ECU返回电压大约只有4.5V,将该电压与储存的代表油门全开的电压值进行比较。加速踏板位于怠速和全开之间的任何位置时,由电位计滑臂位置决定的输出信号电压值与驾驶人要求供油量成正比例,因此,按照驾驶人要求的供油量,加速踏板位置传感器输出的电压信号在0.5~4.5V之间变化。
2)调节滑套位置传感器。其作用是提供喷油定时的基准信号。
3)针阀升程传感器。其作用是提供喷油定时的基准信号。
4)冷却液液位传感器。用于监测散热器上水室或膨胀水箱中冷却液液位。通常该传感器信号与ECU的发动机保护系统联系,当冷却液液位过低时,会使发动机停止运转。此外,当该传感器测到冷却液液位过低时,发动机将不能起动,并使仪表板上的报警灯点亮。
5)供(喷)油正时传感器。检测柴油机实际供(喷)油正时,向ECU提供供(喷)油正时闭环控制所需的反馈信号。供(喷)油正时影响柴油机的动力性、经济性、排放性和噪声,因此在电控柴油喷射系统中必须对供(喷)油正时进行闭环控制。
6)供(喷)油量传感器。检测柴油机的实际供(喷)油量,产生的信号用来实现供(喷)油量的闭环控制。
7)曲轴、凸轮轴位置传感器。曲轴或凸轮轴位置传感器是电控柴油机上最重要的传感器之一。其作用主要有3个方面:
①提供柴油机转速信号,以便使ECU结合柴油机负荷信号,精确计算循环喷油量。
②向ECU提供一缸活塞上止点信号,以便使柴油机对喷油正时做出准确判断。
③提供气缸判别信号。
为了能起上述测速、正时和判缸3个作用,曲轴或凸轮轴转速与位置传感器通常要向ECU提供两组检测信号,一组称为Ne信号,用于检测曲轴位置和柴油机转速信号;另一组称为G信号,用于检测活塞上止点位置的信号,同时也用来作为Ne信号计算曲轴转角的基准信号。每隔360°发出两个不同的G 1 和G 2 信号用来进行气缸的判别。
空气流量传感器有:热膜式、热线式、卡尔曼涡旋式和叶片式四种。其作用是发动机控制单元利用空气流量计测得的进气量来计算喷油量和废气再循环率。
压力传感器有共轨压力传感器、燃油压力传感器、进气歧管压力传感器、机油压力传感器、冷却液压力传感器、大气压力传感器、曲轴箱压力传感器。
1)共轨压力传感器。共轨压力传感器的作用是以足够的精度,在相应较短的时间内,测定共轨中的实时压力,并向ECU提供电信号。
2)燃油压力传感器。一般监测第二级燃油滤清器出口处燃油压力,该传感器压力用于诊断目的。
3)进气歧管压力传感器。检测进气管内的绝对压力,ECU根据此信号确定进气量,以便根据供(喷)油量对进气量进行控制,保证最佳的混合气浓度,测定的压力范围一般为2~400kPa。进气歧管压力传感器提供的信号用于检查增压压力。发动机控制单元将实际测量值与增压压力图上的设定值进行比较。若实际值偏离设定值,发动机控制单元通过电磁阀调整增压压力,实现增压压力控制。
4)机油压力传感器。向ECU通报发动机机油主油道压力,当机油压力低于期限望值时,ECU将启用降低发动机转速和功率的保护功能,来调节发动机的转速和功率。当感测到危险的机油压力时,ECU将使仪表板上的红色报警灯闪亮,向驾驶人发出报警信号,有些发动机或汽车还可能伴有蜂鸣声。如果ECU设有停机保护功能,当机油压力低于限值30s后会使发动机自动停机,有此系统可能还设有手动延时按钮,按下该按钮后,发动机的运转时间将延长30s,以便驾驶人能够将汽车安全地停靠在路边。
5)冷却液压力传感器。一般用于大排量发动机,严密地监测水泵和气缸体内冷却液的压力。
6)大气压力传感器。向发动机控制单元传输一个瞬时环境空气压力信号,此值取决于海拔。有了该信号,发动机控制单元可以计算出一个控制增压压力和废气再循环的大气压力修正值。
7)曲轴箱压力传感器。通常用于矿山、电站和船舶的大排量发动机上,该传感器直接监测曲轴箱内的压力。在二冲程发动机上,该传感器用于监测发动机气缸体中曲轴箱的空气压力。
速度传感器有发动机转速传感器、气缸判别传感器和车速传感器。
1)发动机转速传感器。发动机转速传感器产生的信号记录发动机转速和准确的曲轴位置,利用此信息,发动机控制单元计算出喷油始点和喷油量。
2)气缸判别传感器。凸轮轴每转一圈向ECU提供一个信号,ECU据此确定哪个气缸的活塞处于压缩行程上止点(TDC)。
3)车速传感器。该传感器一般安装在汽车变速器输出轴上,向ECU提供汽车车速信号。该信号用于进行巡航控制、车速限制和通过发动机压缩制动保持最高预设车速的自动控制,而且在发动机进行高强度压缩制动时,发动机冷却风扇离合器会自动进入接合状态,以实现发动机风扇制动,这可以使发动机增加15~33.5kW的减速制动功率,使车速降低。