传感器信号

现代车用发动机电控单元(ECU)又称为电子控制器或电子控制组件，俗称电脑，是发动机控制系统的核心部件。电控单元主要由输入回路、单片微型计算机(单片机)和输出回路三部分组成。发动机电控单元ECU的主要功用是接收各种传感器和控制开关输入的发动机工况信号,根据电控单元ECU内部预先编制的控制程序和存储的试验数据，通过数学计算和逻辑判断确定适应发动机工况的喷油时间和点火提前角等参数，并将这些参数转换为电信号控制各种执于元件完成执行动作，从而使发动机保持最佳运行状态。
现代车用发动机电控单元ECU除了上述控制功能之外，还具有故障自诊断测试功能。ECU在对发动机运行状态实施最佳控制的同时，还要对传感器传输的信号进行监测与鉴别。当发现某只传感器传输的信号参数超出规定值范围时，ECU将判定该传感器或相关线路发生故障;并将故障信息编成代码贮存在存储器中，以便维修时调用。例如:在桑塔纳2000GSi型轿车发动机控制系统中(见图)，当冷却液温度传感器线路断路时，ECU将以冷却液温度为19.5℃的信号参数对发动机实施控制，使发动机进入故障应急状态运行，以便将汽车行驶到修理厂修理。

现代车用发动机电子控制系统执行器,又称为执行元件，是控制系统的执行机构，其功用是接受电控单元ECU发出的控制指令并完成具体的执行动作。发动机电子控制系统常用的执行器有种:
①电动燃油泵，用于供给发动机电子控制系统规定压力的燃油。
②电磁喷油器，用于接收ECU发出的喷油脉冲信号，计量燃油喷射量。
③怠速控制阀ISC或ISCV，用于调节发动机的怠速转速。控制内容包括两个方面，一方面是在发动机正常怠速运转时稳定怠速转速，达到防止发动机熄火和降低燃油消耗之目的;另一方面是在发动机怠速运转状态下，当发动机负载增加(如接通空调器、动力转向器或液力变扭器等)时，自动提高怠速转速，防止发动机熄火。
④活性炭罐电磁阀，用于接收电控单元的控制指令，回收发动机内部的燃油蒸气，减少碳氢化合物的排放量，从而减少排气污染。
⑤点火控制器和点火线圈，用于接收电控单元发出的控制指令，适时接通或切断点火线圈初级电流，并产生高压电点着可燃混合气。
现代车用发动机电子控制系统常用开关信号有以下几种:
(1)点火开关信号IGN是表示点火开关接通的信号。在控制线路中，当点火开关接通“点火(IG)”挡位时，向电控单元ECU输入一个高电平信号。点火开关将电控单元ECU的电源(12V)接通，此时ECU将控制执行以下动作:
①怠速控制步进电机进入预先设定位置;
②根据空气流量或歧管压力、大气压力和进气温度传感器信号，确定基本喷油时间;
③根据冷却液温度传感器信号，修正喷油时间和点火时刻;
④监测节气门位置传感器信号;
⑤接通燃油泵电路，如发动机不启动(即ECU未接收到启动信号STA)，燃油泵工作约1s后ECU将切断燃油泵电路;
⑥接通氧传感器加热元件电路，对传感元件进行加热;
⑦在装备自动变速器的汽车上，控制升挡指示灯发亮显示挡位转换开关位置。
(2)启动开关信号STA是向ECU提供启动机电路接通工作的信号, 来自启动继电器或点火启动开关(无启动继电器电气系统)。当点火开关接通“启动(ST)”挡位时，向电控单元ECU输入一个高电平信号。启动信号从启动继电器触点输入ECU,ECU接收到启动信号STA后,执行以下控制动作:
①除了监视点火开关接通时输入的信号之外，开始监测曲轴位置传感器CPS和凸轮轴位置传感器CIS的输入信号，并根据这些信号确定点火时刻和喷油时刻。首先判别即将到达上止点的是哪一缸气缸，然后输出喷油和点火控制信号。如果在发动机转动3s内未曾接收到曲轴位置传感器信号，ECU将切断燃油喷射系统电路，同时将曲轴位置传感器故障的代码存入存储器中，以便维修检测时调用。
②控制燃油泵继电器接通燃油泵电路使燃油泵运转。
③如果节气门处于全开状态，ECU将中断燃油喷射(即进入清除溢流状态)。
部分发动机电子控制系统已取消专用启动信号线,由ECU根据发动机转速信号确定启动状态。
(3)空调开关信号A/C，包括空调选择与请求信号。空调选择信号是通知ECU空调被选用而预告发动机负荷增加的信号。当空调开关接通时，向电控单元提供信号。在发动机怠速运转的情况下将空调开关接通时，如空调系统的低压开关闭合，电源电压l2V便经空调开关、低压开关加到ECU的空调选择端子上。ECU接收到这个“空调选择信号”(高电平信号)后，就会控制怠速控制阀或步进电机动作，提高发动机转速，防止负荷增大而导致发动机熄火。
空调请求信号表示空调接通时，蒸发器温度在允许范围之内的信号。当空调接通后，如蒸发器开关接通，电源电压l2V便经空调开关、低压开关和蒸发器开关加到ECU的“空调请求”端子。ECU接收到这个“空调请求信号”(高电平信号)后，就会接通空调继电器线圈电路，使电磁离合器线圈电路接通，空调压缩机投入工作。当空调系统制冷剂不足时，低压开关就会断开，输入ECU空调请求端子的电压为OV，此时ECU将切断空调继电器线圈电路，使空调压缩机仃止工作;当蒸发器温度过高时，蒸发器开关就会断开, ECU“空调请求”端子的输入电压为0V, 此时ECU将切断压缩机仃止工作, 防止蒸发器温度过高而损坏。
(4)蓄电池电压信号(UBAT),是表示电源电压高低的信号。在各型汽车上，蓄电池正极直接与电控单元ECU连接，不受任何开关控制。蓄电池既是整车电气设备的电源，也是各种控制系统电控单元ECU的电源。蓄电池电压信号输入ECU的主要目的是:
①当蓄电池电压变化时，ECU将对喷油持续时间进行修正。电压升高时，减少喷油时间;电压降低时，增加喷油时间。
②当蓄电池电压变化时，ECU将对点火线圈初级电路接通时间进行修正。电压升高时，减少接通时间;电压降低时，增加接通时间。
③保存存储器中的故障代码。在汽车上，各种电子控制系统的故障代码都存储在随机存储器(RAM)中，因为RAM一旦断电，其内部存储的信息就会消失，所以需要蓄电池保持供电。发动机停止工作时，存储器消耗电流很小，约为5～2OmA。
(5)空挡安全开关信号NSW，是表示自动变速器挡位选择开关所处位置的信号，又称为停车/空挡开关信号或空挡启动开关信号。空挡启动开关安装在变速器壳体上，是一个由自动变速器的选挡操纵手柄控制的多位多功能开关。用于检测自动变速器的挡位选择开关是否处于空挡位置。NSW信号用来区别自动变速器的选挡操纵手柄是处于“P”(停车挡)或“N”(空挡)位置，还是处于“2”、“L”、“D”、“R”行驶挡位置。当自动变速器的选挡操纵手柄处于P或N位置时，停车/空挡开关接通，此时启动继电器线圈电路才能接通,并向ECU输入一个低电平(OV)信号。此时,发动机才能启动。当选挡操纵手柄处于D、2、L、R位置时，停车/空挡开关断开，即使点火开关拨到启动位置，启动继电器线圈电路也不能接通ECU将接收到一个高电平(l2V)信号，此时发动机不能启动。
(6)动力转向开关信号(PSW)是表示动力转向开关接通,使发动机负荷增大的信号。在具有动力转向(即助力转向)系统的汽车上，动力转向开关是一个压力开关，安装在动力转向系统的高压回路中，当动力转向泵负荷大或发动机转速低,使动力转向系统的压力高于一定值时，动力转向开关接通，ECU将接收到一个低电平信号。如果此时发动机处于怠速状态运行，ECU将控制怠速控制阀或步进电机动作，使发动机转速升高，防止发动机因负荷增大而熄火。
传感器是一种信号转换装置，其功用是检测发动机不同状态下的各种电量、物理量和化学量等参数，并将这些参数转换成计算机能够识别的电信号输入电控单元ECU。
发动机电子控制系统常用传感器有以下几种:
①空气流量传感器AFS或进气歧管绝对压力传感器MAP，用于检测吸入发动机气缸的进气量多少。空气流量传感器可以直接检测发动机的进气量，歧管压力传感器只能间接检测发动机的进气量。因为AFS和MAP的功用都是检测进气量，所以在同一个发动机电子控制系统中，如果采用了AFS，就无需再采用MAP;反之，如果采用了MAP，就无需再采用AFS。
②曲轴位置传感器CPS，又称为发动机转速与曲轴位置传感器，用于检测发动机曲轴转速高低和转角大小。其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入控制单元(ECU)，以便确定点火时刻和喷油时刻。发动机燃油喷射系统常用曲轴位置传感器分为光电式、磁感应式、霍尔式和差动霍尔式传感器四种类型。其中差动霍尔式传感器又称为双霍尔式传感器。
③凸轮轴位置传感器CPS，用于检测活塞处于上止点的位置，故又称为气缸识别传感器CIS。其功用是采集配气凸轮轴的位置信号并输入ECU，以便ECU识别第一缸活塞处于压缩上止点的位置,从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆震控制。在部分汽车发动机电子控制系统中，曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器是制作成一体的，统称为曲轴位置传感器，并用CPS表示。常用凸轮轴位置传感器分为光电式、磁感应式和霍尔式传感器三种类型。
④节气门位置传感器TPS，用于检测节气门开度大小, 其功用是将节气门开度(即发动机负荷)大小转变为电信号并输入电控单元ECU，以便ECU判别发动机工况(如怠速工况，部分负荷工况，大负荷工况等)并根据不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间。。如节气门关闭、部分开启和全开等。此外，电控单元通过计算节气门位置传感器信号的变化率，便可得到汽车加速或减速信号。各型汽车采用的节气门位置传感器都安装在节气门体上节气门轴的一端。在装备电子控制自动变速器的汽车上，节气门位置传感器TPS信号除了输入发动机ECU之外，还要输入变速器电控单元(ECT ECU)，作为确定变速器换挡时机和液力变矩器锁止时机的主要信号之一。
节气门位置传感器按结构分为触点开关式、可变电阻式、触点与可变电阻组合式三种;按传感器输出信号的类型不同可分为线性(量)输出型和开关(量)输出型两种。桑塔纳GLi、20OOGLi型轿车采用的有触点开关式和可变电阻式两种，夏利2000型、捷达AT、GTX型、桑塔纳20OOGS;型、红旗CA7220E型轿车和切诺基吉普车采用可变电阻式。丰田汽车采用了综合式节气门位置传感器。
⑤温度传感器,温度是反映发动机热负荷状态的重要参数。为了保证电子控制系统能够精确控制发动机的工作参数，必须随时监测发动机的冷却液温度、进气温度、排气温度传感器和燃油温度等等，以便修正各种控制参数、计算吸入气缸空气的质量流量以及进行排气净化处理等等。众所周知，空气质量大小与进气温度和大气(进气)压力高低有关。当进气温度低时，空气密度大，相同体积气体的质量增大;反之，当进气温度升高时，相同体积气体的质量将减小。在采用歧管压力式、翼片式、卡尔曼涡流式、量芯式空气流量传感器的燃油喷射系统中，由于空气流量传感器测定的空气流量为体积流量，因此需要配装进气温度传感器和大气压力传感器来修正喷油量，使发动机自动适应外部环境温度(寒冷、高温)和压力(高原、平原)的变化。当进气温度低(空气密度大)时，ECU将控制喷油器增加喷油量;反之，当进气温度高(空气密度小)时，ECU将控制喷油器减少喷油量。温度传感器的种类很多，按结构不同可分为热敏电阻式、金属膜电阻式、金属沫电阻式、碳沫电阻式、线绕电阻式、半导体晶体管式等等。由于热敏电阻式温度传感器具有灵敏度高、响应特性好、结构简单、成本低廉的突出优点，因此汽车电子控制系统广泛采用。热敏电阻可分为正温度系数PTC型热敏电阻、负温度系数NTC型热敏电阻、临界温度型热敏电阻(CTR)和线性热敏电阻四种。常用热敏电阻有负温度系数NTC型和正温度系数PTC型两种。汽车电子控制系统普遍采用NTC型热敏电阻式温度传感器，如冷却液温度传感器CTS、进气温度传感器IATS、排气温度传感器EATS、燃油温度传感器FTS等等。
冷却液温度(水温)传感器CTS，又称为水温传感器。安装在发动机冷却液出水管上，其功用是检测发动机冷却液的温度，并将温度信号变换为电信号传送给ECU。ECU根据发动机的温度信号修正喷油时间和点火时间，从而使发动机工况处于最佳状态运行。
进气温度传感器IATS，安装在进气管路中，其功用是检测进气温度，并将温度信号变换为电信号传送给电控单元ECU。进气温度信号是各种控制功能的修正信号。如果进气温度传感器信号中断，就会导致热启动困难、废气排放量增大。
⑥氧传感器或O2传感器EGO，是排气氧传感器EGO的简称，其功用是通过监测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。用于检测排气管排出废气中氧离子的含量来反映可燃混合气的空燃比大小。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制(闭环控制)，从而将过量空气系数控制在0.98～1.02之间的范围内(空燃比A/F约为14.7)，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油之目的。自1976年德国博世公司率先在瑞典沃尔沃轿车上装用氧传感器之后，通用、福特、丰田、日产等汽车公司相继完成了氧传感器的开发与应用工作。
汽车发动机燃油喷射系统采用的氧传感器分为氧化锆(Zr02)式和氧化钛(TiO2)式两种类型, 氧化锆式氧又分为加热型与非加热型氧传感器两种，氧化钛式一般都为加热型传感器。由于实用的氧化钛式氧传感器价格便宜，且不易受到硅离子的腐蚀，因此现代汽车广泛使用这种氧传感器。
⑦爆震传感器DS，用于检测发动机是否产生爆震以及爆震强度大小。发动机爆震是混合气异常燃烧导致气缸压力急剧上升而引起发动机缸体产生的振动。在发动机电子控制系统中，当点火时刻采用闭环控制时，就能有效地抑制发动机爆震。爆震传感器DS是点火时刻闭环控制必不可少的重要部件，其功用是将发动机爆震信号转换为电信号传递给ECU，ECU根据爆震信号对点火提前角进行修正，从而使点火提前角保持最佳。
检测发动机爆震的方法有三种:一是检测发动机燃烧室压力的变化;二是检测发动机缸体振动频率;三是检测混合气燃烧噪声。直接检测燃烧室压力变化来检测发动机振动的测量精度较高，但传感器安装困难，且耐久性较差，一般用于测量仪器，实际应用的压力检测传感器均为间接检测式。检测发动机缸体振动频率来检测爆震的主要优点是测量精度高、传感器安装方便且输出电压较高，因此现代汽车广泛采用。检测混合气燃烧噪声为非接触式检测，其耐久性较好，但测量精度和灵敏度较低，实际应用较少。
检测缸体振动频率时，一般都将爆震传感器安装在发动机缸体侧面。按检测方式不同，爆震传感器分为共振型与非共振型两种。共振型爆震传感器的显著特点,是传感器的共振频率与发动机爆震的固有频率相匹配，因此在传感器内部需要设置共振体，并使共振体的共振频率与发动机爆震频率一致。共振型爆震传感器的优点是输出电压高，不需要滤波器，因此信号处理比较方便。由于机械共振体的频率特性尖且频带窄，因此无法响应发动机结构变化引起的爆震频率的变化。换句话说，共振型爆震传感器只适用于特定的发动机，不能与其他发动机互换使用，装车自由度很小，美国通用汽车采用了这种传感器。非共振型爆震传感器的突出优点是适用于所有的发动机，装车自由度很大。但其输出电压较低，频率特性平且频带较宽，因此需要配用带通滤波器(只允许特定频带的信号通过，对其他频率的信号进行衰减的滤波器，称为带通滤波器。带通滤波器一般由线圈和电容器组合而成)，信号处理比较复杂，中国、日本和欧洲汽车大部分采用了这种传感器。汽车常用爆震传感器按结构可分为压电式和磁致伸缩式两种。通用和日产汽车采用了磁致伸缩式爆震传感器。桑塔纳GLi、20OOGLi、20OOGSi、捷达AT、GTX型等国产轿车采用了压电式爆震传感器。