第三章发动机控制系统传感器的结构原理与检修 - 汽车电子控制技术课程教案.doc

营口职业技术学院教案（2009 2010学年第2学期）教学单位： 机电工程系 课程名称： 汽车电子控制技术 任课班级： 07汽车检测与维修 任课教师： 徐 罕 汽车电子控制技术 课程教案授课题目第三章 发动机控制系统传感器的结构原理与检修教学目的教学要求掌握发动机控制系统传感器的结构原理，理解各种传感器的检修教学重点教学难点发动机控制系统传感器的结构原理，理解各种传感器的检修教学方法教学手段方法：启发式教学法、案例教学法手段：常规教学、多媒体教学、网络教学课堂教学时间分配教学内容时间分配（学时）第一节 空气流量传感器2第二节 曲轴与凸轮轴位置传感器2第三节 压力传感器2第四节 节气门位置传感器2第五节 氧传感器2第六节 温度传感器2第七章 爆震传感器2课堂教学设 计理论联系实际的教学方法，进行一定时间的理论学习，之后进行实际零部件的拆装及观摩机械的运行过程。作 业实践教学备 注教学后记第一节 空气流量传感器一、空气流量传感器的功用与类型 空气流量传感器AFS(Air Flow Sensor)又称为空气流量计AFM（Air Flow Meter），是进气管歧管空气流量传感器MAFS（Manifold Air Flow Sensor）的简称，其功用时检测发动机进气量大小，并将进气量信息转换成电信号输入电单元（ECU），以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间。进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。根据检测进气量的方式不同，空气流量传感器分为“D”型（即压力型）和“L”型（即空气流量型）两种类型。 “D”型燃油喷射系统的测量精度不高，但控制系统的成本较低。 “L”型进气量的测量精度较高，控制效果优于“D”型燃油喷射系统。汽车采用的“L”型传感器分为体积流量型（如翼片式，量芯式，涡流式）传感器和质量流量型（如热丝式和热膜式）传感器。质量流量型传感器工作性能稳定，测量精度较高，但成本也较高。 二、 翼片式空气流量传感器 （一）翼片式空气流量传感器的结构 翼片式空气流量传感器的结构如图3-1所示，主要由检测部件，电位计，调整部件，界限插座和进气温度传感器五部分组成。1.检测部件的结构2.电位计与调整部件的结构 电位计安装在传感器壳体上不，由带平衡配重的滑臂和印刷电路板上的镀膜电阻组成，结构如图3-1所示（二）翼片式空气流量传感器的工作原理 翼片式空气流量传感器的工作原理如图3-4所示。当吸入发动机的空气流过传感器主进气道时，传感器翼片就会受到空气气流压力产生的推力力矩和复位弹簧弹力力矩的作用。当空气流量增大时，气流压力对翼片产生的推力力矩增大，推力力矩客服弹力力矩使翼片偏转角度a增大，直到推力力矩与推力力矩平衡为止。进气量越大，翼片偏转角度也就a越大。因为翼片总成和电位计的滑臂均固定在转轴上，所以在翼片偏转的同时，滑臂也随之偏转。当空气流量增大时，端子“Vc”与“Vs”之间的电阻值减小，两端子之间输出的信号电压Us降低。当空气流量减小时，气流压力对翼片产生的推力力矩减小，推力力矩克服弹力力矩使翼片偏转的角度减小，端子“Vc”与”Vs”之间的电阻值增大，两端子之间输出的信号电压Vs升高。传感器的输出特性如图35所示。（三）翼片式空气流量传感器检修空气流量传感器既是一种精密不见，也是供气系统最重要的部件。当其出现故障时，ECU就接受不到正确的进气量信号来控制喷油两，混合气就会过浓或过稀，从而导致发动机运转失常。检修或产写空气流量传感器时，应细心操作、切忌碰状，一面损伤其零部件。三、量芯式空气流量传感器量芯式空气流量传感器具有进气阻力小、计算精度和工作可靠性高等优点，新型马自达（MAZDA）929型轿车采用了这种传感器。量芯式空气流量传感器的结构与翼片式流量传感器相似，如图3-7所示，主要由量芯、电位计、进气温度传感器和线束插座等组成。四、涡流式空气流量传感器（一）涡流式流量传感器的测量原理涡流式空气流量传感器是根据卡尔曼涡流理论，利用超声波或光电信号通过检测漩涡频率来测量空气流量的一种传感器。（二）涡流式流量传感器的优点与类型涡流式传感器的输出信号是几种空气流量传感器中最快的一种，几乎能同步反映空气流速的变化，因此特别适用于数字式计算机处理。具有测量精度高、进气阻力小、无磨损等优点，长期使用时性能不会发生变化。其缺点是制造成本较高，因此目前只有少数中高档轿车采用，因为检测体积流量，所以需要对空气温度和大气压进行修正。根据旋涡频率的检测方式不同，汽车用涡流式流量传感器分为超声波检测式和光电检测式两种。如中国大陆进口丰田凌志LS400型轿车和台湾进口皇冠3.0型轿车采用了光电检测涡流式流量传感器，日本三菱（Mitsubishi）几扑车、中国长风猎豹吉普车和韩国现代（HYUNDAI）（三）光电检测涡流式空气流量传感器的结构原理1.传感器的结构特点 丰田凌志LS400和皇冠3.0型轿车装备的光电检测涡流式流量传感器的结构如图3-10所式，主要由涡流发生器、发光三极管、反光镜、张紧带、集成厚膜控制电路和进气温度传感器组成。2传感器的检测原理当进气气流流过涡流发生器时，发生器两侧就会交替产生涡流，两侧的压力就会交替发生变化。进气量越大，旋涡数量越多，压力变化频率就越高。导压孔将变化的压力引导到导压腔中，反光镜和张紧带就会随着压力变化而产生振动振动频率与单位时间内产生的旋涡数量（即旋涡频率f）成正比。反光镜将LED的光束反射到光敏三极管上，因为光敏三极管受到光束照射时导通，不受光束照射时截止，所以光敏三极管导通与截止的频率与涡流频率成正比。信号处理电路将频率信号装换成方波信号输入ECU之后，ECU便可以计算出进气流量的大小利用发动机鼓掌诊断测试系统在丰田皇冠3.0型轿车上实测光电检测涡流式空气流量传感器的输出信号周期值。可见，发动机转速越高，吸如汽缸的进气量越大，产生涡流的频率就越高。（四）超声波检测涡流式流量传感器的结构原理1、传感器的结构特点超声波检测涡流式流量传感器的结构如图3-12所示，主要由涡流发生器超声波发生器、超声波接收器，集成控制电路、进气温度窗肝气和大气压力传感器等组成。2、传感器的检测原理流量检测原理电路如图3-13所示。（五）涡流式空气流量传感器的检修该传感器的原理电路如图3-15所示，检修方法如下：（1）静态检测。（2）动态检测。五、热丝式与热膜式空气流量传感器热丝式与热膜式空气流量传感器是一种借鉴日常生活中使用的电吹风机的工作原理而开发 研制的检测吸入发动机空气的质量流量传感器。热丝式空气流量传感器的发热元件是铂金属丝，热膜式空气流量传感器的发热元件是铂金属膜，铂金属发热元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不手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）。（一） 热丝式与热膜式空气流量传感器的结构特点1、热丝式空气流量传感器的结构特点热丝式空气流量传感器的结构如图3-17所示，2热膜式空气流量传感器的结构特点（二） 热丝式与热膜式空气流量传感器测量原理利用热丝或热膜作为发热元件的空气流量传感器，其测量原理完全相同，并与日常生活中的电吹风机的工作原理相似。第二节 曲轴与凸轮轴位置传感器一、类型曲轴位置传感器CPS（Crankshaft Position Sensor）又成为发动机转速与曲轴转角传感器，其功能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。凸轮轴位置传感器CPS（Camshaft Position Sensor）又称为判缸传感器CIS(Cylinder Identifica-tion Sensor),为了区别于曲轴位置传感器CPS，凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECU，以便ECU识别1缸压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆震控制。此外，凸轮轴位置信号还用与发动机启动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一缸活塞即将到达上止点，所以成为判缸传感器。发动机电控燃油喷射系统常用的曲轴与凸轮轴位置传感器分为光电式、磁感应式和霍尔式三种类型。日产公爵王（Cedric）轿车、三菱与猎豹吉普车采用光电式曲轴与凸轮轴位置传感器；丰田系列轿车采用磁感应式曲轴位置与凸轮轴位置传感器；捷达AT、GTX型、桑塔纳2000GSi型、奥迪200型轿车采用磁感应式曲轴位置传感器和霍尔曼式凸轮轴位置传感器；红旗CA7220E型轿车和切诺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二、光电式曲轴与凸轮轴位置传感器1、结构特点日产公司产生的光电式曲轴与凸轮轴位置传感器是由分电器改进而成，主要由信号盘（即信号转子）、信号发生器、配电器、传感器壳体和线束插头等组成。2、工作原理（一） 磁感应式传感器工作原理磁感应式传感器的工作原理如图3-28所示， （二） 捷达、桑塔纳轿车磁感应式曲轴位置传感器1曲轴诶制传感器结构特点2曲轴位置传感器工作情况（三） 丰田轿车TCCS系统磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感（四） 曲轴与凸轮轴位置传感器的检修1、丰田轿车曲轴与凸轮轴位置传感器的检修（1） 检测传感线圈电阻值（2） 检测产肝气磁路气隙用非导磁厚薄规测量信号转子与传感线圈磁头之间的气隙2、捷达AT、GTX、桑塔纳2000GSi型轿车曲轴位置传感器的检测三、霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器（一）霍尔式传感器工作原理霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器以及其他形式的霍尔式传感器都是根据霍尔效应制成的传感器。1、霍尔效应2霍尔式传感器的基本接头如图3-37所示，主要由触发叶轮、霍尔极成电路、导磁钢片与永久磁铁等组成。3霍尔式传感器工作原理（二）捷达、桑塔纳2000GSi型轿车1、结构采用的霍尔式凸轮轴位置传感器安装在发动机进气凸轮轴的一端，主要由霍尔信号发生器和信号转子组成。2工作情况3凸轮轴位置传感器的检修(三)切诺基吉普车差动式曲轴位置传感器1、结构特点切诺基吉普车2.5L（四缸）、4.0L(六缸)电控燃油喷射式发动机采用了差动霍尔电路的霍尔式曲轴位置传感器,安装在变速器壳体上2、工作情况（四）红旗CA7220E型轿车CA488-3型发动机上装备SIMOS 4S3型电控燃油喷射系统采用的差动霍尔式曲轴位置传感器由信号转子与信号发生器组成。（五）红旗CA7720E型轿车霍尔式凸轮轴位置传感器（六）切诺基吉普车曲轴与凸轮曲轴位置传感器检修第三节 压力传感器一、压力传感器的功用与类型压力传感器的功用是将气体或液体的压力信号转换为电信号。压力传感器按结构可分为电阻应变计式、半导体压阻效应式和电感式（即波纹管与差动变压器组合）3种。二、压阻效应式歧管压力传感器的结构（一）压阻效应单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化现象，称为压阻效应。（二）压阻效应式歧管压力传感器的结构丰田汽车采用的压阻效应式歧管压力传感器的结构如图3-48所示三、压阻效应式歧管压力传感器工作原理在压力作用下，硅膜片就会产生机械应变而产生应力，应变电阻的阻值在膜片应用的作用下就会发生变化，惠斯顿电桥上电阻值的平衡就被打破（编著注：为了便于理解，下面将硅膜片由机械应变而产生应力的现象夸大为产生变形），当电桥的输入端输入一定的电压或电流时，在电桥的输出端就可以得到变化的信号电压或信号电流。四、歧管压力传感器的检修（一）桑塔纳2000GLi型轿车歧管压力传感器的检修（二）切诺基（Cherokee）吉普车歧管压力传感器的检修第四节 节气门位置传感器一、节气门位置传感器的功用功用是将节气门开度(即发动机负荷)大小转变为电信号输入ECU，ECU根据节气门位置信号判别发动机的工况，如怠速工况、部分负荷工况、大负荷工况等，并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间二、节气门位置传感器的类型节气门位置传感器按总体结构分为触点开关式、可变短组式、触点与可变电阻组合式3种三、触点开关式节气门位置传感器（一） 触点开关式TPS结构特点主要由节气门轴、大负荷触点（又称为功率触点PSW）、凸轮、怠速触点（IDL）和接线插座组成。凸轮随节气门轴转动，节气门轴随油门开度大小而转动。（二） 触点开关式TPS输出特性四、组合式节气门位置传感器（一）组合式TPS结构特点主要由可变电阻及其滑动触点、节气门轴、怠速触点壳体组成（二）组合式TPS输出特性五、装备电控自动变速器汽车用节气门位置传感器汽车电控自动变速器一般都与电控发动机同时装备或作为选装装备，节气门位置传感器是发动机燃油喷射系统或自动变速器电控系统必不可少的传感器之一。六、节气门位置传感器TPS的检修节气门位置传感器的技术状态可用万用表检测，方法如图所示。第五节 氧传感器一、氧传感器的功用其功用是通过监测排气中氧离子的含量俩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。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。二、氧传感器的类型氧传感器分为氧化锆（ZrO2）式和氧化钛（TiO2）式两种类型三、氧化锆式氧传感器（一）机构氧化锆式氧传感器的结构如图3-58所示，主要又钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极引线、防水护套和线束插头等组成。（三） 氧化锆式氧传感器工作原理（三）氧化锆式氧传感器工作特性(四)氧化锆式氧传感器工作条件氧化钛式氧传感器必须满足发动机温度高于60摄氏度，氧传感器自身温度高于600摄氏度以及发动机工作在怠速工况和部分负荷工况三个条件才能正常调节混合气浓度。（五）氧传感器EGO的使用1、氧传感器老化2、铅中毒3、硅中毒4、硅中毒第六节 温度传感器一、温度传感器的功用与类型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。二、热敏电阻式温度传感器的结构特点主要由热敏电阻、金属引线接线插座和壳体等组成。三、热敏电阻式温度传感器原理与特性热敏电阻是利用陶瓷半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性制成，其突出优点是灵敏度高、响应特性好、结构简单、成本低廉。当被测对象的温度升高时，传感器阻值减小，热敏电阻上的分压值降低；饭之，当被测对象的温度降低时，传感器阻值增大，热敏电阻上的分压值升高。ECU根据接收到的信号电压值，便可计算求得对应的温度值，从而进行实时控制。四、温度传感器的检修（一）检测电源电压与信号电