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1  溫度傳感器的功用和類型

 

溫度是反映發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷狀態(tài)的重要參數(shù)。為了保證控制系統(tǒng)能夠精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，必須隨時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度和排氣溫度，以便修正控制參數(shù)，計(jì)算吸入氣缸空氣的質(zhì)量流量以及進(jìn)行排氣凈化處理等。

 

冷卻液溫度傳感器(Coolant Temperature Sensor，CTS)通常稱為水溫傳感器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出水管上，其功用是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度，并將溫度信號(hào)變換為電信號(hào)傳送給ECu。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度信號(hào)修正噴油時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工況處于最佳狀態(tài)運(yùn)行。

 

進(jìn)氣溫度傳感器(Intake Air Temperature Sensor，IATS)安裝在進(jìn)氣管路中，其功用是檢測(cè)進(jìn)氣溫度，并將溫度信號(hào)變換為電信號(hào)傳送給ECU。進(jìn)氣溫度信號(hào)是各種控制功能的修正信號(hào)。如果進(jìn)氣溫度傳感器信號(hào)中斷，就會(huì)導(dǎo)致熱起動(dòng)困難、廢氣排放量增大。

 

眾所周知，空氣重量與進(jìn)氣溫度和大氣(進(jìn)氣)壓力有關(guān)。當(dāng)進(jìn)氣溫度低時(shí)，空氣密度高，相同體積氣體的重量增加；反之，當(dāng)進(jìn)氣溫度升高時(shí)，相同體積氣體的重量將減小。在采用歧管壓力式、翼片式、卡爾曼渦流式、量芯式空氣流量傳感器的燃油噴射系統(tǒng)中，由于空氣流量傳感器測(cè)定的空氣流量為體積流量，因此需要配裝進(jìn)氣溫度傳感器和大氣壓力傳感器。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度和壓力信號(hào)修正噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)適應(yīng)外部環(huán)境溫度(寒冷、高溫)和壓力(高原、平原)的變化。當(dāng)進(jìn)氣溫度低時(shí)(空氣密度高)，熱敏電阻的阻值大，傳感器輸入ECU的信號(hào)電壓高，ECU控制噴油器增加噴油量；反之，當(dāng)進(jìn)氣溫度高時(shí)(空氣密度低)，熱敏電阻阻值小，傳感器輸入ECU的信號(hào)電壓低，ECU將控制噴油器減少噴油量。

 

溫度傳感器的種類很多，常用的有熱敏電阻式、金屬熱電阻式、線繞電阻式、晶體管式等。熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)(Positive Temperature Coefficient，PTC)型熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficient，NTC)型熱敏電阻、臨界溫度型熱敏電阻(critical Temperature Resistor，CTR)和線性熱敏電阻。常用的熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)型和正溫度系數(shù)型兩種。汽車普遍采用NTC型熱敏電阻式溫度傳感器，如冷卻液溫度傳感器(CTS)、進(jìn)氣溫度傳感器(IATS)、排氣溫度傳感器(Ex-haust Air Temperature Sensor，EATS)、燃油溫度傳感器(FuelTemperature Sensor，F(xiàn)Ts)等。

 

     2  幾種常見的溫度傳感器

 

1．線繞電阻式溫度傳感器

 

在絕緣繞線架上繞上高純度的鎳線，再罩上適當(dāng)?shù)耐馓锥瞥桑糜跍y(cè)量冷卻水溫度和進(jìn)氣溫度。利用其電阻值隨溫度變化而改變的特性。其精度在±1％以內(nèi)，響應(yīng)特性較差，響應(yīng)時(shí)間約為15s。現(xiàn)在并不常用，因此在本書中不作詳細(xì)介紹。

 

2．熱敏電阻式溫度傳感器

 

    (1)熱敏電阻式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)與種類 

 

熱敏電阻式溫度傳感器的實(shí)物如圖2-2所示，其結(jié)構(gòu)型式如圖2-3所示，主要由熱敏元件、金屬引線、接線端子和殼體等組成。

 

在傳感器的殼體上制作有螺紋，以便安裝與拆卸。接線端子分為單端子式和兩端子式兩種，中高檔轎車燃油噴射系統(tǒng)一般采用兩端子式溫度傳感器，低檔轎車燃油噴射系統(tǒng)及汽車儀表一般采用單端子式溫度傳感器。如傳感器插座上只有一個(gè)接線端子，則殼體為傳感器的一個(gè)電極。目前電控系統(tǒng)使用的溫度傳感器插座大多數(shù)都有兩個(gè)接線端子，分別與ECU插座上的相應(yīng)端子連接，以便可靠地傳遞信號(hào)。

 

    熱敏電阻式溫度傳感器的主要部件是熱敏元件，外形制作成珍珠形、圓盤形(藥片形)、墊圈形、芯片形、厚膜形等，放置在傳感器的金屬管殼內(nèi)。在熱敏元件的兩個(gè)端面各引出一個(gè)電極，并連接到傳感器插座上。制作熱敏電阻的材料分為低溫、中溫與高溫三種。低溫測(cè)量用熱敏電阻的材料有MnO-NiO系列、MnO-CoO-NiO系列及MnO-CoN系列等，這些都屬于金屬氧化物系列的N型陶瓷半導(dǎo)體材料，它們?cè)跍y(cè)量與溫度補(bǔ)償領(lǐng)域中有廣泛的用途。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，它們主要用于水溫傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器等低溫測(cè)量用傳感器上，即用于測(cè)量300％：以下的傳感器上。中溫測(cè)量用材料有SiC、LaCrO3、B4C系列，但這

些材料都難以燒結(jié)，很難形成批量生產(chǎn)且價(jià)格低廉的產(chǎn)品。高溫測(cè)量用熱敏電阻的材料有ZrO2、TiO2、Y2O3、CaSiO3、Al2O3、Cr2O3等，其中ZrO2的熔點(diǎn)高達(dá)2800℃，耐熱性能很好，實(shí)用證明是制造高溫傳感器的最佳材料。

 

(2)熱敏電阻式溫度傳感器原理與特性 

 

熱敏電阻是利用陶瓷半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的特性制成的，其突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。汽車上的冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器普遍采用NTC熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系可用下述公式表示：

低溫測(cè)量用熱敏電阻的常數(shù)B值范圍在2000～10000K之間，常用值為3000K左右。高溫測(cè)量用熱敏電阻的常數(shù)B值范圍在10000～15000K之間。

 

對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的NTc熱敏電阻式溫度傳感器，由式(2-1)可得其阻值與溫度的關(guān)系曲線如圖2-4所示。可見，NTC熱敏電阻具有溫度升高阻值減小、溫度降低阻值增大的特性，而且呈明顯的非線性關(guān)系。溫度傳感器的工作電路如圖2-5所示，傳感器的兩個(gè)電極用導(dǎo)線與ECU插座連接。ECU內(nèi)部串聯(lián)一只分壓電阻，ECU向熱敏電阻和分壓電阻組成的分壓電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓(一般為5V)，傳感器輸入ECU的信號(hào)電壓等于熱敏電阻上的分壓值。

 

當(dāng)被測(cè)對(duì)象的溫度升高時(shí)，傳感器阻值減小，熱敏電阻上的分壓值降低；反之，當(dāng)被測(cè)對(duì)象的溫度降低時(shí)，傳感器阻值增大，熱敏電阻上的分壓值升高。ECU根據(jù)接收到的信號(hào)電壓值，便可計(jì)算求得對(duì)應(yīng)的溫度值，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

  3．熱敏鐵氧體溫度傳感器

 

(1)結(jié)構(gòu)熱敏鐵氧體溫度傳感器由殼體、鐵氧體、舌簧開關(guān)和永久磁鐵等構(gòu)成。在舌簧開關(guān)的電磁回路中配置兩個(gè)環(huán)狀的鐵氧體和永久磁鐵。利用鐵氧體磁性隨溫度急劇變化的特性，使舌簧開關(guān)導(dǎo)通或斷開。這種傳感器一般用于控制汽車散熱器的電動(dòng)式風(fēng)扇及油壓指示燈等。

 

(2)工作原理 

 

熱敏鐵氧體是強(qiáng)磁性材料，當(dāng)超過某溫度時(shí)，鐵氧體的磁導(dǎo)率急劇下降，即具有從強(qiáng)磁性體向常磁性體(弱磁性體)急速轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，這種急變溫度稱為居里溫度。利用居里特性就可以使舌簧開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷。  

 

根據(jù)需要選用不同的燒結(jié)材料成分及熱處理方法，可得到不同的居里溫度。例如要控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度保持在65～100％：之間，當(dāng)兩個(gè)鐵氧體的居里溫度分別為100℃、65℃時(shí)，對(duì)應(yīng)溫度范圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度變形成如圖2-6所示的磁通環(huán)。

 

    當(dāng)熱敏鐵氧體所處環(huán)境溫度低于65℃時(shí)，兩個(gè)鐵氧體為強(qiáng)磁性體，被永久磁鐵磁化，并與其形成一個(gè)磁鐵，舌簧開關(guān)的觸點(diǎn)中有直通的磁力線穿過并產(chǎn)生吸力，所以觸點(diǎn)閉合，如圖2-6a所示。當(dāng)熱敏鐵氧體周圍溫度高于100℃時(shí)，兩個(gè)鐵氧體的磁導(dǎo)率急劇下降，變?yōu)槌４判泽w，熱敏鐵氧體基本上沒有被磁化，相當(dāng)于沒有鐵氧體存在。在永久磁鐵磁場(chǎng)作用下，舌簧開關(guān)的觸點(diǎn)中有磁力線穿過并產(chǎn)生吸力，所以觸點(diǎn)閉合，如圖2-6c所示。當(dāng)熱敏鐵氧體所處環(huán)境溫度在65～100℃之間時(shí)，其中居里溫度為65℃的鐵氧體變?yōu)槌４判泽w沒被磁化，而100℃的鐵氧體變?yōu)閺?qiáng)磁性體而被磁化，并與其左邊的永久磁鐵形成一個(gè)磁鐵。這時(shí)

舌簧開關(guān)的觸點(diǎn)中有磁力線穿過并產(chǎn)生排斥力，所以觸點(diǎn)打開，如圖2-6b所示。

4．?dāng)U散電阻式溫度傳感器

 

在硅半導(dǎo)體上形成電阻電極，當(dāng)電極上加有電壓時(shí)，產(chǎn)生的擴(kuò)散電阻隨溫度變化。利用這一特性可制成溫度傳感器。從而能獲得成本低、各項(xiàng)性能優(yōu)良的傳感器。樹脂型傳感器的響應(yīng)速度，在空氣中為5s，溫度系數(shù)為0．72％／℃，比鎳線電阻式傳感器的0．5％／℃高22％。

 

5．晶體管式溫度傳感器

 

在一定電流下，硅晶體管的基極和發(fā)射極間的偏置電壓隨溫度而改變，根據(jù)這一原理，制成了晶體管式溫度傳感器。例如MTS102傳感器，當(dāng)溫度在-40～150℃的范圍內(nèi)，其精度為±2℃，溫度系數(shù)為-2．25mV／℃。帶塑料外殼時(shí)，置于空氣中的響應(yīng)速度為8s，置于液體中的響應(yīng)速度為3s。

 

6．雙金屬片式溫度傳感器

 

    (1)結(jié)構(gòu) 

 

雙金屬片式溫度傳感器是利用雙金屬片的溫度特性制成的一種溫度傳感器，如冷起動(dòng)定時(shí)開關(guān)，它由殼體、雙金屬片、加熱線圈、觸點(diǎn)等構(gòu)成。

 

冷起動(dòng)定時(shí)開關(guān)是個(gè)溫度一時(shí)間開關(guān)，用螺紋連接方式安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處，以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。此開關(guān)內(nèi)部有一常閉觸點(diǎn)，其活動(dòng)臂由雙金屬片制成。雙金屬片由兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬片粘合而成，隨著溫度的變化，兩個(gè)金屬片產(chǎn)生熱膨脹差，溫度較低時(shí)，雙金屬片保持原來的狀態(tài)；溫度升高到一定程度時(shí)，雙金屬片向低膨脹系數(shù)的金屬片一側(cè)彎曲。在雙金屬片周圍繞有兩個(gè)加熱線圈，加熱后可使雙金屬片彎曲，從而使觸點(diǎn)斷開。發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)到一定溫度后，原來閉合的觸點(diǎn)應(yīng)為斷開狀態(tài)。

 

(2)冷起動(dòng)定時(shí)開關(guān)的工作原理 

 

在發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷機(jī)狀態(tài)下，定時(shí)開關(guān)觸點(diǎn)閉合。當(dāng)冷起動(dòng)時(shí)，點(diǎn)火開關(guān)處于起動(dòng)位置，起動(dòng)電源端有電流流過。電流由蓄電池經(jīng)點(diǎn)火開關(guān)、冷起動(dòng)噴油嘴、定時(shí)開關(guān)的雙金屬片、觸點(diǎn)、接地形成回路，使冷起動(dòng)噴油嘴噴油。與此同時(shí)，也有電流流經(jīng)定時(shí)開關(guān)的加熱線圈，兩個(gè)加熱線圈使雙金屬片受熱，當(dāng)其彎曲而斷開觸點(diǎn)時(shí)，冷起動(dòng)噴油器停止噴油。

 

起動(dòng)后，起動(dòng)開關(guān)斷開，點(diǎn)火開關(guān)由起動(dòng)位置轉(zhuǎn)至斷開位置，沒有電流流經(jīng)冷起動(dòng)噴油器，使其停止噴油。與此同時(shí)，兩個(gè)加熱線圈均斷電，但此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已處于暖機(jī)狀態(tài)，其水溫升高到足以使雙金屬片彎曲，觸點(diǎn)被斷開，也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷起動(dòng)噴油器定時(shí)開關(guān)的觸點(diǎn)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，冷起動(dòng)噴油器不噴油。

 

    汽車制造商都根據(jù)自身的設(shè)計(jì)規(guī)定了冷起動(dòng)噴油器定時(shí)開關(guān)的工作溫度，如日產(chǎn)系列的為18℃以下，豐田系列的為35℃以下。水溫越低，冷起動(dòng)噴油器的工作時(shí)間就越長。冷起動(dòng)噴油器噴油時(shí)間取決于噴油閥門打開的時(shí)間長短。