汽車電子控制技術的發展

汽車電子控制技術的快速發展主要取決於以下三個因素：一是得益於

電晶體技術、大規模積體電路技術、計算機技術和網路技術的飛速發展

，成本不斷降低，控制功能越來越強大，為汽車電子控制技術的發展提供良好的條件；二是由於各國政府制定了越來越嚴格的法規，迫使汽車製造商必須採用

先進的電子控制技術

，以滿足在燃油經濟性、安全性和排放效能方面的法規要求；三是使用者對汽車安全性、舒適性、動力性、經濟性等越來越高的需求，

促使汽車製造商更多地採用電子控制技術

，增強其產品在市場上的競爭能力。

汽車電子控制技術的發展過程，大致可分為電子電路控制、微型計算機控制和車載區域網控制三個階段。

第一階段（1953～1975年）：類比電子電路控制階段，即採用分立電子元件或積體電路組成電子控制器進行控制。汽車電子裝置主要採用分立電子元件組成電子控制器，從而揭開了汽車電子時代的序幕。

第二階段（1976～1999年）：微型計算機控制階段，即採用模擬計算機或數字計算機進行控制，控制技術向智慧化方向發展。汽車電子裝置普遍採用8位、16位或32位字長的微處理器進行控制，主要開發研製專用的獨立控制系統和綜合控制系統。

第三階段（2000年至今）：車載區域網控制階段，即採用車載區域網（LAN，Local Area Network）對汽車電器與電子控制系統進行控制。國內外中高檔轎車目前都已開始採用車載區域網技術。

汽車電子控制技術的發展趨勢

1．控制系統整合化

現代汽車越來越多地將單一控制系統整合為集中控制系統，控制系統整合可以使整個系統簡化，有利於對複雜系統多變數、多目標的綜合協調控制。但控制系統的整合需要運算能力更強、速度更快的微處理器，因此微處理器也從8位、16位、32位發展至64位。

2．資訊傳輸網路化

由於汽車上電子裝置數量急劇增多，汽車電路越來越複雜，為了減少連線導線的數量，現代汽車廣泛採用車載網路技術，將過去一線一用的專線制改為一線多用制。利用網路技術可以將汽車中各種電控單元、智慧感測器、智慧儀表等連線起來，從而構成汽車內部的控制器區域網，實現各系統間的資訊資源共享。這樣不僅簡化了佈線，減少了電氣節點的數量和導線的用量，同時也增加了資訊傳送的可靠性。

3．汽車和交通智慧化

智慧汽車是一個集環境感知、規劃決策、多等級輔助駕駛等功能於一體的綜合系統，它集中運用了計算機、智慧感測器、資訊融合、通訊、人工智慧及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。

智慧交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）是將先進的資訊科技、通訊技術、感測技術、控制技術以及計算機技術等有效地整合運用於整個交通運輸管理體系，而建立起的實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統。智慧交通技術與智慧汽車技術的結合，就可以實現汽車最佳行駛路線的自動選擇和汽車的自動駕駛。汽車和交通智慧化代表著未來汽車和未來交通的發展方向。

4．電控系統設計模組化

所謂模組化設計，是指為開發具有多種功能的不同產品，不需要對每種產品實施單獨設計，而是精心設計出多種模組，將其經過不同方式的組合來構成不同的產品，以解決產品品種、規格、製造週期和成本之間的矛盾。隨著汽車市場競爭的日趨激烈，為了滿足使用者個性化需求，汽車製造商需要推出更多的新車型，新車型的開發週期越來越短，採用電控系統模組化設計技術，能夠縮短開發週期，提高開發產品的質量，降低開發成本，有效提高汽車電子控制系統乃至汽車整車的可靠性。

汽車電控系統的基本組成

汽車上每一個電子控制系統都是由感測器與開關裝置、電控單元和執行器（執行元件）三部分組成，這三部分透過導線進行連線，就組成了一個電控系統。

1．感測器

（1）流量感測器

檢測被測氣體和液體等流體的流量，例如用於發動機電控燃油噴射系統的空氣流量感測器；用於自動空調系統的製冷劑流量感測器等。

（2）位置感測器

檢測被測迴轉物體的轉角或移動物體的位移，例如用於發動機電控燃油噴射和微機控制點火系統的曲軸位置感測器、凸輪軸位置感測器、節氣門位置感測器；用於電子穩定程式的轉向盤轉角感測器；用於電子控制懸架系統的車身高度感測器；用於廢氣再迴圈系統的EGR閥位置感測器等。

（3）壓力感測器

檢測被測介質壓力，例如用於發動機電控燃油噴射系統的進氣歧管壓力感測器、大氣壓力感測器、排氣壓力感測器；用於驅動防滑轉系統中的油壓感測器等。

（4）溫度感測器

檢測被測介質溫度，例如用於發動機電控燃油噴射和微機控制點火系統的發動機冷卻液溫度感測器、進氣溫度感測器、排氣溫度感測器、燃油溫度感測器；用於自動空調控制系統採用的車內溫度感測器等。

（5）濃度感測器

檢測被測介質濃度，例如用於發動機電控燃油噴射系統的氧感測器；用於安全控制系統的酒精濃度感測器等。

（6）速度感測器

檢測被測轉動物體的轉速或移動物體的速度，例如用於發動機電控燃油噴射和微機控制點火系統的發動機轉速感測器；用於防抱死制動系統的車輪速度感測器、用於電控自動變速器的車速感測器等。

（7）加速度感測器

檢測被測物體的加速度，例如用於電子穩定程式的汽車縱向和橫向加速度感測器；用於電控懸架系統的車身垂直加速度感測器等。

2．電控單元（ECU）

汽車電子控制單元簡稱電控單元，又稱為汽車電子控制器或汽車電子控制組件，俗稱“汽車電腦”。

電控單元是以微控制器為核心所組成的電子控制裝置，具有強大的數學運算、邏輯判斷、資料處理與資料管理等功能。

電控單元是汽車電子控制系統的控制中心，其主要功用是分析、處理感測器採集的各種資訊，並向受控裝置（即執行器或執行元件）發出控制指令。

3．執行器

執行器又稱為執行元件，是電子控制系統的執行機構。執行器的功用是接受電控單元（ECU）發出的指令，完成具體的執行動作。汽車電控系統的執行器通常是電動機、電磁閥等。汽車電控系統不同，採用執行器的數量和種類也不相同。

發動機電控燃油噴射系統的執行器有電動燃油泵和電磁噴油器；發動機怠速控制系統的執行器是怠速控制閥；汽油蒸發汙染控制系統蒸氣回收系統的執行器是活性炭罐電磁閥；微機控制點火系統的執行器有點火控制器和點火線圈；防抱死制動系統的執行器有兩位兩通電磁閥或三位三通電磁閥、回油泵電動機；安全氣囊系統的執行器是氣囊點火器；電控自動變速器的執行器有換擋電磁閥、油壓控制電磁閥和鎖止電磁閥；汽車電控懸架系統的執行器是空氣壓縮機、減振器阻尼和彈簧剛度調節電動機以及高度控制電磁閥等。

發動機電子控制系統

電子控制燃油噴射系統的分類與基本組成

1．電子控制燃油噴射系統的分類

（1）按燃油噴射部位分類

按噴油器噴射燃油的部位不同，電子控制燃油噴射系統可分為缸內噴射和進氣道噴射兩種型別。

（2）按進氣量的測量方式分類

按進氣量的測量方式不同，電子控制燃油噴射系統可分為D型（速度-密度控制型）和L型（質量流量控制型）兩種型別。

D型電控燃油噴射系統的組成

L型電控燃油噴射系統的組成

2、電子控制燃油噴射系統的基本組成

電子控制燃油噴射系統主要由空氣供給系統、燃油供給系統和電子控制系統組成。

（1）空氣供給系統

空氣供給系統功用是為發動機可燃混合氣的形成提供必需的空氣，並測量出進入氣缸的空氣量。空氣供給系統主要由空氣濾清器、空氣流量感測器（L型）或進氣歧管壓力感測器（D型）、節氣門、節氣門位置感測器、進氣總管、進氣歧管等組成。另外，進氣溫度感測器、怠速控制系統的怠速控制閥也安裝在空氣供給系統中。

（2）燃油供給系統

燃油供給系統的功用是向發動機各個氣缸供給混合氣燃燒所需的燃油，由燃油箱、電動燃油泵、燃油分配管、燃油濾清器、油壓調節器、噴油器和回油管等組成。燃油由燃油泵從油箱中泵出，具有一定壓力的燃油經過燃油濾清器流至燃油分配管，由分配管送至各缸噴油器，噴油器根據ECU的噴油指令開啟噴油閥，將適量的燃油噴出，與空氣混合形成可燃混合氣。

（3）電子控制系統

將在發動機各個系統中起作用的電子元器件看作一個系統，就是電子控制系統。電子控制系統的硬體結構一般由感測器、電子控制單元（ECU）和執行器三部分組成，如圖。

空氣供給系統

1. 空氣流量感測器

空氣流量感測器功用檢測發動機進氣量大小，並將進氣量資訊轉換成電訊號輸入電控單元（ECU），以供ECU計算確定噴油時間（即噴油量）和點火時間。進氣量訊號是控制單元計算噴油時間和點火時間的主要依據。

空氣流量感測器型別多樣，有葉（翼）片式、卡門渦流式和熱絲式或者熱膜式。其中，葉（翼）片式、卡門渦流式是體積流量型，熱絲式和熱膜式流量感測器能夠由電子元件直接測量空氣氣流的質量流量，避免了海拔高度變化引起的測量誤差，是質量流量型。

（1）熱絲式空氣流量感測器

置於空氣通道中的電熱體，由於與空氣之間的熱傳遞，其溫度會有所下降。空氣流量大，帶走的熱量多， 維持電熱體溫度所需的電流大，反之，空氣流量小，所需的電流則小。熱絲（膜）式空氣流量感測器就是利用這一原理來檢測空氣流量的。

1—防護網2—取樣管3—鉑金屬絲（熱絲）4—溫度補償電阻（冷絲）5—控制電路板6—電聯結器7—殼體

一種與單臂電橋分開而單獨設定具有自潔功能加熱電阻的熱絲式空氣流量感測器電路。

單獨設定自潔加熱電阻的熱絲式空氣流量感測器電路

美國通用公司的熱絲式空氣流量感測器的工作原理與上述內容基本一致，但通用公司的熱絲式空氣流量感測器將輸出訊號轉換為頻率方波訊號，並且頻率變化趨勢也是隨著進氣量的增加而變大（怠速時的平均頻率為32Hz，節氣門全開時的頻率為150Hz）

（2）熱膜式空氣流量感測器

其發熱元件採用的是由鉑金屬薄膜製成的膜片電阻，故稱為熱膜電阻。在感測器內部的進氣通道上設有一個矩形護套（相當於取樣管），熱膜電阻設在護套中。為了防止汙物沉積到熱膜電阻上影響測量精度，在護套的空氣入口一側設有空氣過濾層，用以過濾空氣中的汙物。

1—接線插座2—護套3—鉑金屬膜4—防護網

2．進氣歧管壓力感測器

在D型燃油噴射系統中，進氣歧管壓力感測器將發動機進氣歧管內絕對壓力（真空度）轉換成電壓訊號，與發動機轉速訊號一起輸送到電控單元（ECU），ECU根據進氣歧管內絕對壓力和發動機轉速訊號計算出空氣流量，作為確定噴油器基本噴油量和點火時間的依據。由此可見，與空氣流量感測器直接檢測發動機進氣量不同，進氣歧管壓力感測器是一種間接測量發動機進氣量的感測器。

壓阻效應式進氣歧管壓力感測器的結構如圖所示，主要由矽膜片、真空室、混合積體電路、真空管接頭、線束插頭和殼體組成。進氣歧管壓力感測器的安裝位置比較靈活，只要將節氣門至進氣歧管之間的進氣壓力引入感測器的真空室內，感測器就可安放在任何位置。

1—真空室2—矽膜片3—混合集圖

成電路 4—殼體5—線束插頭

矽膜片的長和寬約為3mm、厚度約為16m，在矽膜片的中央部位採用腐蝕方法制作有一個直徑為2mm、厚度約為5m的薄膜片。在薄矽膜片表面上，採用積體電路加工技術與檯面擴散技術（擴散硼）製作4只梳狀阻值相等的應變電阻，又稱為固態壓阻器件或固態電阻，並利用低阻擴散層（P型擴散層）將四隻電阻連線成惠斯頓電橋電路，然後再與感測器內部的訊號放大電路和溫度補償電路等混合積體電路連線。

1—引線端子2—殼體3—矽杯4—真空室5—矽膜片6—錫焊封口

7—應變電阻8—金線電極9—電極引線10—底座11—真空管

壓阻效應式進氣歧管壓力感測器的工作原理：矽膜片一面通真空室，另一面匯入進氣歧管壓力。發動機工作時，從進氣歧管進入的進氣壓力作用在矽膜片上，矽膜片就會產生應力變形。在應力作用下，應變電阻的電阻率就會發生變化而引起阻值變化，惠斯頓電橋上電阻值的平衡就被打破。

當電橋輸入端輸入一定的電壓或電流時，在電橋的輸出端就可得到變化的訊號電壓或訊號電流。根據訊號電壓或訊號電流的大小，就可計算出歧管壓力的高低。當感測器結構和輸入的電源電壓Ucc一定時，輸出電壓U0與作用在圓形矽膜片上的壓力成正此，即壓力越高，則輸出電壓越高。

3. 節氣門位置感測器

節氣門位置感測器安裝在節氣門體節氣門軸的一端，傳統方式是由駕駛員操縱油門踏板上的拉索在控制節氣門開度時對其進行控制。節氣門位置感測器可以將節氣門的開度轉換成電訊號輸送給ECU，ECU以此判定發動機的運轉工況，並根據發動機不同工況對混合氣濃度的需求來控制噴油時間。

1—可變電阻滑動觸點2—電源電壓輸入端（5V）3—絕緣部件4—節氣門軸5—怠速觸點

組合式節氣門位置感測器的輸出特性如圖所示，當節氣門關閉或開度小於1。2時，怠速觸點閉合，其輸出端IDL輸出低電平（0V），當節氣門開度大於1。2時，怠速觸點斷開，輸出端IDL輸出高電平（5V）。當節氣門開度變化時，可變電阻的滑臂便隨節氣門軸轉動，滑臂上的觸點便在鍍膜電阻上滑動，感測器的輸出端子VTA與E2之間的訊號電壓隨之發生變化，節氣門開度越大，輸出電壓越高。感測器輸出的線性訊號經過A/D轉換器轉換成數字訊號後再輸入ECU。

大眾車系發動機電控系統多采用組合式節氣門體，它把觸點與線性可變電阻組合式節氣門位置感測器與節氣門控制器融為一體，取消了怠速旁通道，簡化了結構。

1—節氣門拉索輪2—節氣門控制器電位計 3—緊急執行彈簧4—節氣門控制器（怠速電動機）5—節氣門電位計6—整體式怠速穩定裝置 7—怠速開關

溫度感測器

溫度是反映汽車發動機熱負荷狀態的重要引數，為了保證控制系統能夠對發動機進行精確控制，必須隨時監測發動機冷卻液溫度、進氣溫度和排氣溫度等。

溫度感測器按結構與物理效能分類，可分為物性型（熱敏電阻式、熱敏鐵氧體式）和結構型（雙金屬片式、石蠟式）這兩種。現代汽車廣泛採用物性型溫度感測器，特別是熱敏電阻式溫度感測器，具有靈敏度高、響應特性好、結構簡單、成本低廉等優點，故下面主要介紹熱敏電阻式溫度感測器。

常用的熱敏電阻有正溫度係數型熱敏電阻（PTC）、負溫度係數型熱敏電阻（NTC）兩種。

熱敏電阻式溫度感測器的結構形式如圖所示，主要由熱敏電阻、金屬引線、接線插座和殼體等組成。

a）兩端子式 b）單端子式

負溫度係數NTC型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係。對於結構一定的負溫度係數型熱敏電阻式溫度感測器，其阻值與溫度的關係曲線如圖2-21所示

溫度感測器的工作電路所示，感測器的兩個電極用導線與ECU插座連線。ECU內部串聯一隻分壓電阻，ECU向熱敏電阻和分壓電阻組成的分壓電路提供一個穩定的電壓（一般為5V），感測器輸入ECU的訊號電壓等於熱敏電阻上的分壓值，電壓會隨熱敏電阻阻值的變化而變化。當被測物件的溫度升高時，感測器阻值減小，熱敏電阻上的分壓值降低；反之，當被測物件的溫度降低時，感測器阻值增大，熱敏電阻上的分壓值升高。

燃油供給系統

燃油供給系統主要由燃油箱、燃油濾清器、電動燃油泵、供油管、回油管、燃油分配管、燃油壓力調節器、噴油器等組成。

燃油供給系統在整車上的佈置

一般採用不易產生氣阻的無回油管式燃油供給系統，無回油管的燃油供給系統設計目的是防止流動的燃油將發動機機艙內的熱量帶回油箱而導致燃油升溫，造成燃油蒸發過多。這種系統有兩種結構形式，一是將燃油壓力調節器安裝在油箱內，如圖所示。

無回油管式燃油供給系統

二是將燃油壓力調節器取消，在油泵總成上加裝有控制油壓的壓力控制閥，可保證燃油分配管內壓力為一定值，無回油管燃油系統油泵和壓力控制器。

無回油管燃油系統油泵和壓力控制器

電動燃油泵

電動燃油泵的功用是從油箱中吸出燃油，加壓後輸送到管路中，和燃油壓力調節器配合建立合適的系統壓力（高於進氣歧管壓力250~300kPa），最終將燃油輸送到噴油器。為防止發動機供油不足及由高溫而產生的氣阻，油泵的最高輸出油壓需要470kPa左右，其供油量比發動機最大耗油量大得多，多餘的燃油從回油管返回油箱。

1—進油濾網2—油泵3—隔振橡膠4—支架5—出油管6—小油箱7—油箱8—回油管

結構組成：電動燃油泵的內部結構如圖所示，主要由永磁式直流電動機、油泵、限壓閥、單向閥和泵殼等組成。電動機由永久磁鐵、電樞、換向器和電刷等組成。油泵由泵轉子和泵體組成，泵轉子固定在電動機軸上，隨電動機轉動而轉動。

1—進油口2—限壓閥3—電動機4—泵殼

5—接線插頭6—出油口7—單向閥 8—永久磁鐵9—泵體

電動燃油泵的工作原理

油泵的控制如圖所示，是一種利用發動機ECU直接控制油泵的轉速的控制電路。發動機工作時，發動機ECU原則上根據燃油消耗量、需要的回油量和供油裝置的溫度等，透過內部的控制迴路IC，控制功率三極體VT進行高頻率（約20KHz）的導通和截止，控制A點的平均降壓值（分壓值），使油泵保持在所需的工作電壓。油泵工作電壓與發動機負荷成正比變化。發動機ECU在進行實際控制時，油泵的工作電壓主要隨發動機轉速和噴油脈寬變化而變化。

ECU直接控制式油泵控制電路 油泵工作電壓特性

燃油分配管

其功用是固定噴油器和油壓調節器，並將汽油分配給每隻噴油器。燃油分配管在燃油分配管與噴油器連線處制有小孔，以便將燃油分配到每隻噴油器。有的車型配備的發動機其燃油分配管上製作有連線油壓表的介面（燃油壓力塞），以便測量燃油壓力。

燃油壓力調節器

燃油壓力調節器的主要功用是使系統油壓（即供油總管內油壓）與進氣歧管壓力之差保持常數，一般為250~300kPa。這樣，從噴油器噴出的燃油量便唯一地取定於噴油器的開啟時間。

噴油器

（1）結構原理

噴油器實質是一個電磁閥，所示為軸針式噴油器的結構組成。它主要由噴油器外殼、噴油嘴、針閥、套在針閥上的銜鐵以及根據噴油脈衝訊號產生電磁吸力的電磁線圈組成。電磁線圈無電流時，噴油器內的針閥被螺旋彈簧壓在噴油器出口處的密封錐形閥座上，噴油器不噴油。當ECU發出噴油脈衝訊號將電磁線圈接通而通電時，電磁線圈產生的磁場吸動銜鐵上移，銜鐵帶動針閥從其座面上升約0。1mm，燃油從精密環形間隙中流出。當ECU將電路切斷時，吸力消失，回位彈簧使針閥復位關閉噴油器，停止噴射。

1—進油濾網2—線束插接器3—電磁線圈4—回位彈簧5—銜鐵6—針閥7—軸針

（2）控制和驅動方式

發動機電子控制單元ECU可透過控制噴油器的電源或搭鐵來實現對噴油器的控制，控制電路如圖所示。在發動機工作時，ECU根據各種感測器輸入的訊號，確定合適的噴油時刻和噴油脈衝寬度，並向噴油器提供搭鐵訊號使噴油器開始噴油，切斷搭鐵訊號使噴油器停止噴油。

噴油器的驅動方式分為電流驅動與電壓驅動兩種方式。電流驅動只適用於低電阻噴油器（2~5Ω），電壓驅動既可用於低電阻噴油器，又可用於高電阻噴油器（12~17Ω）。

電流驅動是指發動機電子控制單元ECU開始用一個較大的電流（8A）使電磁線圈產生較大的吸力，保證噴油器具有良好的響應性，然後再用較小的電流（2A）使針閥保持在開啟狀態，以防止噴油器線圈發熱，減少功率消耗。在電流驅動迴路中無附加電阻，低電阻噴油器直接與蓄電池連線。由於無附加電阻，迴路阻抗小，ECU向噴油器發出指令時，流過噴油器線圈的電流增加迅速，大電流使針閥迅速開啟，噴油遲滯時間縮短，響應性更好。

電壓驅動是指透過控制噴油器的工作電壓來控制噴油器工作。在電壓驅動迴路中，使用高電阻噴油器時可將蓄電池電壓直接加在噴油器上；而使用低電阻噴油器時，必須在迴路中加入附加電阻，將蓄電池電壓分壓後加在噴油器上，防止電磁線圈電流過大，發熱而燒壞。

電子控制系統

電子控制系統可以簡化為感測器、電子控制單元（ECU）和執行器三大組成部分。

曲軸位置感測器與凸輪軸位置感測器

曲軸位置感測器用來檢測發動機轉速、曲軸位置（轉角）訊號以及第一缸和各缸壓縮衝程上止點訊號，是控制噴油和點火時刻的主要訊號。

曲軸位置感測器和凸輪軸位置感測器所採用的結構隨車型不同而不同，可分為磁感應式、霍爾式和光電式三大類。

（1）磁感應式曲軸位置感測器與凸輪軸位置感測器

①工作原理。磁感應式感測器的基本結構與工作原理如圖所示。感測器主要由訊號轉子、感測線圈、永久磁鐵和磁軛等組成。磁力線穿過的路徑為：永久磁鐵N極→定子與轉子間的氣隙→轉子凸齒→轉子凸齒與定子磁頭間的氣隙→磁頭→導磁板→永久磁鐵S極。當訊號轉子旋轉時，磁路中的氣隙就會週期性地發生變化，磁路的磁阻和穿過感測線圈（訊號線圈）磁頭的磁通量隨之發生週期性的變化。根據電磁感應原理，感測線圈中就會感應產生交變電動勢。

a）凸齒接近磁頭b）凸齒正對磁頭c）凸齒離開磁頭

1—訊號轉子2—感測線圈3—永久磁鐵4—磁軛

當訊號轉子旋轉時，轉子凸齒與磁頭間的氣隙減小，磁通量增多，磁通變化率增大，感應電動勢E為正（E＞0），如圖所示。

當轉子凸齒接近磁頭邊緣時，磁通量急劇增多，磁通變化率最大，感應電動勢E最高，如圖曲線b點所示。轉子轉過b點位置後，雖然磁通量仍在增多，但磁通變化率減小，因此感應電動勢E降低。

當轉子旋轉到凸齒的中心線與磁頭的中心線對齊時，如圖b所示，雖然轉子凸齒與磁頭間的氣隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量最大，但是，由於磁通量不可能繼續增加，磁通變化率為零，因此感應電動勢E為零，如圖曲線c點所示。

當轉子沿順時針方向繼續旋轉，凸齒離開磁頭時，凸齒與磁頭間的氣隙增大，磁路磁阻增大，磁通量減少，所以感應電動勢E為負值，曲線cda所示。當凸齒即將離開磁頭邊緣時，磁通量急劇減少，磁通變化率達到負向最大值，感應電動勢E也達到負向最大值，如圖曲線上d點所示。

（2）霍爾式曲軸位置感測器與凸輪軸位置感測器

① 霍爾效應

通有電流I的白金導體垂直於磁力線放入磁感應強度為B的磁場中時，在白金導體橫向側面上就會產生一個垂直於電流方向和磁場方向的電壓UH，UH與透過半導體的電流I和磁感應強度B成正比，當取消磁場時電壓立即消失。被稱為霍爾效應，UH被稱為霍爾電壓。

②基本結構

霍爾式感測器的基本結構如圖所示，主要由觸發葉輪、霍爾積體電路、導磁鋼片（磁軛）與永久磁鐵等組成。觸發葉輪安裝在轉子軸上，葉輪上制有葉片。當觸發葉輪隨轉子軸一同轉動時，葉片便在霍爾積體電路與永久磁鐵之間轉動。

a）葉片離開氣隙，磁場飽和b）葉片進入氣隙，磁場被旁路

1—永久磁鐵2—觸發葉輪3—磁軛4—霍爾積體電路

③工作原理

當感測器軸轉動時，觸發葉輪的葉片便從霍爾積體電路與永久磁鐵之間的氣隙中轉過。當葉片離開氣隙時，永久磁鐵的磁通便經霍爾積體電路和導磁鋼片構成迴路，如圖所示，此時霍爾元件產生電壓（UH=1。9~2。0V），霍爾積體電路輸出級的三極體導通，感測器輸出的訊號電壓U0為0。1~0。3V的低電平，如圖所示。

氧感測器

氧感測器安裝在發動機排氣管上，其作用是透過監測排氣中的氧含量來獲得混合氣的空燃比訊號，並將該訊號轉變為電訊號輸入ECU。ECU根據氧感測器訊號，對噴油時間進行修正，實現空燃比反饋控制（閉環控制），從而將空燃比控制在理論值14。7：1附近，使發動機得到最佳濃度的混合氣，從而降低有害氣體的排放和節約燃油。

氧感測器可分為氧化鋯（ZrO2）式和氧化鈦（TiO2）式兩種型別

（1）氧化鋯式氧感測器

氧化鋯式氧感測器的結構如圖所示，主要由鋼質護管、鋼質殼體、鋯管、加熱元件、電極引線、防水護套和線束插頭等組成。

1—鋼質護管2—排氣3—殼體4—防水護套5—電極引線

6—陶瓷加熱元件7—排氣管8—鋯管9—加熱元件電源端子10—加熱元件搭鐵端子11—訊號輸出端子

鋯管的陶瓷體是多孔的，在高溫下可使氧分子發生電離變成氧離子，帶負電的氧離子在二氧化鋯固體電解質中能均勻擴散與滲透。當鋯管內側表面與外側表面之間氧氣的濃度不同（即存在濃度差）時，高濃度側的氧離子就會向濃度低的一側擴散，以求達到平衡狀態。當固體電解質表面設定多孔電極之後，在其兩個電極之間就可得到電動勢E。因為鋯管內側與氧濃度高的大氣相通，外側與氧濃度低的排氣相通，且鋯管外側的氧含量隨可燃混合氣濃度變化而變化，所以當氧離子在鋯管中擴散時，鋯管內外表面之間的電位差將隨可燃混合氣濃度變化而變化，即鋯管相當於一個氧濃度差電池，感測器的訊號源相當於一個可變電源，其工作原理如圖所示。

1—排氣2—排氣管3—大氣4—Zr02固體電解質5—鉑電極

6—氧化鋁陶瓷保護層

氧化鋯式氧感測器的輸出特性：當供給發動機的可燃混合氣較濃時（空燃比小於14。7），排氣中氧含量較少、CO濃度較大。在催化劑鉑的催化作用下，氧幾乎全部都與CO發生氧化反應生成CO2氣體，使外表面上氧濃度為0。由於鋯管內表面與大氣相通，氧濃度很大，因此鋯管內、外表面之間的氧濃度差較大，兩個鉑電極之間的電位差較高（約0。9V）。

a）氣體濃度與電壓的關係 b）感測元件溫度與電壓的關係

1—氧感測器電動勢2—CO濃度3—無鉑電極時的電動勢4—氧濃度

當供給發動機的可燃混合氣較稀時（空燃比大於14。7），排氣中氧含量較多、CO濃度較小，即使CO全部都與氧產生化學反應，鋯管外表面上還有多餘的氧存在。因此，鋯管內、外表面之間氧的濃度差較小，兩個鉑電極之間的電位差較低（約0。1V）。

當空燃比接近於理論空燃比14。7時，排氣中的氧和CO含量都很少。在催化劑鉑的作用下，氧與CO的化學反應從缺氧狀態（CO過剩、氧濃度為0）急劇變化為富氧狀態（CO為0、氧過剩）。由於氧濃度差急劇變化，因此鉑電極之間的電位差急劇變化，使感測器輸出電壓從0。9V急劇變化到0。1V。

（2）氧化鈦式氧感測器

二氧化鈦（TiO2）在常溫下是一種高電阻的半導體，但表面一旦缺氧，其晶格便出現缺陷，電阻便隨之減小。同時，其電阻也與環境溫度有關。氧化鈦式氧感測器就是利用二氧化鈦材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性製成的，故又稱電阻型氧感測器。

極限電流型氧感測器是以ZrO2氧濃差電池型氧感測器為基礎加以改進而產生的。在ZrO2氧濃差電池型氧感測器的ZrO2元件兩端加上一定電壓時，會造成氧離子的移動而產生電流，其電流與排放氣體氧濃度成正比。極限電流型氧感測器就是利用這一特性，連續檢測出稀薄燃燒區的空燃比。

電子控制單元（ECU）

電子控制單元的功能有以下幾個方面：給感測器提供參考（基準）電壓（2V、5V、9V、12V）；接收感測器或其他裝置輸入的資訊，將輸入的資訊轉變為微機所能接受的訊號；儲存分析計算所用的程式、車型的特點引數、運算中的資料及故障資訊；運算分析，即根據資訊引數求出執行命令並輸出給執行器；將輸出的資訊與標準值對比，查出故障並輸出故障資訊；自我修正（自適應功能）。

（1）電子控制單元的硬體

ECU主要由輸入迴路、微機和輸出迴路四部分組成。

（2）電子控制單元的軟體

軟體包括控制程式和資料兩部分。控制軟體大多數採用模組化結構，將整個控制系統的程式分成若干個功能相對獨立的程式模組，每個模組分別進行設計、程式設計和除錯，最後將除錯好的程式模組連線起來。這種結構方式可使程式設計和除錯容易，修改變動方便和可按需要進行取捨。

軟體中最主要的是主控程式。主控程式可根據使用和控制要求設定內容。主控程式的主要任務是整個系統初始化、實現系統的工作時序、控制模式的設定，常用工況及其他各工況模式下噴油訊號和點火訊號輸出程式。軟體中還有轉速和負荷的處理程式、中斷處理程式、查表及插值程式等。

為了能對發動機進行最優控制，應在發動機臺架、排放轉鼓試驗檯和道路上進行匹配試驗，得到基本噴油量和基本點火提前角的三維圖，以及其他為匹配各種執行工況而確定的修正係數、修正函式和常數等，都以離散資料的形式存在儲存器中，作為控制的依據。

（3）工作過程

發動機起動時，ECU進入工作狀態，某些程式從ROM中取出進入CPU。這些程式可以用來控制燃油噴射、點火時刻、怠速等。透過CPU的控制，一個個指令逐個地進行迴圈執行。

根據發動機工況的需要，ECU有開環控制和閉環控制兩種控制方式。

①開環控制

發動機工作時，ECU根據感測器的訊號對執行器進行控制，而控制的結果（如燃燒是否完全、怠速是否穩定、有否有爆燃發生等）是否達到預期目標無法做出分析，控制的結果對控制過程沒有影響，這種控制方式稱為開環控制。開環控制的特點是在控制器與被控物件之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用。

②閉環控制

開環控制系統調整空燃比和點火提前角的準確程度受到發動機技術狀況和控制程式及資料的限制。另外，開環控制系統無法將影響空燃比和點火提前角的其他控制引數一一兼顧，因此很難達到精確的控制。

閉環控制實質上就是反饋控制。在開環控制的基礎上，控制系統根據實際檢測到的開環控制結果的反饋訊號來決定增減輸出控制量的大小。閉環控制的特點是在控制器與被控物件之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反饋作用，即系統的輸出量對控制量有直接影響。

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