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1  溫度傳感器的功用和類型

 

溫度是反映發動機熱負荷狀態的重要參數。為了保證控制系統能夠精確控制發動機的工作參數，必須隨時監測發動機冷卻液溫度、進氣溫度和排氣溫度，以便修正控制參數，計算吸入氣缸空氣的質量流量以及進行排氣凈化處理等。

 

冷卻液溫度傳感器(Coolant Temperature Sensor，CTS)通常稱為水溫傳感器，安裝在發動機冷卻液出水管上，其功用是檢測發動機冷卻液的溫度，并將溫度信號變換為電信號傳送給ECu。ECU根據發動機的溫度信號修正噴油時間和點火時間，從而使發動機工況處于最佳狀態運行。

 

進氣溫度傳感器(Intake Air Temperature Sensor，IATS)安裝在進氣管路中，其功用是檢測進氣溫度，并將溫度信號變換為電信號傳送給ECU。進氣溫度信號是各種控制功能的修正信號。如果進氣溫度傳感器信號中斷，就會導致熱起動困難、廢氣排放量增大。

 

眾所周知，空氣重量與進氣溫度和大氣(進氣)壓力有關。當進氣溫度低時，空氣密度高，相同體積氣體的重量增加；反之，當進氣溫度升高時，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中，由于空氣流量傳感器測定的空氣流量為體積流量，因此需要配裝進氣溫度傳感器和大氣壓力傳感器。ECU根據發動機的進氣溫度和壓力信號修正噴油量，使發動機自動適應外部環境溫度(寒冷、高溫)和壓力(高原、平原)的變化。當進氣溫度低時(空氣密度高)，熱敏電阻的阻值大，傳感器輸入ECU的信號電壓高，ECU控制噴油器增加噴油量；反之，當進氣溫度高時(空氣密度低)，熱敏電阻阻值小，傳感器輸入ECU的信號電壓低，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(Positive Temperature Coefficient，PTC)型熱敏電阻、負溫度系數(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溫度系數型和正溫度系數型兩種。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，FTs)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，再罩上適當的外套而制成，用于測量冷卻水溫度和進氣溫度。利用其電阻值隨溫度變化而改變的特性。其精度在±1％以內，響應特性較差，響應時間約為15s。現在并不常用，因此在本書中不作詳細介紹。

 

2．熱敏電阻式溫度傳感器

 

    (1)熱敏電阻式溫度傳感器的結構與種類 

 

熱敏電阻式溫度傳感器的實物如圖2-2所示，其結構型式如圖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一般采用兩端子式溫度傳感器，低檔轎車燃油噴射系統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接線端子，則殼體為傳感器的一個電極。目前電控系統使用的溫度傳感器插座大多數都有兩個接線端子，分別與ECU插座上的相應端子連接，以便可靠地傳遞信號。

 

    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。在熱敏元件的兩個端面各引出一個電極，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型陶瓷半導體材料，它們在測量與溫度補償領域中有廣泛的用途。在發動機控制系統中，它們主要用于水溫傳感器、進氣溫度傳感器等低溫測量用傳感器上，即用于測量300％：以下的傳感器上。中溫測量用材料有SiC、LaCrO3、B4C系列，但這

些材料都難以燒結，很難形成批量生產且價格低廉的產品。高溫測量用熱敏電阻的材料有ZrO2、TiO2、Y2O3、CaSiO3、Al2O3、Cr2O3等，其中ZrO2的熔點高達2800℃，耐熱性能很好，實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，其突出優點是靈敏度高、響應特性好、結構簡單、成本低廉。汽車上的冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器普遍采用NTC熱敏電阻，其阻值與溫度的關系可用下述公式表示：

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

 

對于結構一定的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系。溫度傳感器的工作電路如圖2-5所示，傳感器的兩個電極用導線與ECU插座連接。ECU內部串聯一只分壓電阻，ECU向熱敏電阻和分壓電阻組成的分壓電路提供一個穩定的電壓(一般為5V)，傳感器輸入ECU的信號電壓等于熱敏電阻上的分壓值。

 

當被測對象的溫度升高時，傳感器阻值減小，熱敏電阻上的分壓值降低；反之，當被測對象的溫度降低時，傳感器阻值增大，熱敏電阻上的分壓值升高。ECU根據接收到的信號電壓值，便可計算求得對應的溫度值，從而進行實時控制。

  3．熱敏鐵氧體溫度傳感器

 

(1)結構熱敏鐵氧體溫度傳感器由殼體、鐵氧體、舌簧開關和永久磁鐵等構成。在舌簧開關的電磁回路中配置兩個環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，使舌簧開關導通或斷開。這種傳感器一般用于控制汽車散熱器的電動式風扇及油壓指示燈等。

 

(2)工作原理 

 

熱敏鐵氧體是強磁性材料，當超過某溫度時，鐵氧體的磁導率急劇下降，即具有從強磁性體向常磁性體(弱磁性體)急速轉變的性質，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導通或關斷。  

 

根據需要選用不同的燒結材料成分及熱處理方法，可得到不同的居里溫度。例如要控制發動機冷卻水溫度保持在65～100％：之間，當兩個鐵氧體的居里溫度分別為100℃、65℃時，對應溫度范圍的磁場強度變形成如圖2-6所示的磁通環。

 

    當熱敏鐵氧體所處環境溫度低于65℃時，兩個鐵氧體為強磁性體，被永久磁鐵磁化，并與其形成一個磁鐵，舌簧開關的觸點中有直通的磁力線穿過并產生吸力，所以觸點閉合，如圖2-6a所示。當熱敏鐵氧體周圍溫度高于100℃時，兩個鐵氧體的磁導率急劇下降，變為常磁性體，熱敏鐵氧體基本上沒有被磁化，相當于沒有鐵氧體存在。在永久磁鐵磁場作用下，舌簧開關的觸點中有磁力線穿過并產生吸力，所以觸點閉合，如圖2-6c所示。當熱敏鐵氧體所處環境溫度在65～100℃之間時，其中居里溫度為65℃的鐵氧體變為常磁性體沒被磁化，而100℃的鐵氧體變為強磁性體而被磁化，并與其左邊的永久磁鐵形成一個磁鐵。這時

舌簧開關的觸點中有磁力線穿過并產生排斥力，所以觸點打開，如圖2-6b所示。

4．擴散電阻式溫度傳感器

 

在硅半導體上形成電阻電極，當電極上加有電壓時，產生的擴散電阻隨溫度變化。利用這一特性可制成溫度傳感器。從而能獲得成本低、各項性能優良的傳感器。樹脂型傳感器的響應速度，在空氣中為5s，溫度系數為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射極間的偏置電壓隨溫度而改變，根據這一原理，制成了晶體管式溫度傳感器。例如MTS102傳感器，當溫度在-40～150℃的范圍內，其精度為±2℃，溫度系數為-2．25mV／℃。帶塑料外殼時，置于空氣中的響應速度為8s，置于液體中的響應速度為3s。

 

6．雙金屬片式溫度傳感器

 

    (1)結構 

 

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，如冷起動定時開關，它由殼體、雙金屬片、加熱線圈、觸點等構成。

 

冷起動定時開關是個溫度一時間開關，用螺紋連接方式安裝在發動機出水口處，以檢測發動機水溫。此開關內部有一常閉觸點，其活動臂由雙金屬片制成。雙金屬片由兩片熱膨脹系數不同的金屬片粘合而成，隨著溫度的變化，兩個金屬片產生熱膨脹差，溫度較低時，雙金屬片保持原來的狀態；溫度升高到一定程度時，雙金屬片向低膨脹系數的金屬片一側彎曲。在雙金屬片周圍繞有兩個加熱線圈，加熱后可使雙金屬片彎曲，從而使觸點斷開。發動機暖機到一定溫度后，原來閉合的觸點應為斷開狀態。

 

(2)冷起動定時開關的工作原理 

 

在發動機處于冷機狀態下，定時開關觸點閉合。當冷起動時，點火開關處于起動位置，起動電源端有電流流過。電流由蓄電池經點火開關、冷起動噴油嘴、定時開關的雙金屬片、觸點、接地形成回路，使冷起動噴油嘴噴油。與此同時，也有電流流經定時開關的加熱線圈，兩個加熱線圈使雙金屬片受熱，當其彎曲而斷開觸點時，冷起動噴油器停止噴油。

 

起動后，起動開關斷開，點火開關由起動位置轉至斷開位置，沒有電流流經冷起動噴油器，使其停止噴油。與此同時，兩個加熱線圈均斷電，但此時發動機已處于暖機狀態，其水溫升高到足以使雙金屬片彎曲，觸點被斷開，也就是說發動機正常運轉時，冷起動噴油器定時開關的觸點保持斷開狀態，冷起動噴油器不噴油。

 

    汽車制造商都根據自身的設計規定了冷起動噴油器定時開關的工作溫度，如日產系列的為18℃以下，豐田系列的為35℃以下。水溫越低，冷起動噴油器的工作時間就越長。冷起動噴油器噴油時間取決于噴油閥門打開的時間長短。