汽车发动机供油系统-结构及原理

汽油机燃料供给系统的作用是储存、输送和清洁燃料。根据发动机不同工况的要求，需配制一定数量和浓度的可燃混合气进入气缸，并在燃烧做功后，将燃烧产生的废气排至大气。

汽油机燃料供给系统有化油器式燃料供给系统和电控喷射式燃料供给系统两大类型。化油器式燃料供给系统已逐渐退出历史舞台，目前在汽车发动机中广泛采用电控喷射式燃料供给系统。

1.电控喷射式燃料供给系统的控制原则

电控喷射式燃料供给系统的控制原则如图6－1 所示，即以信号输入装置（各种传感器）测得的参数（如空气流量和发动机转速信号）为控制依据，以电子控制单元（ECU）为控制核心，以执行机构（喷油器等）为控制对象，保证发动机在各种工况下获得最佳的混合气浓度，以满足发动机的动力性、经济性和排放要求。

图6－1　电控喷射式燃料供给系统的控制原则

2.电控喷射式燃料供给系统的组成

电控喷射式燃料供给系统主要由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统3 个子系统组成，如图6－2 所示。

图6－2　电控喷射式燃料供给系统的基本组成示意

1）空气供给系统

空气供给系统的作用主要是对空气进行过滤、计量，同时，为了提高发动机的功率还要通过实施电子控制来增大进气量。因此，空气供给系统中除了安装有空气滤清器、节气门体、进气管外，还设置了许多传感器和执行器，如图6－3 所示。本部分主要介绍机械部件，传感器和执行器后续专门介绍。

（1）空气滤清器。

①空气滤清器的作用。空气滤清器的作用是滤去空气中的尘土和砂粒，以减少气缸、活塞和活塞环的磨损，延长发动机的使用寿命。

②空气滤清器的分类。空气滤清器按滤清方式可分为惯性式、过滤式和综合式（前两种的综合）3 种。目前，汽车发动机广泛采用纸质干式空气滤清器，它属于过滤式。这种滤清器具有结构简单、质量轻、成本低、使用方便、滤清效果好的优点。纸质干式空气滤清器的滤清效率可达99.5%以上。

图6－3　空气供给系统主要元件安装位置示意

（a）D 形空气供给系统；（b）L 形空气供给系统

③空气滤清器的构造。图6－4 所示为纸质干式空气滤清器的结构示意。滤芯的上、下两端有塑料密封圈，以保证滤芯两端的密封。发动机工作时，空气由盖与外壳之间的空隙进入，经纸质滤芯滤清后，通过外壳下端的进气口进入。

图6－4　纸质干式空气滤清器的结构示意

纸质干式空气滤清器的滤芯是用树脂处理的微孔滤纸制成的，有许多形式和形状；滤芯呈波折状，具有较大的过滤面积，如图6－5 所示。

图6－5　各种形式和形状的滤芯

（2）节气门体。

①节气门体的作用。节气门体安装在空气流量计之后的进气管上，用来控制发动机正常运行工况下的进气量。驾驶员通过控制加速踏板来控制节气门体的开度，加速踏板踩得越深，节气门体的开度越大，进气量就越大，喷油量也随之增大，发动机输出功率也会越大。

②节气门体的结构。节气门体是一个圆形的钢片阀门，通常在节气门体上还安装有节气门体位置传感器、冷却水管、怠速空气道、怠速控制电机等装置，如图6－6 所示。

③节气门体的分类。按控制方式，节气门体可分为传统拉线式节气门体和电子节气门体两种。

a.传统拉线式节气门体。传统拉线式节气门体是通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端与油门踏板相连，另一端与节气门体上的油门操纵轮相连，如图6－7 所示。

传统拉线式节气门体的传输比例是1∶1，也就是说驾驶员控制踏板踩多少，节气门体的升度就是多少，如图6－8 所示。但是在很多情况下，节气门体实际并不需要打开很大的角度，所以此时节气门体的开度并不一定是最科学的，这种方式虽然很直接，但它的控制精度较差。

图6－6　节气门体结构示意

图6－7　传统拉线式节气门体的结构示意

图6－8　传统拉线式节气门体的控制原理

b.电子节气门体。电子节气门的结构示意如图6－9 所示，它通过步进电动机控制节气门体的开度，从表面看是用电缆取代了传统的油门拉线，但实质上它不仅简单地改变了连接方式，而是对整个车辆的动力输出实现自动控制功能。

图6－9　电子节气门的结构示意

图6－10　电子节气门体的控制原理

当驾驶员需要加速时踩下油门，如图6－10 所示，踏板位置传感器将感知的踏板位置信号通过电缆传递给ECU，ECU 经过分析、判断，发出指令给驱动电动机，由驱动电动机控制节气门体的开度，以调整进气量。在大负荷时，节气门体的开度大，进入气缸内的可燃混合气多，如果使用传统拉线式节气门体，就只能靠驾驶员脚踩油门踏板的深浅来控制节气门体的开度，很难将节气门体的开度精确调整到能达到理论空燃比的状态；而电子节气门体则能够通过ECU 将传感器采集的各种数据进行分析、比对，并发出指令让节气门体执行机构动作，将节气门体的开度调整到最佳，以实现不同负荷和工况下都能接近14.7 的理论空燃比状态，使燃料能够充分燃烧并且有效地降低排放。

（3）进气管。

a.进气管的作用。进气管的作用是较均匀地分配可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）到各气缸中，对汽油机来说，进气管的另一作用是使可燃混合气和油膜继续得到汽化。

b.进气管的组成。进气管由进气总管和进气歧管两部分组成。

Ⅰ.进气总管。进气总管是指空气滤清器至进气歧管之间的管道，如图6－11 所示。在电控燃油喷射式发动机的进气总管上，装有进气压力传感器或空气流量计，以便对进入气缸的空气进行计量。

图6－11　某发动机进气系统结构

为了提高发动机的充气效率，通常按有效利用进气压力的原理设计进气管的长度、形状和结构，进气总管上常附有各种形状的气室，其目的是充分利用进气管内的空气动力效应，增加各种工况下的充气量，以提高发动机的动力性。空气动力效应是一种复杂的物理现象，为便于说明，可将其视为气流惯性效应与气流压力波动效应共同作用的结果。

Ⅱ.进气歧管。进气歧管位于节气门体与各缸进气门之间，如图6－12 所示。对应发动机气缸的数量，每个气缸都有一个进气歧管，这种设计保证了各气缸进气分配的合理、均匀。

对于自然进气的发动机，由于进气歧管位于节气门体之后，所以当发动机节气门体的开度小时，气缸内无法吸到足量的空气，这会造成进气歧管的真空度升高；当发动机节气门体的开度大时，进气歧管的真空度就会变小。因此，电控发动机都会在进气歧管上装设一个进气压力传感器，供给ECU判定发动机负荷，从而给予适量的喷油。

进气歧管的真空度不仅可以用来提供判定发动机负荷的压力信号，还有许多其他作用。如制动系统需要利用发动机进气歧管的真空度来辅助制动，发动机发动后刹车踏板轻盈许多，就是有真空辅助的缘故。还有某些形式的定速控制机构也会利用到进气歧管的真空度。这些真空管一旦泄漏或者改装不当，就会造成发动机控制失调，也会影响制动系统，危及行车的安全。

进气歧管一般由铸铁或铝合金铸造，轿车发动机的进气歧管多采用铝合金或耐高温、抗老化、性质稳定的工程塑料材质。进气歧管用螺栓固定在气缸体或气缸盖上，其接合面处装有衬垫，以防止漏气。

2）燃油供给系统

燃油供给系统的作用是储存并滤清汽油，根据发动机各工况的要求向发动机供给清洁的、具有适当压力并经精确计量的汽油。

不同型号发动机的燃油供给系统的结构有所不同，但基本都由油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、燃油压力调节器、燃油分配管、喷油器等组成，如图6－13 所示。

图6－12　进气歧管结构示意

图6－13　燃油供给系统组成结构示意

有些发动机的燃油供给系统采用了无回油管系统来减少燃油蒸发排放，将汽油滤清器、燃油压力调节器与电动汽油泵一体装入油箱，形成了单管路燃油系统。图6－14 所示为丰田威驰5A－FE 型发动机的燃油供给系统示意。

图6－14　丰田威驰5A－FE 型发动机的燃油供给系统结构示意

（1）油箱。油箱的作用是储存燃油。其数目、容量、外形及安装位置都随车型而异，一般轿车油箱的容量为40～60 L，应使汽车的续驶里程达300～600 km。

通常，货车油箱是用薄钢板冲压焊成的，内壁镀锌锡，以防腐蚀，如图6－15 所示。轿车油箱通常由耐油硬塑料制成，如图6－16 所示。其外形结构随车内空间布置而有所不同。

图6－15　货车油箱

图6－16　轿车油箱

（2）电动汽油泵。

①电动汽油泵的作用。电动汽油泵的作用是将汽油从油箱中吸出，并以足够的泵油量和泵油压力向燃油供给系统供油。

②电动汽油泵的构造。无论是哪种形式的电动汽油泵，其结构基本上是相同的，都由直流电动机、油泵、限压阀、单向阀和壳体等组成，如图6－17 所示。

图6－17　电动汽油泵的基本结构

油泵安装于直流电动机的一端，由直流电动机的电枢轴带动旋转，直流电动机则由ECU 控制。

当点火开关打开时，直流电动机电路接通，电枢受到电磁力的作用转动，带动油泵一起转动，将汽油从油箱中吸出经进油口进入油泵，当油泵内的油压超过单向阀的弹簧压力时，汽油经出油口泵入燃油分配管，再分配到各个喷油器。

当油泵内的油压超过规定值时（一般为320 kPa），油压将克服限压阀弹簧的弹力，使限压阀打开，部分汽油经限压阀返回到进油口一侧，使油泵内的压力不致过高而损坏油泵。

③电动汽油泵的分类。按照结构形式，电动汽油泵的常见结构形式有4 种，即滚柱式、涡轮式、转子式和侧槽式。目前应用较多的是滚柱式和涡轮式两种。

a.滚柱式电动汽油泵。

Ⅰ.滚柱式电动汽油泵的构造。滚柱式电动汽油泵的结构如图6－18（a）所示，由直流电动机、滚柱泵、单向阀、限压阀等组成。其中滚柱泵的结构如图6－18（b）所示，由滚柱、转子和壳体等组成。

Ⅱ.滚柱式电动汽油泵的工作原理。如图6－18（b）所示，装有滚柱的转子偏心安装在电动机的电枢轴上，随电动机一起旋转。滚柱安装在转子凹槽内，可以自由移动，泵壳体侧面制有进油口和出油口。

图6－18　滚柱式电动汽油泵

（a）结构示意；（b）工作原理

转子旋转时，位于转子凹槽内的滚柱在离心力的作用下，压靠在泵壳体的内表面上，两个相邻的滚柱之间形成一个封闭的空腔。由于转子被偏心安装，腔室的容积在转动过程中不断变化，在腔室容积增大的一侧设有进油口，而在腔室容积变小的一侧设有出油口。当腔室容积变大时，其内部形成低压，将燃油吸入；当腔室容积变小时，其内部压力增大，将燃油压出，这样就可以将燃油从油箱吸出并加压后供到供油管路中。

b.涡轮式电动汽油泵。

Ⅰ.涡轮式电动汽油泵的结构。涡轮式电动汽油泵的结构如图6－19（a）所示，由直流电动机、涡轮泵、单向阀、限压阀等组成，其中涡轮泵由叶轮、叶片和泵体组成如图6－19（b）所示。

图6－19　涡轮式电动汽油泵

（a）结构示意；（b）工作原理

Ⅱ.涡轮式电动汽油泵的工作原理。涡轮泵的叶轮安装在电动机的电枢轴上，叶轮的圆周上制有小槽，叶片安装在小槽内部。电动机旋转时带动叶轮一起转动，由于离心力的作用，叶轮周围小槽内的叶片紧贴壳体，并将燃油从进油腔带往出油腔。由于进油腔的燃油被不断带走，故产生一定的真空度，油箱内的燃油经进油口吸入，而出油腔燃油不断增多，燃油压力升高。当油压升到一定值时，顶开出油口的单向阀输出。

（3）汽油滤清器。

①汽油滤清器的作用。汽油滤清器的作用是滤除汽油中的水分和杂质，防止燃油供给系统堵塞，减小机械磨损，确保发动机稳定运行，提高可靠性。

②汽油滤清器的结构。在电控汽油喷射式发动机的燃油供给系统中，不管是外置式还是内置式，一般都采用纸质滤芯和一次性的汽油滤清器。汽油滤清器由外壳和滤芯组成，滤芯采用滤纸叠成菊花形和盘簧形结构，如图6－20 所示。

图6－20　汽油滤清器的结构

（a）外观；（b）结构示意；（c）滤芯

汽油从入口进入汽油滤清器，经过壳体内的滤芯过滤后从出口流出。如图6－20（b）所示，汽油滤清器壳体上的箭头标记为汽油流动方向，安装时不要装反。

③汽油滤清器的分类。汽油滤清器按安装位置可分为外置式和内置式两种。

a.外置式汽油滤清器。外置式汽油滤清器一般安装在电动汽油泵出油管与燃油分配管之间的供油管路上，如图6－21 所示。

b.内置式汽油滤清器。有些车型采用无回油管系统，将燃油压力调节器、汽油滤清器与电动汽油泵一体装入油箱，图6－22 所示为马自达睿翼车型所采用的内置式汽油滤清器。

图6－21　外置式汽油滤清器

图6－22　内置式汽油滤清器

（a）内置式汽油滤清器的安装位置；（b）内置式汽油滤清器实物图

（4）燃油压力调节器。

①燃油压力调节器的作用。燃油压力调节器的作用是根据进气歧管压力的变化调节系统油压（即燃油分配管内的油压），使两者的压力差保持恒定，一般为250～300 kPa。

喷油器的喷油量取决于喷油器的喷孔截面、喷油时间和喷油压差（即燃油分配管内的油压与进气歧管内的气体压力之差）。在EFI 系统中，ECU 通过控制喷油器的喷油时间来实现对喷油量的控制。要保证燃油喷射量的精确控制，在喷油器的结构尺寸一定时，必须保持恒定的喷油压差，以使喷油器喷出的燃油量唯一地取决于喷油器的开启时间。

由于进气歧管内的气体压力是随发动机转速和负荷的变化而变化的，要保持恒定的喷油压差，必须根据进气歧管内压力的变化来调节燃油压力，即进气歧管内的压力增高时，燃油压力也应相应增高；反之，则降低。

②燃油压力调节器的结构。燃油压力调节器位于燃油分配管的一端或与电动汽油泵一体安装于油箱内，主要由膜片、弹簧和回油阀等组成，如图6－23 所示。

膜片将燃油压力调节器壳体内部分成两个室，即弹簧室和燃油室。膜片上方的弹簧室通过软管与进气歧管相通，膜片与回油阀相连，回油阀控制回油量。这样，膜片上方承受的压力为弹簧的弹力和进气歧管内气体的压力之和，膜片下方承受油压。

③燃油压力调节器的工作原理。发动机工作时，由于电动汽油泵泵送的油量远大于发动机工作所需的油量，故在油压的作用下膜片移向弹簧室一侧，阀门打开，部分燃油流回油箱，燃油分配管内保持一定的油压，此时膜片上、下的压力处于平衡状态。

图6－23　燃油压力调节器

（a）实物图；（b）结构示意

当节气门体的开度减小，进气歧管内的气体压力下降时，真空度随之增大，此时，膜片向上移动，使回油阀开度增大，回油量增加，从而使燃油分配管内油压下降，保持与变化了的进气歧管压力差值恒定；反之，当节气门体的开度增大，进气歧管内的压力升高，真空度随之降低，此时，膜片带动回油阀向下移动，回油阀开度减小，回油量减少，使燃油分配管内油压升高。燃油分配管内的油压与进气歧管内的气体压力之间的关系如图6－24 所示。

（5）燃油分配管。

①燃油分配管的作用。燃油分配管也称为“燃油导轨”，它的作用是固定喷油器和燃油压力调节器，并将高压燃油输送给各个喷油器。

②燃油分配管的结构。图6－25（a）所示为燃油分配管的结构。它安装在进气歧管或气缸盖上，与喷油器之间用O 形圈和卡环密封，O形圈可防止燃油渗漏，如图6－25（b）所示，并具有隔热和隔振的作用。卡环将喷油器固定在燃油分配管上。

图6－24　燃油分配管内的油压与进气歧管内的气体压力之间的关系

图6－25　燃油分配管

（a）燃油分配管的结构；（b）O 形圈的位置及作用

大多数燃油分配管上都有燃油压力测试口，可用于检查和释放油压。

（6）喷油器。

①喷油器的作用。喷油器是电控燃油喷射系统中一个重要的执行元件，其作用是在ECU 的控制下，将汽油呈雾状定时、定量地喷入进气歧管内。目前，电控燃油喷射系统全部采用电磁式喷油器。

②喷油器的结构和工作原理。喷油器基本都由进油滤网、线束连接器、电磁线圈、回位弹簧、衔铁和针阀等组成，针阀与衔铁制成一体，如图6－26 所示。

喷油器不喷油时，回位弹簧通过衔铁使针阀紧压在阀座上，防止滴油。当电磁线圈通电时，产生电磁吸力，将衔铁吸起并带动针阀离开阀座，同时回位弹簧被压缩，燃油经过针阀并由轴针与喷口的环隙或喷孔中喷出。当电磁线圈断电时，电磁吸力消失，回位弹簧迅速使针阀关闭，喷油器停止喷油。在喷油器的结构和喷油压力一定时，喷油器的喷油量取决于针阀的开启时间，即电磁线圈的通电时间。回位弹簧弹力对针阀密封性和喷油器断油的干扰程度会产生影响。

③喷油器的分类。多点喷射系统中使用的喷油器形式较多，按其结构特点可分为轴针式喷油器和孔式喷油器两种。

a.轴针式喷油器。轴针式喷油器针阀的前端有一段轴针，喷油器关闭时轴针露出喷孔，其结构如图6－32（a）所示。轴针式喷油器的主要特点是喷孔不易堵塞，但燃油的雾化质量稍逊于孔式喷油器，且由于针阀的质量较大，其动态响应较差。

b.孔式喷油器。孔式喷油器针阀的前端没有轴针，故针阀不露出喷孔。孔式喷油器的喷孔数为1～2 个。针阀头部为锥形或球形（称为球阀式针阀），其结构如图6－26（b）所示。孔式喷油器的特点是燃料雾化质量较好，且球阀式针阀的质量仅为轴针式针阀的一半，故响应速度快；其不足之处是喷孔易堵塞。

图6－26　喷油器的结构

（a）轴针式喷油器；（b）孔式喷油器

④喷油器的控制电路。各型汽车喷油器的控制电路大同小异，其基本控制电路如图6－27 所示。

图6－27　喷油器的基本控制电路

各种传感器信号输入ECU 后，ECU 根据数学计算和逻辑判断结果，发出脉冲信号指令控制喷油器喷油。当脉冲信号的高电平加到驱动三极管VT 的基极时，VT 导通，喷油器的电磁线圈电流接通，产生电磁吸力将针阀吸开，喷油器开始喷油；当脉冲信号的低电平加到驱动三极管VT 的基极时，VT 截止，喷油器的电磁线圈电流切断，在复位弹簧弹力的作用下针阀关闭，喷油器停止喷油。

由此可见，ECU 是通过控制喷油器的搭铁回路来实现对喷油器的控制的。

3）电子控制系统

电子控制系统都由传感器、电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）和执行器3部分组成，如图6－28 所示。传感器的作用是把所测量的信号转化为电信号并传递给ECU，作为ECU 的控制依据。ECU 是电子控制系统的核心，ECU 接收传感器的信号之后，对各种信号进行分析，然后根据事先写好的程序自动运算，继而将指令发送到执行元件，命令执行器工作。执行器的作用是根据ECU 的指令完成具体的操作动作，将控制参量迅速调整到设定的值，使控制对象在设定的状态下工作。

（1）传感器。发动机电控燃油喷射系统中的传感器，主要有进气歧管绝对压力传感器、空气流量计、节气门体位置传感器、油门踏板位置传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、凸轮轴／曲轴位置传感器、氧传感器以及信号开关等。

①进气歧管绝对压力传感器。

a.进气歧管绝对压力传感器的作用。进气歧管绝对压力传感器用于D 型的发动机进气系统中，它的作用是根据发动机的负荷状态测出进气歧管内绝对压力的变化，并转换成电压信号，与转速信号一起输送到ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控信号。图6－29 所示为捷达轿车的进气歧管绝对压力传感器。

b.进气歧管绝对压力传感器的安装位置。进气歧管绝对压力传感器的安装位置比较灵活，位于节气门体的后方，有的车型通过真空软管与进气总管连接；有的车型则将进气歧管绝对压力传感器直接安装在进气总管上。图6－30 所示为捷达轿车的进气歧管绝对压力传感器的安装位置。

c.进气歧管绝对压力传感器的分类。进气歧管绝对压力传感器按工作原理可分为压阻效应式、电容式和电感式3 种。其中，压阻效应式进气歧管绝对压力传感器具有灵敏度高、尺寸小、成本低、动态响应和抗振性好的优点，从而得到了广泛的应用。

图6－28　电子控制系统结构示意

图6－29　捷达轿车的进气歧管绝对压力传感器

图6－30　捷达轿车的进气歧管绝对压力传感器的安装位置

Ⅰ.压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的结构。单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化的现象称为压阻效应。压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的结构如图6－31 所示，其主要由真空室、硅膜片和IC 集成放大电路组成。

图6－31　压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的结构

压力转换元件是利用半导体压阻效应制成的硅膜片，硅膜片是边长为3 mm 的正方形，其中部采用光刻腐蚀的方法制成一个直径为2 mm、厚约50 μm 的薄膜片；在薄膜片上，采用集成电路加工技术和台面扩散层技术加工出4 个阻值相等的应变电阻片，这4 个应变电阻片连接成惠斯通桥形电路。硅膜片的一侧是真空室，另一侧导入进气歧管压力。

Ⅱ.压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的工作原理。压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的等效电路如图6－32所示。

当接通点火开关时，惠斯通桥形电路便加上电源电压VCC。发动机不工作时，惠斯通桥形电路中的4 个应变电阻片的电阻值相等，电桥平衡，电桥输出电压Uo为零。当发动机工作时，硅膜片在进气歧管压力作用下产生机械应变，进而产生应力，应变电阻片的阻值在硅膜片应力的作用下发生变化，惠斯通电桥失去平衡，在电桥的输出端即得到输出电压Uo。

图6－32　压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的等效电路

通过特殊加工，可使4 个应变电阻片处于特殊位置，即在硅膜片应力的作用下，应变电阻R2、R4的阻值增加ΔR，应变电阻R1、R3的阻值减小ΔR，当惠斯通桥形电路的电源电压为VCC时，电桥的输出电压Uo为

式中，R——应变电阻的初始值；

　　　ΔR——应变电阻的阻值变化量。

Ⅲ.压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的输出特性。由压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的工作原理可知，该传感器的输出特性为：发动机进气量越大，进气歧管内绝对压力越大，硅膜片变形越大，输出的信号电压Uo值越大，如图6－33 所示。

图6－33　压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的输出特性

②空气流量计。

a.空气流量计的作用。空气流量计如图6－34 所示，它的作用是对进入气缸的空气量进行直接计量，并把空气流量的信息输送到ECU。电控汽油喷射发动机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度的混合气，必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量，以此作为ECU 计算（控制）喷油量的主要依据。如果空气流量计出现故障，ECU 得不到正确的进气量信号，就不能正常地进行喷油量的控制，将造成混合气过浓或过稀，使发动机运转不正常。

b.空气流量计的安装位置。空气流量计用在L 型的发动机进气系统中，安装在空气滤清器与节气门体之间，如图6－35所示，提供电控燃油喷射系统的主控信号。

图6－34　空气流量计

图6－35　空气流量计的安装位置

c.空气流量计的分类。在L 型电控汽油喷射发动机的发展历程中，使用过翼片式、卡门旋涡式和热式空气等多种形式的流量计。其中，翼片式和卡门旋涡式空气流量计检测的是空气的体积流量，需要对进气温度和大气压力作修正，目前已被淘汰。现在应用较多的是热式空气流量计，其可以直接检测空气的质量流量，且测量精度较高。

d.热式空气流量计的结构、工作原理及输出特性。热式空气流量计的主要元件是热线电阻，可分为热线式和热膜式两种类型，其结构和工作原理基本相同。

Ⅰ.热线式空气流量计。热线式空气流量计根据热线电阻安装位置的不同，又可分为主流量测量式（如图6－36 所示）和旁通流量测量式（如图6－37 所示）两种结构形式。

图6－36　主流量测量式热线式空气流量计

图6－37　旁通流量测量式热线式空气流量计

ⅰ.热线式空气流量计的结构。主流量测量式热线式空气流量计应用较广，其结构如图6－38 所示。其由感知空气流量的铂金热线电阻RH（热丝）、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻RK（冷丝）、控制热线电流并产生输出信号的控制电路板、线束连接器等组成。

热线式空气流量计的取样管置于主通道中，两端有防护网以防止脏物进入。取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成，一根直径约70 μm 的铂金属热丝作为发热元件布置在支承环内，传感器工作时，铂金属热丝被控制电路提供的电流加热到高于进气温度100 ℃，故将它称之为热线电阻或热丝，其电阻值随温度变化而变化，是惠斯通电桥电路的一个臂。热线支承环前端的塑料护套内安装有一个薄膜电阻，其电阻值也随进气温度的变化而变化，由于它靠近进气口一侧，因此称为冷丝或温度补偿电阻，该温度补偿电阻相当于一个温度传感器，起到温度参考基准的作用，它是惠斯通电桥电路的另一个臂。热线支承环后端的塑料护套上黏结着一只精密电阻RA，它也是惠斯通电桥电路的一个臂，该电阻上的电压降即热线式空气流量计的输出信号。惠斯通电桥电路还有一个臂的电阻RB安装在控制电路板上。控制电路板安装在热线式空气流量计的下方，通过线束连接器将空气流量计的信号传给ECU。

ⅱ.热线式空气流量计的工作原理。热线式空气流量计是利用空气流过热线时的冷却效应制成的。

铂金热线电阻和其他几个电阻组成惠斯通电桥电路。在传感器工作时，铂金热线电阻被控制电路提供的电流加热到高于进气温度100 ℃，此时惠斯通电桥处于平衡状态。进气时，气流带走了热丝上的热量使热丝变冷，热丝的电阻值随即降低，电桥平衡被破坏；控制电路加大通过热丝的电流，使热丝升温以恢复其原有的电阻值，使电桥重新平衡。进气量越大，热丝被带走的热量就越多，控制电路的补偿电流也就越大，这样就把空气流量的变化转换为电流的变化。电流的变化又使固定电阻RA两端的电压发生变化，此变化的电压就是热线式空气流量计的输出信号。控制电路把这一根据空气质量流量变化的电压信号输入ECU。

铂金热线电阻长时间暴露在进气中，会因空气中灰尘的附着而影响测量精度，需增加自洁净功能：关闭点火开关时，ECU 向空气流量计发出一个信号，控制电路立即给铂金热线电阻提供较大的电流，使热丝瞬时升温至1 000 ℃左右，把附着在热丝上的杂质烧掉。自洁净功能的持续时间为1～2 s。

ⅲ.热线式空气流量计的输出特性。由热线式空气流量计的工作原理可知，该空气流量计的输出特性为：随着发动机进气量的增大，其输出的信号电压升高，如图6－39 所示。

Ⅱ.热膜式空气流量计。热膜式空气流量计是热线式空气流量计的改进产品，其结构及工作原理与热线式空气流量计基本相同，只是将铂金热线电阻改为平面形铂金属膜电阻，简称热膜。

热膜式空气流量计的结构如图6－40 所示。

图6－38　主流量测量式热线式空气流量计的结构

A—混合集成电路；RH—铂金热线电阻；RK—温度补偿电阻；RA—精密电阻；RB—电桥电阻

图6－39　热线式空气流量计的输出特性

图6－40　热膜式空气流量计的结构

热膜式空气流量计的制作过程：先在氧化铝陶瓷基片上采用蒸发工艺淀积铂金属薄膜，然后通过光刻工艺制成梳状电阻，将电阻值调节到规定的阻值后，再在铂金属薄膜表面覆盖一层保护膜，最后引出电极引线。

热膜设置在进气通道上的一个矩形护套（相当于取样管）内，在护套的空气入口一侧设有空气滤网，以过滤空气中的污物，防止其沉积到热膜上而影响测量精度。热膜式空气流量计中温度传感器的作用是温度补偿，相当于温度补偿电阻。

热膜式空气流量计测量精度高、响应速度快、进气阻力小，而且工作可靠、耐用，不会因黏附污物而影响测量精度。

热膜式空气流量计的工作原理及输出特性与热线式空气流量计是一样的。

③节气门体位置传感器。

a.节气门体位置传感器的作用。节气门位置传感器的作用是把发动机运转过程中节气门体的位置及开度的变化转换成电信号输入发动机ECU，以进行燃油喷射控制及其他辅助控制。

b.节气门体位置传感器的安装位置。节气门体位置传感器安装在节气门体上节气门轴的一端，通过节气门轴带动其内部的电刷、触点转动，从而把节气门体的开度转化为电信号输出，如图6－41 所示。

图6－41　节气门体位置传感器的安装位置

c.节气门体位置传感器的分类。常见的节气门体位置传感器有触点开关式、线性电位计式和综合式3 种类型。

d.节气门体位置传感器的结构、工作原理及输出特性。

Ⅰ.触点开关式节气门体位置传感器。

ⅰ.触点开关式节气门体位置传感器的结构。

如图6－42 所示，触点开关式节气门体位置传感器由一个与节气门轴联动的凸轮、一个活动触点、两个固定触点——怠速触点（IDL）和全负荷触点（PSW）等组成。凸轮控制触点的开启和闭合。

图6－42　触点开关式节气门体位置传感器的结构

（a）结构示意；（b）怠速状态；（c）大负荷状态

ⅱ.触点开关式节气门体位置传感器的工作原理。节气门体转动时，活动触点随节气门体一起转动。当节气门体处于全关闭位置时，活动触点与怠速触点接通，即怠速触点闭合，ECU 即判定发动机处于怠速工况，从而按怠速工况的要求控制喷油和点火；当节气门体接近全开时，活动触点与全负荷触点接通，即全负荷触点闭合，ECU 进行全负荷加浓控制；当节气门体在中间位置时，活动触点与两固定触点均断开，ECU 判定发动机处于部分负荷工况。

ⅲ.触点开关式节气门体位置传感器的输出特性。触点开关式节气门体位置传感器的输出特性如图6－43 所示，ECU 根据触点的闭合情况确定发动机工况。当节气门体关闭时，怠速触点闭合、大负荷触点断开，怠速触点输出端子输出的信号为低电平“0”，大负荷触点输出端子输出的信号为高电平“1”。ECU 接收到节气门体位置传感器输入的这两个信号时，如果车速传感器输入ECU 的信号表示车速为零，那么ECU 判定发动机处于怠速状态，并控制喷油器增加喷油量，保证发动机怠速转速稳定而不致熄火。如果此时车速传感器输入ECU 的信号表示车速不为零，那么ECU 判定发动机处于减速状态，并控制喷油器停止喷油，以降低排放和提高经济性。

Ⅱ.线性电位计式节气门体位置传感器。

ⅰ.线性电位计式节气门体位置传感器的结构。线性电位计式节气门体位置传感器的结构如图6－44 所示。传感器内部装有滑动电阻，滑动电阻的滑臂与节气门轴一同转动。

图6－43　触点开关式节气门体位置传感器的输出特性

图6－44　线性电位计式节气门体位置传感器的结构

（a）实物图；（b）示意图

ⅱ.线性电位计式节气门体位置传感器的工作原理。当节气门体打开时，滑臂随节气门轴转动的同时在滑动电阻上滑动，将节气门体开度的变化转变为电阻的变化，进而以电压方式输出，可以获得节气门体从全闭到全开的连续变化的信号，从而精确地判断发动机的运行工况，如图6－45 所示。

ⅲ.线性电位计式节气门体位置传感器的输出特性。由线性电位计式节气门体位置传感器的工作原理可知，随着节气门体开度的增大，输出电压升高，其输出特性如图6－46所示。

图6－45　线性电位计式节气门体位置传感器的工作原理

图6－46　线性电位计式节气门体位置传感器的输出特性

Ⅲ.综合式节气门体位置传感器。

ⅰ.综合式节气门体位置传感器的结构。综合式节气门体位置传感器是在线性电位计式节气门体位置传感器的基础上加装了一个怠速触点，如图6－47所示。

ⅱ.综合式节气门体位置传感器的工作原理。怠速时，怠速触点闭合，输出怠速工况信号，在其他工况下，随节气门体开度的变化，电位计的电阻也变化，从而将节气门体开度转变为电压信号输送给ECU。

图6－47　综合式节气门体位置传感器的结构

ⅲ.综合式节气门体位置传感器的输出特性。综合式节气门体位置传感器的输出特性如图6－48 所示。当节气门体关闭或开度小于1.2°时，怠速触点闭合，其输出端“IDL”输出低电压（0 V）；当节气门体的开度大于1.2°时，怠速触点断开，输出端“IDL”输出高电压（5 V 或12 V）。

当节气门体的开度变化时，可变电阻的滑臂便随节气门轴转动，滑臂上的触点在滑动电阻上滑动，传感器输出端子“VTA”与“E2”之间的信号电压随之发生变化，节气门体的开度越大，输出的信号电压越大。

④油门踏板位置传感器。

a.油门踏板位置传感器的作用。电子节气门体控制系统相对于传统拉线式节气门体控制系统最大的区别就是，驾驶人不能通过驾驶室内的加速踏板直接控制节气门体动作。当驾驶人踩踏驾驶室内的油门踏板时，踏板的位置信息将通过油门踏板位置传感器传递给ECU，ECU 再根据接收到的油门踏板位置信息给节气门体控制电动机发出指令，由节气门体控制电动机带动节气门体转过一定的角度，同时节气门体实际转过的角度通过节气门体位置传感器反馈给ECU，如图6－49 所示。

图6－48　综合式节气门体位置传感器的输出特性

图6－49　电子节气门体控制系统的工作原理

需要注意的是，ECU 不是只根据油门踏板位置传感器传递的信息来控制节气门体的开度，还可以根据安全、燃油消耗、其他系统动力需求、发动机排放等情况，独立于加速踏板位置主动对节气门体进行控制。

b.油门踏板位置传感器的安装位置。加速踏板位置传感器安装于驾驶室内的加速踏板模块中，如图6－50 所示，由其感知并检测加速踏板的位置信息并转变为电信息传递给发动机控制单元。

c.油门踏板位置传感器的分类。根据结构原理的不同，油门踏板位置传感器主要分为接触式和非接触式两种。

图6－50　油门踏板位置传感器的安装位置

d.油门踏板位置传感器的结构、工作原理及输出特性。Ⅰ.接触式油门踏板位置传感器的结构。大众车系较多采用接触式油门踏板位置传感器。为了最大限度地保证信号的可靠性，在油门踏板模块处往往装设两个油门踏板位置传感器，大众车系将两个油门踏板位置传感器命名为G79 和G185，技术上称为“冗余系统”。ECU 通过这两个油门踏板位置传感器提供的信号识别出油门踏板当前的位置。

如图6－51 所示，在大众车系的接触式油门踏板位置传感器中，两个传感器是滑动触点传感器，安装在同一根轴上，滑动触点传感器的电阻和传送至ECU 的电压随着油门踏板位置的变化而变化。

图6－51　接触式油门踏板位置传感器的结构

Ⅱ.接触式油门踏板位置传感器的工作原理。图6－52 所示为接触式油门踏板位置传感器与ECU 连接的电路，滑动触点传感器上的起始电压均为5 V，出于信号的可靠性和安全性考虑，每个传感器都有独立的电源（图中红线所示）、搭铁（图中棕线所示）和信号线（图中绿线所示）。输出信号为电压信号，在相应数据块中显示为百分数，5 V 为100%。两个传感器的数据分别显示在发动机系统数据062 组的3、4 通道上。

Ⅲ.接触式油门踏板位置传感器的输出特性。接触式油门踏板位置传感器的输出特性如图6－53 所示。为了信号的可靠性和功能自测试的需要，在G185 上另安装有串联电阻（如图6－52 中R 所示），因此两个油门踏板位置传感器的电阻特性是不同的。在工作时，电阻特性的不同带来的是两个传感器输出特性的不同，G79 输出信号为G185 的2 倍，G79 范围为12%～97%，G185 范围为4%～49%。

图6－52　接触式油门踏板位置传感器与ECU 连接的电路

图6－53　接触式油门踏板位置传感器的输出特性

⑤进气温度传感器。

a.进气温度传感器的作用。汽油机电控系统对混合气浓度的控制，是通过控制空燃比来实现的。除热式空气流量计能直接测量发动机实际进气的质量流量外，其他空气流量计或进气管绝对压力传感器都只能直接或间接测量发动机实际进气的体积流量。发动机进气的体积流量一定时，其质量流量取决于进气温度。进气温度传感器的作用就是给ECU 提供进气温度信号，作为喷油控制和点火控制的修正信号。

b.进气温度传感器的安装位置。进气温度传感器一般安装在空气滤清器内、空气流量计（翼片式和卡门旋涡式）内或进气管上，如图6－54 所示。

图6－54　进气温度传感器的安装位置

c.进气温度传感器的结构、工作原理和输出特性。进气温度传感器通常采用负温度系数的热敏电阻作为测量元件，该热敏电阻安装在传感器壳体内，如图6－55（a）所示。进气温度变化时，热敏电阻的阻值发生变化，随着进气温度升高，阻值减小，进气温度传感器的输出特性如图6－55（b）所示。

图6－55　进气温度传感器的结构和输出特性

（a）结构；（b）输出特性

⑥冷却液温度传感器。

a.冷却液温度传感器的作用。冷却液温度传感器的作用是给ECU 提供发动机冷却液温度信号，作为喷油和点火控制的修正信号，也作为其他控制系统（如EGR 等）的控制信号。

b.冷却液温度传感器的安装位置。冷却液温度传感器在发动机中不止一个，通常安装在发动机缸体或缸盖的水道上，膨胀水箱上以及散热器进、出水管等位置，并与冷却液接触，如图6－56 所示。

图6－56　冷却液温度传感器的安装位置

（a）安装在水道中；（b）安装在膨胀水箱上

c.冷却液温度传感器的分类。常见的冷却液温度传感器有两线式、三线式和四线式3种，如图6－57 所示。

图6－57　冷却液温度传感器的分类

（a）两线式；（b）三线式；（c）四线式

d.冷却液温度传感器的结构、工作原理和输出特性。冷却液温度传感器的结构、工作原理和输出特性与进气温度传感器基本一致。传感器的内部也是一个具有负温度系数的半导体热敏电阻，如图6－58（a）所示。水温越低，电阻越大；反之，水温越高，电阻越小，如图6－58（b）所示。

⑦凸轮轴／曲轴位置传感器。

a.凸轮轴／曲轴位置传感器的作用。凸轮轴位置传感器的作用是判别气缸及检测活塞上止点位置，作为燃油喷射控制和点火控制的主控信号。

曲轴位置传感器是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一，它的作用是检测曲轴转角位移，给ECU 提供发动机转速信号和曲轴转角信号，作为燃油喷射和点火控制的主控信号。

图6－58　冷却液温度传感器的结构和输出特性

（a）结构；（b）输出特性

b.凸轮轴／曲轴位置传感器的安装位置。

凸轮轴／曲轴位置传感器在各车型中的安装位置不尽相同，但都必须安装在与凸轮轴／曲轴有精确传动关系的位置。通常安装在分电器内或分别安装于凸轮轴和曲轴的一端。图6－59 所示为凸轮轴位置传感器的安装位置；图6－60 所示为曲轴位置传感器的安装位置。

图6－59　凸轮轴位置传感器的安装位置

（a）安装图；（b）示意图；（c）实物图

图6－60　曲轴位置传感器的安装位置

（a）安装图；（b）示意图；（c）实物图

c.凸轮轴／曲轴位置传感器的分类。常见的凸轮轴／曲轴位置传感器主要有电磁式、霍尔式和光电式3 种类型。

d.凸轮轴／曲轴位置传感器的结构、工作原理及输出特性。

Ⅰ.电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器。

ⅰ.电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的结构。电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器是利用电磁感应原理制成的。其主要由信号盘和传感器两部分组成，其中传感器由安装支架、传感器外壳、屏蔽电缆、永久磁铁、铁芯、感应线圈等组成，如图6－61 所示。

图6－61　电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的结构

ⅱ.电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理。信号盘通常安装在凸轮轴、曲轴或者分电器轴上，并随之转动，信号盘上均匀制有若干凸齿和齿槽，信号盘的形状决定了信号波形。如图6－62 所示，信号盘和传感器永久磁铁之间安装时留有一个小于2 mm 的空气间隙，此间隙不可过大或过小，间隙过大会导致信号较弱，间隙过小容易发生信号盘与传感器永久磁铁的碰撞。永久磁铁安装在信号盘边缘，产生永久磁场以穿过信号盘、感应线圈等。感应线圈的作用是，当磁场发生变化时，产生感应电动势并作为信号输出。

发动机运转时信号盘转动，磁路中的空气间隙就会周期性地发生变化，并使感应线圈铁芯内的磁通量随之周期性地变化，如图6－63所示。

图6－62　电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理

图6－63　信号盘转动时，磁路中的磁通量的变化过程

（a）磁通变化（零）；（b）磁通变化（最大）；（c）磁通变化（零）；（d）磁通变化（最大）

ⅲ.电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性。当信号盘顺时针方向旋转时，转子凸齿与铁芯之间的空气间隙减小，磁路磁阻减小，磁通量增大，磁通量变化率增大，感应电动势为正。当转子凸齿接近铁芯芯缘时，磁通量急剧增大，磁通变化率最大，感应电动势最高［如图6－63（b）所示］。转子转过感应电动势最高点后，虽然磁通量仍在增大，但磁通变化率降低，感应电动势降低。

当信号盘转到凸齿中心线与铁芯中心线对齐时，虽然空气间隙最小，磁通量最大，但磁通量不可能继续增加，磁通量的变化率为零，感应电动势为零。

当信号盘沿顺时针方向继续旋转，凸齿离开铁芯时，凸齿与铁芯之间的空气间隙增大，磁路磁阻增大，磁通量减少，磁通量变化率为负，感应电动势为负。转子凸齿离开铁芯边缘时，磁通量急剧减小，磁通变化率达到负向最大值，感应电动势也达到负向最大值。转子继续转动，虽然磁通量仍在减小，但磁通变化率降低，感应电动势升高。

当信号盘转到两个凸齿的中间与铁芯中心线对齐时，虽然空气间隙最大，磁通量最小，但磁通量不可能继续减小，磁通量的变化率为零，感应电动势为零。

信号盘每转过一个凸齿，感应线圈中就会产生一个周期的交变电动势，即电动势出现一次最大值和一次最小值，感应线圈也就相应地输出一个交变电压信号。

电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性如图6－64 所示。

Ⅱ.霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器。霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器是利用霍尔效应制成的传感器。

ⅰ.霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的结构。霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的结构如图6－65 所示，由触发叶轮、霍尔集成电路、带导板的永久磁铁、底板和线束连接器等组成。其一般安装在分电器内或凸轮轴／曲轴前端。

图6－64　电磁式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性

图6－65　霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的结构

ⅱ.霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理。霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理如图6－66 所示。如图6－66（a）所示，触发叶轮旋转时，每当叶片进入永久磁铁与霍尔集成块（内置霍尔元件）之间的空气间隙内时，磁场便被触发叶轮的叶片所旁通，或称隔磁，而不能作用于霍尔元件，因此不产生霍尔电压，即无霍尔电压输出。如图6－66（b）所示，当触发叶轮的叶片离开永久磁铁与霍尔元件间的空气间隙时，永久磁铁的磁通便通过导板作用于霍尔元件，这时便产生霍尔电压，即有霍尔电压输出。由此可见，触发叶轮每转一周，便产生与叶片数相等个数的霍尔脉冲电压。

图6－66　霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理

（a）触发叶片进入空气间隙内；（b）触发叶片离开空气间隙

ⅲ.霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性。由于霍尔电压较低（mV 级），因此，首先要把信号电压放大并转换为矩形脉冲，这一任务由霍尔集成电路来完成。当霍尔电压为零时，霍尔集成电路使霍尔信号发生器的输出电压急剧上升至数伏，而当产生霍尔电压时，霍尔信号发生器的输出电压降至0.4～0.5 V，经霍尔集成电路处理后，输出整齐的方波脉冲Us，如图6－67 所示。

Ⅲ.光电式凸轮轴／曲轴位置传感器。

ⅰ.光电式凸轮轴／曲轴位置传感器的结构。光电式凸轮轴／曲轴位置传感器利用光电感应原理制成。图6－68 所示为日产公司车辆的光电式凸轮轴／曲轴位置传感器。其设置在分电器内，由发光二极管、光敏三极管、带缝隙和光孔的信号盘、电子电路等组成。

图6－67　霍尔式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性

图6－68　光电式凸轮轴／曲轴位置传感器

（a）实物；（b）结构示意

ⅱ.光电式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理。如图6－69 所示，信号盘安装在分电器轴上，其外围有360 条相距0.5°的缝隙，产生1°（曲轴转角）信号；外围稍靠内侧均匀分布着6（4 缸发动机为4 个）个光孔，产生120°（凸轮轴位置）信号。其中有一个较宽的光孔是产生对应第1 缸上止点的120°信号。当发光二极管的光束照射到光敏三极管上时，光敏三极管感光而导通；当发光二极管的光束被遮挡时，光敏三极管截止。

图6－69　光电式凸轮轴／曲轴位置传感器的工作原理示意

ⅲ.光电式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性。

信号发生器输出的脉冲电压信号送至电子电路放大整形后，即向电控单元输送曲轴转角1°信号和120°信号。因信号发生器安装位置的关系，120°信号在活塞上止点前70°输出。发动机曲轴每转2 圈，分电器轴转1 圈，则1°信号发生器输出360 个脉冲，每个脉冲周期高电位对应1°，低电位也对应1°，共表征曲轴转角720°。与此同时，120°信号发生器共产生6个脉冲信号。

光电式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性如图6－70 所示。

图6－70　光电式凸轮轴／曲轴位置传感器的输出特性

⑧氧传感器。

a.氧传感器的作用。氧传感器的作用是通过监测排气中的氧含量来获得混合气的实际空燃比信号，将该信号转变为电信号并输入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，将A／F 控制在14.7，降低排放，节约燃油。

b.氧传感器的安装位置。氧传感器安装在发动机排气管上，如图6－71 所示。有些发动机只在三元催化转换器前面安装氧传感器，起到监测排气中的氧含量来获得混合气的实际空燃比信号的作用，如图6－71（a）所示；有些发动机采用了两个氧传感器，即在三元催化转换器前、后各安装一个，如图6－71（b）所示，后氧传感器主要起到监控三元催化转换器工作情况的作用。

图6－71　氧传感器的安装位置

（a）一个氧传感器的安装位置；（b）两个氧传感器的安装位置

c.氧传感器的分类。氧传感器有氧化锆（ZrO2）式和氧化钛（TiO2）式两种类型。

d.氧传感器的结构、工作原理及输出特性。

Ⅰ.氧化锆式氧传感器。氧化锆式氧传感器是一个化学电池，又称氧浓度差电池。

温度较高（400 ℃以上）时，氧气发生电离。只要二氧化锆元件内、外表面存在氧浓度差，氧离子就产生扩散，使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压。这个电压作为输出信号送给ECU，就能感知废气中的氧浓度，获知空燃比。

ⅰ.氧化锆式氧传感器的结构。氧化锆式氧传感器的结构如图6－72 所示，主要由氧化锆管和电极等组成。

图6－72　氧化锆式氧传感器的结构

（a）实物图；（b）结构示意

氧化锆式氧传感器内部的敏感元件是二氧化锆（ZrO2）固体电解质。在二氧化锆固体电解质粉末中加入少量添加剂并烧制成管状，称为氧化锆管。紧贴氧化锆管内、外表面的是作为氧化锆管内、外电极的铂膜，内、外电极通过电极引线与传感器的线束插接器相连。氧化锆管内电极与外界大气相通，外电极与排气管内的排气相通。为防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极，在电极表面覆盖着一层多孔性陶瓷层。

作为氧化锆管外电极的金属铂的另一个作用是催化作用，使废气中的氧气与CO 反应，这就减少了废气中的含氧量，提高了传感器的灵敏度。

ⅱ.氧化锆式氧传感器的工作原理。发动机运转时，排气管内的废气从氧化锆管外电极表面的陶瓷层渗入，与外电极接触，内电极与大气接触。因此在氧化锆管内、外侧存在氧浓度差，使氧化锆电解质内部的氧离子开始向外电极扩散，扩散的结果是在内、外电极之间产生电位差，形成一个微电池，在两铂极间产生电压，如图6－73 所示。

由于氧化锆管外侧的氧离子随可燃混合气浓度的变化而变化，所以当氧离子在氧化锆管中扩散时，氧化锆管内、外表面之间的电位差也随可燃混合气浓度的变化而变化，传感器的信号源相当于一个可变电源。

ⅲ.氧化锆式氧传感器的输出特性。氧化锆式氧传感器的输出特性如图6－74 所示。当供给发动机的可燃混合气较浓时，排气中氧的含量较低，一氧化碳的含量相对较高。在锆管外电极铂膜的催化作用下，排气中的氧气几乎全部参加反应，生成了二氧化碳，使锆管外表面上氧离子浓度几乎为零；而锆管的内表面与大气相通，氧离子浓度很大，锆管内、外两侧氧浓度差也很大，因此在内、外电极之间产生了较大的电压信号（约0.9 V）。

图6－73　氧化锆式氧传感器的工作原理

图6－74　氧化锆式氧传感器的输出特性

当供给发动机的混合气较稀时，排气中氧含量较高，一氧化碳含量相对较低，即使一氧化碳全部与氧离子反应，氧化锆管外表面还是有多余的氧离子存在，氧化锆管内、外两侧氧浓度差小，因此在内、外电极之间只产生较小的电压信号（约0.1 V）。

当空燃比接近理论空燃比14.7 时，排气中的氧和一氧化碳含量都很少，在催化剂铂的作用下，氧离子与一氧化碳的化学反应从缺氧状态急剧变化为富氧状态。由于氧离子的浓度差急剧变化，因此铂电极之间的电位差也急剧变化，使氧传感器输出的电压从0.9 V 急剧变化到0.1 V。氧传感器的输出电压在理论空燃比附近发生突变。

如果没有外电极铂的催化作用，使氧化锆管外侧的氧离子急剧减少到零，那么在浓混合气时就不会有接近0.9 V 的高电压信号，传感器的输出信号也不会在混合气由浓变稀时出现跃变现象，这正是使用铂电极的另一个重要因素。

氧化锆式氧传感器的工作状态与温度有关，在温度低于300 ℃时无信号输出，而在300 ℃～800 ℃温度范围内最敏感，输出信号最强。虽然可利用排气热量对其进行加热，但其工作温度不稳定，而且发动机起动数分钟后才能达到正常工作温度。因此目前大部分氧化锆式氧传感器内都增设了陶瓷式电热元件，由汽车电源进行加热，可在发动机起动后20～30 s内迅速将氧传感器加热到工作温度。

Ⅱ.氧化钛式氧传感器。这是一种电阻型气敏传感器。其是利用化学反应强、对氧气敏感、易于还原的半导体材料氧化钛与氧气接触时发生氧化还原反应，使晶格结构发生变化，从而导致电阻值变化的原理工作的。

ⅰ.氧化钛式氧传感器的结构。氧化钛式氧传感器的结构如图6－75 所示，主要由二氧化钛传感元件、壳体、加热元件、电极引线等组成。

二氧化钛具有的性质：其电阻值随废气中的氧浓度改变，而且在理论空燃比A／F＝14.7时产生突变。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小。

当混合气稀时，排气中的氧含量高，二氧化钛呈现高阻状态；反之，当混合气浓时，排气中的氧含量低，二氧化钛呈现低阻状态。

利用适当电路对电阻变量进行处理，即可转换成电压信号输送给ECU，用来确定实际的空燃比。

由于二氧化钛的电阻也随温度的不同而不同，因此在二氧化钛氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中温度恒定不变。

ⅱ.氧化钛式氧传感器的工作原理。氧化钛式氧传感器的工作原理如图6－76 所示。ECU 将一个恒定1 V 的电压加在氧化钛式氧传感器的一端，传感器的另一端与ECU 相连。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度的变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU 的OX 端子上的电压降也随着变化。当OX 端子的电压高于参考电压时，ECU 判定混合气过浓；当OX 端子上的电压低于参考电压时，ECU 判定混合气过稀。通过ECU 反馈控制，可保持混合气浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，氧化钛式氧传感器与ECU 连接的OX 端子上的电压也是在0.1～0.9 V 范围内不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相同的。

图6－75　氧化钛式氧传感器的结构

图6－76　氧化钛式氧传感器的工作电路

ⅲ.氧化钛式氧传感器的输出特性。氧化钛式氧传感器的输出特性如图6－77 所示。

⑨信号开关。在发动机控制系统中，ECU 必须根据一些开关信号来确定发动机或其他系统的工作状态，常用的信号开关及其作用如下：

图6－77　氧化钛式氧传感器的输出特性

（a）电阻特性；（b）电压特性

a.空调开关A／C：当空调开关打开，空调压缩机工作，发动机负荷加大时，由空调开关向ECU 输入信号。

b.挡位开关：自动变速器由空挡挂入其他挡时，向ECU 输入信号。

c.起动开关STA：发动机起动时，给ECU 提供一个起动信号。

d.制动灯开关：制动时，向ECU 提供制动信号。

e.动力转向开关：当转向盘由中间位置向左、右转动时，由于动力转向油泵工作而使发动机负荷加大，此时向ECU 输入信号。

f.巡航控制开关：当进入巡航控制状态时，向ECU 输入巡航控制状态信号。

随着控制系统功能的扩展，输入信号也将不断增加，控制系统所用的传感器和信号开关的数量必将有所增加。

（2）电子控制单元（ECU）

①ECU 的作用。ECU 的作用是根据自身存储的程序对发动机各传感器输入的各种信息进行分析、判断、比较、计算，以得出最佳控制方案并向各有关执行元件发出控制指令，控制有关执行器工作，达到自动、快速和准确地控制发动机工作的目的，使发动机在各种工况下都处于最佳的工作状态。

此外，ECU 还具有故障自诊断、故障记忆、失效保护等功能。

②ECU 的组成。ECU 主要由输入回路、A／D 转换器、微型计算机和输出回路组成，如图6－78 所示，它们一起制作在一个金属盒内，固定在车内不易受到碰撞的部位，如仪表台下面或座椅下面等，具体安装位置因车而异。

a.输入回路。发动机工作时，各种传感器的信号输入ECU 后，首先进入输入回路进行处理。传感器输入的信号不同，处理的方法也不同，一般是先将输入信号滤除杂波和将正弦波转变为矩形波后，再转换成输入电平，如图6－79 所示。

b.A／D 转换器。从传感器送来的信号有模拟信号和数字信号两种，如图6－80 所示，而微型计算机只能处理数字信号，模拟信号须经过A／D 转换器转换为数字信号后才能输入微型计算机，如图6－81 所示。

图6－78　ECU 的组成

（a）组成框图；（b）实物图

图6－79　输入回路的作用

图6－80　传感器信号的类型

（a）模拟信号；（b）数字信号

图6－81　A／D 转换器的工作过程示意

c.微型计算机。微型计算机把各种传感器送来的信号用内存程序和数据进行运算处理，并把处理结果（如喷油器喷射信号、点火正时信号）送往输出回路。微型计算机主要由中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入／输出接口（I／O）和总线组成，如图6－82 所示。

Ⅰ.中央处理器。中央处理器主要由进行算术运算和逻辑运算的运算器、暂时存储数据的寄存器、按照程序在各装置之间完成信号传送及控制任务的控制器等组成，其功能是读出命令并执行数据处理任务。

Ⅱ.存储器。存储器的功能是存储信息资料，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

ⅰ.RAM 主要用来暂时存储计算机操作时的可变数据，但当切断电源后如计算机输入、输出数据，计算过程中产生的中间数据、故障代码、自学习修正数据等，RAM 内部的存储信息将丢失。为了防止点火开关关闭后因电源被切断而造成数据丢失，RAM 通过微型计算机后备电源电路与蓄电池相连，使RAM 不受点火开关的控制。但后备电源电路断开或拆除蓄电池后，存入RAM 的数据会自然丢失，因此在车辆维修时如需拆除蓄电池，必须先读取并记录微型计算机内所存信息。

ⅱ.ROM 只能读出不能写入，用来存储固定的数据，如电控系统中的一系列控制程序软件、喷油特性脉谱、点火控制特性脉谱以及其他特性数据等。这些信息资料一般都是在制造时由厂家一次性输入，使用中无法改变其内容，断电后数据信息不会丢失。

Ⅲ.输入／输出接口（I／O）。输入／输出接口是微型计算机与外界进行信息交流的纽带。在控制系统工作时，输入／输出接口根据CPU 的命令，在CPU 与输入回路和输出回路之间负责数据传送。

Ⅳ.总线。总线是微型计算机内部传递信息的电路连线。

在单片机内部，CPU、ROM、RAM 与输入／输出接口之间的信息交换都是通过总线来实现的。

d.输出回路。微型计算机输出的数字信号电压很弱，不能直接驱动执行元件工作。作为微型计算机与执行元件之间连接桥梁的输出回路，其主要作用是将微型计算机的处理结果放大，生成能控制执行元件工作的指令信号。

输出回路一般采用功率三极管，根据微型计算机的指令通过导通或截止来控制执行元件的搭铁回路。

③电子控制器的工作过程。发动机起动时，某些程序或操作指令从ROM 中取出并进入CPU，这些程序可以控制点火时刻、控制燃油喷射、控制怠速等，并通过CPU 的处理，对这些指令逐个地进行运算。

图6－82　微型计算机的组成

执行程序过程中所需的发动机信息来自各个传感器。从传感器来的信号首先进入输入回路，对其信号进行处理：数字信号根据CPU 的安排，经输入／输出接口直接进入微型计算机；模拟信号还要经过A／D 转换器转换成数字信号后，才能经输入／输出接口进入微型计算机。大多数信息暂时存储在RAM 内，根据指令再从RAM 送至CPU。

下一步是将存储在ROM 及PROM 中的参考数据引入CPU，使传感器输入信息与之进行比较。CPU 对这些信息比较运算后，作出决定并发出输出指令信号，经输入／输出接口（有些信号还经D／A 转换器转为模拟信号），最后经输出回路控制执行器的动作。

（3）执行器。

①执行器的作用。

执行器的作用是受ECU 控制并具体执行某项控制功能。

②常用的执行器。在发动机电控系统中，常见的执行元件主要有喷油器、点火器、怠速控制阀、EGR 阀、碳罐电磁阀、油泵继电器、风扇继电器、节气门体控制电机、二次空气喷射阀、空调压缩机继电器、自诊断显示与报警装置、仪表显示器等。

随着控制功能的增加，执行器的类型和数量也必将相应增加。

4）排气系统

排气系统的作用是汇集各气缸的废气，减小排气噪声和消除废气中的火焰和火星，使废气安全地排入大气，并对废气中的有害物质进行排放、控制。

整个排气系统包括排气歧管、氧传感器、三元催化转换器、排气消声器、隔热装置等，如图6－83 所示。尽管各厂商设计的排气系统结构不尽相同，但基本部件是一致的。

图6－83　排气系统的结构

（1）排气歧管。排气歧管一般由铸铁铸造，其形状十分重要。为了不使各缸排气互相干扰及不出现排气倒流的现象，并尽可能地利用惯性排气，应该将排气歧管做得尽可能长，且各缸支管相互独立、长度相等。图6－84 所示为排气歧管。

排气歧管用螺栓固定在气缸体或气缸盖上，在接合面处装有金属片包的石棉衬垫，以防漏气。排气歧管的各个支管分别与各缸排气门的通道相接。

图6－84　排气歧管

（2）三元催化转换器

①三元催化转换器的作用。三元催化转换器是汽车排气系统中最重要的机外净化装置，一般安装在排气消声器前面。如图6－85 所示，它可将汽车尾气中的CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）和NOx（氮氧化合物）等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的CO2（二氧化碳）、H2O（水）和N2（氮气）。

图6－85　三元催化转换器的作用

由于这种催化转换器可同时将废气中的3 种主要有害物质转化为无害物质，故称“三元”。三元催化转换器也称触媒转换器。

②三元催化转换器的结构。如图6－86 所示，三元催化转换器由壳体、减振垫、绝热层、载体和催化剂几部分构成。

图6－86　三元催化转换器的结构

③三元催化转换器的工作原理。在正常情况下，废气中的HC、CO、NOx及O2混在一起并加热到500 ℃也不会产生化学反应。但如果这些气体经过催化后，就会转化为无害的CO2、H2O 和N2。其化学反应方程式如下：

排放物流入三元催化转换器，被吸附在催化剂表面上，吸附物质与气体分子或相邻的被吸附分子进行化学反应，形成低能量的反应产物，这种反应产生的反应产物很容易从表面上脱附，并随排气流排出，进入外部空间。（注：催化剂本身并不参加反应。）

催化剂要在理论空燃比的混合气浓度下，铂促使HC 和CO 氧化，而铑同时使NOx还原。因为NOx在三元催化转换器中的还原需要HC 和CO 作为还原剂，如果氧过量，即燃用稀混合气时，这些还原剂首先和氧反应，则NOx的还原反应就不能进行。而如果空气不足，即氧浓度不够，HC 和CO 就不能被完全氧化。因此，为使3种污染物都可以达到很高的净化率，ECU 必须严格控制空燃比在理论空燃比值附近。空燃比与三元催化转换器的转化效率的关系如图6－87 所示。

在电控汽油喷射式发动机中，为了使三元催化转换器发挥最高的转化效率，采用了氧传感器进行空燃比的反馈控制。

④三元催化转换器的工作条件。

a.燃油要求：汽油中铅的含量导致三元催化转换器的转换效率严重下降，这也是导致其烧缩、烧结的主要原因之一。对硫、磷等杂质的含量也有要求。

b.使用要求：三元催化转换器必须和闭环电喷控制发动机同时使用，才能保持比较高的转换效率，即发动机理论空燃比为14.7∶1。

c.温度要求：在350 ℃～850 ℃温度范围，低于或高于正常的工作温度就会导致三元催化转换器的转换效率和使用寿命降低。

（3）排气消声器。排气消声器的作用是抑制发动机的排气噪声，消除废气中的火焰和火星。

排气消声器的基本原理是：消耗废气流的能量，平衡气流的压力波动。排气消声器有吸收式和反射式两种基本消声方式。在吸收式排气消声器上，通过废气在玻璃纤维、钢纤维和石棉等吸声材料上的摩擦而减小其能量。反射式排气消声器由多个串联的谐振腔与不同长度的多孔反射管相互连接在一起，废气在其中经多次反射、碰撞、膨胀、冷却而压力降低，振动减轻。

目前在汽车上实际使用的排气消声器多数是综合利用不同的消声原理组合而成的。流行的排气消声器由前消声器、中消声器和后消声器以及连接管等组成，并焊接成一个整体，如图6－88 所示。

图6－87　空燃比与转化效率的关系

图6－88　轿车用排气消声器

（a）前消声器的谐振原理；（b）中消声器的谐振与吸声原理；（c）后消声器的谐振原理；（d）后消声器的吸声原理

前消声器采用谐振原理，有3 个大小不同的谐振室，彼此由穿孔管贯通。穿孔管、隔板和断面的突变是谐振室内的基本声学元件，它们作为声源的发射体，彼此间利用声波的相互干涉和在谐振室内传播的声波向这些声源的反射，达到吸声的效果。

谐振器对抑制低频声波特别有效。中消声器采用谐振器和吸声原理。两室之间为突然膨胀，从反射孔流出的气体再在穿孔管中折返后排出。

采用吸声原理的后消声器，在穿孔管外面装填了吸声材料。