汽车控制系统中的传感器测量精度及可靠性要求详解

高压共轨电子控制系统可以分成三大部分：传感器、电子控制单元（计算机）和执行器。其中，计算机是电控共轨燃油系统的核心部分。

1.传感器

传感器的功用是将发动机及车辆运行时的各种状态信息，由非电量转变为电信号输入电子控制单元，是电子控制器对执行器进行驱动控制的主要分析、判断的依据，它对系统的精确控制起着至关重要的作用。

图2-5 装用博世共轨系统的4缸柴油机

在电子控制系统中，传感器的种类很多，按照不同的方法可以进行不同的分类。

按输出信息的性质，传感器可以分为开关型、模拟型和数字型。

开关型传感器。工作时就是两个状态，用数值“1”或“0”分别表示开或关（通或断）。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时，输出为“1”（开启状态），在该值以下时，输出为“0”（关闭状态），其设定的界限值即开、关两种状态。这种“1”和“0”的数字信息可以直接传递到微机进行处理，使用方便。

模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入与输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信息可直接被采用，非线性输出信息则需要进行修正，或将其变成线性信息。这些信息要先输入到模/数（A/D）转换器，转换成数字信息以后，再输送到微机进行处理。

数字型传感器又可分为计数型和代码型两种。

计数型又称为脉冲型，任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数是与输入量成正比的，对输入量进行计数后，用来检测执行机构的位移量。例如，曲轴或凸轮轴上安装的光栅盘，就可检测曲轴或凸轮轴转动一定角度所发出的脉冲信息。

代码型传感器又称编码器，它是一种直接用数字代码表示角位移和线位移的检测器，每一输入代码相当于一个一定的输入量，如电平可用光电元件或机械接触式元件输出。例如，增量式编码器，它的码盘的外围是计数码道，最内圈是一个基准，内圈中的码道称方向码道，它的计数码道的线段是同样的，但偏移了半个线段，其相位差为90°转角。在某一旋转方向，最外码道的输出超前于内码道的输出，沿外码道的上升沿产生一个计数脉冲；当反方向旋转时，其输出就滞后于内码道的输出，并沿其下降沿产生计数脉冲，由此可以确定旋转的方向，把外码道的输出脉冲加到计数器，再根据转向而向上或向下减就可以计数。

按传感器的工作原理可以分成五个类型。

1）力学传感器是将力学量的变化转换成电信息的元件。力学量又可分为机械量和流体量两个类型。机械量中，几何量随着时间变化的叫做运动量；质量、力和扭矩等都叫做力学量。在汽车各个电子控制系统常用到的有速度传感器、加速度传感器、压力传感器及空气流量传感器等。

2）电磁传感器是将磁信息转换成电信息的元件。除了电磁传感器外，还有利用磁阻效应、霍尔效应开发成功的半导体磁性传感器等，经常用做速度传感器和转角传感器。

3）温度传感器是将温度变化转换成电信息的元件。可分成接触式和非接触式两种。一般情况下，接触式温度传感器用得多，例如热敏电阻（固体温度变化引起电阻变化的半导体），双金属片式温度计等。非接触式温度传感器的实例如车辆中乘客数量传感器就是利用热电效应的红外线传感器。

4）光学传感器是将光量转换成电信息的元件。由于光和半导体的相互作用，检测出电子空穴的半导体光学传感器。

5）电化学传感器是将化学量的变化转换成电信息的传感器，例如用于检测排气中氧浓度的由氧化锆陶瓷制成的氧传感器。

在电子控制系统中，关键的是对传感器测量的精度与可靠性要求，否则，由传感器检测带来的误差，将会导致整个控制系统的失灵或故障。另外，在电子控制系统中所用传感器的数量，理论上不受限制，只要位置许可、功能需要都可设置传感器。如果能把所有传感器的信息都转变为电信息，经过多通道输入，计算机就能进行处理，并得到高精度的控制。

在高压共轨电控系统中，除了上述常用传感器以外，还有一个特殊传感器——共轨压力传感器。它的作用是以足够的精度，在相应较短的时间内，测定共轨中的实际压力，并向ECU提供信息，用以对喷油压力进行控制，实现精确的喷油控制。

发动机电子控制系统中相关传感器的结构和工作原理将在第四章中详细介绍。

2.电子控制单元

电子控制单元常用ECU（Electronic Conrtrol Unit）表示。不同厂家的名称不尽一致，例如，日本电装公司叫做ECU，博世公司则称EDC，威孚公司也称EDC，还有称ECM的。不管名称如何，其基本功能是一致的。

电子控制系统的框图如图2-6所示。

图2-6 电子控制系统的控制框图

（1）ECU的工作原理ECU的作用是接收来自各种传感器的信息，按照预先设计的程序，经过快速的处理、运算、分析和判断后，并把各个参数限制在允许的电压水平上，适时地输出控制指令，控制执行器执行各种预定的控制功能，借以控制发动机。

ECU的核心部件是微型计算机，即微机（电脑），所以有时简单地将ECU称为微机或电脑。

微处理器根据输入数据和存储在MAP中的数据，计算喷油时间、喷油量、喷油率和喷油定时等，并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量。

图2-7所示是柴油机的电控共轨式燃油系统的线路图（电装）。

图2-7 柴油机电控共轨式燃油系统线路图（6HK1-TC）

以发动机的转速、负荷为基础，经过ECU的计算和处理，向喷油器、供油泵等发送动作指令使每一个气缸内都有最合适的喷油量、喷油率和喷油定时，保证每一个气缸进行最佳的燃烧过程。

ECU根据发动机转速、油门开度等计算出最佳喷油量，控制喷油器的电磁阀，在指定的时间内开启和关闭喷油器的针阀，从而准确控制喷油量。由图2-8可见，每循环的喷油量和脉冲宽度近似成正比。

（2）ECU的处理能力 为了适应不断改进的控制功能，ECU自身技术含量也在不断发展。

1）内存容量。为了执行不断增加的控制功能，ECU中所使用的微型计算机的ROM（只读存储器）和RAM（读写存储器）的容量也在不断增加。图2-9所示为ROM容量随着时代的发展而增加的情况。

2）CPU处理速度。在控制功能增加、内存容量不断增加的同时，还要求CPU的处理速度不断在提升。现在大量采用的是16位或32位CPU，今后将以32位的CPU为主，而且，随着工作频率提高，高速缓冲存储器的广泛采用，浮点小数运算单元，数字信号处理器等也势必进一步扩大应用。图2-10所示为CPU处理速度的发展过程。

3）输入输出信息。随着控制部件数量的增加，各个气缸控制项目以及故障诊断功能的追加，发动机综合控制功能增加，模拟电路功能数字化等，数据的输入输出量也在不断增加，A/D转换器的频道数也将会不断增加。按照不同的功能随着年代的推移输入输出信息的变化情况见表2-1。

图2-10 CPU处理速度随时代的发展不断提升

表2-1 微机输入输出信息的变迁

注：SCI——串行接口。

FPU——浮点数字处理单元。

（3）定时功能 喷射定时、多段喷射控制等都要求更高的时间精度。螺线管、电动机的电流控制、相位控制等都要求更高的频率，占空比输出、多个定时同时动作等，在时间方面的匹配都是非常严格的。为了不给CPU增加更多的处理负担，但又要满足上述各种功能，因此要求微机配用的时间定时器更加智能化、功能化。

（4）通信功能 为了实现和故障诊断工具通信、变速控制、牵引控制等其他控制单元之间的协调控制，实现多种设备之间的高速化和通信简易化，车内局域网（CAN）方式在电子控制系统中得到了广泛的应用，局域网控制器（CAN—Controller Area Network）等必将大量使用。今后，包括其他控制单元和定时器的同步控制功能的通信方式也将会被采用。

（5）存储器的多样化 微机中ROM在ECU工序之前必须将程序写进去，因此，控制程序必须提前决定下来，即使是硬件结构完全相同，仅就程序本身来说，软件的数量也会增加。现在，主要是采用闪存（FLASH MEMORY），在ECU装配完成之后，ROM中的程序可以更改重写。这样，从程序定形开始到ECU完成的时间可以缩短，硬件可以实现标准化。

故障诊断结果的记忆、传感器、执行机构的各种特性数据的记忆、防盗装置ID代码的记忆等，当电源断掉以后也不会消失，而且要求可以一次又一次的改写。为了满足这样的要求，所以需要使用电子可擦可编程只读存储器（EEPROM—Electric Erasaable PROM）。

（6）ECU的小型化ECU的功能不断增加，同时，车辆上电子控制设备的体积等也在不断增大，因此，要求ECU可以安装在不同的地方，而且必须追求ECU的小型化。

电子零部件的小型化。现在，一般采用的方法是将电子零部件安装在线路板的上面。提高电子零部件安装密度的基本方法是追求零部件的小型化。图2-11所示为电子零部件随着时代的推移不断小型化的过程。

布线高密度化。为了实现高密度安装电子元件，必须首先实现高密度布线。作为电路板的材料最好采用多层陶瓷基板，但是，成本很高。现在大量使用的是玻璃环氧基板。提高布线密度的方法有：缩小布线之间的距离、基板多层化等。图2-12所示为高密度布线技术和基板面积之间的关系。对于发动机控制电路板来说，公认的极限：线径为0.1mm，布线间距为0.1mm。目前，2层、4层、6层和8层的基板均已经实际应用于发动机控制之中。

图2-11 离散元件和IC插件不断小型化

a）离散元件 b）IC插件

图2-12 高密度布线技术和基板面积之间的关系

图2-13所示为小型高密度ECU的结构。

（7）耐环境性

1）防水性。ECU安装在发动机室时，首先要求的性能是防水性。例如，在ECU内部填充硅油等，侵入到ECU内部的水分不会影响到ECU的性能。最近，由于追求设计轻量化和重复使用性，将ECU设计成全封闭型，但不加填充物质。这时，为了缓和ECU内外压力差，设置了通气孔，同时，还要防止水分从通气孔进入ECU内部。此外，还要防止水分从接头处进入ECU内部。图2-14所示是防水型ECU的结构。

2）耐热性。ECU布置在发动机室内的另一个问题是耐热性。不仅有发动机主体的热问题，还由于采用了大电流驱动的电磁阀、电动机等执行器的增加，ECU内部的发热也是一个大问题。提高ECU耐热性的主要措施如下：

①采用耐高温的元器件。发动机室内安装的ECU，因具体安装位置不同，ECU周围的温度也不同，有时能上升到100℃左右。以前ECU的最高工作温度是85℃，现在已经生产出可以承受105℃或125℃的产品，可以根据使用场合适当选用。

②采用低发热元件。对于大电流的驱动器主要采用场效应晶体管，现在主要采用功率MOSFET，电阻值越低，发热量越小。

③采取必要的散热结构。安装在基板表面的功率元件的发热量尽可能在ECU外部散去，让功率元件所产生的热量传到基板的底面去，尽量采用传热性好的材料等。ECU的散热结构如图2-15所示。

3）耐振性。当ECU安装在底盘上时，传递到ECU上的振动加速度约为40～50m/s²；安装在发动机或进气系统上的时候，振动加速度可达100～300m/s²。提高ECU耐振性的措施：将基板固定到金属平板上，抑制振动；安装重心低的元件；采用能承受微小摩擦的插座。

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图2-14 防水型ECU的结构

3.执行器

发动机电子控制系统的各种控制功能的实现，都是借助于各自的执行器来完成的，因此，根据发动机电子控制系统具备的控制功能的强弱，各种车型上控制发动机的执行器亦有多有少。在柴油机高压共轨电控系统中的执行器主要有电控喷油器和燃油压力控制阀等。

（1）电控喷油器 喷油器总成是高压共轨燃油系统中最关键、最复杂的部件，在共轨系统中以电控喷油器取代了传统的机械喷油器。喷油过程主要是在电子控制器的控制下进行的，把电信号转变为机械信号，实现机电一体化控制，这个转变过程在电磁阀控制的电控喷油系统中，主要由电磁阀来执行，因此电磁阀在时间控制系统中的作用至关重要。

到目前为止，电控共轨系统中品种最多的部件也是电控喷油器，各种电控喷油器的基本原理相同、结构相似，但外形相差较大。表2-2所示为电装公司和博世公司电控喷油器喷油量的试验数据。

图2-15 ECU的散热结构实例

表2-2 电控喷油器喷油量均匀性试验

表2-3是根据一些资料整理的，当今世界上具有一定规模的柴油机燃油系统公司的电控喷油器的基本数据。

表2-3 各种电控喷油器的基本资料

电控喷油器的开发，从20世纪80年代中期日本电装公司就一直走在了世界前列。1997年之前是基本产品开发阶段。从1998年开始到2001年是新型电控喷油器开发的第一阶段，主要是X1和X2型电控喷油器，2002年之后是新一代电控喷油器G2的开发阶段。

电装公司最初开发的电控喷油器采用三通阀结构。在设计初期阶段，从理论上分析，三通阀结构具有很多优越性，但是实际试验和使用过程中发现，该三通阀结构并不如想象的好，因为燃油泄漏量较大，因此，使用不久后就废止了，改成了二通阀结构，目前大量采用。

电装公司三通阀喷油器和二通阀喷油器的结构对比如图2-16所示。

二通阀和三通阀的英语缩写是一样的，即Two Way Valve和Three Way Valve。

ECD-U2喷油器头部如图2-17所示。

图2-16 三通阀（左）和二通阀（右）喷油器的结构图

图2-17 ECD-U2喷油器头部

喷油器中的指令脉冲，针阀升程、指令压力和喷油率图形随时间变化的过程如图2-18所示。喷油始点和喷油延续时间由指令脉冲决定，与转速、负荷无关，因此，可以自由控制喷油时间。

图2-18 喷油器中的信号谱

在主脉冲之前，有一个脉宽相当小的预喷射脉冲，在ECD-U2系统中，可以方便地实现预喷射。根据发动机的实际需要，预喷射形状可以有多种形式。

决定预喷射形状的参数有预喷油量大小及预喷油和主喷油之间的时间间隔。但是，实现该理想的喷油速率图形的具体方法主要是准确而细致地调节脉冲始点、脉冲宽度和脉冲间隔。

ECD-U2喷油器基本参数见表2-4。ECD-U2喷油器的控制电路如图2-19所示。

表2-4 ECD-U2喷油器的基本参数

图2-19 ECD-U2喷油器的控制电路

根据ECU送来的电子控制信号，喷油器将共轨内的高压燃油以最佳的喷油时刻、最适当的喷油量、最合适的喷油率和喷雾状态喷入发动机燃烧室中。

近来，电控燃油系统的喷油率控制方面取得了新的进展，在一次喷油循环中可以实现5段甚至7段喷油（理论上可以实现更多段喷油）。但其中只有一次是主喷射，其余均为辅助喷射。目的在于改善燃烧质量，改善排放等。

在电控喷油器中采用螺旋形磁铁是一项重要的新技术，其优点在于：

①螺线管外径减小。在同样的吸引力下，螺旋形磁铁的外径比菱形的外径减小6%左右。

②菱形磁铁螺线管中有一部分无用面积，采用螺旋形磁铁后，有效面积提高25%。

图2-20所示为螺旋形磁铁的细节结构特点。

现代柴油机在经济性、排放、噪声、稳定性、安全性、舒适性等各方面要求都在不断提高，各种高标准的法规已使电磁阀控制难以满足。尤其是电磁阀对必须采用多次喷射才能满足要求的喷油规律极难适应，为此，德国Siemens、Bosch等公司相继开发了以压电晶体驱动的电控喷油器。与高速开关电磁阀相比，压电晶体控制的喷油器具有更大的优势（表2-5），高压共轨喷油系统采用了压电晶体控制的喷油器后，能获得更快的响应速度，更灵活、更精确地进行控制，能适应更多次喷射，使柴油机获得更好的综合性能，高压共轨系统的优势更能发挥出来。

采用压电晶体喷油器的高压共轨电控喷油系统中，除喷油器外，其他部件与采用高速电磁阀控制的喷油系统相同。

压电效应有下述两种不同性质的过程：

①正压电效应。压电材料（如石英晶体等）在外力的作用下变形时，压电晶体上会产生与应变量成正比的电荷，进而在电极之间产生电压。电荷的多少和极性与所加的机械力的大小和性质（拉力或压力）有关。当外力去除后，压电晶体又重新回到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。

图2-20 螺旋形磁铁的细节结构特点

②逆压电效应。如对压电晶体施加一个电压，在外电场作用于压电晶格上时，电流流过会使晶格伸长，当断电后压电晶体又恢复到起始状态，这种现象称为逆压电效应。

上述正压电效应是机械能转变为电能的过程，逆压电效应则是电能变为机械能的过程，两种压电现象统称为压电效应。

表2-5 电磁阀喷油器与压电晶体喷油器的比较

注：+表示好，—表示差，O表示一般。

在压电式传感器中，大多是利用压电材料的正压电效应，而压电执行器则主要利用压电材料的逆压电效应。

压电材料有压电单晶材料、压电多晶材料（压电陶瓷）、有机压电材料等。高速开关阀中用的材料，一般是压电材料中石英晶体和各类压电陶瓷。

石英晶体是单晶体中应用最为广泛的一种压电晶体，它没有热释电效应，其主要优点是性能稳定，介电常数和压电常数的温度稳定性特别好。

压电陶瓷是一种多晶铁电体，锆钛酸铅系列压电陶瓷，目前应用较广。它由较高的压电常数和居里点（300℃），工作温度可达250℃。各项机电参数稳定，随温度和时间等外界因数变化很小。

压电晶体的主要特点：

①响应速度快。作为快速开关时间约为10～30μs，用作压电执行器比电磁执行器要快很多倍。这是由于压电执行器的磁场建立时间，几乎可忽略不计。

②位移控制精度高，可达0.01μm，重复性好。

③有较大的单位输出力，可达3.9kN/cm。

④能耗低。由于压电晶体是一种电容元件，无电感阻力，只有在充电、放电时消耗少量能量，在维持通电过程中不消耗能量。

关于喷油器的结构和工作原理在本节后面的内容中详细介绍。

（2）燃油压力控制阀 燃油压力控制阀用以分割高压及低压端，一般安装在供油泵上，它的作用是用于调整共轨内的燃油压力。方法是调整供油泵供入共轨内的燃油量。所以，向控制阀通电和断电的时刻就决定了供油泵向共轨内供入的供油量。

调压阀的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力。当共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经集油管流回到油箱；当共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封。

燃油压力控制阀的控制电路如图2-21所示。

图2-21 燃油压力控制阀的控制电路