第8章_汽车控制燃烧所用的传感器.ppt

第8章控制燃烧所用的传感器 8 1燃烧压力传感器8 2燃烧温度传感器8 3燃烧光传感器8 4离子电流传感器8 5燃油传感器 8 1燃烧压力传感器 8 1 1PGS 垫圈型气缸内压力传感器 PGS是利用火花塞安装螺帽安装 紧固的 气缸盖上只稍微加工一下便可以安装 因此 对因性能要求而想打一大气门面积的现行发动机来说 这是一种实用性很高的燃烧压力传感器图8一1是一种PGS的结构图 它是靠火花塞座固定的 为了实现结构牢固并尽量减薄厚度 所以选用了金属外壳 将压电元件 电极引出线 紧固件置于其中后再铆紧 此外 为了确保防水性能 对外壳内部作真空密封 在拧紧火花塞时 为了防止损坏输出线 如图8一2所示 利用带挂耳的垫圈和发动机气缸盖上火花塞座处的缺口起止转作用 下一页 返回 8 1燃烧压力传感器 PGS的工作原理如图8 3所示 在燃烧压力的作用下 形成将火花塞上推的一个力 PGS上的紧固载荷发生变化 由此可以测定燃烧压力 因此 燃烧压力的检测与气缸上的火花塞安装螺纹及火花塞的螺纹部分密切相关 利用装在燃烧室上的压力表可测得输出信号 也可测得与此类似的信号波形 如限定检测爆震 检测燃烧压力的峰值位置 检测断火等时 这种传感器具有足够的实用功能 上一页 下一页 返回 8 1燃烧压力传感器 1 用PGS实现各气缸的控制爆震 2 利用PGS检测断火 3 利用PGS完成MBT控制 4 内装压力传感器式火花塞 上一页 下一页 返回 8 1燃烧压力传感器 8 1 2PDS从使用目的出发 对PDS的性能要求是 至少对燃烧压力应具有线性输出特性 一个燃烧周期内的偏置水平及灵敏度应保持稳定 虽不要求必须能够测量绝对值 但其固有振动频率应相当高 加速度的灵敏度要比较低 上一页 下一页 返回 8 1燃烧压力传感器 PDS的结构如图8一4所示 PGS还不能允分满足上述对PDS的要求 所以人们还是采用满足上述要求的PDS 用于新开发的发动机上 1 MBT控制 2 废气再循环 EGR 控制 3 A F控制 上一页 下一页 返回 8 1燃烧压力传感器 燃烧压力传感器的结构如图8一5所示 它主要是由膜片 推杆 半球体 压电元件及放大器组成 膜片先承受着燃烧压力 膜片的推杆将膜片的运动传递给半球体 推杆起着隔热 传递力矩的作用 半球体具有将推杆传递的力均匀传至压电元件的功能 硅材料的压电元件将压力变换成电压信号 因为电压值很低 还要经放大器放大 上一页 下一页 返回 8 1燃烧压力传感器 传力部件所受到的力作用到与底座接合的应变片上 应变片上采用了硅单晶制作的压电电阻 由此在压电效应的作用下产生电压信号 燃烧压力的波形如图8一6所示 按爆发行程规定的曲轴角度测量4次压力 然后计算转矩值 按各周期对此值加以对比并求出转矩变动量 目的是实施空燃比反馈控制 以保证转矩的变化量为固定值 上面介绍的系统中仅测定1缸的燃烧压力 如果能配合使用PGS 对气缸间的杂散量加以修正 就可以控制各气缸的临界工作状态 从而可能提高稀薄界限 上一页 返回 8 2燃烧温度传感器 8 2 1顶置安装式燃烧气体温度传感器燃烧气体的温度值与燃烧时产生的热量有很大关系 它是表明燃烧状态的一项指标 人们早就尝试测量燃烧气体的温度 受温度传感器热容量的影响 难以准确测出气体的温度 采用 0 015mm铂一铂锗丝测定气体温度的示意图如图8 7所示 但这种传感器无法长时间使用 下一页 返回 8 2燃烧温度传感器 8 2 2装于火花塞内的燃烧温度传感器装于火花塞内的燃烧温度传感器并不能直接测量燃烧气体的温度 它所采用的方法是测量燃烧时所引起的温度变化 火花塞安装在燃烧室上 它是唯一装拆方便的部件 所以 常利用它来检测燃烧状态 下面介绍的燃烧温度的测定 就利用了火花塞 上一页 下一页 返回 8 2燃烧温度传感器 为测定燃烧室壁面瞬间温度 可以采用薄膜型热电偶 虽然壁面的温度变化是因燃烧气体温度的变化引起的 但在1 2mm的深处几乎不变 因为此处的温度是不变的 所要测定的是表面的真正温度 要实现这一目的薄膜型热电偶很合适 这种热电偶的模型如图8一8所示 薄膜导体为铜 银类传热系数高的材料 厚度为7 10um 热电偶材料之2处及绝缘层要做的很薄 图8 9是中心电极顶端设有薄膜型热电偶的火花塞 A材料为中心电极 B材料是小0 1mm的康铜丝 金属薄膜用镀铜法形成 膜厚10um 上一页 下一页 返回 8 2燃烧温度传感器 图8 10所示的是在发动机上测得的结果 同时还测得了缸内压力信号 从图中可以看出中心电极表面温度与燃烧压力的峰值位置非常一致 在压缩行程温度并不上升 推测这是中心电极的温度高于混合气温度所致 无论哪一个例子 为了测定快速变化的燃烧气体的温度 都需要将传感器的热容量选的非常小 这与耐久性的要求很难兼容 所以在评定时不太使用这种传感器 上一页 返回 8 3燃烧光传感器 8 3 1装于火花塞内的光传感器 1 传感器的结构 光导体的作用是检测燃烧时所发出的光 将其设于火花塞内是出于 这样就可选用直径很小的石英系列光导纤维 这种光导纤维的传输特性及耐热性非常好 其基本结构及传输特性如图8 11所示 装于火花塞内的燃烧光传感器的结构如图8 12所示 下一页 返回 8 3燃烧光传感器 2 用燃烧光传感器检测断火 在发动机怠速状态下 与压缩压力相比 燃烧引起的压力升高值很小 难以利用燃烧压力传感器的信号判断是否断火 而利用燃烧光来判断时 因断火时根本无光产生 所以可准确地判断 上一页 下一页 返回 8 3燃烧光传感器 3 用燃烧光传感器进行MBT控制 完成MBT控制 对燃烧光传感器来说 就是检测着火时间 与火花塞上开始火花放电的点火时间相比 混合气开始传播火焰的着火时间要推迟些 一般来说 很难根据燃烧压力传感器的信号 来判断着火时间 而着火后 燃烧光传感器的信号急剧地增大 所以利用燃烧光传感器的信号就可很容易地测出着火时间 上一页 下一页 返回 8 3燃烧光传感器 4 用燃烧光传感器控制爆震 通过燃烧光也可以检测爆震信号 将燃烧压力信号 燃烧光信号经旁通滤波器可得出爆震信号 比较滤波后的这两种信号可以看出 振动波形与峰值位置是非常一致的 由于燃烧光不会受到发动机振动 气门座噪声等机械振动噪声的影响 从信号处理这点来看 比较方便 但受检测能力限制 对有的部位发生的爆震 无法检测出来 上一页 下一页 返回 8 3燃烧光传感器 8 3 2顶置安装式燃烧光传感器传感器设于火花塞内部时 从装配至发动机这点看非常方便 但其尺寸 安装位置受到限制 所以精度还不够高 与此相比 就图8一13所示的顶置安装式燃烧光传感器来说 即使传感器尺寸不是很大 但对中心电极中插入的玻璃纤维来说 设有足够长的导光通道 因此 在很大程度上提高了传感器的能力 上一页 下一页 返回 8 3燃烧光传感器 燃烧光随混合气的温度及密度的变化而变化 它有时还会被混合气及燃烧室的内壁吸收 仅靠来自光的信息还不够 所以要进行修正 1 顶置安装式燃烧光传感器用于MBT控制 2 顶置式燃烧光传感器用于A F控制 上一页 返回 8 4离子电流传感器 8 4 1应用离子电流测量火焰的传播及着火延迟利用有离子电流开始通过这一现象就可以掌握火焰到达离子火花塞的时间 当在燃烧室壁上安装几个离子火花塞 就可以弄清火焰到达各点的时间 因此 若测定出离子火花塞上火焰到达时间 就弄清了火焰传播速度 测定的例子如图8一14所示 图中 以点火位置至前后方向的距离为横轴 火焰到达各离子火花塞的时间用曲轴角度表示 下一页 返回 8 4离子电流传感器 在这种场合下 保持转速一定而改变负荷时 火焰传播速度之差主要在点火后的初始燃烧时间内产生 此后则没有多大差别 初始燃烧时间的概念如图8一15所示 前面讲过的初始燃烧时间长短不同 利用这一差别可以评定点火系统的着火性能 上一页 下一页 返回 8 4离子电流传感器 8 4 2利用离子电流检测早燃利用火花塞周围的离子电流 判定是否出现早燃应用得最广 所谓早燃是指因燃烧室内的热点 造成在正常点火时间之前使混合气着火的现象 出现早燃时 因燃烧室内过热 会损伤发动机 之所以容易出现热点 问题在火花塞 根据发动机选定热值适当的火花塞是非常必要的 上一页 下一页 返回 8 4离子电流传感器 一种早燃检测装置的原理图如图8 16所示 为了消除用于火花塞点火的火花放电形成的干扰 确实检测出刚点火之前的离子电流 对点火时间波形进行取样 滤波 各相关装置的方框图及各部位的电压波形图分别如图8 17和图8 18所示 上一页 下一页 返回 8 4离子电流传感器 8 4 3离子电流与A F通过观察离子电流 掌握并研究其状态 从其结果可使我们明自混合气的A F与离子电流的密切关系 在A F 9 14的范围内 离子电流及其变化率的例子如图8一19所示 比理论混合比还浓时 离子电流呈现最大值 同时其变化率最小 在同一条件下 所求得的燃烧压力如图8 20所示 压力峰值及变化率与离子电流呈同样的趋向 上一页 下一页 返回 8 4离子电流传感器 离子电流的大小就是离子产生的速度 换句话说 可把它看成是相应的热量产生的速度 所以可以说 是以离子电流最大值时的A F 进行了最激烈的发热反应 从这一事实也可以理解它与燃烧压力有同样的趋向 离子电流和燃烧压力之间关系的其他例子如图8 21所示 上一页 下一页 返回 8 4离子电流传感器 8 4 4离子电流传感器在发动机上的应用 1 极性效果 2 离子电流检测方法之一 3 离子电流检测方法之二 上一页 返回 8 5燃油传感器 8 5 1汽油的重质比例传感器汽油是多种碳氢的化合物 随其成分及化合比例的不同 重质比例也不同 向发动机供油时是按容量计量的 重质成分越多 混合比就越浓 在发动机暖机过程中 即利用氧传感器开始实施反馈控制之前 为了净化尾气 就需要按燃油的重质比例实施控制 市场上出售的汽油的密度与折射率这两者之间具有一定的相关关系 因此 要想进行重质比例修正 就可以利用燃油折射率这一信息 下一页 返回 8 5燃油传感器 根据光学式折射率测试装置的工作原理 在透光体的折射率大于被测燃油的条件下 透光体以各种角度将光入射到分界面上 当入射角大于临界角时 光为全反射 当入射角小于临界角时 光出现折射 穿过燃油 因此 当将光敏元件置于透光体一侧时 折射率越小的燃油 临界角也越小 因此光敏元件上的入射光越多 其输出就越大 根据上述原理制成的传感器 就会有与折射率成正比的输出 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 8 5 2柴油的重质比例传感器与汽油一样 柴油的重质比例也不尽相同 利用光学传感器 通过测定折射率 就可以知道密度 柴油的折射率与密度之间也存在着相关关系 在柴油机上 柴油也是通过容量计量的 所以 要利用传感器的信号修正供油量 对柴油发动机来说 防烟雾的措施很重要 重质成分越多 烟雾的最大值就越大 所以 若是能够根据重质比例传感器的输出调整供油上限值的话 就可以控制烟雾的上限值 柴油重质比例传感器的结构如图8一22所示 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 8 5 3光学式燃油性质传感器 1 传感器的构成 通过检测光点位置变化检测折射率变化的传感器的工作原理如图8 23所示 图8一24是光学式燃油性质传感器的剖面图 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 图8 25是设置在燃油性质传感器内的电路的方框图 下面对此电路的特点略加说明 通过将LED光变换成光脉冲 采用滤波器就可以隔断PSD的直流漏电流 特别是在高温环境下此漏电流转化成大问题 而仅取出光入射形成的光电流 控制LED的发光量 以保证PSD输出的光电流的总量总是固定值 不采用取样 同步电路以及除法电路等比较复杂的电路 以降低成本 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 2 光学式燃油性质传感器的性能 基本性能 将折射率检测范围适于检测甲醇浓度的燃油性质传感器 用于检测甲醇 汽油的混合燃油 在燃油温度为25 时进行测试 可以看出甲醇浓度越高 输出电压越低 传感器呈现出1 4V的线性特性 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 没有设置温度修正电路的传感器 甲醇浓度为50 85 时的温度特性 以燃油温度为25 时的输出电压为标准值 并以与此输出的偏差形式表示出来 随着燃油温度的升高 输出电压呈线性下降 此外 前面已经讲过 甲醇浓度不同时 折射率的温度特性也不同 所以传感器的温度特性与甲醇浓度有一定关系 给燃油性质传感器配置温度修正电路 并对电路加以调整 以便在用甲醇为50 的燃油时 传感器受温度影响最小 在这种条件下所得传感器的温度特性可知 与甲醇质量分数为50 相比 质量分数为85 时的检测精度低些 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 人们在比较汽油性能时 常常用到汽油50 蒸馏温度时的各项指标 简称此时的温度为T50 利用折射率检测范围适于检测汽油重质 轻质成分的传感器 测量几种汽油在燃油温度为25 的汽油性质 并与该燃油T50的参数对比可以知道 T50时越高的 传感器的输出电压也越高 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 耐久性 为考察本文所述传感器的耐久性 对其进行了高温存放 低温存放 热冲击 振动等可靠性试验 对所有试验都得到了满意的结果 特别是振动试验时 装在发动机缸体上 在高于耐振要求的392m s2加速度下 玻璃窗没有损伤 燃油密封性没有下降 但另一方面 当玻璃损坏时 可能会引起车辆发生火灾等重大事故 因此 传感器尽可能安装在车身振动小的部位处 上一页 下一页 返回 8 5燃油传感器 8 5 4静电电容式燃油性质传感器 1 传感器的工作原理 燃油的介电性