機動車傳感器與故障檢修之探討

顧曉明 金柏龍 張堅

摘 要：簡要論述機動車電子控制傳感器的現狀，以及常用的傳感器原理和故障檢修常見問題，并對現代汽車電子傳感器的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：傳感器;故障檢修;研究進展

全世界的車輛制造為符合現代環保的要求，均全面采用電子控制裝置，甚至連柴油引擎也都已經全面電子控制了。所以不論是引擎、底盤和車身的各個系統部件中，都使用了不少的傳感器及作動器。目前仍使用中的汽車，雖非說全部都是電子控制式的，但是除了一些較為老舊尚未淘汰的商用車輛外，小客車的市場及大型商用車市場均已全面電子化控制。

1 機動車電子控制系統中應用的傳感器種類

這些汽車使用的電子傳感器在其系統中擔任著非常重要的信息收集工作，將收集來的信息經由ECM進行計算處理后，對各作動器發出指令，進行各種控制。各系統的控制過程，是依靠ECM前端的傳感器，將外界的變化和系統本身目前的控制狀況相互比較，再根據不同的需求去修正系統本身執行誤差的工作。尤其是ECM前端的輸入傳感器，就像是人體的表皮感官細胞一般不能出錯，而且是掌控了車輛燃料燃燒及廢氣排放的主要作用。除此之外，就以現今車輛主被動行車安全配備中，前端也是要靠傳感器提供重要信息，才能讓后端的作動器完成一切行車安全的作為[1]。這就是目前車輛電子控制的基本形態，以下我們把信號的類形與傳感器的屬性作一個概略的介紹。當今汽車電子信號大概可分為五大基本類型：

（1）直流DC信號，在車輛中產生直流DC信號的裝置有：電瓶或ECM輸出的參考電壓。

（2）交流AC信號，在車輛中產生交流AC信號的裝置有：車速傳感器VSS、磁感式輪速傳感器、磁感式曲軸位置傳感器CKP和凸輪軸位置傳感器CMP、進氣絕對壓力傳感器MAP、爆震傳感器KS等。

（3）頻率信號，在車輛中產生可變頻率信號的傳感器和裝置有：數位式空氣流量計、光電式車速傳感器VSS、霍爾式車速傳感器VSS、光電式凸輪軸CAM和曲軸位置CKP傳感器、霍爾式凸輪軸CAM和曲軸位置CKP傳感器。

（4）脈寬信號，在車輛中產生脈寬信號的電路或裝置有：初級點火線圈、電子點火控制電路、廢氣再循環控制EGR、凈化、渦輪增壓和其它控制磁感閥、噴油嘴、怠速控制器和電磁閥。

（5）串流數據信號，是具有自我診斷和其它串流數據傳送的控制模塊的車輛。由引擎控制模塊PCM，車身控制模塊BCM和防滑制動系統ABS或其他的控制模塊產生[2]。

2 汽車電子控制系統中傳感器的應用及故障檢修

由于傳感器的形式及數目眾多，在本文就先對位置、壓力、溫度等幾項傳感器的型式、作動原理、故障判斷作概要的介紹。

2.1 位置傳感器

2.1.1 曲軸及凸輪軸位置傳感器

曲軸位置傳感器是ECM控制點火系統中最重要的傳感器。它的作用是檢測活塞上死點、曲軸角度和引擎轉速，以提供ECM做點火正時和噴油時間的決策依據，因此其精準度的要求非常高。曲軸位置傳感器一般安裝于曲軸皮帶輪或鏈輪內側面，有的安裝于凸輪軸前端。分電盤式的車輛是位于分電盤內，依據其傳感器的種類可分為磁感式、霍爾式及光電式。磁感感應式曲軸位置傳感器，又稱為拾波線圈式[3]。當轉子旋轉時，會使拾波線圈產生交流電壓。若轉子旋轉越快，則產生電壓越大，產生的頻率也越高。當感應齒輪旋轉時會產生磁力線，使霍爾傳感器內部產生出0.0V和5.0V鏈接成的方波信號。當轉子轉速越快，則產生的方波數量越多，頻率也就越高。利用發光二極管把光投射到另一端的光敏晶體管，在兩者間安裝有孔槽的信號盤來遮斷或接通光源，當光照射在光敏晶體管時產生輸出電壓，使光敏晶體管產生出斷續的輸出電壓，ECM即利用此輸出電壓來計算引擎轉速及曲軸位置轉角信號。

2.1.2 節氣門傳感器

節氣門位置傳感器，可將節氣門開啟的角度轉換成電壓信號傳到ECU，以便依節氣門不同開度及位置狀態控制噴油量。其形式可分為開關式、可變電阻式及電子式等三大類。

節氣門位置傳感器怠速位置的控制：不踩油門或怠速狀態時傳感器信號輸出端電壓為0.2～0.8V之間，有怠速開關裝置者節氣門全關時怠速接點OFF，所以測得電壓為0.0V。

冷車啟動增濃控制、溫車增濃控制：計算機會依據引擎水溫信號來決定增濃時間，還必須有一個明確的節氣門怠速位置信號才能使引擎正常啟動。若失掉怠速信號，計算機會認為在加油狀態下而以正常噴油狀況控制噴油。正常啟動后計算機依據水溫做噴油修正，進入溫車增濃狀態。在此修正期間中若水溫低于40℃以下計算機會控制噴油做同時噴射，待水溫高于60℃以上則控制序列噴射。

啟動增濃控制、啟動后增濃控制、怠速學習與怠速控制：打啟動馬達時必須有一個啟動信號進入計算機，讓計算機于啟動時增加噴油時間以利引擎啟動，但同時還必須有一個明確的節氣門怠速位置信號才能使引擎正常啟動。

減速斷油控制：為解決瞬間關閉油門時所產生的大量廢氣，在計算機控制系統上設有怠速馬達全開控制及噴油嘴噴油時間的斷油控制。讓怠速馬達全開時的旁通空氣以及噴油嘴斷油狀態，使汽缸內殘存的混合氣加速燃燒，使廢氣排放減至最低[4]。

扭力轉換器離合器TCC切斷控制：計算機控制系統為達經濟省油狀態，行駛于無負載或巡行狀態時，計算機會使扭力轉換器進行直接傳動LOCK-UP動作。若放開油門，計算機接收到怠速訊號時，鎖定狀態將解除。

2.2 壓力傳感器

進氣壓力傳感器屬于壓電組件，是利用壓電效應（PiezoelectricEffect），

在結晶上施加應變能（StrainEnergy）后，與結晶的兩端應變能成正比的電壓所產生，以及壓電體施加電壓時，和電壓成正比的力與應變能所發生的電子裝置。

進氣壓力傳感器檢測的是節氣門后方進氣歧管的絕對壓力，它根據引擎轉速和負荷的大小檢測出歧管內絕對壓力的變化，然后轉換成信號電壓送至引擎控制單元ECM，ECM引擎控制單元依據此信號電壓的大小，控制基本噴油量的大小。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器在車輛上的使用非常廣泛，舉凡引擎水溫，機油油溫，進氣溫度，自動變速箱油溫，空調環境溫度等，都是不可或缺的成員。老式溫度傳感器所表現的非線性、低輸出電壓及易受高溫影響等不穩定因素，已逐漸獲得改善，雖然現代的車用溫度傳感器可分為電阻形及熱偶形，但是在車輛的使用上，還是以電阻形居多，又被稱為熱敏電阻，其中又分成正溫度系數PTC及負溫度系數NPC兩種。

2.3.1 水溫傳感器

冷卻水溫傳感器安裝在引擎缸體或汽缸蓋的水套上，與冷卻水接觸，用來檢測引擎的冷卻水溫度。傳感器的兩條導線都和ECU相連接。其中一條為地線，另一條的對地電壓隨熱敏電阻的電阻值變化而改變。

ECU根據這一電壓的變化測得引擎冷卻水的溫度，和其他傳感器產生的信號一起，用來決定噴油時間寬度、點火正時和EGR流量等。

2.3.2 進氣溫度傳感器

進氣溫度傳感器為一負溫度系數特性的傳感器，ECM利用進氣溫度傳感器所產生的信號當作基質，計算空氣溫度用來修正燃油噴射量，安裝在空氣濾清器上。

2.3.3 環境溫度傳感器

為感測我們身處環境的溫度，利用輸出信號，讓ECM知道目前的室溫狀況。通常使用在車輛空調系統的恒溫系統上，系統中備有室內溫度傳感器及室外溫度傳感器。ECM利用室外溫度傳感器及室內溫度傳感器的輸出信號比對，以調整冷暖氣輸出之百分比，使環境符合駕駛設定之車內溫度。讓車內溫度恒定并維持設定溫度，這便是環境溫度傳感器的功能。此溫度傳感器為一負溫度系數傳感器，溫度越高電阻越低。

2.4 其他

爆震傳感器其位置都是在汽缸本體的2、3缸之間附近，它可以感應引擎震動的模式。利用此一加速度傳感器來量測引擎的加速度變化，也就是震動。工程師在調校爆震傳感器時會把爆震的震動模式寫入ECM中，一旦爆震傳感器偵測出該震動模式，ECM則判定引擎爆震，隨即延后點火提前角度[5]。目前點火系統都已經是直接點火了，所以較先進的爆震傳感器能判定是哪一個汽缸爆震，而針對該汽缸個別延后點火提前角。

3 結語與展望

綜合所述，汽車已然進入電子控制時代了，而工業電子的部分卻又是我們汽車業界極為陌生的部分。在現代汽車電子控制系統中，通過對傳感器進行有效應用，可使電子控制系統具有更強功能，并且能夠使汽車安全性得以提高。尤其是利用示波器當作修護工具，那更是難上加難，能運用在汽車修護檢測上的觀念更少。

參考文獻：

[1]呂良，鄧中亮，劉玉德等.基于MEMS技術的汽車傳感器研究進展[J].電工技術學報，2007，22（04）：77-84.

[2]孫興春. MEMS傳感器結合激光測距在汽車物聯網中應用研究[J]. 激光雜志，2017，38（09）：90-94.

[3]張艷輝，徐坤，鄭春花等.智能電動汽車信息感知技術研究進展[J].儀器儀表學報，2017，38（04）：794-805.

[4]余玲飛，宋超，王曉敏等.車載傳感器網絡的研究進展[J].計算機科學，2011，38（s1）：319-322.

[5]劉桂雄，潘夢鷂，周岳斌.機動車運行安全狀態監測技術的新進展[J].現代制造工程，2009（09）：8-13.