hfm传感器是 带你走进奔驰发动机核心技术世界之进气系统

带你走进奔驰发动机核心技术世界之进气系统

当今的发动机技术革新较快，而且新的发动机型号不断推出，对于一线工作人员来说如何快速熟悉一款发动机的控制原理是一个挑战。

各种发动机的介绍资料大家都有不少，但是缺少一个总结各种发动机技术的文档。因此，本文的出发点是把当前发动机技术进行一个总结，而不针对特定的某一款发动机。

希望借助这些共性知识，让大家日后在接触新的发动机时能更快的上手。

本文是对发动机控制原理的陈述，较少的对发动机机械部分进行阐述。

将会通过几篇文章进行介绍。

小编

涉及内容如下：

一、进气系统

关于进气量的识别:

汽油发动机是根据进气量的多少,再按照14.7:1的比例来调整喷油量的大小的,因此，进气系统的任务之一就是计算近来的空气量。

可以通过两种方式来进行评估

1.通过压力传感器与温度传感器计算

2.通过空气流量计进行计算

通过进气压力传感器进行计算：（以270发动机为例）

空气的压力=空气的温度X空气分子数（质量）X比例系数；

因此，空气的质量=压力÷空气温度÷比例系数；

在M270中，有4个压力传感器。

ME内部压力传感器（图中没有）：

用于识别大气压力，可用于识别海拔高度，并根据此数据调整喷油量。

B28/5：

空气滤清器后压力传感器：用于识别空气经过滤清器后的压力。该数据用于与ME内部压力传感器进行对比，如果偏差过大，说明空气滤清器堵塞。入气量降低，会导致涡轮增压器因为负荷减少而超速运转，从而导致损坏。

因此，ME会调低发动机功率。

B28/6：

涡轮增压器后压力传感器：用于识别涡轮增压器后的压力。该数据用于与空气滤清器后压力传感器进行对比，再参照当前的转速信号来监控与判断涡轮增压器的效果。

B28/7：

节气门后压力传感器：识别进气岐管的压力。该数据用于与进气岐管温度传感器B17/9一起，计算实际进入发动机的空气量。

在正常怠速的情况下，该压力值为300mbar左右。

通过空气流量计进行计算：（以272发动机为例）

通过熱丝上被带走的热量，结合进气温度传感器，能算出流入的空气量。HFM传输频率信号（frequency）至ME，频率信号依引擎进气量不同而变化，此信号用来决定喷油量。感知器具有一个弓行的凹槽，防止外物进入受到损坏。

空气流量计在着车后并不能马上投入使用，因此，为了检测冷车着车后的进气量，需要使用额外的传感器——进气岐管压力传感器，正常怠速时，以272发动机为例，压力大至上在340mbar左右。倘若在空气流量计之后出现了漏气，那进气岐管压力传感器的读数会增高。

涡轮增压：

提高发动机的动力，最重要的手段之一是提高进气量，自然吸气的发动机只能通过提高排量来达到目的，而涡轮增压发动机则可以在排量不变的情况下，通过压缩空气来提高进气量。根据不同的车辆配置，增压量可以在0.6~1.5bar （M270为例）

在废气岐管端，废气通过涡轮并带动其旋转，而在进气端，旋转的涡轮压缩着空气。被压缩的空气，温度会升高，反而密度就降低了，因此，需要空气冷却器把温度降下来，提高空气的密度，即提高进气量。

在M270中，废气旁通翻板在发动机熄火时是开启的（弹簧推开）。当有真空作用于真空触动器，真空克服弹簧推力，并把旁通翻板关闭。此特性刚好与M271 EVO, 275的涡轮增压控制相反（旁通翻板熄火时关闭，打开翻板需要通过正压力推开翻板），

当旁通阀关闭时，所有的废气排出车外都需要通过涡轮，因此，加速涡轮的旋转。当旁通阀开启时，排气都通过旁通阀流过，没有废气推动涡轮旋转。

需要增压时：

ME触动增压调节电磁阀Y77/1开启（不通电时，该阀处于关闭状态），来自真空蓄压罐（由真空泵提供真空）的真空作用于涡轮增压真空触动阀，从而关闭翻板。通过调整翻板的角度,可以调整不同的增压效果，而这又是由ME电脑通过PWM信号触动Y77/1来实现的。

不同工况下的增压设置：

下图：

怠速或低负荷，发动机转速低，翻板关闭但也基本没有增压效果。

下图：

中等负荷，ME调整翻板的角度以调节增压压力。

下图：

全负荷，ME调整翻板的角度以调节增压压力，甚至限制增压压力继续升高。

增压的时候，如果驾驶员突然丢开油门踏板，节气门就会关闭，增压的空气就会撞在节气门上，容易导致节气门的损坏，也容易导致涡轮增压器受气压冲击而发出异响，因此，当油门踏板丢开后，需要有一个通道快速的把增压的空气卸掉。此功能由减速阀Y101来实现。正常时，该阀关闭，当需要时，ME控制阀门开启（纯电控电磁阀），则被增压的空气（涡轮增压器之后的空气）就会通过该阀回流至未被增压的空气进气管中（涡轮增压器之前的进气管）。

节气门与油门踏板：

节气门促动器(M16/6) 中的促动马达(M16/6m1)根据ME的预设值将节气门(1) 的开启角度不断从0°调节至90°。调节脉冲宽度调制信号的典型耗电量约为1 A, 但最高可能约为9A。为保护输出级, 约30 秒后电流被限制为6 A。

节气门中有两个位置传感器用于监控节气门翻板的开度，分别是电位计M16/6r3和M16/6r4。

随着节气门翻板位置的变化，两个电位计的输出信号呈反向。

内有两个电位计作为位置传感。且：

M16/6r3 (Sensor 1)：为主信号，0.5~4.5V

M16/6r4 (Sensor 2)：为辅助检测信号，4.5V~0.5V。

电子节气门功能：

对比传统的机械节气门，电子节气门不仅仅只是受到驾驶员的油门踏板位置控制，而且还会考虑到挡位，驾驶风格，油门变化程度，巡航控制等影响，进行适当的调节。

4种功能模式：

a.正常节气门驱动模式

b.节气门变化缓冲模式

c.倒挡行驶模式

d.适应性油门踏板模式

A.正常节气门驱动模式

根据油门踏板传感器, ME根据特性图促动节气门促动器(M16/6)，为此，ME使用脉冲宽度调制(PWM)信号促动节气门促动器中的促动马达(M16/6m1)。如果未激活限制功能(如定速巡航控制请求)，则节气门的开启角度仅由油门踏板位置确定。

B. 节气门缓冲功能

ME根据以下信号控制缓冲功能：

1. 油门踏板传感器, 油门促动速度(快, 慢)

2. 曲轴传感器, 发动机转速

3. 冷却液温度

4. 节气门位置

5. 车速信号

目的：

为了避免在突然释放油门踏板时，节气门迅速关闭导致发动机出现挫动的情况，ME会适当将减缓节气门关闭速度，保证发动机扭矩平稳下降。

C. 倒车行驶模式

当车辆切入到倒挡后，ME会降慢节气门的反应速度，并且限制最大开度为50%，从而保证倒车的安全。

D. 自适应油门踏板的功能

ME控制单元识别油门踏板的促动情况，并在特性曲线之间进行切换。踏板行程超过50% 之后，对于运动风格的驾驶员，会释放大约80% 的发动机负荷；对于稳重型驾驶员，则会释放40%的发动机负荷。当踏板行程超过约90%，二者之间无其它区别。

如果“稳重型驾驶员” 特性启用(如在高速公路上行驶较长距离之后)，则必须首先极为迅速地踩下油门踏板，以获得较高的加速度。

延伸：曾经收到经销商的反馈，客户做完保养后就反映动力下降了，车间对ME的学习值进行了复位就解决了问题。这就跟上面所说的自适应油门踏板功能相关了。

油门踏板传感器：

油门踏板传感器B37，集成了两个霍尔传感器，随着油门踏板的踩下，两个传感的反馈信号是同向增加，但电压值不同（信号1是信号2的两倍）。

上图说明——

Sensor 1: 0.5~4.5V

Sensor 2: 0.5~2V

如果两个传感的信号不匹配，ME就会使用信号较低的作为参考值，同时，节气门的最大开度会降低，同时响应时间都会变长。

电子油门紧急模式

分为以下功能：

a.油门踏板传感器发生故障时的应急运行模式

b. 节气门实际数值电位计1 或2 (M16/6r1, M16/6r2)发生故障时的应急运行模式功能

c. 节气门促动器电机(M16/6m1)发生故障时的应急运行模式功能

d. 应急运行位置的功能

A. 油门踏板传感器发生故障时的应急运行模式功能：

如果一个霍尔传感器发生故障，则系统会切换至第二个霍尔传感器.节气门开度被限制为最大开度的60% 左右.此外，节气门的开启速度是受到动态限制的(节气门延迟开启)。

如果合理性检查结果存在问题或两个霍尔传感器均发生故障，则只有怠速转速仍然受到控制。

B. 节气门实际数值电位计1 或2 发生故障时的应急运行模式功能

如果一个电位计发生故障, 则系统会切换至第二个完好的电位计.为进行比较,将空气流质量用作第二个参数.

如果两个电位计出现故障, 弹簧盒使节气门到达开启角度约为10°的应急运行位置.

C.节气门促动器电机发生故障时的应急运行模式的功能

节气门促动器被断电，弹簧盒使节气门到达开启角度约为10°的应急运行位置。

D. 应急运行位置的功能

节气门处于应急运行位置时, 燃油被切断/重新供至气缸，以将发动机转速限制为约1200 -1400 rpm (怠速下) 或约1800 rpm (驾驶模式下).如果操作制动踏板, 则表示怠速输入。

根据以下因素, ME控制单元通过开启/关闭喷油嘴(Y62) 来启用/停用各气缸：

1.发动机转速

2.制动识别

3.所选择的挡位

凸轮轴位置调节机构：

传统的发动机的配气相位是固定不可调的，因此，这种发动机仅对应于某一个转速效率最高。通过凸轮轴调节机构，进排凸轮轴的位置可以进行40度连续的调节，这也意味着气门的开启/关闭时刻，以及进排气门重叠角可以根据不同的发动机工况进行改变，从而优化了充气效率，增加扭矩及减少排放（内部EGR功能）。

配气相位可调的图示：粉红色曲线为排气门运动曲线；蓝色为进气门运动曲线。当两个曲线交集较小时，有利于尽量多的新鲜空气进入发动机，从而运转平稳(上图,也是紧急模式的位置)；当交集较大时，有利于内部EGR循环，降低排放(下图)。

截取自278+OM642 CBT，进排气凸轮轴在怠速，中等负荷，以及大负荷三种工况下的相位变化：

怠速：

进排气没有重叠角

三元催化器属于预热阶段

较少的新鲜空气，较低的废气排放

中等负荷：

较大的进排气重叠角度

内部EGR功能发挥作用，从而降低氮氧化合物的排放

大负荷：

较小的重叠角

确保较多的新鲜空气进入，和高充气效率

配气相位调节：

凸轮轴调整参与的部件：ME电脑,进气凸轮轴位置传感器,排气凸轮轴位置传感器,进气凸轮轴调节电磁阀,排气凸轮轴调节电磁阀，进气凸轮轴调整机构，排气凸轮轴调整机构。

摆动转子在液压的作用下，可以向前或向后作相位的调整。因此，凸轮轴与之相连。

控制所需要到的参数与控制逻辑：

油压通过凸轮轴内部供应，当发动机停止运转后，机构的内部弹簧会把调整机构推回原始位置，并通过一个锁销进行锁止。该位置为气门重叠角最小的位置，也是紧急模式的位置。

当下一次着车后，发动机建立起了足够的油压，把锁销顶开，此时，调整机构重新进入工作。

机械控制原理：

根据需要，ME调节控制活塞，调整油道的供油方向，以调整凸轮轴。当所需的位置达到后，ME为此调整机构两边的压力均等。

图上半部显示：机油经由机油道进入A区做延迟调整功能

图下半部显示：机油经由机油道进入B区做提前调整功能

扰流翻板：

在进气岐管内喷射燃油的发动机（非直喷发动机），为了能使得混和气

在低转速的情况下依然能有比较好的汽油分布，加入了扰流板机构。

当发动机负荷较低时，流入的空气量少，流速低，混合气进入气缸后不容易充分的混合。

若此时减少进气岐管的截面积，流速增加了，进入气缸的气体会形成垂直方向的环流(tumble，如上图B)，有利于混合气的均匀混合，从而提高燃烧效率，降低油耗。

不同的发动机，其扰流板的机构是不同的，272发动机通过真空触动器22/9和真空源电磁阀Y22/9来控制扰流板——当Y22/9通电时，真空作用于22/9，22/9通过连杆把扰流板从收缩位置拉出（进气道变窄，气流流速增加）。而271EVO的扰流板则是通过电机控制的——每个汽缸两个入口，一个是窄入口，另一个是带有翻板的宽入口，当车辆处于低负荷和怠速时，翻板把宽入口关闭，空气仅从窄入口进入，从而达到增加流速的目的。断电时翻板被弹簧固定在缩回位置。

长短可变进气岐管（M272，M276）

对于自然吸气的发动机，进气的动力来源是活塞的向下运动而形成的真空，而把外界的空气吸入。由于活塞是不断上下往复运动，且在不同的转速下，活动的快慢也是不同的，因此形成了吸入的空气有时比较多（压力高），有时比较少（压力低），且这种多和少成一个比较规律的压力波形。为了增加进气量，当然希望压力的波峰能进入发动机，因此，不同转速下，设计的进气管长度是不同的。

当转速比较慢时，形成的进气压力波波长比较长，为了使得波峰能进入发动机，要用长的进气岐管；转速较快时，波长也较短，因而使用短的进气岐管合适。

M272进气岐管的执行：

ME通过促动切换阀Y22/6来调节进气岐管的翻板开闭，从而调节进气岐管的长短。（发动机熄火时，弹簧的作用下，进气岐管处于短管模式）

短管启用条件：

1.发动机负荷>50%

2.怠速

3.发动机转速>3500rpm

4.发动机熄火后，没有了真空的触动，翻板打开，切换至短管

长管启用条件：

1. 发动机转速<3500rpm

M276的进气岐管：控制进气岐管的长短，有两个触动器工作，一个是进气鼓（红色方框标注，由Y77/3控制真空源以触动），一个是翻板（红色圆圈标注由Y77/2控制真空源以触动）

发动机熄火时，在弹簧力的作用下，气鼓处于开启状态（与右图位置相反），翻板处于关闭状态（与右图位置相同）

怠速或低负荷时：

发动机负荷<50%

翻板关闭（电磁阀无触动）

风鼓开启（电磁阀无触动）

低转速时：

发动机负荷>50%

转速<3200rpm

翻板关闭（电磁阀无触动）

风鼓关闭（电磁阀触动）

中等转速时：

发动机负荷>50%

3200rpm<转速<4250rpm

翻板开启（电磁阀触动）

风鼓关闭（电磁阀触动）

高转速时：

发动机负荷>50%

转速>4250rpm

翻板开启（电磁阀触动）

风鼓开启（电磁阀无触动）

[进气系统完，其他内容待续……]

传感器及其工作原理

一、认识传感器

1.传感器

（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.

☞生活中的实例

（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.

2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.

☞敏感原件干簧管的结构及原理

如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.

3.传感器的特点

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.

4.传感器的分类

（1）按照其用途可分为：压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达传感器等.

（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.

（3）按其输出信号可分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号；

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）；

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（包括直接和间接转换）；

开关传感器—当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号.

（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.

☞几种传感器中的敏感元件

二、对敏感元件的认识

1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.

（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.

（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.

（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.

☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.

2.热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.

②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.

☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线

☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况

（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.

（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比

三、霍尔元件

1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.

2、霍尔电压

（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.

（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），

拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.

☞霍尔元件的分类

霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.

设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.

3、霍尔电势高低的判断

由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.

☞霍尔电势判断要点

在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.

4.霍尔元件的作用

一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.

☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.

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