Датчики управления двигателем автомобиля

Введение

Совершенно естественно, что в последние годы электронное содержимое машин непрерывно увеличивается, поскольку все больше бортовых механических систем преобразуется в электрические, электронные и мехатронные системы. Это происходит как для максимальной оптимизации и координации работы двигателя и других автомобильных систем, ответственных за повышение топливной эффективности и снижение эмиссии, так и в связи с повышенным спросом на более комфортабельные автомобили, чья надежность определяется непрерывным ужесточением норм эмиссии, стандартов безопасности и влиянием рыночной ситуации. В частности это развитие привело к появлению гибридного привода. Но мне, автору этого реферата очень смешно и печально читать публикации с фразами, например «Гибридный привод Lexus - это поистине инновационное мышление, опережающее время». О каком инновационном мышлении идёт речь, если в США гибридные автомобили начал разрабатывать Виктор Воук в 60-е - 70-е годы.

Значительную часть автоэлектроники составляют датчики, необходимые для контроля корректного и согласованного функционирования автомобильных систем. И спрос на подобные устройства, отличающиеся точностью и надежностью, будет постоянно увеличиваться. Одна из важнейших тенденций в развитии цифровых импульсных датчиков скорости и положения, наблюдавшаяся на рубеже веков, -- переход от пассивных аналоговых (индуктивных) к цифровым (активным) устройствам.

Существует еще одна сенсорная стратегия электроники, которая может оказать весьма заметное влияние на использование датчиков скорости и положения в системах контроля двигателя, -- это осуществление прямого управления давлением в двигателе, что связано с необходимостью установить более жесткие нормы регулирования эмиссии. Реализация данной стратегии приводит к разработке датчиков, способных выполнять прямой мониторинг процессов горения в двигателе. Соответственно, такие традиционные датчики и технологии мониторинга, как датчик массового расхода воздуха, датчик детонации и датчик распределительного вала, сегодня уже считаются устаревшими. Вот почему в настоящее время OEM-производители электроники прорабатывают возможность исключения этих типов датчиков из своих новых проектов.

Системы Powerdrivetrain (или Powertrain, или engine и drivetrain) -- наибольший и стабильный рыночный сегмент, в том числе по потреблению автомобильных датчиков. Системы управления двигателем и трансмиссией, включая датчики, микроконтроллеры, ИС контроля питания, составляют приблизительно треть всей электроники автомобиля. Причем количество датчиков Powerdrivetrain относительно общего числа автомобильных датчиков превышает 50%. Предполагается, что такое положение не изменится в течение первого десятилетия XXI века, хотя и ожидается заметное снижение темпов, роста продаж датчиков этой группы на фоне других сегментов автомобильной сенсорной платформы.

Важнейшими задачами электроники Powertrain является повышение эффективности способов и характеристик управления и оптимизация работы двигателя -- достижение максимальной топливной эффективности и снижение эмиссии. В новых автомобилях электронные системы управления двигателем Powertrain осуществляют такие основные функции управления, как оптимизация впрыска и сгорания топлива посредством контроля циклов инжекции, сжатия и зажигания.

Работа систем контроля двигателя и эмиссии взаимосвязана: практически все датчики систем контроля двигателя работают на обе системы (в первую очередь датчик концентрации кислорода, а также датчики массового расхода воздуха и давления).

Оптимизация процессов сгорания (топливная эффективность) предоставляет возможность экономить дорожающее бензиновое топливо. Оптимальное сгорание позволяет уменьшать эмиссию вредных выхлопных газов CO, HC и NOx, а также частиц сажи, которые образуются при сгорании бензинового или дизельного топлива, что контролируется датчиками обратной связи систем контроля двигателя и нейтрализации выхлопов.

К появлению многочисленных новых разработок датчиков контроля эмиссии приводит и появление автомобилей следующего поколения -- гибридных, в которых обычный двигатель внутреннего сгорания комбинируется с электродвигателем, и машин, работающих на природном газовом или водородном топливе (fuel cell vehicles), также нуждающихся в датчиках и системах рециркуляции.

Новые тенденции и перспективные технологии автомобильных

датчиков

Датчики скорости и положения

Современные разработки активных датчиков положения и скорости (по статистике они составляют не менее трети от общего числа автомобильных датчиков и, как правило, решают именно задачи систем Powerdrivetrain) сфокусированы на интеграции сенсорных ячеек с обработкой сигнала в полупроводниковых КМОП ИС.

Примерами являются датчики положения распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, датчик скорости автомобиля, датчик клапана EGR (рис. 1).



Рис. 1. Типичные примеры современных датчиков положения и скорости систем Powertrain и контроля эмиссии: а -- активный датчик фазы (распределительного вала) Bosch; б -- активный датчик коленчатого вала SiemensVDO; в -- активные датчики скорости и положения систем контроля двигателя Honeywell; г -- датчик положения дроссельной заслонки SS10459 Delphi; д -- датчик положения дроссельной заслонки на основе эффекта Холла BEI; е -- потенциометрический датчик положения педали 1029 Wabash (5 млн. циклов); ж -- индуктивный датчик положения педали Hella; з -- потенциометрический датчик положения клапана EGR Alps Automotive (5 млн. циклов); и -- бесконтактный датчик линейного положения (педали и EGR) SiemensVDO; к -- программируемые бесконтактные датчики углового положения SiemensVDO на основе МР-технологии; л -- бесконтактный датчик углового положения на основе МР-технологии или Triaxis SiemensVDO; м -- бесконтактные магнитоуправляемые датчики RFK Novotechnik; н -- датчики АМР с магнитным ротором Continental Teves для коробки передач, АБС и контроля скорости двигателя; о -- датчик скорости коробки передач на основе эффекта Холла, МР или ГМР SSI Technologies; п -- цифровые датчики скорости Delphi; р -- модульные датчики нулевой скорости MHS Honeywell

Сегодня индустрия полупроводниковых датчиков уже использует второе поколение активных сенсорных технологий, включающих схемы компенсации ошибок и обработки сигнала. Новейшее направление -- развитие новых цифровых интерфейсов (например, SPI) для аналоговых линейных датчиков, оснащенных блоком управления, которые характеризуются как повышенной помехоустойчивостью, так и большей эффективностью коммуникации в реальном времени. Наиболее популярные типы подобных аналоговых угловых датчиков положения Powertrain -- датчики положения дроссельной заслонки и педали акселератора. Прежде открытие дросселя выполнялось прямо пропорционально нажатию педали акселератора, а сейчас этому помогает электрический двигатель, получая управляющий сигнал от ECU, на вход которого поступают сигналы с датчиков положения дроссельной заслонки и педали. Актуальность цифрового интерфейса иллюстрирует и датчик рулевого колеса, используемый для контроля динамики автомобиля.

Преимуществом датчиков, созданных на основе новых технологий, является их бесконтактность, но, несмотря на это, потенциометры очень не скоро сдадут свои рыночные позиции, поскольку имеют низкую цену и увеличенную надежность. Хотя и известно множество технологий, подходящих для решения угловых задач, новые датчики положения (с абсолютной аналоговой передаточной характеристикой) -- угловые и линейные -- строятся в основном на ИС Холла, среди которых наибольшую популярность приобретают магнитные угловые энкодеры, детектирующие абсолютное положение как малого дипольного, так и многополюсного кольцевого магнита.

Увеличилось число разработок датчиков для автомобильных систем на основе любых эффектов, предоставляющих возможность бесконтактных измерений линейного положения.

Что касается цифровых систем, измеряющих только скорость (частоту вращения), для них наиболее актуальной становится технология на основе эффекта Холла, несколько опережающая по состоянию элементной базы ГМР. Возможен и новый всплеск популярности индуктивных устройств (рис. 1ш, щ) -- недорогие и чрезвычайно надежные, они не требуют потребления энергии, дефицит которой становится все более серьезной проблемой новых автомобилей.

Датчики концентрации кислорода

Рис. 2. Примеры современных датчиков концентрации кислорода и газа: а-в -- нагреваемый датчик концентрации кислорода с твердым электролитом ZrO₂ Thimble Type Oxygen Sensor Bosch; а -- конструкция датчика; б -- конструкция и принцип работы сенсорной ячейки: 1 -- сенсорная керамика; 2 -- электроды; 3 -- контакт; 4 -- контакт разъема; 5 -- выхлопная труба; 6 -- защитное пористое керамическое покрытие; в -- передаточная характеристика: а -- богатая смесь, б -- бедная смесь; Us -- сенсорное напряжение; г -- планарный нагреваемый датчик концентрации кислорода Bosch; д, е -- универсальный нагреваемый датчик Bosch; д -- внешний вид; е -- конструкция и принцип работы: 1 -- сенсорный элемент (комбинация ячейки Нернста и ячейки кислородного насоса); 2 -- двойная защитная трубка; 3 -- уплотнительное кольцо; 4 -- уплотняющая прокладка; 5 -- сенсорный корпус; 6-- защитная гильза; 7 -- держатель контакта; 8-- контактный зажим; 9 -- PTFE (PolyTetraFluoroEthylene) -- трубка -- фильтр для очистки входного кислорода от воды и загрязнений; 10 -- PTFE-сформованная гильза; 11 -- 5 соединительных проводов; 12 -- уплотнение; ж, з-- датчики концентрации кислорода Denso; з -- датчик широкого диапазона; и -- датчики на основе TiO₂ (иллюстрация с сайта www.sparkplugs.com); к, л --датчики газа NOx и соотношения воздух/топливо SiemensVDO и NGK Spark Plugs.

Все более строгие нормы регулирования эмиссии, принятые во многих странах, в частности в Европе (Euro IV и Euro V), создают обширный рынок для сбыта датчиков контроля выхлопных газов, среди которых выделяются два типа (рис. 2):

1. датчики концентрации кислорода oxygen sensors, или л-зонды,

2. датчики оксида азота (NOx или nitrogen oxide sensors).

Основная задача датчика концентрации кислорода -- контролировать ТВС двигателя по содержанию O₂ в отработавших газах, чтобы при коэффициенте избытка воздуха л = 1 достичь стехиометрического соотношения воздух/топливо, соответствующего смеси, в которой все топливо расходуется в процессе горения. Для бензиновых двигателей это соотношение составляет по весу примерно 14,7:1. Если воздуха меньше, топливо будет оставаться после сгорания -- такая смесь является богатой. Недостаток богатой смеси -- несгоревшее топливо в выхлопных газах, которое становится источником загрязнений. Если в ТВС в избытке воздух, наблюдается выброс кислорода (бедная смесь). Это способствует образованию загрязнений в виде оксида азота, и в некоторых случаях вызывает нарушение работы двигателя.

Активная керамическая часть (ZrO₂) Thimble-датчика представляет собой твердый электролит в форме трубки, закрытой на одном конце, который нагревается изнутри электрически (рис. 2а-б). Электрически подогреваемые (а не нагреваемые выхлопным газом) датчики особенно удобны для измерения параметров двигателя, действующего на обедненной топливной смеси; они работоспособны и во время прогрева двигателя.

При высокой температуре (свыше 350 °C) электролит становится проводящим и реагирует на содержание кислорода в выхлопном газе, образуя характерный гальванический заряд, который снимается с электродов, покрывающих внутреннюю и верхнюю поверхности керамики, -- слоев платины с микропорами. Максимальное значение заряда соответствует л = 1. Заряд преобразуется в выходное ступенчатое напряжение датчика (рис. 2в) обычно от 0,1 до 0,9 В с 0,45 В при достижении стехиометрического соотношения. Типичное сопротивление составляет 2-6,5 Ом. Данный тип датчика функционирует, сравнивая чистый атмосферный воздух с выхлопами, поэтому очень чувствителен к различным загрязнениям -- грязи, маслу, от которых датчик необходимо защищать.

Для того чтобы получить аналоговый сигнал, пропорциональный соотношению воздух/топливо, конструкция датчика широкого диапазона использует дуальный сенсорный элемент, включающий ячейку Нернста в планарном исполнении, как в датчике narrow range, но с дополнительным слоем кислородного насоса и диффузионным зазором. Корпус имеет также опорную камеру и нагревательный элемент. Если существует разница в уровнях концентрации кислорода через элемент ZrO₂, в сенсорном элементе протекает ток, на основе которого формируется сигнал напряжения.

Датчики концентрации кислорода на основе оксида титана TiO₂ (рис. 2и), выпускаемые, например, компанией NGK Spark Plugs, не способны вырабатывать напряжение самостоятельно. Вместо этого варьируется сопротивление элемента -- в диапазоне 1-20 кОм. Это значительное изменение может прочитываться ECU, который генерирует выходное напряжение, питая датчик TiO₂ опорным напряжением приблизительно в 1 В. При богатой смеси сопротивление датчика быстро падает, и уровень сигнала напряжения в ECU становится высоким; при бедной смеси сопротивление быстро увеличивается, а напряжение в ECU переключается к низкому уровню. Существуют и нагреваемые версии датчика на основе диоксида титана, что позволяет понизить сопротивление датчика до 4-7 Ом.

Необходимо учитывать, что автомобили оборудуются ECU, рассчитанным либо на использование датчика на основе диоксида титана, либо датчика на основе диоксида циркония. Эти датчики не взаимозаменяемы. Датчики на основе TiO₂ более надежны, поскольку способны функционировать в условиях сильных загрязнений и не зависят от состояния окружающего воздуха в опорной камере и прочих факторов, важных для датчиков на основе диоксида циркония, поэтому актуальны для автомобилей, эксплуатируемых в жестких окружающих условиях.

Влиянием выхлопных газов (прежде всего NOx), которые вызывают смог и кислотные дожди, обусловлена разработка новых датчиков газа. Правительства многих стран требуют от автопроизводителей не только снижения эмиссии этих газов, но и ограничения в выхлопных газах других продуктов горения -- например, CO, SOx, и CO₂. Датчики газа детектируют содержание выхлопных газов и подают сигналы в управляющий блок для контроля ТВС и систему рециркуляции отработавших газов Exhaust Gas Recirculation (EGR).

Для того чтобы выяснить величину концентрации NOx, обычно используются две измерительные камеры. Первая камера за счет прикладывания напряжения к насосной ячейке заполняется кислородом, концентрация которого определяется измерительной ячейкой и поддерживается постоянной. Вторая сенсорная ячейка измеряет ионы кислорода, выделенные из NOx при диссоциации во второй камере, и вырабатывает сигнал (ионный ток кислорода), пропорциональный концентрации NOx. Уточненные методы позволяют детектировать нулевую концентрацию.

В качестве примера можно привести интеллектуальный датчик с многослойным сенсорным элементом ZrO₂, который разработан совместно с NGK и выпускается Siemens VDO (рис. 2к). Датчик допускает как прямое измерение NOx, так и соотношения воздух/топливо. Интеллектуальный датчик включает газовый сенсорный элемент и электронный блок, генерирующий три сигнала: NOx, двоичный, линейный. Данные передаются к ECU двигателя посредством шины CAN. Датчик характеризуется независимостью от системных поставщиков и системы управления двигателем.

Датчик массового расхода воздуха Mass Air Flow Sensors

Растущая потребность в снижении эмиссии CO₂ увеличивает полезную роль датчика массового расхода воздуха (рис. 3) в регулировании соотношения воздух/топливо для оптимизации процесса сгорания. Двигатели с искровым зажиганием и электронным дозированием подачи топлива в качестве основного управляющего параметра используют именно расход воздуха.



Рис. 3. Современные автомобильные датчики массового расхода воздуха: а -- микромеханический датчик массового расхода воздуха Bosch; б -- эволюция измерительных технологий Bosch; в -- измерительный принцип микромеханического сенсорного элемента Bosch; г -- датчики массового расхода воздуха Hitachi; д -- датчики массового расхода воздуха Visteon; е -- датчик массового расхода природного газа Hitachi; ж, з, и -- датчики массового расхода воздуха SiemensVDO Integrated Mass Airflow (SIMAF) к -- датчик расхода вторичных масс воздуха SiemensVDO.

В бензиновых двигателях сигнал датчика массового расхода воздуха вместе с сигналами других датчиков помогает регулировать подачу топлива в двигатель. В дизельных двигателях датчик помогает контролировать процесс рециркуляции отработавших газов и вычислять максимальное количество инжекции.

Датчики массового расхода воздуха обеспечивают аналоговый, частотный или аналоговый пропорциональный сигнал напряжения, который передается к ECU и соответствует массе воздуха, поданной в двигатель.

Расход воздуха определяется при его прохождении через впускной патрубок двигателя, где устанавливается датчик. Измеряется масса расходуемого воздуха, хотя может определяться объем и динамическое давление. Максимальная масса расходуемого воздуха зависит от эффективной мощности двигателя и находится в диапазоне 400-1000 кг/ч.

В датчике используется три чувствительных элемента, один из которых определяет температуру окружающего воздуха, два других нагреваются до известной температуры, превышающей температуру воздуха. В процессе работы двигателя поступающий к нему воздух охлаждает нагреваемые элементы. Классическая, но несколько устаревшая методика определения массового расхода воздуха основана на измерении электрической мощности или тока, необходимого для поддержания заданного превышения температуры.

Сегодня актуальны микромеханические MEMS-расходомеры массы воздуха, включающие тонкопленочные нагреваемые и управляющие электронные элементы, размещенные на одной подложке (рис. 3а-в). Нагреваемые и измерительные резисторы выполняются в виде тонких платиновых слоев, депонированных на поверхность кристалла кремния, который устанавливается на утонченную подложку (подобная концепция используется и в датчиках давления). Датчик температуры подогревателя и датчик температуры окружающего воздуха помогают поддерживать нагревательный резистор на постоянном уровне превышения температуры.

Более новый метод, разработанный Bosch для получения выходного сигнала, не требует измерять ток подогрева, вместо этого сигнал выводится из разницы температур воздуха, замеряемых двумя датчиками, расположенными по обе стороны от нагревательного резистора -- на пути потока по ходу его движения и навстречу ему. Дифференциальный сигнал показывает и направление движения потока. Дополнительная возможность -- обеспечивать сигнал с датчика температуры.

Hitachi производит датчики массового расхода воздуха также на основе датчика температуры (рис. 3г). Датчики массового расхода воздуха Visteon имеют камеру оценки воздуха, работающую в широком динамическом диапазоне (рис. 3д).

Датчики давления Pressure Sensors

Два важнейших типа датчиков давления, актуальных сегодня в любом новом автомобиле, -- это датчик давления воздуха во впускном патрубке двигателя manifold air pressure sensor (MAP, 1-5 бар), который используется в системах powertrain для регулирования соотношения ТВС, и tire pressure sensor (TPS), предназначенный для проверки оптимального давления в шинах (до 5 бар) для повышения безопасности.

MAP разрешает вывод масс воздуха, поступающих в двигатель, и допускает определение топлива и опережение зажигания, необходимые для оптимальной работы. Каждый автомобиль, использующий прямое измерение массового расхода, включает и датчик барометрического абсолютного давления barometric absolute pressure (BAP) sensor, необходимый для компенсации высоты.

Новые применения для датчиков давления, созданных, как правило, на основе интегральных датчиков:

· контроль давления в системах EGR;

· контроль утечки в топливной системе, утечки топлива в бензобаке для контроля эмиссии летучих паров и диагностики фильтра (?0,5 бар или 0-100 мбар дифф.);

· давление в системе впрыска топлива (рис. 4);

Рис. 4. Примеры автомобильных датчиков давления (систем Powertrain и контроля эмиссии): а -- датчик MAP Bosch с микромеханической сенсорной ячейкой; б -- интегральный кремниевый пьезорезистивный датчик MAP Bosch; в-н -- датчики давления Kavlico Corporation: в -- датчик абсолютного давления MAP Kavlico (слева) и датчик SiemensVDO (справа) абсолютного давления MAP-TMAP; г -- полностью погружаемый датчик давления трансмиссионных жидкостей с пьезорезистивным элементом; д -- датчик дифференциального давления для измерения скорости расхода и состояния клапана EGR с одновременным MAP-сигналом (INCAP-технология); е -- датчик давления пара топлива в бензиновом баке (для определения утечки согласно OBDII); ж -- датчик давления непосредственного впрыска бензинового двигателя GDI (с тонкопленочным элементом) до 3000 psi и контроля выхлопов топлива CNG (внешний вид идентичен); з -- датчики высокого давления топливной магистрали для бензиновых и дизельных двигателей (Common-rail) с непосредственным впрыском GDI и DDI; и -- датчик высокого давления (магистралей Common-rail и трансмиссии) с датчиком температуры P5000 -- на основе тонкопленочных резисторов, напыленных на металлическую диафрагму; к -- датчик P2000 с керамическим элементом на прочной основе для контроля систем рециркуляции выхлопных газов в жестких температурных и окружающих условиях до +155 °C; л -- датчик давления впрыска мочевины для дозирующих блоков мочевины и воздуха каталитического конвертера систем SCR (Selective Catalytic Reduction) грузовиков; м -- датчик давления масла двигателя для измерения масла двигателя (бензинового или дизельного) с керамическим емкостным или пьезорезистивным сенсорным элементом; н -- датчик давления с интегрированным датчиком температуры для альтернативных автомобильных двигателей CNG/LPG (сжатый и сжиженный газы); о -- датчики давления Honeywell для применений: DDI, GDI, MAP, TMAP, EGR; п -- датчик абсолютного давления SiemensVDO для применения в грузовиках 3-6 бар; р -- дифференциальный датчик давления SiemensVDO для контроля утечки топлива и диагностики фильтра (0-100 мбар дифф.); с -- датчики давления SSI Technologies для OEM-применений (в диапазоне 15-3000 psi); т -- интегральные кремниевые пьезорезистивные датчики абсолютного давления (60-115) кПа SMD085 Bosch; у -- пьезорезистивная ячейка интегрального пьезорезистивного датчика давления MP3H6115A Freescale в корпусе SSOP; ш -- датчик давления в цилиндрах SiemensVDO; щ -- датчик давления в цилиндрах (Incylinder Pressure Sensor) Honeywell

Для автомобильных датчиков давления существуют и многие другие применения:

· давление в камере сгорания -- 100 бар 1 бар?1 атм. = 105 кПа;

· давление воздуха в подвеске (160 бар) и амортизаторах (200 бар);

· управляющее давление автоматической трансмиссии (35 бар) и давление смазочной жидкости трансмиссии 100-700 psi 1 атм.?14,5 psi и более;

· давление в тормозных цилиндрах (200 бар);

· давление в электропневматических и гидравлических тормозах;

· давление масла двигателя (50 мбар - 2 бар);

· давление охладителя;

· контроль электрического рулевого управления;

· давление впрыска в обычном бензиновом двигателе (5-6 бар);

· давление впрыска в дизеле (1000 бар);

· топливная инжекция под высоким давлением: давление в магистрали систем Commonrail двигателей с искровым зажиганием (100-200 бар) и дизельных (1400-2800 бар);

· давление в топливной магистрали газовых двигателей;

· давление при развертывании воздушных подушек безопасности;

· давление веса пассажира;

· системы кондиционирования воздуха и т.д.

Среди технологий, используемых для датчиков давления, сегодня наиболее востребованы MEMS-технологии пьезорезистивных датчиков, альтернативой которым считаются емкостные кремниевые MEMS- или керамические датчики. В конструкциях современных MAP/BAP-датчиков преобладают интегральные микромеханические кремниевые пьезорезистивные датчики давления.

Различают датчики абсолютного давления, дифференциальные датчики и так называемые датчики относительного давления Gauge Pressure. Датчики абсолютного давления измеряют внешнее давление относительно нулевого опорного уровня (вакуума) в опорной камере, что соответствует при одной атмосфере 14,5 psi. Дифференциальные датчики измеряют разницу давлений, приложенных одновременно к противоположным сторонам диафрагмы. Gauge Pressure -- это специальный дифференциальный датчик, в котором измеряемое давление приложено к одной стороне, а к другой стороне приложено атмосферное давление или вакуумное (Vacuum Gauge Pressure).

Датчики MAP -- датчики абсолютного давления воздуха во впускном патрубке двигателя (позади дроссельного клапана), по сигналам которых ECU рассчитывает количество топлива для каждого цилиндра, что важно для уменьшения эмиссии.

Siemens VDO разработала датчик давления в цилиндрах, встраиваемый в соединитель запальной свечи Glow Plug Combustion Sensor или glow plug cylinder pressure sensor, который измеряет давление в течение циклов сжатия и горения. (Аналогичная разработка, выполнена компанией Honeywell.) Датчик Siemens VDO помогает вычислять количество необходимого в процессе инжекции топлива, способствуя тем самым уменьшению эмиссии, а также увеличивать мощность двигателя и снижать потребление топлива. Рабочий принцип основан на измерении деформации головки цилиндра, наводимой давлением в цилиндре (косвенный метод). Датчик существует в активной версии, допускающей калибровку, с керамическим нагревательным элементом.

Прямое управление давлением в цилиндрах, как уже упоминалось, может исключить необходимость датчика массового расхода воздуха, датчика положения распределительного вала и датчика детонации.

Датчики температуры

Эти устройства предоставляют информацию о температуре в различных узлах автомобиля. Например, они выполняют следующие измерения температуры (рис. 5):

· воздуха во впускном патрубке (-40…170 °С);

· внешней температуры (окружающего воздуха) (-40…125 °С);

· воздуха в салоне (-40…80 °С);

· охлаждающей жидкости двигателя -- антифриза (-40…140 °С);

· масла двигателя (-40…170 °С);

· топлива (-40…125 °С);

· трансмиссии (трансмиссионной жидкости) (-40... 170 °C);

· воздуха внутри шин (-40…125 °С);

· отработавших газов (100…1000 °С);

· скоб дискового тормоза (-40…2000 °С);

· процессов сгорания топлива в двигателе (0…260 °C);

· нагрева головок цилиндров двигателя (40...230 °C);

· температуры батареи аккумулятора (-40…135 °С);

· систем отопления и кондиционирования, воздуха в испарителе HVAC (-40…135 °С);

· испарителя кондиционера (-10…50 °С).

Применения датчиков температуры, проиллюстрированные рис. 5, относятся в основном (за некоторыми исключениями) к системам Powertrain и контроля эмиссии, основные функции которых, как известно, -- оптимизация работы двигателя и связанных систем, экономия топлива и минимизация эмиссии. Новые автомобильные применения для ИС датчиков в автомобиле, например, -- контроль батарей гибридных двигателей и GPS.

Для большинства видов измерений температуры воздуха в автоэлектронике наиболее популярным решением является керамический термистор (терморезистор) с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) (рис. 5а-с). Терморезисторы сNTC представляют собой датчики, которые изготавливаются из оксидов тяжелых металлов и оксидированных смешанных кристаллов методами спекания и прессования с добавлением связующих агентов, относящихся к полупроводниковым материалам.

При постоянном напряжении питания с увеличением температуры значительно падает сопротивление термистора и возрастает входной ток. Большинство стандартных автомобильных датчиков этого типа, которые применяются также и для измерений температур различных автомобильных жидкостей, характеризуются нелинейной обратной экспоненциальной характеристикой с областью высокой чувствительности, используемой для измерений температуры в некотором диапазоне -- обычно не выше 150 °C (рис. 5а). NTC термисторы подходят и для измерений температур в расширенном диапазоне -200…1000 °C и выше -- до 1100 °C (например, MT250NB и HT1000 Thermometrics).

Для автомобильных применений NTC термисторы выпускаются в защищенном исполнении (рис. 5).

Точность термисторов зависит от исполнения и обычно колеблется в пределах 1-10%. Еще одна проблема термисторов -- подверженность самонагреву вследствие протекания тока через резистор, для преодоления которой между плюсом питания в 5 В и выходом термистора дополнительно включается большое сопротивление. Обработка первичного сигнала с терморезисторов производится в автомобиле в основном с использованием внешних схем.

Для автомобильных высокотемпературных применений предлагаются и могут быть использованы также термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), металлические пленочные термопреобразователи сопротивления RTD (Resistive Temperature Detectors), термопары, кремниевые терморезисторы с PTC и ИС датчиков температуры.

PTC-термисторы изготавливаются из титаната бария, диапазон рабочих температур -- +60…180 °C. Эти датчики используются для измерений уровня любых жидкостей -- от воды до масла. Продукция GE Thermometrics включает также составные термисторы -- из двух NTC и одного PTC-термистора, с рабочей характеристикой, аналогичной одному NTC, но с плоской областью.

Платиновые тонкопленочные RTD (рис. 5т-у), которые предлагаются для автомобильных высокотемпературных применений, помимо высокотемпературных термисторов, характеризуются наиболее широким диапазоном (-220…+1000 °C), в сравнении, например, с никелем (-60…+320 °C). Другие типичные материалы RTD -- медь и сплавы никель/железо. В типичном платиновом RTD керамическая подложка поддерживает структурированный платиновый слой, покрытый стеклом. Эти устройства характеризуются высокой точностью, повторяемостью, линейностью (возможностью прямого подключения выхода к АЦП), долговременной стабильностью, но небольшим положительным температурным коэффициентом (PTC), меньшей чувствительностью к изменению температуры и меньшим базовым сопротивлением, чем термисторы, а также более высокой ценой.

Термопары, состоящие из двух различных металлов, вследствие эффекта Зеебека генерируют термоЭДС (термоэлектрическое напряжение) при нагреве. Три наиболее популярных типа термопар, классифицируемых в зависимости от используемой комбинации металлов и сплавов, -- железо-константан (J), медь-константан (T) и хромель-алюмель (K) (обозначения согласно ГОСТ и ANSI). Термопары K-типа с достаточно высокой линейностью и точностью позволяют измерять температуры -270…+1370 °C, термопары J-типа измеряют температуры порядка -150…+1250 °C, T-типа -- -200…+350 °C. Термопары из благородных металлов, например, B-типа на основе платины/сплава 30% платины с родием позволяют измерять более высокие температуры порядка 800-1700 °C и выше. Известны также вольфрам-рениевые термопары ТВР (обозначение ГОСТ), которые могут измерять температуры от 1000 до 2200 (2500) °C.

Выходное напряжение термопар является малым -- например, 40 мкВ/°C для датчиков K-типа. Обработку сигналов термопар упрощают специальные сигналообработчики, например, MAX6674/5 Maxim для термопар K-типа.

Кремниевые термисторы с PTC Infineon серий KT и KTY и Philips серий KTY (рис. 5ф) предназначены для измерения температур воздуха, газов и жидкостей в диапазоне -55…150 °C [20, 21]. Термочувствительный элемент -- это n-кремниевый кристалл, реализованный по планарной технологии. Корпусирование датчиков выполняется в SMD корпусах типа SOT23 (KTY82-2 Philips).

В датчиках серий KTY использован принцип сопротивления растекания Spreading Resistance -- производный от одноточечного метода измерения сопротивления полупроводниковой подложки, которое, согласно этому методу, зависит только от удельного сопротивления материала кристалла и площади контакта и не зависит от толщины и площади подложки. Датчики характеризуются отсутствием p-n-переходов, большим PTC, несколько меньшей линейностью, чем RTD, и производятся по технологии, аналогичной производству ИС, что допускает включение дополнительных активных и пассивных цепей в кристалле датчика.

Одним из таких применений являются термостаты в системах водяного и масляного охлаждения бензиновых или дизельных двигателей. Хотя ИС термопереключателей с двоичным цифровым или аналоговым выходом и (или) порогами удобны для автоматического включения/выключения вентилятора, для работы при более высоких температурах (0-260 °C), чем возможные с технологией ИС, рекомендуются термостаты на другой основе, например, коммерческие версии от Honeywell (рис. 5щ).

В последние годы в автоэлектронике приобретают актуальность бесконтактные способы измерений, которые способны детектировать очень малые изменения в тепловом (инфракрасном) излучении объекта. Многие из IR-датчиков работают по принципу сравнения инфракрасного излучения объекта, поглощаемого термочувствительной мембраной, с температурой детектора, которую измеряет термистор (MEMS-технология). Разница температур преобразуется в электрический потенциал посредством термоэлектрического эффекта в термоэлементе. Напряжение питания для датчика не требуется.

Ввиду того, что IR-датчики способны измерять температуры порядка -20…+100 °C и, непосредственно, -- только твердотельных объектов или поверхностей с достаточной эмиттирующей способностью, они находят свои основные применения в автомобильных системах безопасности (определение положения пассажиров, видеосистемы наблюдения в ночных и туманных условиях), климат-контроле, для обнаружения конденсации на окнах при тумане. Примерами являются MLX90247 Melexis, TS105-5 и другие HL-Planartechnik, ZTP-101 и другие Thermometrics. Расширение этих устройств -- инфракрасные сенсорные массивы.

В различных узлах автомобиля температура является часто второстепенным параметром, который служит для компенсации измерений основных параметров или предупреждения ситуаций, когда высокая температура может вызывать сбои и неисправности работы автомобильных систем. Следствием этого является миграция датчиков температуры в различные мультисенсорные модули контроля основных параметров (например, актуально объединение датчика массового расхода воздуха и температуры во впускном патрубке или датчика давления и температуры воздуха). Но при этом число датчиков, выполняющих индивидуальные измерения температуры в новых автомобилях, не уменьшается, а, скорее, увеличивается. Новые применения, например, включают контроль температуры жидкости трансмиссии, выхлопов, контроль работы батарей гибридных автомобилей, а также климат-контроль, измерение перегрева шин.

Датчики детонации и другие датчики контроля двигателя и

топливной системы в системах Powertrain

Другие датчики, важные для функционирования систем Powertrain, но объемы потребления которых в процентном отношении по сравнению с другими типами датчиков невелики, -- это датчик детонации, датчики уровня жидкостей -- топлива и масла, датчики крутящего момента двигателя и коробки передач.

Датчики детонации используются для гашения детонации -- нерегулярного горения и сильной вибрации двигателя (экономия топлива достигает 9%). Типичная конструкция датчика детонации включает компрессионный пьезоэлектрический элемент (керамику или кристалл), способный реагировать на акустические вибрационные колебания двигателя, генерируя электрический сигнал, например, если резонансная частота его характеристики совпадает с частотой детонации (датчики резонансного типа). Существуют датчики как резонансного, так и нерезонансного типа (рис. 6). Нерезонансные датчики характеризуются плоской АЧХ в определенном диапазоне порядка 1-15 кГц и более гибко адаптируются к различным типам двигателей, но резонансный датчик обеспечивает при детонации более заметные высокие уровни сигнала. В этой сфере рынка ситуация остается пока без изменений, хотя и для замены пьезоэлемента напрашивается поиск новых решений -- компактных и недорогих MEMS. По мере развития альтернативных технологий мониторинга процессов в двигателе датчик детонации может быть и исключен.



Ученые Манчестерского университета разработали новый тип беспроводных датчиков для удаленного мониторинга механических систем и предупреждения сбоев коробок передач, двигателей, дизельных двигателей, подшипников колес, механизмов дверей. MEMS-датчик будет отслеживать вибрацию, температуру и давление, может также измерять концентрацию металлических элементов, увеличивающуюся при износе, что помогает уточнять срок службы.

Рост топливных цен и более строгие нормы регулирования эффективности и эмиссии транспортных средств создают глобальный спрос на прецизионные датчики крутящего момента двигателей и входного/выходного валов коробок передач (рис. 7), которые актуальны как на стадии контроля, так и для работы в режиме реального времени. Важнейшая актуальная технология для этого типа устройств -- магнитостриктивная, от MDI и SiemensVDO (рис. 7а-б), с поляризованным магнитоупругим кольцом и бесконтактным датчиком магнитного поля, которое пропорционально крутящему моменту. Альтернативные актуальные методы представляют собой беспроводные и безбатарейные SAW устройства (рис. 7в-г) на поверхностных акустических волнах, которые разработали компании Honeywell и Transense, -- резонаторы, резонансная частота которых (номинальная 433 МГц датчиков Honeywell) изменяется под действием механического напряжения. Опрос датчиков осуществляется беспроводным методом -- радиочастотными импульсами. Резонансная частота отклика позволяет вычислить крутящий момент.

Оба вида датчиков работают при температурах до 150 °C, характеризуются высокой точностью, прочностью, малым размером и весом датчика, долговременной стабильностью, способностью работать в жестких условиях окружающей среды, технологичностью и низкой ценой.

Датчики уровня масла

Эти устройства используются сегодня для определения уровня и потребления масла и представляют собой не что иное, как электронное замещение механического щупа, выполняющее те же функции, но в реальном времени, указывая на необходимость замены масла двигателя. Например, датчики, измеряющие уровень масла, предлагают компании Hella, GE Thermometrics (термистор с PTC), SiemensVDO (рис. 8).



Текущая линейка Hella, например, включает как относительно простой поплавковый переключатель, так и интеллектуальные термические датчики для непрерывных аналоговых измерений уровня масла (рис. 8а-в).

Любой тип датчиков гарантирует обнаружение отсутствия масла и подачу команды о невозможности запуска двигателя, но конструкции на основе поплавковых переключателей, хотя все еще более предпочтительны, чем масляный щуп, уже несколько устарели, поскольку функциональный принцип поплавковых переключателей предполагает срабатывание датчика только в фиксированных точках переключения.

Тепловые датчики Thermal oil level sensors Hella измеряют уровни в диапазоне примерно 50 мм и могут опционно определять температуру масла (рис. 8в). Согласно термическому принципу уровень масла вычисляется по времени охлаждения сенсорного элемента из линейного соотношения с уровнем при полном заполнении. Датчик с характеристикой аналогового типа по состоянию масла косвенно обеспечивает контроль состояния двигателя, способствуя раннему обнаружению сбоев.

Измерения осуществляются непрерывно в процессе вождения, включая этапы перемещения машины по наклонной поверхности, остановки, боковое и продольное ускорения, допуски, с индикацией минимально необходимого или текущего уровня масла.

Датчики состояния масла

Постоянные изменения в технологиях автомобильных двигателей, основными целями которых являются оптимизация работы двигателя и достижение соответствия новым стандартам эмиссии, сформировали потребность в новых многопараметрических датчиках, располагаемых в двигателе внутреннего сгорания. Многие компании в последние годы активно разрабатывают датчики состояния масла двигателя Oil condition sensors (рис. 9) -- надежный и эффективный в стоимостном выражении способ решения ряда проблем экономического и экологического характера. Эти датчики осуществляют комплексный мониторинг состояния масла (и не только его уровня, давления или температуры) в реальном времени, информируя ECU, с целью:

· максимизировать полезный срок службы масла и фильтра , минимизировать потребление натуральных ресурсов;

· минимизировать цену эксплуатации масла и простои машины, допустить большие интервалы между заменами масла, уменьшая потребительские расходы;

· точно указывать срок замены масла;

· поддерживать необходимый уровень масла;

· регулировать расположение масляного фильтра;

· защищать двигатель;

· уменьшать гарантийные издержки;



Датчик состояния масла помогает защищать двигатель посредством ранней диагностики сбоев, подачи тревоги водителю и невозможности запуска, если падает не только уровень, но и качество масла, что может быть следствием превышения срока службы масла или указанием на проблемы с двигателем. Датчик помогает улучшать характеристики вождения транспортного средства, так как состояние масла может значительно различаться в зависимости от многих условий. С высокой точностью определяется оптимальное время замены масла.

На старение масла влияют различные факторы, такие как:

· индивидуальное поведение водителя при вождении;

· частота холодных стартов;

· качество топлива;

· загрязнения, например, сажа в дизельных двигателях, образование нитратов и окислений в двигателях с искровым зажиганием, а также вследствие утечки топлива, охладителя, воды;

· окружающие условия.

Например, компания Bosch разрабатывает многофункциональный датчик состояния и уровня масла SGM110 (рис. 9а), который измеряет температуру, уровень масла (20-100 мм), а также его вязкость (3-300 мм²/с) и диэлектрическую проницаемость (рис. 10б-г).

Камертонный резонатор и обрабатывающая электроника размещены в многокристальной ASIC. Интегральный датчик способен диагностировать начало деградации масла (уменьшения или загрязнения, например, копотью, или вследствие утечки топлива и охладителя).

Датчик качества топлива для FFV

Двигатель и топливная система FFV-автомобиля должны быть адаптированы к запуску на коррозионном спиртовом топливе. Для анализа топлива используется специальный датчик flex fuel sensor (рис. 12), который измеряет содержание сложных эфиров в топливе и контролирует впрыск.

Датчик SiemensVDO (рис. 10а) работает, измеряя диэлектрическую постоянную и удельную электропроводность, и обеспечивает линейный аналоговый выход с температурной компенсацией. Датчик рассчитан на различные применения: распознавание топлива двигателя, Fuel cell автомобили (вода/метанол), определение качества дизельного топлива.

Система управления FFV-двигателями Bosch (рис. 10б) включает л-датчик концентрации кислорода в выхлопах, по содержанию которого система управления двигателем рассчитывает содержание спирта в топливе и регулирует впрыск и зажигание.

Датчики для газовых двигателей

Чтобы успешно применять топливо CNG, необходимо достаточное число датчиков давления, которые предлагает, например, Kavlico Количество топлива в баке может быть измерено комбинированным датчиком давления и температуры Kavlico на основе тонкопленочной технологии в герметичном корпусе (с целью предотвращения утечки топлива). Датчики меньших давлений подходят для систем прохождения топлива.

Керамический емкостной датчик давления Kavlico) скомбинирован с NTC датчиком температуры и специально разработан для альтернативно питаемых двигателей (CNG/LPG).

Датчики тока и температуры батарей для гибридных автомобилей

Значительными потребителями электрической энергии являются электрические и гибридные автомобили, которые включают интегрированные стартеры/генераторы, электронно-нагреваемые каталитические конвертеры, электромагнитные клапаны, электронное торможение, электронное рулевое управление, HVAC-системы.

Для удовлетворения растущей потребности в электроэнергии в автомобиле становится актуальным переход от батарей 14 В к батареям 42 В (для средних гибридов может потребоваться и более -- до 60 В, а для полных -- порядка 450 В). Увеличение спроса на электроэнергию вызвано не только увеличением числа гибридных автомобилей, но также и тем, что многие менее эффективные механические и гидравлические системы Powertrain, Carbody & Chassis замещаются или дополняются электрическими и электронными системами (например, электрического рулевого управления EPS/EPAS). Электрическое питание требуется для систем телематики, АБС, контроля динамики -- ESP, ABS, электронного торможения (EPB), электронно-управляемых скользящих дверей, натяжителей ремней безопасности, приводов автоматизированных ручных передач, а также развлечений -- систем и приборов Entertainment.

Увеличение потребления электроэнергии в транспортном средстве обосновывает применение автомобильных датчиков тока -- для проверки доступной энергии и реализации функциональности управления батарейной энергией, а также температуры батарей -- для оптимального заряда и регулирования перегрева (рис. 11). В связи с актуальностью электрических двигателей в гибридах датчики тока и температуры мигрируют из группы электрооборудования автомобиля, относившейся согласно ранним классификациям к системам корпуса и ходовой части, в группу датчиков Powertrain.



Так, SiemensVDO разработала инновационное семейство бесконтактных датчиков тока (рис. 11в), использующих эффект Холла или ГМР, специально для контроля систем стартер/генератор и гибридных транспортных средств.

MLH - новая серия датчиков давления Honeywell

Компания Honeywell выпустила уникальную по своим технико-экономическим показателям серию датчиков давления MLH Чем же примечательно это новое семейство?

Во-первых, благодаря использованию передовой тонкопленочной технологии ATF (Advanced Thick Film) при производстве чувствительного элемента (рис.12) и упрощенному процессу сборки стоимость этой серии была снижена в 2 раза по сравнению с пьезо-резистивной серией ML и на 15-20% по сравнению с аналогичной продукцией других производителей. Суть технологии ATF заключается в непосредственном монтаже керамической подложки с тензорезистивным мостом на обратную сторону металлической диафрагмы датчика, к которой прикладывается давление. Вместе с этим инженерам Honeywell удалось увеличить диапазон измерения до 560 атм, расширить диапазоны рабочих температур и термокомпенсации до границ -40…+125 °С и при этом повысить точность измерения до ±0,25% при температуре +25 °С и ±1,0% во всем диапазоне рабочих температур. (Для справки: рыночная стоимость датчика давления такого класса при мелкооптовых партиях колеблется в пределах $70-90. А датчики серии MLH при тех же количествах будут стоить около $45.)

Рис. 12. Чувствительный элемент датчиков давления MLH, выполненный по технологии ATF

Вторым важным преимуществом серии MLH является очень широкий выбор диапазонов измерения (от 3,5 до 560 атм) с удобным шагом, причем разработчик сам может выбрать диапазон в удобной для него единице измерения -- PSI (фунт силы на квадратный дюйм), бар, МПа, кг/см², а также вид измеряемого давления (избыточное или абсолютное). Избыточное давление измеряется по отношению к атмосферному давлению, абсолютное -- по отношению к вакуумной полости, сформированной с обратной стороны мембраны датчика.

1. Датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Powerdrivetrain:

o датчики топливной системы двигателя, зажигания и трансмиссии;

o датчики бортовой диагностики ONBOARD DIAGNOSTICS (OBD) в системах POWER TRAIN.



Рис. 13. Датчики систем POWER DRIVE TRAIN управления двигателем и основными узлами и агрегатами: а -- индуктивный датчик скорости двигателя или активный датчик скорости Bosch для регистрации скорости и угла вращения коленчатого вала (внешний вид идентичен); б -- датчик положения распределительного вала SiemensVDO на эффекте Холла ; в -- программируемый датчик углового положения дроссельной заслонки AN1011 Cherry; г -- датчик положения педали акселератора Alps Automotive; д -- датчики массового расхода воздуха Hitachi; е -- датчик давления воздуха во впускном патрубке Manifold Air Pressure (MAP) sensor Kavlico; ж -- датчик трансмиссии Bosch на основе эффекта Холла; з -- датчики входной и выходной скорости коробки передач SiemensVDO; и -- датчик температуры воздуха, охладителя и масла Bosch; к -- датчик температуры воздуха во впускном патрубке, а также масла, воды и головок цилиндров SiemensVDO; л -- датчик детонации SiemensVDO; м -- датчик уровня топлива SiemensVDO; н -- датчик уровня и температуры масла Hella; о -- датчик состояния масла Hella; п -- датчик давления в цилиндрах Incylinder Pressure Sensor Honeywell.

В эту группу входят датчики положения -- например, распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, педали акселератора, датчик массового расхода воздуха, датчик давления воздуха во впускном патрубке, датчик скорости автомобиля, датчики температуры (в частности, температуры охладителя), датчик детонации, датчики уровня топлива и масла. Кроме того, в указанную группу входят и новые типы, например многопараметрические и мультисенсорные датчики контроля процесса горения в цилиндрах (давления и температуры) или состояния масла двигателя (рис. 13).

2. Датчики систем контроля эмиссии, к которым относятся: датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, датчик газа, датчик температуры отработавших газов и некоторые другие. Среди новых применений датчик концентрации мочевины, которая помогает в очистке выхлопов дизеля рис. 14

3. Датчики систем контроля корпуса и колес:

o полуактивная или активная подвеска;

o электронно контролируемая подвеска ECS (ELECTRONICALLY CONTROLLED SUSPENSION);

o АБС, TPMS (TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM) -- система контроля давления шин;

o электронные системы контроля доступа в кабину;

o контроль положения окон, дверей, сидений, солнечной крыши, стеклоочистителей, зеркал.



Рис.14. Датчики систем контроля эмиссии, включая Powerdrivetrain: а -- лямбда=зонд для измерения концентрации кислорода Bosch LSM11; б -- датчик концентрации кислорода Denso; в -- датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов SiemensVDO; г -- датчик Kavlico для контроля уровня топлива в текущих и будущих применениях (с целью минимизации эмиссии летучих паров) независимо от содержания этанола, метанола и топливных аддитивов; д -- датчики газа NOx и соотношения воздух/топливо SiemensVDO; е -- датчик температуры отработавших газов SiemensVDO; ж, з -- датчики уровня и концентрации мочевины Kavlico (ж) и SiemensVDO (з), и -- дифференциальный датчик давления Kavlico для регулирования расхода (скорости процессов) EGR -- для снижения образования NOx; к -- датчик давления паров топлива в бензиновом баке Kavlico (для определения утечки согласно OBDII).