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.
