CC BY
120Новые тенденции и перспективные технологии
автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии.
Часть 1. Состояние и перспективы рынка датчиков положения, скорости, датчиков концентрации кислорода (газа), массового расхода воздуха и давления
Светлана СЫСОЕВА
S.Sysoeva@mail.ru
Данная публикация анализирует основные тенденции в развитии сенсорных технологий для систем контроля двигателя (Powertrain) и контроля эмиссии — наиболее крупных сегментов рынка автоэлектроники и датчиков. Оба сегмента нацелены на решение двух основных задач управления автомобилем — повышение топливной эффективности и минимизации эмиссии.
Введение
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 основ-
ные функции управления, как оптимизация впрыска и сгорания топлива посредством контроля циклов инжекции, сжатия и зажигания.
Второе стратегическое направление систем Powertrain — расширение функциональности диагностики (OBDII), что необходимо для соответствия более высоким стандартам эмиссии и увеличения сложности как электроники Powertrain, так и функций и числа датчиков. Соответственно, используемые технологии изменяются, системы постоянно совершенствуются.
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.
Поскольку выхлопы вредно влияют на качество окружающего воздуха и здоровье человека (что особенно важно в урбанизированных регионах с плотным трафиком), для автопроизводителей и дилеров разрабатываются обязательные стандарты эмиссии.
В США регулирование эмиссии осуществляется стандартами Агентства по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA) и некоторыми другими правительственными учреждениями. Многие наиболее строгие стандарты реализованы в Калифорнии благодаря деятельности Департамента воздушных ресурсов California Air Resources Board (CARB). На автомобили США распространяются стандарты соответствия уровню Tier 1, вступившие в силу в 1994 году, и дополнительные стандарты Tier 2, введенные в 2001-2003 гг. (но их окончательное рассмотрение планируется завершить в 2009 году).
Европейский Союз разработал свои стандарты эмиссии для транспортных средств — дорожных автомобилей (различные для бензиновых, дизельных двигателей и автомоби-
Таблица 1. Нормы эмиссии для дизельных двигателей
Нормы/ Уровни эмиссии Euro II (1995-1999) Euro III (1999-2005) Euro IV (2005-2008) Euro V (2008-2012)
CO, г/км 1,0 0,64 0,5 0,5
HC - - - -
HC+ NOx 0,7/0,9 0,56 0,3 0,25
NOx - 0,5 0,25 0,2
Загрязнения в виде частиц сажи (копоти) 0,08/0,1 0,05 0,025 0,005
Таблица 2. Нормы эмиссии для бензиновых двигателей
Нормы/ Уровни эмиссии Euro II (1995-1999) Euro III (1999-2005) Euro IV (2005-2008) Euro V (2008- 2012)
CO, г/ км 2,2 2,30 1,0 1,0
HC - 0,20 0,1 0,075
HC+ NOx 0,5 - - -
NOx - 0,15 0,08 0,06
Загрязнения в виде частиц копоти - - - 0,005
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
лей весом свыше 3,5 т), поездов, барж, внедорожных машины (например, тракторов) — кроме океанских судов и самолетов.
Нормы выхлопов для дизельных и бензиновых двигателей, начиная с Euro II (действующих в России и во многих странах Азиатско-Тихоокеанского региона), приведены в таблицах 1 и 2. В Европе с 2005 года действуют нормы Euro IV. Следующее поколение стандартов, разработанных Евросоюзом, — Euro V, однако существует и проект Euro VI.
Главные компоненты автомобильных выхлопов — углекислый газ CO2, а также пары воды H2O — не отражены в европейских стандартах, хотя в настоящее время Европейский Союз рассматривает вопрос принятия стандартов на выхлопы CO2.
Европейские стандарты распространяются как на производимые, так и импортируемые в Европу автомобили, и оказывают значительное влияние на мировую рыночную ситуацию. Для того чтобы соответствовать достаточно строгим нормам Euro IV и в связи с запланированным переходом к Euro V, все мировые автопроизводители заняты поиском конкурентоспособных решений, предусматривающих усовершенствование и разработку новых концепций двигателей, топлива, инновационных систем контроля эмиссии, рециркуляции и очистки выхлопов, улавливания топливных паров, а также интенсивное внедрение новых технологий 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 [1-8].
Примерами являются датчики положения распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, датчик скорости автомобиля, датчик клапана EGR (рис. 1).
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 ана-лотовых 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.
Это связано с увеличением вычислительной мощности и сложности систем Powertrain. Так, сегодня микроконтроллеры переходят
от В- и 16-битных устройств к 32-битной архитектуре, что означает как минимум удвоенную (по объему памяти и скорости) способность обрабатывать сигналы датчиков. В свою очередь данный процесс приводит к новым возможностям по формированию передаточных характеристик в реальном времени. Периферийные устройства отличаются большей интеллектуальностью: например, Smart IGBTs (insulated gate bipolar
Рис. 1. Типичные примеры современных датчиков положения и скорости систем Powertrain и контроля эмиссии: с — TLE4953 Infineon — интегральный датчик скорости и направления; т — активный датчик коленчатого вала SiemensVDO с функцией направления вращения; у — датчик абсолютного положения распределительного вала на основе эффекта Холла или технологии ГМР SiemensVDO; ф — датчик абсолютного положения коленчатого вала на основе эффекта Холла или технологии ГМР SiemensVDO; ш — индуктивный датчик коробки передач Wabash; щ — индуктивные датчики контроля двигателя SiemensVDO.
transistors) для систем зажигания, а также все ИС управления, считывания — датчики. Распространение интеллектуальных ИС ограничивает использование существующих методов коммуникации в системе и обусловливает переход на новые интерфейсы, такие как SPI.
Преимуществом датчиков, созданных на основе новых технологий, является их бес-контактность, 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 [1].
Увеличилось число разработок датчиков для автомобильных систем на основе любых эффектов, предоставляющих возможность бесконтактных измерений линейного положения (рис. 1и).
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 [2-8].
Многие современные цифровые датчики скорости и положения используют эффект Холла, адаптированный как для систем АБС и трансмиссии, так и для таймированных систем коленчатого вала и распределительного вала. Это стало возможным благодаря существованию специализированных дифференциальных ИС. Сведения об элементной базе можно почерпнуть в [2-6]. Среди немногочисленных обновлений, заслуживающих внимания, — двухпроводная ИС с функцией направления ТЬЕ4953 1пйпеоп (рис. 1с). Инновационные разработки магнитных угловых энкодеров позволяют использовать для подобных задач эффект Холла, но не с ферромагнитной целью, а магнитной — в виде малого дипольного магнита (рис.1у, ф) [1].
Однако цифровые ИС Холла, предназначенные для таймирования двигателя, явно уступают место интегрированным гигантским магниторезисторам, которые обеспечивают меньший выходной джиттер, а значит,
лучшую точность, надежность и большую свободу допусков в сравнении с другими технологиями.
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.
Существует еще одна сенсорная стратегия электроники Powertrain, которая может оказать весьма заметное влияние на использование датчиков скорости и положения других 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.
Датчики концентрации кислорода
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 Х-зонды,
2) датчики оксида азота (NOx или nitrogen
oxide sensors) [9-11].
Основная задача датчика концентрации кислорода — контролировать ТВС двигателя по содержанию O2 в отработавших газах, чтобы при коэффициенте избытка воздуха Х =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.
Двойной сверенный лазером корпус из нержавеющей стали
Патентованный
керамический
элемент
Быстродействующий нагреватель (только на трех- или четырехпроводных датчиках)
мВ
800
л
* 600 400 200
UH = 12 В 1>А = 220° С
Oxygen Sensor Cutaway
Е
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12
Двойной защитный слой
Медный
сердечник
Охват
Центральный 1 электрод Земляной |Диам . Зазор электрод резьбы ’
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:
I — 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;
II — 5 соединительных проводов; 12 — уплотнение;
ж, з — датчики концентрации кислорода Denso; з — датчик широкого диапазона;
и — датчики на основе TiO2 (иллюстрация с сайта w ww .sparkplugs.c om);
к, л — датчики газа NOx и соотношения воздух/топливо SiemensVDO и NGK Spark Plugs.
Обычный стехиометрический датчик — также известный как switching oxygen sensor, heated exhaust gas oxygen (HEGO) sensor, lambda sensor, или датчик узкого диапазона narrow range sensor, — способен распознавать богатые или бедные смеси, индицируя сигналами On/Off присутствие или отсутствие кислорода в выхлопных газах, но не его сумму.
Компания Bosch — мировой технологический лидер в производстве датчиков oxygen sensor — более 20 лет назад, в 1976 году создала ненагреваемый датчик. Последующие уникальные разработки компании были направлены на повышение эффективности, надежности (в разработках Bosch применяется специальный водоустойчивый, теплостой-
кий соединитель; датчики также защищены от загрязнений и устойчивы к вибрациям двигателя) и облегчения инсталляции. В 1982 году Bosch впервые представила нагреваемый датчик Thimble Type Oxygen Sensor, в 1997 году — планарный датчик концентрации кислорода.
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 °С) 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 X =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 загрязне-
ниям — грязи, маслу, от которых датчик необходимо защищать.
Хотя датчик характеризуется высокой долговременной стабильностью, керамический элемент — критичная часть любого такого датчика, подверженная старению и снижающая срок его службы. Так, для ненагреваемых датчиков срок замены составлял 30-50 тыс. миль, нагреваемых (до середины 1990-х) — 60 тыс. миль (например, Cheap Oxygen Sensor), а для большинства современных датчиков срок замены, рекомендуемый OBDII, — 100 тыс. миль.
Керамический элемент планарного или пластинчатого датчика Bosch создается печатанием множественных слоев — защитного, изолирующего, адгезивного и проводящего — на различных керамических слоях (рис. 2г). Эти слои спрессовываются и спекаются, что позволяет получить элемент, меньший по весу, но более жесткий, прочный и надежный, с большим сроком службы. Сопротивление планарных датчиков достигает 12-15 Ом.
По информации с сайта Bosch, в автомобилях, выпускающихся в последние годы, планарные датчики составляют не менее 30%, а в 2007-м их число достигнет 50%.
Оба типа датчиков — с твердым электролитом и планарные — выпускает и компания Denso Corporation (рис. 2ж, з). В датчиках Honeywell применяются два диска из ZrO2, ограничивающие между ними пространство для малой герметичной камеры. Один из дисков функционирует как обратимый кислородный насос для заполнения и опустошения камеры, второй измеряет коэффициент различия в давлении и генерирует соответствующее напряжение.
Сегодня, в соответствии с новыми нормами, датчики должны более точно определять соотношение воздух/топливо, температуру и суммарную концентрацию загрязняющих веществ в выхлопном газе. Так, сумма кислорода, необходимая для оптимальной работы двигателя, зависит от многих факторов — температуры воздуха, двигателя, барометрического давления, режима работы двигателя и т. д. Существует широкий диапазон применения новых разработок: бензиновый двигатель с непосредственным впрыском, бензиновый двигатель SULEV (Super-Ultra-Low-Emission-Vehicle), дизельный двигатель. Кстати, датчики, предназначенные для дизельных двигателей, должны иметь высокие характеристики обедненного диапазона.
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.
Потребностью в более точных датчиках с интеллектуальными признаками обусловле-
ны новые разработки Bosch, которые синхронно обеспечивают прецизионные сигналы. Wide-range Oxygen Sensor (датчик широкого диапазона), предложенный Bosch в 2001 году, индицирует не только присутствие, но и сумму кислорода в отработавших газах. Эти датчики также известны как air/fuel ratio sensors, linear oxygen sensors, или universal exhaust gas oxygen (UEGO) sensors (рис. 2д, е).
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.
Компания NGK Spark Plugs разработала концепции одновременного использования датчиков NTK как переключательного типа, так и датчиков широкого диапазона, а кроме того, возможность комбинирования NOx и oxygen sensors.
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.
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
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.
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 МЕМ8-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 массового расхода воздуха Honeywell включают тонкопленочные изолированные мостовые структуры, включающие нагреватель и сенсорный элемент. Мостовая структура позволяет увеличивать чувствительность датчика к изменениям расхода воздуха и других газов. Их основные применения: контроль загрязнений воздуха, климат-контроль и другие.
Hitachi также расширила линейку датчиков массового расхода воздуха до датчиков массового расхода природного газа (рис. 3е), которые устанавливаются в грузовиках, использующих природный газ в качестве топлива.
Датчики массового расхода воздуха SiemensVDO Integrated Mass Airflow (SIMAF) Sensor включают два пленочных термочувствительных резистора, соединенных в мостовую схему. Необходимая для поддержания температуры мощность измеряется как падение напряжения на одном из резисторов. В электронной схеме есть перепрограммируемая память. Концепция Siemens VDO предполагает также получение с датчика массового расхода сигналов температуры, влажности и объема.
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 вжестких 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
Датчик
температуры
Диагностика
ЦИФРОВОЕ
ЯДРО
Переклю-
чаемый
демодулятор
Калибровка
усиления
Выход
Рис. 4. Примеры автомобильных датчиков давления (систем Powertrain и контроля эмиссии): ф — интегральный программируемый датчик MLX90269 Melexis: внешний вид и функциональная диаграмма
Для автомобильных датчиков давления существуют и многие другие применения:
• давление в камере сгорания — 100 бар1;
• давление воздуха в подвеске (160 бар) и амортизаторах (200 бар);
• управляющее давление автоматической трансмиссии (35 бар) и давление смазочной жидкости трансмиссии 100-700 psi2 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 Common-rail 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 [12]. В конструкциях современных MAP/BAP-датчиков преобладают интегральные микромеханические кремниевые пьезорезистивные датчики давления.
Мировые лидеры в производстве автомобильных датчиков давления—Bosch, Honeywell, Freescale, General Electric Company, Kavlico, Melexis, SiemensVDO, Texas Instruments и другие компании.
Различают датчики абсолютного давления, дифференциальные датчики и так называемые датчики относительного давления Gauge
1 1 бар «1 атм. = 105 кПа
2 1 атм. «14,5 psi
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.
Так, MAP-датчики с пьезорезистивным сенсорным элементом выпускают компании Bosch, Kavlico, SiemensVDO (рис. 4).
Kavlico разрабатывает и производит широкую линейку датчиков для различных применений, начиная с измерения давления жидкости трансмиссии и систем EGR и заканчивая контролем топливной инжекции под высоким давлением в бензиновых и газовых двигателях, используя как емкостную керамическую, так и пьезорезистивную тонкопленочную технологию в сочетании с технологией кремниевых однокристальных интегрированных MEMS-датчиков с программируемыми ASIC (рис. 4 в-н).
Широкую линейку датчиков давления выпускает и компания Honeywell (рис. 4о), включая абсолютные, дифференциальные или gauge-типы датчиков в диапазонах до 300 psi, кремниевые пьезорезистивные MEMS-модули и датчики в различных корпусах с ASIC.
SiemensVDO выпускает датчики давления воздуха MAP: T-MAP (T-MAP — с интегрированным датчиком температуры) и MAP-BAP (рис. 4в, п-р) на основе поверхностного мик-ромеханического метода с емкостной сенсорной ячейкой, по биполярной КМОП-техно-логии. Модульный дизайн датчика с возможностью калибровки рассчитан на различные
применения и диапазоны давлений — от дифференциального давления в 100 мбар (рис. 4с) до 3,5 бар (турбо MAP).
Для применений в грузовиках SiemensVDO изготавливает датчик абсолютного давления с пьезорезистивной ячейкой (3-6 бар) (рис. 4р).
Известный OEM-производитель — компания SSI Technologies (рис. 4с); выпуском датчиков давления занимаются также и многие другие компании.
Для новых MAP- и других автомобильных датчиков наиболее актуальны интегральные полупроводниковые датчики, включающие компенсационные схемы и, по возможности, перепрограммируемую память для калибровки. Стандартный выходной интерфейс датчиков давления — аналоговый выход напряжения, пропорциональный давлению. Однако и для этих устройств актуальна тенденция перехода к цифровым интерфейсам, общая для всех автомобильных датчиков.
Обе технологии, как пьезорезистивная, так и емкостная, позволяют производить интегральные однокристальные кремниевые датчики, объединяющие на одной подложке объемную микромеханическую ячейку и ASIC.
SMD085 (рис. 4т) — пьезорезистивный микромеханический датчик давления в SMD-корпусе от Bosch. Это один из первых интегральных прецизионных датчиков барометрического воздушного давления для систем управления дизельными или бензиновыми двигателями. Схема SMD085 реализована по биполярной технологии и включает: интегрированный сенсорный элемент, логический контрольный блок, схему температурной компенсации и схему компенсации смещения. Выходное напряжение варьируется в диапазоне 2,37-4,54 В для диапазона давлений 60-115 кПа. ИС характеризуется высокой степенью защиты от электростатического разрушения. Благодаря полностью интегрированной схеме дополнительные внешние компоненты не требуются.
Freescale выпускает широкую линейку пьезорезистивных интегральных датчиков давления трех уровней интеграции. Базовое сенсорное устройство обеспечивает нескомпен-сированные измерения, следующий уровень сформирован устройствами с интегрированной компенсацией, третий уровень представлен полностью интегрированными датчиками. Скомпенсированные датчики (серия 2000) предлагаются в версиях, включающих схемы температурной компенсации и калибровки; интегрированные устройства (серии 4000, 5000, 6000) предусматривают все компенсационные функции и обработку сигнала. Каждое сенсорное семейство представлено в версиях абсолютного, дифференциального давления и относительного давления и в различных корпусах. Эти датчики измеряют давления до 150 psi (1000 кПа).
MPX4100A/MPXA4100A, MP3H6115A Freescale, MPXH6400A (и многие другие) — пьезорези-
стивные кремниевые интегральные датчики для MAP, реализованные по биполярной технологии с интегрированным MEMS-элементом, тонкопленочной резисторной сетью и операционным усилителем; например, MP3H6115A (рис. 4у) или MPXH6400A — устройства в наименьших по размерам корпусах SSOP. Компанией Freescale разработаны и многие другие датчики для широкого диапазона автомобильных задач, в том числе MPX5999D (0-1000 кПа), предназначенный для различных применений, включая полу-активную подвеску. Датчики давления накачки шин серии MPXY8000 представляют собой полностью интегральные однокристальные устройства с цифровым выходом в малом корпусе, которые используют емкостной измерительный принцип и измеряют диапазоны давлений от 250 до 900 кПа. Эти датчики реализованы по стандартной КМОП-техно-логии и включают поверхностную микроме-ханическую емкостную ячейку и EEPROM, а также датчик температуры, размещенные на одном чипе.
MLX90269 (рис. 4ф) — программируемый интегральный датчик абсолютного давления от Melexis, реализованный по стандартной КМОП-технологии с пьезорезистивными микромеханическими элементами. ИС интегрирует датчик давления и схему обработки сигнала на одном кристалле. Датчик включает аналоговую цепочку обработки сигнала с цифровым ядром и интегрированным датчиком температуры — для обеспечения однородности характеристики после калибровки и отмены дрейфов температурно-зависимых параметров. Его основное назначение — применение в датчиках MAP, но он может использоваться и для определения давления масла и воды. Для того чтобы достигнуть минимальных ошибок (±1%), в MLX90269 применяется 3-точечная калибровка температуры и 2-точечная — давления. Выход представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное давлению в диапазоне от 1,2 до 3 бар или от 3 до 7 бар.
Для автомобильных применений (например, насосов) Melexis выпускает программируемый датчик MLX90257 относительного давления в диапазонах от 1,2 до 3 бар, от 3 до 7 бар или от 7 до 10 бар.
Для работы в условиях чрезвычайно высоких давлений в магистралях впрыска бензиновых или дизельных двигателей Common-rail диафрагмы датчиков изготавливаются обычно из высококачественной пружинной стали, что предохраняет их от разрыва. Применение металлической или поликремние-вой диафрагмы позволяет получить более долговечные и надежные датчики, как правило, в металлическом корпусе, которые также могут включать ASIC для компенсации, усиления и калибровки (рис. 4 ж-и, о).
Siemens VDO разработала датчик давления в цилиндрах (рис. 4ш), 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, показанная на рис. 4щ, 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. ■
Продолжение следует
Литература
1. Сысоева С. Автомобильные датчики положения.
Современные технологии и новые перспективы.
Части 1-13 // Компоненты и технологии. 2005. № 2-9; 2006, № 1, 2, 4-6.
2. Сысоева С. Датчики скорости автомобиля. Анализ конструкций и перспективы развития // Компоненты и технологии. 2004. № 7, 8.
3. Сысоева С. Автомобильные цифровые магнитоуправляемые датчики угловой скорости и углового положения зубчатого ротора // Электронные компоненты. 2004. № 3.
4. Сысоева С. Новые интегральные датчики Холла специального назначения // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
5. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент РФ № 35441 на полезную модель по заявке № 2003127267 от 08.09.2003, МПК G 01 P3/488, зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 10.01.2004/ И. С. Захаров, С. Ф. Яцун, С. С. Сысоева.
6. Бесконтактный датчик скорости автомобиля, встраиваемый в коробку передач. Патент РФ № 36894 на полезную модель по заявке № 2003132947 от 11.11.2003, МПК G 01 P3/488, зарегистрировано в Госреестре ПМ РФ 27.03.2004/ И. С. Захаров, С. Ф. Яцун, С. С. Сысоева.
7. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2260188 по заявке № 2004102133/28 (002114) от 26.01.2004. Зарегистрировано в Госреестре изобретений 10.09.2005. / И. С. Захаров, С. Ф. Яцун, С. С. Сысоева.
8. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2270452 по заявке на изобретение № 2004102306/28 от 26.01.2004. Зарегистрировано в Госреестре изобретений 20.02.2006. / И. С. Захаров, С. Ф. Яцун, С. С. Сысоева.
9. Gas sensing element employable in an exhaust system of an internal combustion engine. US Patent 6 554 983 от 29. 04. 2003 (Denso Corporation).
10. Method for determining a NOx concentration. US Patent 6 699 383 от 2. 03. 2004 (Siemens Aktiengesellschaft).
11. Methods and apparatus for measuring NOx gas concentration, for detecting exhaust gas concentration and for calibrating and controlling gas sensor. US Patent 6 923 902 от 2. 08. 2005 (NGK Spark Plug Co, Ltd.).
12. The Evolution of Automotive Pressure Sensors. Czarnocki W.S., Schuster J.P. Sensors, May 1999.
