Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №8

Новые тенденции и перспективные технологии автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии. Часть 2. О датчиках температуры и обо всех остальных

Сысоева Светлана


Во второй части статьи рассматриваются менее многочисленные, но не менее актуальные применения и типы датчиков систем контроля двигателя и эмиссии, в число которых входят как широко распространенные датчики температуры, детонации, уровня топлива и масла, так и многие новые датчики — состояния масла и топлива, разнообразные датчики для дизельных и альтернативных концепций двигателя, например, концентрации мочевины или метанола, и анализируются основные тенденции в развитии сенсорных технологий этих сегментов рынка.

Все статьи цикла:

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.

Важнейшее из этих применений — измерение температуры воздуха, поступающего в двигатель, например, во впускном патрубке датчиком Manifold Air Temperature Sensor. Исполнения датчиков различаются в зависимости от места, в котором производится измерение: существуют исполнения датчиков, которые размещаются во входном канале (Intake Air Temperature Sensor) и очистителе воздуха (Air Cleaner Sensor).

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 NTC 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).

Важным преимуществом термисторов с NTC является взаимозаменяемость и низкая цена.

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 [13–22].

Лидирующие поставщики датчиков температуры на автомобильный рынок в виде компонентов мехатронных систем — это, например, компании Bosch, Delphi, Honeywell, SiemensVDO, Hi-stat; дискретных компонентов (термисторов, пленочных RTD и термопар) — GE Thermometrics, Honeywell, Heraues, Infineon, Philips, Therm-O-Disc, US Sensor, Vishay; интегральных схем и обработчиков сигналов с различных типов термодатчиков — Analog Devices, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, а также многие другие компании. Число производителей и номенклатура датчиков и преобразователей температуры, включая автомобильные исполнения, очень велико.

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. Для получения более подробной информации по термопарам и другим датчикам и сигналообработчикам рекомендуется обратиться к работе [19].

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).

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.

ИС датчиков, например, MAX6629–MAX6632 (рис. 5ш) и MAX6576/MAX6577, включают измерительные элементы и схемы обработки сигнала, что позволяет получать информацию о температуре в цифровой форме, значительно упрощая системный дизайн, на основе которого выполняются температурные измерения, и повышая их линейность. Цифровые ИС датчиков замещают автомобильные аналоговые интерфейсы, но рабочие диапазоны температур ИС составляют только –55…+155 °C, что подходит не для всех автомобильных применений.

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).

ИС датчиков представляют значительный интерес для многих других рынков, помимо автомобильного. В исследовании Databeans, Inc. — 2006 Temperature Sensors — говорится о значительном увеличении потребления датчиков температуры в настоящее время (с ежегодным приростом в 18%), среди которых увеличивается число интегральных схем. Основными из рынков сбыта ИС являются компьютеры (наиболее массовое применение — контроль температуры процессора и работы вентилятора), источники питания, компьютерная периферия, автомобильный и индустриальный рынки. Новые автомобильные применения для ИС датчиков в автомобиле, например, — контроль батарей гибридных двигателей и GPS.

Databeans оценивает текущий рынок ИС термодатчиков в $674 млн, который, с ежегодным приростом в 20%, достигнет $2 млрд в следующие пять лет. Согласно проведенному исследованию, общемировой рост потребления датчиков температуры приводит к увеличению числа и других категорий датчиков, причем автомобильный и телекоммуникационный рынки управляют спросом на новые разработки.

В системах Powertrain и контроля эмиссии по-прежнему наиболее актуальны контактные способы измерений температур жидкостей и газов, к которым относятся измерения посредством всех перечисленных выше датчиков.

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 системах Powertrain IR-датчики используются в первую очередь для бесконтактного дистанционного контроля нагрева скоб дискового тормоза, но их применение на этом не ограничивается. Профессиональную элементную и техническую базу инфракрасных термометров и датчиков для различных автомобильных применений и тестирования предлагает компания Raytek (рис. 5э). Спектр бесконтактных измерений включает:

  • мониторинг состояния двигателя;
  • карту температуры под капотом;
  • диагностику системы охлаждения;
  • контроль перегрева шин;
  • контроль выхлопов;
  • климат-контроль.

Например, осуществляя мониторинг выхлопного патрубка, по повышенной температуре выхлопов можно диагностировать бедную ТВС и оптимизировать расход топлива.

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.

В режиме нормальной работы также желательно снижать шумы двигателя, так как их уровень в пассажирском отделении — важнейший показатель комфортабельности автомобилей, особенно класса «люкс». Существует применение для датчиков, согласно которому производится измерение демпфирования вибрации для больших дизельных двигателей и двигателей, в которых некоторые цилиндры могут быть отсоединенными.

В модели 2005 года Jaguar XJ Series компания Avon Automotive применила Vibramount system, позволяющую гасить вибрации на 90% для дизельных моделей Jaguar. Для измерений были выбраны MEMS-акселерометры, не резонирующие на высоких частотах, — серии SCA610 VTI Technologies.

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 топлива

Уровень топлива в автомобиле обычно измеряется датчиками двух типов — Lever и Tubular sensors, которые могут инсталлироваться в блок насоса или устанавливаться автономно (рис. 8).

Рычажные датчики Lever-типа (рис. 8а) включают поплавок, который поднимается или опускается вместе с жидким топливом при изменении его уровня, что посредством рычага вызывает перемещение движка и изменение сопротивления проволочного или толстопленочного резистора. Значение сопротивления измеряется электрическими методами с применением калибровки.

Датчики Tubular (или Resistance Wire Sensors) погружаемого типа (рис. 8б) также включают поплавок, реагирующий на изменение уровня топлива, и измеряют уровень электрическими методами. Контактные пружины, прикрепленные к поплавку, скользят поверх двух проводов, изменяя их сопротивление и генерируя сигнал, пропорциональный уровню.

Оба типа датчиков могут дополнительно оборудоваться предупреждающим контактом, который сигнализирует о достижении предельного уровня.

Датчики SiemensVDO Magnetic Passive Position Sensor (MAPPS) (рис. 8в) — интеллектуальная и долговременно стабильная альтернатива обычным рычажным датчикам с толстопленочными резисторами, подверженным износу, что приводит к неточным измерениям.

Датчик в защищенном исполнении, приблизительно 4 см длиной, установлен в баке. Внутренняя часть MAPPS состоит из 52 гибких смежных металлических язычков. Рычаг, перемещаемый поплавком, подсоединен к магниту размерами порядка 2 мм. Магнит привлекает металлические язычки, которые контактируют с металлической полосой, обеспечивая электрическую передаточную характеристику сопротивления и уровня топлива.

Решение Kavlico (рис. 8г) основано на емкостной технологии, с возможностью точного измерения уровней топлива независимо от концентрации этанола, метанола и других топливных примесей.

Компания Honeywell предлагает оптоэлектронные измерители уровня, работающие на просвет. Thermometrics для измерений уровней различных жидкостей, включая топливо и масло, предлагает термисторы YL & JYA с PTC (рис. 8д). Напряжение питания, приложенное к термистору, вызывает его самонагрев и стабилизирует рассеяние мощности (ток) при данных окружающих условиях, изменение которых на границах фаз сред (воздух/топливо) будет изменять ток.

Многие другие технологии, используемые для измерения переменных движения (положения, ускорения) [1, 23], подходят для измерений уровня при условии защиты и (или) надежной работы сенсорного элемента в жидкостной среде, или дистанционного размещения схемы. Например, MTS разработала поплавковые магнитостриктивные датчики уровня (рис. 8е).

Еще один пример — датчики на основе технологии Permanentmagnet Linear Contactless Displacement (PLCD) компании Tyco Electronics (рис. 8ж), которые включают магнитомягкий сердечник, который распространяется вдоль длины первичной обмотки и двух вторичных обмоток по краям. Постоянный магнит вблизи датчика вызывает локальное магнитное насыщение сердечника. Магнитный поток первичной обмотки прерывается и разделяется в этой точке, что индуцирует соответствующие напряжения во вторичных обмотках, позволяя точно определить положение насыщенной области. Активные и пассивные датчики Tyco рекомендуются для многих измерений механических переменных, в том числе уровня.

Для преодоления неточности обычных поплавковых датчиков SilverLeaf и SSI Technologies разработали решение, получившее название Acu-trac ultrasonic fuel level sensor — ультразвуковой искатель глубины топлива.

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. 9).

Текущая линейка Hella, например, включает как относительно простой поплавковый переключатель, так и интеллектуальные термические датчики для непрерывных аналоговых измерений уровня масла (рис. 9а–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. 9в). 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.

В планах компании Hella — разработка ультразвуковых измерителей уровня (рис. 9г), которые позволят измерять его за пределами геометрии датчика — до 150 мм. Проблемы этого типа датчиков — в необходимости адаптации длин волн, характеристик и других параметров для масляных применений.

Существующие и будущие датчики уровня масла Hella позволяют измерять и его температуру. Геометрия датчиков адаптирована так, чтобы устанавливать их в различные маслосборники, что позволяет OEM-производителям гибко адаптировать датчик к различным машинам и двигателям. Пороги характеристики могут быть установлены при помощи программного обеспечения, сводя механические варианты к минимуму. ASIC с микроконтроллером обеспечивает формирование клиентского интерфейса.

В инновационных пассивных электротермических датчиках уровня масла двигателя и трансмиссии SiemensVDO (рис. 9д) провода сопротивления нагреваются протекающим сквозь них постоянным током. Падение напряжения на проводах зависит от рассеиваемого на них тепла. Уровень масла определяется по охлаждению резистора в масле, поскольку оно проводит тепло лучше, чем воздух. Падение напряжения сравнивается со значениями в таблице, для интерфейса обычно применяются микроконтроллер или АЦП. Активные датчики (рис. 9е) обеспечивают на выходе абсолютные значения уровня до 110 мм в форматах PWM/Lin.

Аналогичный принцип измерения тока термистора PTC для различных сред разработан GE Thermometrics, о нем говорилось выше.

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. 10) — 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 (для фильтрации масла от загрязнений), 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;
  • уменьшать загрязнение окружающей среды;
  • регулировать расположение масляного фильтра;
  • защищать двигатель;
  • уменьшать гарантийные издержки;
  • улучшать характеристики вождения.

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. 10а), который измеряет температуру, уровень масла (20–100 мм), а также его вязкость (3–300 мм2/с) и диэлектрическую проницаемость (1–6) (рис. 10б–г).

Компания Delphi разрабатывает датчик состояния масла для дизельных двигателей (рис. 10д), основным назначением которого является точный контроль загрязнения масла сажей (в пределах 0–5% с точностью в 0,5%), адсорбирующей компоненты масла и являющейся одним из добавочных факторов износа двигателя. Датчик функционирует, измеряя проводимость масла на частотах 2–5 МГц. Он также измеряет диэлектрическую постоянную, вязкость (только в стационарном масле), способен диагностировать разбавление топливом и измерять уровни масла. Стандартное крепление датчика выполняется в маслосборнике со стандартным электрическим интерфейсом, но может быть осуществлено в соответствии с клиентскими требованиями.

Датчик состояния масла QLT Continental Temic (рис. 10е) функционирует, используя емкостной принцип, адаптированный к различным типам двигателей, и одновременно измеряет качество (вязкость и диэлектрическую проницаемость), уровень и температуру масла. Концепция Continental предполагает визуальное информирование водителя на многофункциональном дисплее об изменении проницаемости, например, на 15% (в зависимости от типа двигателя это может указывать на замену масла), которое осуществляется средствами ШИМ-сигнала или другого интерфейса датчика, также передающего информацию о критическом температурном диапазоне (в пределах –40 …160 °C) и точном уровне масла (до 100 мм).

Будущие датчики Continental Temic предполагают реализацию модульного исполнения и расширение числа измеряемых переменных.

Инновационная система QDiS от Continental (рис. 10ж) предназначена для контроля уровня, температуры и старения масла. Специальный мультичастотный датчик импеданса, функционирующий в диапазоне от мГц до МГц, приобретает исчерпывающие исходные данные, которые QDiS затем интерпретирует согласно встроенному алгоритму, обеспечивая информацию о присутствии частиц сажи, загрязнений, старения в соответствии с данным типом двигателя, начальным состоянием масла и многими другими данными, замещая, по существу лабораторные анализы.

Рыночное лидерство в области датчиков уровня и состояния масла принадлежит также и компании Hella KG (рис. 9, рис. 10з–л).

Концепция мультисенсорного модуля Hella (рис. 10з–л) для определения состояния масла и оценки его различных параметров — вязкости (1–60 мПа), плотности (0,7–0,9 г/см3) и проницаемости масла (1–6) как взаимно независимых переменных — разработана на основе технологии микросистем и модульного принципа, позволяющего реализовать все клиентские требования к исполнению — стратегический подход автомобильного рынка для будущих применений. Технология микросистем позволяет интегрировать ИС модуля анализа состояния масла в стандартный датчик уровня (рис. 10з) или разместить в виде автономного компонента в других областях масляной системы и масляного фильтра (рис. 10и).

Технология Tuning fork flexural resonator твердотельных полупроводниковых датчиков, разработанная совместно Symyx и Hella (рис. 10к–л), обеспечивает мультисенсорные измерения в реальном времени физических свойств масла двигателя — вязкости, плотности, диэлектрической постоянной.

Камертон возбуждается в определенном частотном диапазоне, затем измеряется и анализируется его передаточная характеристика посредством специального алгоритма, который позволяет указать на старение, присутствие сажи или топлива в масле и другие показатели качества. Патентованная технология Symyx tuning fork позволяет наблюдать вязкость, плотность, диэлектрическую постоянную многих сред — лубрикантов, хладагентов, топлива, растворителей, газов, многих одно- и многофазных жидких смесей.

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). Коммерческая доступность этих многопараметрических датчиков на высокообъемном рынке пассажирских транспортных средств ожидается в 2006 году.

Hella и далее развивает концепцию расширения функциональности мультисенсорного модуля за счет включения датчика давления масла. Обычные методы измерения давления используют пьезорезистивные или емкостные MEMS-датчики, которые могут быть интегрированы с датчиком состояния масла на уровне ИС или даже кристалла, вместе с функционально не повторяющимся ядром обработки сигнала.

Цель мультисенсорных модулей прежняя — оптимально использовать масло.

Symyx сохраняет свои права на сенсорный элемент и мультичиповый модульный датчик для коммерческой разработки и распределения за пределами области пассажирских машин.

В дополнение к партнерству с Hella KG, Symyx работает с компанией Stargate Mobile, которая будет предлагать сервис мониторинга состояния масла в реальном времени для коммерческих транспортных средств. Введение датчика предполагается в середине 2007 года.

Дизельные и альтернативные концепции двигателей — новая и значительная ниша для сбыта датчиков

Повышение цен на бензиновое топливо, ставшее еще более заметным в 2005 году, привело к появлению рыночного спроса на технологии Powertrain, позволяющие эффективно экономить топливо. Такую возможность предоставляют дизельные двигатели и гибридные системы питания транспортных средств.

При постоянном уровне продаж легковых автомобилей в первой декаде века (например, в США Freedonia прогнозирует увеличение к 2009 году менее чем на 1%) обычные автомобили с искровыми бензиновыми двигателями внутреннего сгорания Internal Combustion Engine (ICE) все еще составляют подавляющее большинство. Freedonia прогнозирует, что к 2009 году на североамериканском рынке бензиновые ICE составят 89%, дизельные ICE — 7%, гибридные — 4%.

Дизельными двигателями оборудуются и европейские легковые автомобили, что во многом связано с реализацией технологии непосредственного впрыска Diesel direct injection. Например, дизельные легковые автомобили производят DaimlerChrysler и BMW.

Дизельные двигатели более эффективны, но в большей степени загрязняют окружающую среду, чем бензиновые.

Альтернативные концепции автомобильных двигателей, которые разрабатываются для повышения топливной эффективности и снижения эмиссии, включают:

  • flex-fuel vehicles (FFV) — автомобили с гибкой топливной системой и двигателем, который может работать как на бензиновом, так и на спиртовом топливе (этаноле или метаноле), а также на смешанном топливе, залитом в бак, например, E85 (85% этанола, 15% бензина);
  • автомобили с двойной топливной системой bi-fuel vehicle — двумя системами со способностью переключения от одной к другой, первая из которых функционирует на бензине или дизельном топливе, а вторая на сжатом природном газе (CNG) или сжиженном нефтяном газе (LPG) — пропане;
  • автомобили, работающие только на LPG или CNG (из которых LPG-автомобили — наиболее обычный тип, причем из-за проблем инфраструктуры bi-fuel vehicle более актуальны);
  • электрические транспортные средства (EV), работающие от батарей, с нулевой эмиссией zero emission vehicle (хотя существует косвенная эмиссия от электростанций, загрязнение окружающей среды все равно меньше, чем бензиновыми автомобилями);
  • гибридные электрические автомобили (HEV), которые используют два источника питания — двигатель внутреннего сгорания ICE (бензиновый или дизельный) и электрический двигатель: ICE заряжает батареи электродвигателя, что позволяет экономить топливо и снижать эмиссию:
    • микрогибриды, автоматически переключаемые в режим работы от электродвигателя при необходимости быстрых пусков на остановках в условиях плотного трафика;
    • средние гибриды с функциями микрогибрида и батареей питания 14 В, включающие также электрическую машину, размещаемую на коленчатом валу между двигателем и трансмиссией, использующую в режиме генератора торможение для запасания энергии. Электрическая машина может обеспечивать дополнительный крутящий момент, усиливая работу двигателя внутреннего сгорания в начале движения с ускорением;
    • полный гибрид — работающий либо на основе электрического питания, либо за счет ICE.

FFV-автомобили выпускают Ford, GM, DaimlerChrysler и многие другие.

Полные гибриды представили, например, Toyota и Honda. Для справки, ценовая разница между HEV и обычным легковым автомобилем колеблется где-то между $600 и $4000.

Электрические и гибридные автомобили в наибольшей степени позволяют одновременно экономить топливо и снижать эмиссию.

CNG — один из наиболее экологичных видов топлива с высоким октановым числом для искровых двигателей. По сравнению с бензином, с CNG на 70% меньше эмиссия CO, на 50% — NOx, на 90% — озонообразующей эмиссии (Non-Methane Organic Gasses — NMOG), почти исключается эмиссия частиц. Выхлопы с CNG также чище по уровню углекислого газа CO2, чем при использовании других видов топлива. Применение LPG снижает эмиссию CO на 45%, на 20% — NOx, на 60% — эмиссию веществ, образующих смог.

Следующее поколение автомобилей с большим потенциалом экономии электроэнергии и снижения эмиссии — так называемые fuel cell vehicles (FCV) — ожидаются на автомобильном рынке после 2010 года. Подобно электрическим автомобилям, FCV работают от электродвигателей, но используют электроэнергию, получаемую не от внешнего источника, запасаемую батареей, а производят собственную — в бортовых аккумуляторах, использующих химические процессы взаимодействия водородного газового топлива с кислородом воздуха.

FCV могут питаться как чистым водородным газом, запасаемым в топливных баках под высоким давлением, так и топливом, богатым водородом, таким как метанол (метиловый спирт), природный газ, бензин, но эти виды топлива должны быть преобразованы в водородное топливо посредством специального бортового реформера.

Новые концепции автомобильных двигателей для легковых автомобилей создают огромную потенциальную нишу для сбыта специализированных датчиков, работающих на решение основных задач систем Powertrain этих автомобилей, предваряя их интенсивную разработку в дальнейшем. Многие ведущие производители датчиков уже сегодня представили на автомобильный рынок некоторые новые типы датчиков — например, датчики высокого давления, датчики концентрации мочевины для контроля процессов очистки выхлопов дизеля, датчики высокого давления и массового расхода газа, контроля качества и распознавания топлива.

Датчик концентрации мочевины

Для очистки выхлопов дизельных автомобилей (как легковых, так и грузовиков) от загрязняющих веществ в соответствии с инновационной технологией Selective catalytic reduction (SCR) в дизельные выхлопы впрыскивается 32,5%-ная смесь мочевина/вода, хранящаяся в специальном баке. Соединяясь с выхлопами, мочевина разлагается на аммиак NH3, который затем, выпущенный из горячих газов в каталитическом конвертере, преобразует соединение NOx в молекулярный азот (N2) и воду (H2O). Результат применения этого метода — выхлопы NOx снижаются на 80%, эмиссия частиц сажи — на 40%.

Переход на нормы Евро-4 продиктовал снижение, в сравнении с Евро-3, уровня содержания NOx на 30% и частиц — на 80%. Транспортные средства, оборудованные системой SCR, соответствуют стандартам Евро-4 по содержанию NOx.

Для оптимальной реакции в каталитическом конвертере должен поддерживаться правильный уровень концентрации аддитивов, температуры (12 °С), а также электрической проводимости, и обеспечиваться достаточный уровень смеси мочевина/вода в баке. Все эти данные для SCR предоставляет датчик urea sensor.

Kavlico Corporation, NGK Spark Plugs и SiemensVDO Automotive AG предлагают OEM-производителям двигателей и SCR различные версии датчиков уровня и концентрации мочевины urea sensor (рис. 11).

NGK для измерений уровня мочевины использует емкостной принцип (зависимость емкости от уровня — линейная), и рекомендует датчик (рис. 11а) для больших двигателей.

Kavlico предлагает два датчика (рис. 11б), следуя стандартам EPA 2002 года на снижение эмиссии NOx для шоссейных автомобилей. Один из датчиков измеряет диэлектрическую постоянную жидкости, которая изменяется пропорционально концентрации мочевины, другой позволяет определять оба параметра — уровень и диэлектрическую постоянную. Третий датчик, который рекомендует использовать Kavlico, может измерять давление в верхней части бака, индицируя уровень плотности. Все вместе или попарно, датчики могут индицировать концентрацию мочевины.

Второй метод измеряет жидкостное давление и обеспечивает выход напряжения, пропорциональный уровню жидкости.

По сигналам от датчиков в системной архитектуре дизеля может быть предусмотрена подача сигнала тревоги о недостаточном уровне или неправильной смеси. Датчики urea sensor SiemensVDO (рис. 11в–г) играют важную роль в защите системы SCR, сообщая о сбоях в работе. Например, если концентрация мочевины, которая определяется по электропроводности, очень низкая, впрыск аддитивов прекращается. Этот метод позволяет обнаруживать как малые уровни, так и присутствие инородных субстанций. Информация отображается на приборной панели. В планах SiemensVDO — автоматически уменьшать на 30–50% мощность двигателя при малой концентрации смеси.

SiemensVDO предлагает два типа датчиков. Датчик DT (рис. 11г) крепится с внешней стороны бака во всасывающей линии между баком и насосом и измеряет концентрацию, проводимость и температуру мочевины, протекающей через датчик. Датчик DLT (рис. 11в) — многофункциональное устройство, устанавливаемое внутри бака, с теми же функциями, что и DT, и с возможностью проверки уровня.

SiemensVDO, Kavlico и NGK разрабатывают инновационные решения и для других применений снижения выхлопной эмиссии. Так, например, Kavlico разработала преобразователь давления P2000 для дозирующих блоков мочевина/воздух модуля каталитического конвертера грузовиков на основе керамической емкостной технологии (рис. 4л) и многие другие датчики для контроля эмиссии, например, дифференциального давления для мониторинга фильтра частиц различных PRT систем (рис. 11д).

SiemensVDO/NGK представили интеллектуальный датчик концентрации NOx для GDI. SiemensVDO разработала датчик топлива flex fuel sensor, который может определять загрязненный бензин.

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. 12а) 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. 12б) включает λ-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 (рис. 4ж, н).

Количество топлива в баке может быть измерено комбинированным датчиком давления и температуры Kavlico (рис. 4ж — см. КиТ № 7’2006) 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 (рис. 4н) скомбинирован с NTC датчиком температуры и специально разработан для альтернативно питаемых двигателей (CNG/LPG).

Hitachi выпускает датчик массового расхода газа (рис. 3е — см. КиТ № 7’2006).

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. 13). 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. 13в), использующих эффект Холла или ГМР, специально для контроля систем стартер/генератор и гибридных транспортных средств.

Инновации сенсорных технологий в искровых двигателях внутреннего сгорания

Обычные искровые ICE становятся все более эффективными в стоимостном выражении, они более полно соответствуют стандартам эмиссии, обеспечивают высокие уровни мощности и управляемости. Жидкое бензиновое или дизельное транспортное топливо — главная цель для интенсивных НИОКР, отчасти в связи с введением норм регулирования Clean Air Act в Соединенных Штатах.

Автопроизводители и исследовательские институты разрабатывают новые процессы горения, которые комбинируют преимущества бензиновых и дизельных двигателей. Например, компании General Motors Corp., Robert Bosch Corp. и Стэнфордский университет сейчас занимаются разработкой технологии эффективного сгорания топлива Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), которая обещает сделать бензиновые двигатели более эффективными (на 20%), с достижением близкой к нулю эмиссии NOx и снижением цены. Технология реализуется как в обычном, так и в гибридном варианте посредством однородного оптимального смешивания ТВС, сжатия и спонтанного воспламенения за счет повышения температуры (процесс, аналогичный тому, что происходит в дизеле).

Новые применения для датчиков связаны с мониторингом процесса горения непосредственно в цилиндрах (engine combustion sensors). Например, для осуществления замкнутого контроля Honeywell, SiemensVDO (рис. 4ш, щ), Dana предлагают датчики давления в цилиндрах. Датчик Incylinder Pressure Sensor Honeywell допускает различные варианты расположения — в соединителе свечи, головке цилиндров, инжекторе — и работает при высоких температурах (до 350 °C).

Износ двигателя, сбои инжекторов, сбои в зажигании, производственные допуски могут ухудшать характеристики горения и эмиссии. Контроль за работой двигателя может быть улучшен вычислениями, которые помогает сделать датчик, — оптимального крутящего момента, начала зажигания, пикового давления и других параметров.

Для того чтобы осуществлять интеллектуальное управление двигателем технология Dana предполагает интегрирование датчика давления и температуры непосредственно в прокладку.

Введение прямого мониторинга процессов сгорания в период с 2007 по 2012 год обещает исключить датчики детонации, массового расхода воздуха и распределительного вала.

Датчик распределительного вала может стать ненужным и несколько раньше. Новейшая технология Valeo для уменьшения потребления топлива и снижения эмиссии на 20% (рис. 14) использует технологию Smart Valve Actuation (SVA) вместо обычной механической активации клапанов двигателя тросом распределителя, распределительным валом и гидравликой толкателей кулачка.

В двигателе без распределителя каждый клапан активируется индивидуально по сигналам блока контроля клапанов (VCU) или ECU, гарантирующим оптимальную работу системы.

При контролировании содержания остаточных газов, минимизации потерь в насосах и деактивации цилиндров и клапанов достигается экономия топлива и уменьшение эмиссии на 20%. Массовое производство SVA запланировано в 2009 году.

Заключение

Потребность в сенсорных устройствах для новых двигателей и особенно для следующего поколения гибридов будет еще более высокой, чем для обычного автомобиля — необходима гарантия того, что все системы, включая электрический двигатель и ICE, работают согласованно в любой ситуации вождения.

Многие из альтернативных автомобилей пока существуют только как концептуальное решение, но ожидаемые новшества предваряют интенсивную разработку датчиков — например, массового расхода газового топлива, давления, эмиссии, состава природного газа (Natural-gas composition sensor) и многих других.

Таким образом, хотя сегмент автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии включает много устоявшихся решений, применяемых многие годы, инновации, особенно в области контроля эмиссии дизелей и датчиков для гибридов, создают большие рыночные возможности для осуществления и сбыта новых разработок на основе ИС, MEMS и мультисенсорной платформы. Сайты большинства производителей автомобильных датчиков, названных в статье, содержатся в [24].

Литература

  1. El-Awar N. Y., Geer D. J., Krellner Th. J., Straub P. J. Automotive Temperature Sensing. Keystone Thermometrics. Sep, 1999. www.thermometrics.com
  2. Bluestein I. Understanding Contact Temperature Sensors. RdF Corp. Sensors, Jan 1999.
  3. Desmarais R., Breuer J., Airpax. How to Select and Use the Right Temperature Sensor. Sensors, Jan, 2001.
  4. Peacock G. R. Temperature Sensors: Contact or Noncontact? Temperatures Com, INC. Sensors, Jan, 2006.
  5. Goetz J. Sensors That Can Take the Heat., Honeywell SSEC. Part 1-3. Sensors, June-Aug, 2000.
  6. Volbrecht A., Gordon W. Temperature Measurement: Making Sense of It All. Sensors, June, 1998.
  7. Пушкарев М. Популярные контактные технологии термометрии // Компоненты и технологии. 2006. № 1–2.
  8. Semiconductor sensors. Infineon Data Book, april 2005. www.infineon.com
  9. General Silicon sensors for temperature measurement. Philips Semiconductors, Sep, 2000. www.semiconductors.philips.com
  10. Cook R. Smart Infrared Temperature Sensors: Making Sense of the New Generation., Raytek Corp. Sensors, Nov, 2000.
  11. Сысоева С. Автомобильные акселерометры // Компоненты и технологии. 2005. № 8, 9. 2006. № 2–5.
  12. Сысоева С. Взгляд на современный рынок автомобильных датчиков. Основные тенденции и важнейшие рыночные фигуры // Компоненты и технологии. 2006. № 7.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке