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[发动机] 降低柴油发动机排放的传感器技术

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发表于 2016-5-3 18:03:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  减少二氧化碳排放是当今汽车领域最热门的话题。欧盟委员会最近宣布到2012年获得更安全更环保汽车的路线图。汽车消费者购买方式中的明显变化也证实,消费者想要能满足自己个人与专业需求的有最高燃料效能汽车。通过混合燃料技术等进展,汽车制造商正在推出降低二氧化碳排放的新款汽车。另外还有一些技术也致力于这一目标,如Blue Motion、Econetic和Efficient Dynamics。
  的污染率高于汽油动力汽车,这也是一个事实。尤其是,柴油微粒对人体有伤害,会造成肺部不适、癌症和心脏疾病。老式柴油发动机会排放出较大可见微粒,像黑烟一样,而新型发动机排放的微粒一般很小,无法用肉眼看到。
  为使这些排放更清洁,汽车制造商建立了柴油(diesel particulate filters,DPF)。自1980年以来,这些过滤器已用于越野车,从1996年起用于某些普通汽车。现在DPF可以捕获低至2.5微米的柴油煤烟微粒,因此将微粒排放从60%降低到7%。DPF采用多孔陶瓷材料,最终会饱和,需要清洗和再生。作这种维护时需要将DPF加热到+600℃以上的排气温度。为了达到这种高于正常的温度,ECU(电控单元)会暂时延缓喷油,并限制吸气。这时就成为关键的控制元件:通过用压力传感器测量过滤器上的压降,就可以确定开始再生过程的最有效时点。
  接口实现
  以柴油过滤模块为例,我们在 DPF中安装了一个采用传统压敏电阻元件的压差传感器。这个传感器检查一个较小的压力范围,一般为0至15psi。一只传感器接口IC(如Melexis 公司的MLC90320 CMOS模拟传感器接口)连接在传感器的输出端,构成一个阻性Wheatstone桥式电路。这个接口可将电阻的小变化电压(通常是数毫伏)转换为相当大的输出电压变动。采用这种结构,电路就能够比较过滤器前、后的压力信号(图1)。接口芯片对传感器的信号作放大和校正,将其变换为ECU能够识别的值。当 DPF饱和时,接口会探测到在过滤器前、后的信号之间有一较大的压力差。接口IC对这一差值作放大和补偿,传给ECU。这个过程可以使传感器接口控制检测元件与ECU之间的通信,保证过滤器的连续正常工作。

DPF

DPF

  传感器接口
  在上述例子中,压敏电阻检测元件连接到传感器接口的输入端,它对信号作增益与偏移的补偿,以确定有经过良好校准的输出信号。此外,在不同的粗调阶段采用3位和10位数模转换器(DAC),这种特殊接口的输出架构中采用了另外一片10位DAC,能够对输出变化范围作精确的校准(图2)。

除了前端粗调增益级(front-end coarse gain stages)的两个DAC以外,MLX90320传感器接口的架构还在输出级有一个额外的10位DAC,以保证精确校准

除了前端粗调增益级(front-end coarse gain stages)的两个DAC以外,MLX90320传感器接口的架构还在输出级有一个额外的10位DAC,以保证精确校准

  设备的架构可以容易地检测出数毫伏的传感器输出,并获得4V的精准输出范围。为确保接口芯片的顺利补偿调节,我们增加了一个粗略的补偿校正,用于补偿检测元件的大偏移变化,并使用了可调的10位补偿。在考虑温度问题时,传感器接口也可以连接到内部或外部温度传感器。
  不过,如果应用中传感器周围温度与接口周围温度不同,则最好只用一个外接温度传感器。将外接电阻连接到用于调整偏置和增益的温度链上,接口就可以在必要时完成精确的10位温度测量(图3)。这样可以将外接温度传感器尽量靠近压力传感器安装。

图3. 当温度是一个考虑因素时,传感器接口也可以通过一只外接电阻连接到一个内部或外部温度传感器。

图3. 当温度是一个考虑因素时,传感器接口也可以通过一只外接电阻连接到一个内部或外部温度传感器。
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