【日】 內(nèi)山薫

0 前言

1960年，汽車尾氣排放首次成為社會(huì)問(wèn)題。1970年，美國(guó)制定了著名的“馬斯基法”，目的是防止大氣污染，這一排放法規(guī)將汽車廢氣排放限值修訂為以往的1／10。恰巧也是在當(dāng)時(shí)，微型計(jì)算機(jī)問(wèn)世，這加快了與廢氣排放對(duì)策相對(duì)應(yīng)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)電控化的進(jìn)程［1］。同時(shí)，作為檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷狀態(tài)的重要裝置，空氣流量傳感器已成為必不可少的汽車部件。

1 車用發(fā)動(dòng)機(jī)的電控化與空氣流量傳感器的作用

圖1為電控燃油噴射系統(tǒng)示意圖。這一系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將采集到的信號(hào)n，與用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的空氣流量傳感器所采集到的信號(hào)Q一起，輸入至發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元，再使用微型計(jì)算機(jī)計(jì)算最佳的燃油噴射量q，最后通過(guò)噴油器噴射燃油。參數(shù)n、Q、q的關(guān)系如式（1）所示。

式中，M為冷卻液和空氣的溫度，是與加速及減速等運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)相關(guān)的系數(shù)。

2 空氣流量傳感器的工作原理

檢測(cè)空氣流量有多種方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，作為燃油的燃燒控制參數(shù)，檢測(cè)空氣的質(zhì)量流量是較為理想的方法。最初，有多家生產(chǎn)商開發(fā)了分別測(cè)量空氣體積或質(zhì)量的流量傳感器，而日立汽車系統(tǒng)公司的研究人員決定開發(fā)并采用檢測(cè)空氣質(zhì)量流量的熱線式傳感器。熱線式傳感器的原理是，使電流流過(guò)加熱的電阻器（熱線），在發(fā)熱的狀態(tài)下暴露于空氣中，由于空氣的傳熱作用，會(huì)導(dǎo)致熱線溫度發(fā)生變化（即電阻值發(fā)生變化）。在此，如對(duì)電流加以控制，使加熱溫度維持恒定值，則加熱電流就能作為空氣流量的函數(shù)。設(shè)加熱的熱線電阻值為Rh，加熱電流為Ⅰh，則熱線的加熱電力與至空氣的傳熱將遵循King的試驗(yàn)公式（式（2）），加熱電流Ⅰh與空氣流量Q呈4次方的關(guān)系。

式中，A和B是與熱特性相關(guān)的常數(shù)，ΔT是熱線溫度Th與空氣溫度Ta的差。

3 傳感器元件和熱線元件的開發(fā)

在1970年的市場(chǎng)上，并沒(méi)有適用于熱線式空氣流量傳感器的電阻器商品，因此，當(dāng)時(shí)的研究人員自行開發(fā)了熱線元件（圖2）。該元件是在外徑0.5mm、長(zhǎng)2.0mm的陶瓷軸線管的兩端，用玻璃固定鉑系合金引線，再繞卷20μm的鉑絲，并且在鉑絲表面用玻璃包裹保護(hù)。另外，用焊接的方法連接鉑絲與引線。研究人員經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)試驗(yàn)后，才確定了上述結(jié)構(gòu)和尺寸。在這一過(guò)程中，須解決的課題包括：熱容量必須能滿足隨空氣流量變化的響應(yīng)性要求；傳感器元件的尺寸須能夠匹配后文所述旁通回路的需要；能確保耐受空氣中塵埃附著的性能可靠性。此外，在傳感器的量產(chǎn)化過(guò)程中，針對(duì)鉑絲的卷繞操作自動(dòng)化技術(shù)，也進(jìn)行了仔細(xì)的研究。在經(jīng)反復(fù)研究后發(fā)現(xiàn)，采用當(dāng)時(shí)已有的自動(dòng)繞線機(jī)無(wú)法按設(shè)計(jì)要求卷繞鉑絲。所以，研究人員用高速攝像機(jī)拍攝了技術(shù)熟練的工人手工繞線的動(dòng)作并加以分析，從而了解了無(wú)法從原理上加以說(shuō)明的操作技巧。由此也說(shuō)明，產(chǎn)品制造的關(guān)鍵在于加工工藝的科學(xué)化。

4 傳感器元件的通用化和控制回路的開發(fā)

在空氣流量傳感器中，必須要有加熱的電阻器（熱線），以及用于檢測(cè)空氣溫度的電阻器（冷線）。通常情況下，由于是被加熱的，所以熱線要使用低阻抗的電阻器；而冷線上即便加載與熱線相同的電壓，也不會(huì)被加熱，因此使用隨空氣溫度的變化改變電阻的高阻抗電阻器，并由此組成橋接電路。

然而，如果分別開發(fā)上述2種電阻器，那么，無(wú)論在開發(fā)周期，還是在開發(fā)成本方面，都是不利的。于是，最后確定的研究思路是使用相同的電阻器，但在電路上進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以達(dá)到最終的性能要求。由此開發(fā)出的成果就是圖3所示熱線控制回路（即雙橋電路）。由于使用單級(jí)放大器的阻抗轉(zhuǎn)換電路，可提高冷線Rc的阻抗，從而實(shí)現(xiàn)冷線Rc與熱線Rh的通用化［2-4］。

5 車用空氣回路和旁通回路的開發(fā)

汽車會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)中的不完全燃燒而產(chǎn)生逆火現(xiàn)象。因此，在研究中，必須考慮到下文所述防止灰塵附著的可靠性問(wèn)題。并且，車用電源只采用12V的蓄電池，因此必須降低各種車載電子系統(tǒng)的耗電量。基于上述要求研發(fā)出的旁通回路結(jié)構(gòu)如圖4所示。將流入全部進(jìn)氣的主氣流的一部分分流到設(shè)置熱線的旁通回路中，如圖4中虛線所示，在回路外圍繞行3／4周，然后再次與主氣流匯合。這種旁通回路的結(jié)構(gòu)不僅可以隔離由逆火現(xiàn)象導(dǎo)致的沖擊波，保護(hù)熱線，還能確保防塵性，降低耗電量，而且對(duì)于降低因車用發(fā)動(dòng)機(jī)特有的空氣脈動(dòng)引起的檢測(cè)誤差也能發(fā)揮極大的作用。

目前，這一旁通回路結(jié)構(gòu)已成為車用空氣流量傳感器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

6 防塵對(duì)策和可靠性設(shè)計(jì)

熱線式空氣流量傳感器的最大問(wèn)題在于，由于空氣中含有的灰塵，以及由發(fā)動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生的油霧、油漬及碳等會(huì)附著在熱線上，致使傳感器檢測(cè)精度降低，甚至喪失檢測(cè)功能。研究人員利用相關(guān)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)。圖5中部件左側(cè)為高溫區(qū)域，右側(cè)為低溫區(qū)域，圖5（a）是吹入灰塵并附著水分后的試驗(yàn)結(jié)果，圖5（b）是吹入灰塵并附著油污后的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)對(duì)灰塵附著在部件上的情況進(jìn)行了分析。由試驗(yàn)結(jié)果可知，如加熱溫度達(dá)到200℃以上，則部件上不會(huì)附著灰塵。根據(jù)這一結(jié)果，設(shè)定熱線的加熱溫度應(yīng)比空氣溫度Ta高200℃。檢測(cè)元件和旁通回路的技術(shù)規(guī)格也是在反復(fù)進(jìn)行類似試驗(yàn)后才最后確定的。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，最終研發(fā)出的空氣流量傳感器已能滿足排放法規(guī)所要求的“11年或12萬(wàn)mile①為符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注?！钡氖褂脡勖谀繕?biāo)。

綜上所述，經(jīng)潛心研究和試驗(yàn)所開發(fā)的空氣流量傳感器最終于1981年首次被配裝在汽車上，該傳感器迄今已累計(jì)生產(chǎn)2億臺(tái)。在產(chǎn)品研發(fā)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，日立汽車系統(tǒng)公司的技術(shù)始終處于領(lǐng)先地位的原因如下：（1）傳感器的防塵性能優(yōu)異，這是因?yàn)椴捎昧嘶覊m難以附著的熱線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加熱溫度設(shè)定，并且，旁通回路的結(jié)構(gòu)也能降低灰塵與熱線之間的沖撞；（2）研究人員直接參與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)和試驗(yàn)，因此能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，從而系統(tǒng)性地確認(rèn)存在的問(wèn)題；（3）日立汽車系統(tǒng)公司中設(shè)有專門的半導(dǎo)體研發(fā)部門，能夠按照車用部件的特殊標(biāo)準(zhǔn)，提供傳感器所需要的部件產(chǎn)品。此外，該公司還擁有從火花塞研究中積累的陶瓷技術(shù)，以及點(diǎn)火線圈的繞線工藝等基礎(chǔ)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，在產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程中，研究所、生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)部門的技術(shù)人員展開充分的研究討論，將“產(chǎn)品的首創(chuàng)性”作為開發(fā)宗旨，最終開發(fā)出具有優(yōu)異性能的傳感器產(chǎn)品。

7 今后的發(fā)展動(dòng)向

目前，研究人員正在以進(jìn)一步改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、降低廢氣排放為目標(biāo)開展研發(fā)工作。所涉及的新技術(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化、怠速起停、燃燒過(guò)程的超稀燃技術(shù)等，此外，還有能彌補(bǔ)上述技術(shù)缺陷的增壓器配套應(yīng)用等。出于這類技術(shù)周邊工作環(huán)境的需要，對(duì)空氣流量傳感器技術(shù)規(guī)范的要求已越來(lái)越嚴(yán)格。具體而言，就是必須改善隨空氣量變化的檢測(cè)響應(yīng)性，拓展動(dòng)態(tài)測(cè)試的范圍，以及提高檢測(cè)精度。下文將就對(duì)提高檢測(cè)精度極為重要的空氣脈動(dòng)中逆流的影響加以說(shuō)明。

傳統(tǒng)的熱線式空氣流量傳感器無(wú)法檢測(cè)空氣的流動(dòng)方向。因此，由發(fā)動(dòng)機(jī)倒吹返回的空氣（逆流）也會(huì)被作為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量輸出。由于發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的趨勢(shì)，氣缸數(shù)減少，并且應(yīng)用阿特金森循環(huán)后，空氣逆流會(huì)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致檢測(cè)精度降低。因此，要求開發(fā)出能檢測(cè)空氣逆向流動(dòng)的空氣流量傳感器。最近已進(jìn)入實(shí)用化階段的就有運(yùn)用微電子機(jī)械系統(tǒng)的檢測(cè)元件（圖6）［5，6］。圖6（a）示出這一傳感器的結(jié)構(gòu)與逆流檢測(cè)的原理。在硅質(zhì)基板中央設(shè)置加熱器，于空氣流動(dòng)的上游和下游分別設(shè)置溫度傳感器。加熱器和溫度傳感器均使用電阻溫度系數(shù)較高的材料制成。用保護(hù)膜包覆加熱器和溫度傳感器后，在硅質(zhì)基板內(nèi)側(cè)面實(shí)施蝕刻加工，形成加熱器和溫度傳感器的基座薄板。薄板的厚度約為1μm，這樣就能將傳感部位的熱容量控制在熱線的1／100以下，從而達(dá)到高速檢測(cè)的目的。

從傳感器的工作原理來(lái)看，在沒(méi)有空氣流動(dòng)時(shí)（V＝0），薄板上的溫度分布如圖6（a）中的虛線所示，是以加熱器為中心作為檢測(cè)對(duì)象的。在有空氣流動(dòng)的情況下（V＞0），如圖6（a）中實(shí)線所示，熱量傳遞至下游，下游側(cè)的溫差dT較高。其結(jié)果是，在加熱器兩側(cè)的2個(gè)溫度傳感器電阻值產(chǎn)生差異，由此，通過(guò)計(jì)算溫差dT，可以求出空氣質(zhì)量流量。這樣，如圖6（b）所示，就能夠得到順流和逆流2個(gè)方向上的輸出。

圖6（c）是為驗(yàn)證上述結(jié)論的計(jì)算機(jī)輔助工程解析實(shí)例。在熱線式傳感器的開發(fā)中，歷經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，這些試驗(yàn)結(jié)果也相應(yīng)推進(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助工程解析技術(shù)的發(fā)展。利用上述研發(fā)成果，現(xiàn)已研制出高性能的空氣流量傳感器，期待今后傳感器技術(shù)能得到進(jìn)一步的發(fā)展與推廣應(yīng)用。

8 結(jié)語(yǔ)

基于“產(chǎn)品制造”的觀點(diǎn)，總結(jié)了日立汽車系統(tǒng)公司的研究人員針對(duì)空氣流量傳感器的開發(fā)工作。產(chǎn)品制造的基本理念是要具備“響應(yīng)社會(huì)需求，并有益于社會(huì)”的精神。在產(chǎn)品制造的過(guò)程中，無(wú)論是否存在最初的產(chǎn)品雛形，都必須具備“從無(wú)到有”的創(chuàng)新精神和挑戰(zhàn)勇氣。并且，在呈全球化發(fā)展趨勢(shì)的大環(huán)境下，先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展也需要有具備挑戰(zhàn)各種難題勇氣的研發(fā)人員。

［1］笹山隆生，上野定寧，ほか.高効率パワートレイン系のためのセンサ及びセンシング技術(shù)［C］.自動(dòng)車技術(shù)會(huì)學(xué)術(shù)講演會(huì)前刷集，No.951，1995-4.

［2］白土剛，內(nèi)山薫，ほか.自動(dòng)車用空気流量センサの調(diào)整技術(shù)［C］.自動(dòng)車技術(shù)會(huì)學(xué)術(shù)講演會(huì)前刷集，No.961，1996-5.

［3］西村豊，內(nèi)山薫.自動(dòng)車エンジンの吸入空気計(jì)測(cè)技術(shù)［J］.電気學(xué)會(huì)論文誌センサマイクロマシン部門誌，118-E，1998：300-303.

［4］西村豊，內(nèi)山薫.熱線流速計(jì)のプローブ先端からの熱伝導(dǎo)に伴う誤差とその低減法［G］.日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集，66-652，C（2000）：120-126.

［5］Komzelman U，et al.Breakthrough in reverse flow detection a new mass flow meter using micro silicon technology［C］.SAE Paper 950433.

［6］松本昌大，五十嵐信彌，ほか.高信頼，高精度自動(dòng)車用マイクロエアフローセンサ［J］.電気學(xué)會(huì)誌，130-E，2010：80-85.