王春生WANG Chun-sheng

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215104）

1 傳感器在傳統(tǒng)燃油車中的重要性

有人這樣形象地比喻汽車的各個部分，發(fā)動機(jī)好比汽車的“心臟”，是汽車的動力裝置，底盤部分好比汽車的“骨架”，支撐汽車整體并通過底盤部分完成汽車的運(yùn)動，車身及附件好比汽車的“軀體”，實現(xiàn)安全載人，讓駕乘有更加舒適、安全的感受，ECU控制器好比汽車的“大腦”，控制指揮整個汽車的運(yùn)動，傳感器好比是汽車的“眼睛”，眼睛看到了，才能提供給大腦有效的信息，讓大腦做出正確的處理。燃油汽車的工作就是圍繞著如何讓汽油發(fā)動機(jī)高效、安全、盡可能無污染地產(chǎn)生動力和汽車如何安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，這兩個基本問題展開。要實現(xiàn)這兩點，要讓燃油汽車更安全、更綠色高效，就必然要在汽車上安裝各種類型的傳感器才能智能地判斷各種數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，才能讓ECU控制器智能地控制汽車的安全行駛。

傳感器之所以被比喻成“眼睛”，是因為它能像人的眼睛、耳朵等五官一樣，能感受到外界信息的變化，還能按照一定的規(guī)律把這種變化轉(zhuǎn)換成電控單元（控制器）能認(rèn)識的電信號。比如傳感器就能感受到溫度、壓力、流量、速度、液位等等信號的變化，還能把這些信號傳遞給電控系統(tǒng)，做出相應(yīng)的控制。

傳感器在汽車中很重要，如果合理地使用各種傳感器比如流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等等，可以確保汽車的安全，可以使汽車的轎廂有舒適的環(huán)境，使駕乘人員的感覺更好，使汽車的性價比更高。合理地使用氧傳感器等可以使燃油車的尾氣排放符合越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

本文就將系統(tǒng)地闡述傳感器，這雙“眼睛”是如何確保燃油汽車安全行駛和發(fā)動機(jī)高效、安全、盡可能無污染地產(chǎn)生動力的，以及在使用的過程中存在的問題和筆者的一些思考。

2 傳感器在傳統(tǒng)燃油車中的應(yīng)用及分析

2.1 流量傳感器的應(yīng)用與問題分析

燃油汽車為了得到最佳的燃燒狀態(tài)和最小的排氣污染，必須對燃油與空氣的混合比例精準(zhǔn)控制，必須對進(jìn)氣流量進(jìn)行有效控制，所以空氣流量傳感器在這個過程中就能發(fā)揮作用?？諝饬髁總鞲衅鳈z測空氣的流量，把實際的流量傳遞給ECU，ECU根據(jù)車速、載重量等不同運(yùn)行狀況，控制空氣調(diào)節(jié)閥的開度來增加或減少空氣流量。

熱絲式流量傳感器就是常用的一種流量傳感器，它本質(zhì)上就是一個金屬熱電阻傳感器，一般采用鉑制造的，因為鉑熱電阻在氧化性介質(zhì)中比較穩(wěn)定，不像銅熱電阻容易氧化，而且準(zhǔn)確度比較高、線性比較好。

圖1就是一個汽車進(jìn)氣管道中使用的熱絲式氣體流速（流量）儀的結(jié)構(gòu)示意圖。在通有干燥空氣（在進(jìn)氣管前端有空氣濾清裝置）、截面積為A的管道中部，安裝有一根加熱到200℃左右的細(xì)鉑絲R1（測量用鉑絲）。另一根相同規(guī)格的細(xì)鉑絲R2（該鉑絲用于解決溫漂問題）安裝在與管道相通、但不受氣體流速影響的小室中。汽車空氣系統(tǒng)中的熱絲流量傳感器的基本原理是通過電流加熱該金屬鉑絲，使其溫度高于空氣（被測流體）的溫度（一般加熱到200℃左右），當(dāng)經(jīng)過空氣濾清器過濾的空氣流過鉑熱絲時，將帶走鉑熱絲的一部分熱量，使鉑熱絲溫度下降，鉑熱絲在氣體中的散熱量與流速有關(guān)（被測氣體流速越大降溫越快），散熱量導(dǎo)致熱絲溫度變化而引起電阻變化（鉑熱電阻絲的電阻隨著溫度的下降而下降），流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)適當(dāng)?shù)男盘栕儞Q和處理后就能測量出氣體流量的大小。

在實際使用中，如果空氣流量傳感器或其線路出現(xiàn)故障，汽車的電控系統(tǒng)就不能得到正確的進(jìn)氣量信號，就不能保證正確的油氣比，造成油氣混合濃度過高或者過低。根據(jù)實際使用的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，造成該傳感器故障的主要原因是熱絲氣體流量傳感器需要加熱，溫度一般比環(huán)境溫度高很多而且長時間與流動空氣接觸，就會有大量的空氣中的微小顆粒附著在檢測元件上，從而導(dǎo)致檢測元件故障頻發(fā)，而且還影響檢測的精度。要進(jìn)一步解決這個問題，就是要讓空氣中的微小顆粒接觸不到或者少接觸流量傳感器。筆者思考的結(jié)果是進(jìn)一步改進(jìn)空氣的流道，不要如圖1將傳感器直接安裝在空氣流道上，而是設(shè)置主流道和旁支流道，并且在旁支流道孔壁上開孔，將傳感器安裝在孔內(nèi)的狹小空間中。這樣就有效地減小了雜質(zhì)附著在傳感器上的可能性。在機(jī)加工能實現(xiàn)的情況下，可以進(jìn)一步考慮將傳感器安裝空間與旁支流道的壁孔間做成彎曲通道，在彎曲通道中轉(zhuǎn)彎部延伸的切線方向設(shè)置異物排出口，利用離心力將異物甩出，可以更加有效地解決實際使用中存在的空氣雜質(zhì)附著在傳感器表面的問題。用這種改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法，用最小的代價來解決空氣流量傳感器可能出現(xiàn)的故障問題，提高傳感器的可靠性。

2.2 壓力傳感器的應(yīng)用與問題分析

汽車油箱中的汽油，經(jīng)過濾清器濾清后，被燃油泵從油箱吸出，經(jīng)過噴油泵調(diào)整壓力，要調(diào)整到比進(jìn)氣壓力高300kPA左右，再由分組分配器分配到各氣缸對應(yīng)的噴油嘴上。在這個過程中，為了實現(xiàn)合理的空燃比，自動地控制好噴油量，就要用到兩個傳感器，一個是油壓傳感器，油壓傳感器要不斷進(jìn)行汽油壓力的有效精確測量，把測量的數(shù)據(jù)送給ECU，ECU根據(jù)具體負(fù)載情況調(diào)整燃油泵和噴油器中電磁線圈通電時間，控制噴油量；由于燃油的溫度會影響油的粘度及噴射效果，所以還需要一個溫度傳感器來檢測燃油溫度。

壓力檢測的方法比較多，比如有電容式、壓阻式、差動變壓器式等，在汽車燃油系統(tǒng)中應(yīng)用比較多的是采用半導(dǎo)體壓阻式固態(tài)壓力傳感器。

這種壓阻式固態(tài)壓力傳感器，采用半導(dǎo)體材料制作，可以如圖2所示，把電橋中的四個應(yīng)變片都制作在一個硅片上，4個應(yīng)變片工藝一致性好、靈敏度相等，溫度引起的漂移也可以抵消，這種傳感器的靈敏度很高，動態(tài)響應(yīng)比較快，而且可以克服半導(dǎo)體受溫度影響大的缺點，集成度也很高。

使用以上壓力傳感器控制空燃比，不僅可以使燃油系統(tǒng)得到最佳的燃燒狀態(tài)，提高發(fā)動機(jī)的性能；還能減少尾氣排放，減少環(huán)境污染，但空燃比的控制和氧傳感器的檢測，只能控制尾氣的排放符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，還有一個不能忽視的問題是燃油也會產(chǎn)生蒸汽可能直接泄露到空氣中去產(chǎn)生環(huán)境污染。因為汽油在燃油箱和曲軸箱中總是免不了會產(chǎn)生燃油蒸汽的，而汽車設(shè)備對氣體的密封性也是有限的，燃油蒸汽就有很大可能直接逸出到空氣中污染環(huán)境，而這樣的逸出，氧傳感器是無法檢測的，而且這些逸出的燃油蒸汽壓力極低，有關(guān)機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)汽車燃油蒸汽的壓力只有50mbar-700mbar，用一般的壓力傳感器也是無法檢測到的。鑒于以上問題，筆者思考是否可以用最新的MEMS技術(shù)研發(fā)一款能測量極低壓力的相對壓力傳感器（該傳感器要能實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝，尺寸要小巧，要能承受至少80℃的燃油蒸汽長達(dá)800小時以上的高強(qiáng)度測試，要對惡劣環(huán)境有介質(zhì)兼容性），再由控制電磁閥、活性炭罐、蒸汽分離閥及相應(yīng)管道和真空軟管等組成一個能捕獲、收集燃油蒸汽，并將燃油蒸汽送回進(jìn)氣管與空氣混合后再進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒的系統(tǒng)。為了方便維修和保養(yǎng)，這個系統(tǒng)還要提供多種診斷功能，比如斷路診斷、鉗位電平、以及各種內(nèi)部故障診斷功能等。將這樣一個燃油蒸汽的檢測、收集、利用系統(tǒng)安裝在燃油汽車上，既能更全面地減少燃油汽車對環(huán)境的污染，還可以通過燃油蒸汽的再利用提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。這樣的燃油蒸汽系統(tǒng)的設(shè)想和研制，在燃油汽車不能完全替代的情況下，優(yōu)化了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，是有一定的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值的。

2.3 溫度傳感器的應(yīng)用與問題分析

測量燃油溫度的傳感器可以采用NTC熱敏電阻傳感器。熱敏電阻傳感器是用半導(dǎo)體材料制作的電阻溫度傳感器，利用電阻阻值與溫度有關(guān)的原理工作。NTC熱敏電阻又分為突變型和指數(shù)型，在溫度測量中我們一般選用NTC指數(shù)型熱敏電阻，這種傳感器的優(yōu)點是在相同溫度變化的情況下，NTC熱敏電阻傳感器阻值的變化比一般的熱電阻傳感器要大很多，所以比較靈敏，測溫準(zhǔn)確性很高。在汽車燃油系統(tǒng)上安裝NTC熱敏電阻，實時檢測汽油的溫度，推算燃油粘度，把這些信號提供給ECU，ECU根據(jù)反饋的溫度信號，有效地進(jìn)行燃油量的調(diào)節(jié)，可以更精準(zhǔn)地控制空燃比（空氣燃油比例）。

以上是溫度傳感器在燃油溫度測量中，所使用的是NTC熱敏電阻傳感器。在燃油汽車上使用溫度傳感器的地方很多，有油溫傳感器、空氣溫度傳感器、空調(diào)溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器等，筆者還想到了一種新的應(yīng)用場景。燃油汽車中發(fā)動機(jī)是核心，而發(fā)動機(jī)最常見的故障中最難解決的是發(fā)動機(jī)缺缸問題。發(fā)動機(jī)缺缸有一種維修方法是觸摸感溫法。具體做法是在發(fā)動機(jī)完全冷卻的情況下，啟動怠速5-10分鐘，然后熄火，用手逐個觸摸火花塞瓷體感受其溫度，如果溫度較高說明該缸工作正常，如果溫度過低，說明該缸不工作，也就是缺缸。這種方法往往是在已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的缺缸現(xiàn)象的情況下，才想到的判斷是否缺缸的一種手段，那能否用同樣的原理，利用溫度信號在缺缸發(fā)生的第一時間就能自動判斷是否缺缸、缺哪個缸。鑒于以上想法，可以設(shè)計一款基于溫度傳感器的缺缸檢測報警系統(tǒng)。首先將溫度傳感器分置于發(fā)動機(jī)排氣歧管分管靠近發(fā)動機(jī)內(nèi)側(cè)，并給每一個氣缸通道編號，如果是四氣缸，就編號1-4號，溫度傳感器采集對應(yīng)氣缸的溫度，然后傳送給車載控制系統(tǒng)，如果溫度低于某一個閾值，就認(rèn)為該氣缸缺缸并給出報警信號，提示是幾號氣缸缺缸。如果發(fā)動機(jī)熄火該溫度采集系統(tǒng)停止工作，發(fā)動機(jī)剛啟動的5分鐘內(nèi)該溫度采集系統(tǒng)不工作，以避免產(chǎn)生誤報警。運(yùn)用這樣的基于溫度傳感器的溫度采集、報警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)缺缸的自診斷功能，避免長期缺缸對發(fā)動機(jī)的損傷，也將大幅度縮減缺缸發(fā)生的維修時間。

2.4 氧傳感器的應(yīng)用與問題分析

在氣缸中燃燒的汽油，產(chǎn)生廢氣，通過排氣門、排氣管進(jìn)行排氣。當(dāng)汽車的空燃比不正確的時候，燃燒效率比較低，會產(chǎn)生大量的黑煙排出，影響空氣質(zhì)量，對環(huán)保產(chǎn)生影響。要讓汽油充分燃燒就要有足夠的氧氣，所以我們可以通過尾氣中氧氣含量的檢測，來判斷是否燃燒充分，空燃比是否合適，如果不合適，就要自動進(jìn)行空燃比的調(diào)整。這個過程就需要一個重要的傳感器，那就是氧含量傳感器。在汽車中一般采用的是二氧化鈦氧濃度傳感器，這是一種半導(dǎo)體氣敏電阻傳感器，對氧氣十分敏感，當(dāng)該傳感器周圍的氧氣濃度比較大的時候，氧原子進(jìn)入TiO2（N型半導(dǎo)體）晶格，半導(dǎo)體電阻率變大，電阻值增大，當(dāng)氧濃度下降時，電阻值變小。利用以上原理，就可以把氧濃度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，可以用來間接控制空燃比。

氧傳感器及其電路出現(xiàn)問題會使發(fā)動機(jī)油耗增加，更重要的是排氣會污染環(huán)境。在實際使用中，氧傳感器主要存在硅中毒、積碳、加熱器電阻絲燒斷、傳感器內(nèi)部線路斷路或脫落等問題。通過觀察氧傳感器頂尖部位的顏色可以大致判斷是由于硅中毒、還是積碳等原因造成氧傳感器工作不正常，輔助儀器檢測可以更準(zhǔn)確判斷問題所在。除了以上有病治病式的解決問題的方法，還可以采取治未病的方式，在氧傳感器本身的材料和性能上下功夫，從根本上保證氧傳感器的可靠性，減少故障率。主要解決思路如下：第一、改進(jìn)氧傳感器的保護(hù)層材料。正是因為空氣中各種雜質(zhì)（灰塵、油、硅等）會堵塞氧傳感器的保護(hù)層和電極，才導(dǎo)致了氧傳感器出現(xiàn)上述各種故障問題。如果能使用吸附效果好、催化能力強(qiáng)、透氣性好的材料制造保護(hù)層，使得雜質(zhì)等被吸附、聚集在保護(hù)層并能得到轉(zhuǎn)化（關(guān)鍵是高效的轉(zhuǎn)化），就可以提高氧傳感器的抗劣化性能。第二、改進(jìn)電極材料、敏感材料在高溫的穩(wěn)定性。汽車氧傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，不僅是有大量雜質(zhì)要吸附的問題，還有氧傳感器經(jīng)常工作在溫度500℃以上的高溫環(huán)境中，但現(xiàn)在使用的氧傳感器有的溫度上限只有800℃左右，大眾捷達(dá)某車型氧傳感器溫度高于850℃氧傳感器就容易損壞，而且很多氧傳感器在溫差快速變化的時候也極易出現(xiàn)問題。針對以上問題，可以從材料添加劑入手，從氧傳感器的制造工藝入手，研發(fā)工作溫度范圍寬、高溫時穩(wěn)定性好，耐久性好的電極材料和敏感材料，以提高氧傳感器的環(huán)境適應(yīng)性。第三、提高測量、反饋信號的精度。隨著人類保護(hù)環(huán)境意識的增強(qiáng)，對汽車尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越高。不僅要通過材料的改進(jìn)、制造工藝的改進(jìn)提高氧傳感器的抗劣化性和環(huán)境適應(yīng)性，還要從測量技術(shù)、從傳感器原理的改進(jìn)上，提高氧傳感器的檢測精確度。

2.5 液位傳感器的應(yīng)用與問題分析

在燃油汽車上安裝有各種各樣的液位傳感器，比如燃油液位傳感器、冷卻液液位傳感器、制動液液位傳感器等。這些傳感器都是接觸式檢測，都是用來檢測各種液體的儲存量并將液量信號轉(zhuǎn)換后提供給電控系統(tǒng)，由系統(tǒng)判斷是否液位過低是否產(chǎn)生報警信號。比如制動液液位傳感器就是檢測制動液的液量的，而制動液會影響汽車的剎車性能，是比較關(guān)鍵的一個液位檢測信號。制動液液位傳感器都是安裝在制動液儲液壺上，而這個液位傳感器并不是完全密封的，這就存在一個可能的安全隱患。因為在梅雨季節(jié)，連續(xù)下雨會導(dǎo)致空氣中含有大量水分，制動液又有很強(qiáng)吸水性，制動液液位傳感器一部分在油壺中，一部分在外部，對氣體的密封性很難做得很好，于是就有水氣從制動液液位傳感器進(jìn)入儲液壺，而制動液中含有水氣會拉低制動液的沸點，如果開車過程中制動液由于高溫突然沸騰剎車會直接失靈，產(chǎn)生極大的危險。

針對以上問題，可以考慮研制一種新的無接觸式液位測量系統(tǒng)。筆者通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，有廠家生產(chǎn)一種無接觸式電容液位傳感器，利用制動液的感應(yīng)電容來檢測是否有液體存在。在沒有液體靠近感應(yīng)器的時候電容值比較小，當(dāng)有液體靠近感應(yīng)器時電容值比較大，把該種電容值的變化轉(zhuǎn)換后傳送給電控系統(tǒng)，進(jìn)行制動液的液位控制。采用這樣的液位傳感器，不需要接觸制動液，就可以比較容易地確保制動液儲液壺的密封性，就解決了前面所描述的剎車問題，提高了汽車的安全性。

3 總結(jié)

以上分析我們會發(fā)現(xiàn)在燃油汽車上，不論是對安全性和環(huán)保性的追求，還是對舒適性和提高發(fā)動機(jī)效率的追求，都離不開傳感器，都對傳感器有更高的性能要求和更多的功能需求，汽車傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用場景將會不斷增加，汽車傳感器產(chǎn)品在汽車中的重要性不言而喻。