用于發(fā)動機(jī)管理和減排的進(jìn)氣組合傳感器

大家好，我是【廣州工控傳感★科技】傳感器事業(yè)部，張工。

近些年來有關(guān)降低汽油和柴油發(fā)動機(jī)排放和油耗的環(huán)境友好標(biāo)準(zhǔn)和出現(xiàn)的全球要求，需要創(chuàng)新性的燃燒方案，以便能夠?qū)M(jìn)氣濕度進(jìn)行閉環(huán)監(jiān)測。進(jìn)氣濕度、溫度和壓力是發(fā)動機(jī)管理的三個關(guān)鍵參數(shù)。它允許用戶在污染物排放、油耗和發(fā)動機(jī)功率之間實時找到平衡點。

簡介

TRICAN進(jìn)氣傳感器是由一種濕度、溫度和壓力組合的傳感器。現(xiàn)成傳感器一舉解決了汽車集成約束、性能和可靠問題。進(jìn)氣口濕度控制表明，濕度比與最大壓力、發(fā)動機(jī)扭矩和氮氧化物排放成反比。
排放標(biāo)準(zhǔn)正逐年變得更加嚴(yán)格；如圖1所示，柴油發(fā)動機(jī)的氮氧化物排放須低于 80mg/km [1]。

進(jìn)氣濕度控制是優(yōu)化車輛空氣/燃油混合物協(xié)調(diào)并減少廢氣排放的關(guān)鍵技術(shù)之一。

設(shè)備描述

TRICAN進(jìn)氣傳感器由塑料外殼、四針連接器和PCBA組成。濕度傳感器接觸通過 PTFE膜進(jìn)入的氣流，PTFE膜允許濕的空氣進(jìn)入傳感器，防止傳感器受到液體污染物或灰塵污染。
TRICAN傳感器，針對高濕度和高溫環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。得益于濕度感應(yīng)元件附近的加熱器，防污染能力增強(qiáng)，且冷凝后可快速回收。

濕度和溫度信號上采用信號調(diào)節(jié)階段可允許其傳遞數(shù)字輸出。壓力傳感器 ASIC 與傳感器微控制器通信。傳感器具有自我診斷功能，會發(fā)生像短路、開路或超出范圍這樣的診斷狀態(tài)。

傳感器輸出

TRICAN傳感器與另一個外部傳感器配合，支持系統(tǒng)級可信度診斷的雙向通信。其數(shù)字輸出按照J(rèn)1939，可根據(jù)（CAN 幀）配置 CAN2.0。

TRICAN提供相對濕度、特定濕度和露點（如果需要）。并且還測量空氣溫度和進(jìn)氣壓力，如圖4所示。

• 相對濕度 (RH) 是給定溫度下水蒸氣部分壓力與水的平衡蒸汽壓力之比。
• 特定濕度 (Sh) 是水蒸氣質(zhì)量與潮濕氣塊的總質(zhì)量之比。
• 露點 (DP) 是空氣冷卻從而變得充滿水蒸氣的必需溫度。進(jìn)一步冷卻后，就會凝結(jié)成液態(tài)水。
• 就精度、魯棒性、響應(yīng)和回收時間而言，在上下電極之間，夾著一薄層介電聚合物。介電容量與測量的濕度成正比。其在傳感器上的位置有助于冷凝后快速回收，同時，能夠有效防止污染物。

規(guī)范和性能

該傳感器通過自診斷功能提供數(shù)字輸出。其工作溫度范圍為-40°C至+105°C，濕度范圍為 0% 至 100%。三個TRICAN版本可滿足不同的電源：5V、12V和24V。

濕度傳感器特征

TRICAN 應(yīng)用

TRICAN 傳感器適用于需要監(jiān)控濕度、壓力和溫度且精度高和響應(yīng)時間快的各種應(yīng)用。主要應(yīng)用包括：

柴油和汽油發(fā)動機(jī)管理

一個不爭的事實是，濕度會影響進(jìn)氣密度，進(jìn)而影響燃燒 [3、4]。EGR 回路會增加進(jìn)氣的濕度。濕度、溫度和壓力傳感器可促進(jìn)性能提升和油耗優(yōu)化。它具有以下優(yōu)點：

• 噴射調(diào)適
• 點火定時 調(diào)適
• 監(jiān)控 EGR 冷凝以防止減少氣缸壽命
• 減少氮氧化物 排放
• EGR 回路控制 優(yōu)化

天然氣發(fā)動機(jī)管理

在天然氣發(fā)動機(jī)中，最大可獲得功率是進(jìn)氣濕度的函數(shù)。精益燃燒發(fā)動機(jī)中精確的空氣/燃油比至關(guān)重要。

相比傳統(tǒng)天然氣發(fā)動機(jī)，過量的空氣可降低燃燒溫度，進(jìn)而使氮氧化物排放量減少一半。當(dāng)氧氣過量時，燃燒效率更高，因為同樣量的燃油可產(chǎn)生更高的功率。

精益燃燒限值是濕度的函數(shù)，必須實時調(diào)適才能：

• 提高效率
• 減少氮氧化物排放、爆震和失火

實際氮氧化物

由于去除了上游的氮氧化物傳感器，實際氮氧化物估算中增添了高成本節(jié)約一項。主要優(yōu)點之一是：即使在冷啟動條件下，TRICAN 的精度也很高。一半的行駛循環(huán)排放產(chǎn)生于冷啟動期間，而在此期間，至少 20 分鐘氮氧化物傳感器無法高效工作。在這些特定條件下，排放量最高，因此需要特定方案。

此外，如將進(jìn)氣管的溫度和壓力傳感器換成 TRICAN 傳感器，則能進(jìn)一步降低成本。

濕度對內(nèi)燃機(jī)的影響

如上一節(jié)所述，進(jìn)氣濕度在最大壓力 [2]、扭矩和污染物排放方面影響發(fā)動機(jī)效率。下一節(jié)會提到有關(guān)Renault K4M-700四缸汽油發(fā)動機(jī)的一項實驗研究，從中可以看出特定濕度對發(fā)動機(jī)扭矩和排放氣體的影響 [5、6]。

濕度對發(fā)動機(jī)扭矩的影響

由于燃燒速度降低，當(dāng)特定濕度增加時，氣缸最大壓力會降低。如圖9所示，當(dāng)特定濕度因最大壓力降低而從10g/kg增加至40g/kg時，發(fā)動機(jī)扭矩會降低 5.5%。對于特定濕度為 15g/kg 的情況，如果測量間隔為5g/kg，則發(fā)動機(jī)扭矩將下降1%。