传感器在传统燃油家用轿车上的应用

王春生WANG Chun-sheng

（苏州工业职业技术学院，苏州 215104）

1 传感器在传统燃油车中的重要性

有人这样形象地比喻汽车的各个部分，发动机好比汽车的“心脏”，是汽车的动力装置，底盘部分好比汽车的“骨架”，支撑汽车整体并通过底盘部分完成汽车的运动，车身及附件好比汽车的“躯体”，实现安全载人，让驾乘有更加舒适、安全的感受，ECU控制器好比汽车的“大脑”，控制指挥整个汽车的运动，传感器好比是汽车的“眼睛”，眼睛看到了，才能提供给大脑有效的信息，让大脑做出正确的处理。燃油汽车的工作就是围绕着如何让汽油发动机高效、安全、尽可能无污染地产生动力和汽车如何安全、平稳地运行，这两个基本问题展开。要实现这两点，要让燃油汽车更安全、更绿色高效，就必然要在汽车上安装各种类型的传感器才能智能地判断各种数据是否符合标准，才能让ECU控制器智能地控制汽车的安全行驶。

传感器之所以被比喻成“眼睛”，是因为它能像人的眼睛、耳朵等五官一样，能感受到外界信息的变化，还能按照一定的规律把这种变化转换成电控单元（控制器）能认识的电信号。比如传感器就能感受到温度、压力、流量、速度、液位等等信号的变化，还能把这些信号传递给电控系统，做出相应的控制。

传感器在汽车中很重要，如果合理地使用各种传感器比如流量传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器等等，可以确保汽车的安全，可以使汽车的轿厢有舒适的环境，使驾乘人员的感觉更好，使汽车的性价比更高。合理地使用氧传感器等可以使燃油车的尾气排放符合越来越严格的排放标准。

本文就将系统地阐述传感器，这双“眼睛”是如何确保燃油汽车安全行驶和发动机高效、安全、尽可能无污染地产生动力的，以及在使用的过程中存在的问题和笔者的一些思考。

2 传感器在传统燃油车中的应用及分析

2.1 流量传感器的应用与问题分析

燃油汽车为了得到最佳的燃烧状态和最小的排气污染，必须对燃油与空气的混合比例精准控制，必须对进气流量进行有效控制，所以空气流量传感器在这个过程中就能发挥作用。空气流量传感器检测空气的流量，把实际的流量传递给ECU，ECU根据车速、载重量等不同运行状况，控制空气调节阀的开度来增加或减少空气流量。

热丝式流量传感器就是常用的一种流量传感器，它本质上就是一个金属热电阻传感器，一般采用铂制造的，因为铂热电阻在氧化性介质中比较稳定，不像铜热电阻容易氧化，而且准确度比较高、线性比较好。

图1就是一个汽车进气管道中使用的热丝式气体流速（流量）仪的结构示意图。在通有干燥空气（在进气管前端有空气滤清装置）、截面积为A的管道中部，安装有一根加热到200℃左右的细铂丝R1（测量用铂丝）。另一根相同规格的细铂丝R2（该铂丝用于解决温漂问题）安装在与管道相通、但不受气体流速影响的小室中。汽车空气系统中的热丝流量传感器的基本原理是通过电流加热该金属铂丝，使其温度高于空气（被测流体）的温度（一般加热到200℃左右），当经过空气滤清器过滤的空气流过铂热丝时，将带走铂热丝的一部分热量，使铂热丝温度下降，铂热丝在气体中的散热量与流速有关（被测气体流速越大降温越快），散热量导致热丝温度变化而引起电阻变化（铂热电阻丝的电阻随着温度的下降而下降），流速信号即转变成电信号，经适当的信号变换和处理后就能测量出气体流量的大小。

在实际使用中，如果空气流量传感器或其线路出现故障，汽车的电控系统就不能得到正确的进气量信号，就不能保证正确的油气比，造成油气混合浓度过高或者过低。根据实际使用的统计发现，造成该传感器故障的主要原因是热丝气体流量传感器需要加热，温度一般比环境温度高很多而且长时间与流动空气接触，就会有大量的空气中的微小颗粒附着在检测元件上，从而导致检测元件故障频发，而且还影响检测的精度。要进一步解决这个问题，就是要让空气中的微小颗粒接触不到或者少接触流量传感器。笔者思考的结果是进一步改进空气的流道，不要如图1将传感器直接安装在空气流道上，而是设置主流道和旁支流道，并且在旁支流道孔壁上开孔，将传感器安装在孔内的狭小空间中。这样就有效地减小了杂质附着在传感器上的可能性。在机加工能实现的情况下，可以进一步考虑将传感器安装空间与旁支流道的壁孔间做成弯曲通道，在弯曲通道中转弯部延伸的切线方向设置异物排出口，利用离心力将异物甩出，可以更加有效地解决实际使用中存在的空气杂质附着在传感器表面的问题。用这种改变机械结构的方法，用最小的代价来解决空气流量传感器可能出现的故障问题，提高传感器的可靠性。

2.2 压力传感器的应用与问题分析

汽车油箱中的汽油，经过滤清器滤清后，被燃油泵从油箱吸出，经过喷油泵调整压力，要调整到比进气压力高300kPA左右，再由分组分配器分配到各气缸对应的喷油嘴上。在这个过程中，为了实现合理的空燃比，自动地控制好喷油量，就要用到两个传感器，一个是油压传感器，油压传感器要不断进行汽油压力的有效精确测量，把测量的数据送给ECU，ECU根据具体负载情况调整燃油泵和喷油器中电磁线圈通电时间，控制喷油量；由于燃油的温度会影响油的粘度及喷射效果，所以还需要一个温度传感器来检测燃油温度。

压力检测的方法比较多，比如有电容式、压阻式、差动变压器式等，在汽车燃油系统中应用比较多的是采用半导体压阻式固态压力传感器。

这种压阻式固态压力传感器，采用半导体材料制作，可以如图2所示，把电桥中的四个应变片都制作在一个硅片上，4个应变片工艺一致性好、灵敏度相等，温度引起的漂移也可以抵消，这种传感器的灵敏度很高，动态响应比较快，而且可以克服半导体受温度影响大的缺点，集成度也很高。

使用以上压力传感器控制空燃比，不仅可以使燃油系统得到最佳的燃烧状态，提高发动机的性能；还能减少尾气排放，减少环境污染，但空燃比的控制和氧传感器的检测，只能控制尾气的排放符合环境标准，还有一个不能忽视的问题是燃油也会产生蒸汽可能直接泄露到空气中去产生环境污染。因为汽油在燃油箱和曲轴箱中总是免不了会产生燃油蒸汽的，而汽车设备对气体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气中污染环境，而这样的逸出，氧传感器是无法检测的，而且这些逸出的燃油蒸汽压力极低，有关机构研究发现汽车燃油蒸汽的压力只有50mbar-700mbar，用一般的压力传感器也是无法检测到的。鉴于以上问题，笔者思考是否可以用最新的MEMS技术研发一款能测量极低压力的相对压力传感器（该传感器要能实现系统级封装，尺寸要小巧，要能承受至少80℃的燃油蒸汽长达800小时以上的高强度测试，要对恶劣环境有介质兼容性），再由控制电磁阀、活性炭罐、蒸汽分离阀及相应管道和真空软管等组成一个能捕获、收集燃油蒸汽，并将燃油蒸汽送回进气管与空气混合后再进入发动机燃烧的系统。为了方便维修和保养，这个系统还要提供多种诊断功能，比如断路诊断、钳位电平、以及各种内部故障诊断功能等。将这样一个燃油蒸汽的检测、收集、利用系统安装在燃油汽车上，既能更全面地减少燃油汽车对环境的污染，还可以通过燃油蒸汽的再利用提高燃油的经济性。这样的燃油蒸汽系统的设想和研制，在燃油汽车不能完全替代的情况下，优化了传统的内燃机技术，是有一定的社会意义和经济价值的。

2.3 温度传感器的应用与问题分析

测量燃油温度的传感器可以采用NTC热敏电阻传感器。热敏电阻传感器是用半导体材料制作的电阻温度传感器，利用电阻阻值与温度有关的原理工作。NTC热敏电阻又分为突变型和指数型，在温度测量中我们一般选用NTC指数型热敏电阻，这种传感器的优点是在相同温度变化的情况下，NTC热敏电阻传感器阻值的变化比一般的热电阻传感器要大很多，所以比较灵敏，测温准确性很高。在汽车燃油系统上安装NTC热敏电阻，实时检测汽油的温度，推算燃油粘度，把这些信号提供给ECU，ECU根据反馈的温度信号，有效地进行燃油量的调节，可以更精准地控制空燃比（空气燃油比例）。

以上是温度传感器在燃油温度测量中，所使用的是NTC热敏电阻传感器。在燃油汽车上使用温度传感器的地方很多，有油温传感器、空气温度传感器、空调温度传感器、冷却液温度传感器等，笔者还想到了一种新的应用场景。燃油汽车中发动机是核心，而发动机最常见的故障中最难解决的是发动机缺缸问题。发动机缺缸有一种维修方法是触摸感温法。具体做法是在发动机完全冷却的情况下，启动怠速5-10分钟，然后熄火，用手逐个触摸火花塞瓷体感受其温度，如果温度较高说明该缸工作正常，如果温度过低，说明该缸不工作，也就是缺缸。这种方法往往是在已经发生严重的缺缸现象的情况下，才想到的判断是否缺缸的一种手段，那能否用同样的原理，利用温度信号在缺缸发生的第一时间就能自动判断是否缺缸、缺哪个缸。鉴于以上想法，可以设计一款基于温度传感器的缺缸检测报警系统。首先将温度传感器分置于发动机排气歧管分管靠近发动机内侧，并给每一个气缸通道编号，如果是四气缸，就编号1-4号，温度传感器采集对应气缸的温度，然后传送给车载控制系统，如果温度低于某一个阈值，就认为该气缸缺缸并给出报警信号，提示是几号气缸缺缸。如果发动机熄火该温度采集系统停止工作，发动机刚启动的5分钟内该温度采集系统不工作，以避免产生误报警。运用这样的基于温度传感器的温度采集、报警系统，可以实现缺缸的自诊断功能，避免长期缺缸对发动机的损伤，也将大幅度缩减缺缸发生的维修时间。

2.4 氧传感器的应用与问题分析

在气缸中燃烧的汽油，产生废气，通过排气门、排气管进行排气。当汽车的空燃比不正确的时候，燃烧效率比较低，会产生大量的黑烟排出，影响空气质量，对环保产生影响。要让汽油充分燃烧就要有足够的氧气，所以我们可以通过尾气中氧气含量的检测，来判断是否燃烧充分，空燃比是否合适，如果不合适，就要自动进行空燃比的调整。这个过程就需要一个重要的传感器，那就是氧含量传感器。在汽车中一般采用的是二氧化钛氧浓度传感器，这是一种半导体气敏电阻传感器，对氧气十分敏感，当该传感器周围的氧气浓度比较大的时候，氧原子进入TiO2（N型半导体）晶格，半导体电阻率变大，电阻值增大，当氧浓度下降时，电阻值变小。利用以上原理，就可以把氧浓度的变化转化为电阻值的变化，可以用来间接控制空燃比。

氧传感器及其电路出现问题会使发动机油耗增加，更重要的是排气会污染环境。在实际使用中，氧传感器主要存在硅中毒、积碳、加热器电阻丝烧断、传感器内部线路断路或脱落等问题。通过观察氧传感器顶尖部位的颜色可以大致判断是由于硅中毒、还是积碳等原因造成氧传感器工作不正常，辅助仪器检测可以更准确判断问题所在。除了以上有病治病式的解决问题的方法，还可以采取治未病的方式，在氧传感器本身的材料和性能上下功夫，从根本上保证氧传感器的可靠性，减少故障率。主要解决思路如下：第一、改进氧传感器的保护层材料。正是因为空气中各种杂质（灰尘、油、硅等）会堵塞氧传感器的保护层和电极，才导致了氧传感器出现上述各种故障问题。如果能使用吸附效果好、催化能力强、透气性好的材料制造保护层，使得杂质等被吸附、聚集在保护层并能得到转化（关键是高效的转化），就可以提高氧传感器的抗劣化性能。第二、改进电极材料、敏感材料在高温的稳定性。汽车氧传感器的工作环境比较恶劣，不仅是有大量杂质要吸附的问题，还有氧传感器经常工作在温度500℃以上的高温环境中，但现在使用的氧传感器有的温度上限只有800℃左右，大众捷达某车型氧传感器温度高于850℃氧传感器就容易损坏，而且很多氧传感器在温差快速变化的时候也极易出现问题。针对以上问题，可以从材料添加剂入手，从氧传感器的制造工艺入手，研发工作温度范围宽、高温时稳定性好，耐久性好的电极材料和敏感材料，以提高氧传感器的环境适应性。第三、提高测量、反馈信号的精度。随着人类保护环境意识的增强，对汽车尾气的排放标准越来越高。不仅要通过材料的改进、制造工艺的改进提高氧传感器的抗劣化性和环境适应性，还要从测量技术、从传感器原理的改进上，提高氧传感器的检测精确度。

2.5 液位传感器的应用与问题分析

在燃油汽车上安装有各种各样的液位传感器，比如燃油液位传感器、冷却液液位传感器、制动液液位传感器等。这些传感器都是接触式检测，都是用来检测各种液体的储存量并将液量信号转换后提供给电控系统，由系统判断是否液位过低是否产生报警信号。比如制动液液位传感器就是检测制动液的液量的，而制动液会影响汽车的刹车性能，是比较关键的一个液位检测信号。制动液液位传感器都是安装在制动液储液壶上，而这个液位传感器并不是完全密封的，这就存在一个可能的安全隐患。因为在梅雨季节，连续下雨会导致空气中含有大量水分，制动液又有很强吸水性，制动液液位传感器一部分在油壶中，一部分在外部，对气体的密封性很难做得很好，于是就有水气从制动液液位传感器进入储液壶，而制动液中含有水气会拉低制动液的沸点，如果开车过程中制动液由于高温突然沸腾刹车会直接失灵，产生极大的危险。

针对以上问题，可以考虑研制一种新的无接触式液位测量系统。笔者通过查阅资料发现，有厂家生产一种无接触式电容液位传感器，利用制动液的感应电容来检测是否有液体存在。在没有液体靠近感应器的时候电容值比较小，当有液体靠近感应器时电容值比较大，把该种电容值的变化转换后传送给电控系统，进行制动液的液位控制。采用这样的液位传感器，不需要接触制动液，就可以比较容易地确保制动液储液壶的密封性，就解决了前面所描述的刹车问题，提高了汽车的安全性。

3 总结

以上分析我们会发现在燃油汽车上，不论是对安全性和环保性的追求，还是对舒适性和提高发动机效率的追求，都离不开传感器，都对传感器有更高的性能要求和更多的功能需求，汽车传感器产品的应用场景将会不断增加，汽车传感器产品在汽车中的重要性不言而喻。