引擎缩小需要下一代温度传感器技术

日期:2017-09-19
 

汽车制造商需要大幅改善燃油经济性
作者:Luc Buydens产品经理Melexis
 
最新的公司平均燃料经济性(CAFE)指令将对汽车工业产生深远的影响。其意思是说,汽车制造商将需要对其整个车型实现燃油经济性的实质性改善——2017年是40mpg,在2022年这将进一步加大到49mpg。
长远目标是到2025年所有汽车都超过54mpg的燃油经济性数字。据估计,在今后十年中,执行这些CAFE指令将节省超过20亿桶石油,从而使二氧化碳排放量减少11亿吨。
启停技术、更广泛使用的混合(hybridisation)和其他各种创新,都会在车辆的运行效率方面实现所设想的改善,但内燃机还将继续发展和提高效率。更多地使用涡轮增压器、直接燃油喷射系统和较高引擎温度会提取较小燃烧量的更多能量和功率,导致引擎的尺寸进一步降低,同时保持市场一直期待的性能水平。
引擎盖下有几个关键地方(一般是引擎下游),需要在高温下测量的高精度,使引擎管理系统可以确保所有系统都运行在最高性能和最低的排放水平,同时保证小的安全裕度,以避免工作温度超过材料极限时引擎“融化”。其中包括涡轮增压器、废气再循环(EGR)、微粒过滤器、选择性催化再生(SCR)和柴油氧化催化剂(DOC)机制。凭借较小的引擎尺寸,CAFE指令可检测上述每个点推升的温度,而温度容差必须变得更为严格。这些更紧凑引擎需要提高废气治理水平(检查过滤器是否正常工作,并确保过滤器再生正确执行)也是改进温度测量准确性的主要推动力。
 
汽车温度测量的关键属性
温度传感器子系统有一系列不同属性,需要能够满足小型汽车引擎中实现全部效力。其中最重要的如下所示:
•      处理所涉及温度和更严格温度容差的能力。
•      更好的诊断能力以验证获得电子控制单元(ECU)接收的温度数据,引擎温度数据管理软件永远可靠。
•      支持降低材料费用清单。
•      为多个传感器提供ECU单输入,而不是需要每个传感器单独输入(因为只有有限数量的ECU输入,这已经是很大需求)。
•      方便的连接方式。在汽车设计中的各种元素中越来越多采用SAE J2716 SENT协议,针对从传感器到控制电子设备的数据传输。
 
温度传感技术综述
各种技术可用于确定温度。直到现在,根据电阻值测量温度变化被证明是汽车引擎中实现这个目标的最佳方式,方法是汽车制造商将热敏电阻装在发动机罩下的不同点。它们既可以是陶瓷负温度系数(NTC)器件,也可以是铂基正温度系数(PTC)器件。大多数热敏电阻用于较低温度范围(低于600℃)。它们也只有中等水平的准确性(这是因为容差边缘继续收紧,这将成为一个问题)。PTC热敏电阻器有更好的精度(虽然很不幸,由于其铂结构带来了更高的单位成本),但是,由于可靠性原因,它们只限于达到900℃的温度。
在工业应用中采用了光学技术,用红外传感器能够以较少接触的方式确定特定物体的表面温度。虽然这种方法可以轻松应对高温,但要在高效的汽车引擎新品种(顺畅地测量1500℃),它们并不适合用在这种特殊背景下使用。汽车动力总成应用的特点是大量的微粒,以及存在的油和油脂,随着时间的推移这将损害传感器的性能。所有这些因素使得这种温度测量方法完全不切实际。
热电偶也提供了一个广泛的温度范围(一般达到1300℃),也更加强大。这些器件已经在工业和汽车测试中广泛使用,用30-40个传感器放置在车辆的不同点上监测温度。因此,汽车引擎非常适用这种技术。测量的温度等于产生的输出电压。虽然电压信号很小(只需几毫伏),问题就在这里。尽管能够在实验室环境中提供良好的准确度,但当应用到苛刻的汽车电子环境时,困难开始出现了。在工作的车辆中存在电压尖峰、 电磁干扰和噪声的其他来源,基本上不可避免,这些都会影响热电偶的信号完整性。这是实施引擎设计相当大的障碍。由于热电偶布线相当昂贵,这进一步加剧了这一事实。最后是传感器漂移方面的考虑。热电偶在本质上是稳定的,但当有如此紧密的容差时,即使是微小的变化,它们的性能特点随着时间的推移可能变得很重要(因为这些器件将使用十年以上)。
我们认识到,缩小的趋势将为引擎温度测量提供一种新的方法,Melexis有一个专家小组在开发更合适发动机罩下热电偶所需的传感器接口技术。这就需要使用尖端的信号调节技术。
面临的主要挑战是实现小热电偶电压的高精度测量,并确保这种测量的长期稳定性。还需要更先进的诊断功能,以确保给ECU的温度数字是可信的。通常,现有诊断机制只能检查汽车点火阶段温度传感器是否正常工作。并没有考虑到在长途旅行过程中,可能会出现故障,因此不能及时作出反应。在这一过程中,车辆可能有多余的排放和严重损害。因此,需要的是连续诊断。另外,为了简化问题,应该在不需要ECU的情况下处理这些功能。
本开发项目的结果是MLX90342四通道热电偶接口IC。这个器件支持1300℃的测量温度范围,允许多达4个相连的热电偶在1100℃时提供±5℃(典型)精度,与目前市场上的器件相比,提高了2倍精度水平。它能够通过数字接口传送温度数据(符合SENT协议修订版3),并且每一个热电偶都有一个50Hz刷新率。由于由于采用了板上冷结点补偿和先进线性化功能,IC设计在很宽温度范围表现出最强的线性。此外,它们支持校准程序,最大限度地提高初始精度。行业标准热电偶有特定的特性,在车辆生产过程中,来自汽车制造商选择的1级合作伙伴的工程师将能够编程这些IC,以连接预先定义理想特性的热电偶。
 

图1:Melexis的MLX90342热电偶接口IC
 

图2:MLX90342 IC在车辆引擎内多点连接热电偶
 
立法措施意味着,减小汽车引擎是不可避免的。现在开始出现了需要支持引擎持续操作的技术。通过传感器接口有关的进展——随着提供更高性能和更大内置功能范围的IC——CAFE指令所代表的挑战将被克服。
www.melexis.com

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