用于发动机管理和减排的进气组合传感器

大家好，我是【广州工控传感★科技】传感器事业部，张工。

近些年来有关降低汽油和柴油发动机排放和油耗的环境友好标准和出现的全球要求，需要创新性的燃烧方案，以便能够对进气湿度进行闭环监测。进气湿度、温度和压力是发动机管理的三个关键参数。它允许用户在污染物排放、油耗和发动机功率之间实时找到平衡点。

简介

TRICAN进气传感器是由一种湿度、温度和压力组合的传感器。现成传感器一举解决了汽车集成约束、性能和可靠问题。进气口湿度控制表明，湿度比与最大压力、发动机扭矩和氮氧化物排放成反比。
排放标准正逐年变得更加严格；如图1所示，柴油发动机的氮氧化物排放须低于 80mg/km [1]。

进气湿度控制是优化车辆空气/燃油混合物协调并减少废气排放的关键技术之一。

设备描述

TRICAN进气传感器由塑料外壳、四针连接器和PCBA组成。湿度传感器接触通过 PTFE膜进入的气流，PTFE膜允许湿的空气进入传感器，防止传感器受到液体污染物或灰尘污染。
TRICAN传感器，针对高湿度和高温环境进行了优化。得益于湿度感应元件附近的加热器，防污染能力增强，且冷凝后可快速回收。

湿度和温度信号上采用信号调节阶段可允许其传递数字输出。压力传感器 ASIC 与传感器微控制器通信。传感器具有自我诊断功能，会发生像短路、开路或超出范围这样的诊断状态。

传感器输出

TRICAN传感器与另一个外部传感器配合，支持系统级可信度诊断的双向通信。其数字输出按照J1939，可根据（CAN 帧）配置 CAN2.0。

TRICAN提供相对湿度、特定湿度和露点（如果需要）。并且还测量空气温度和进气压力，如图4所示。

• 相对湿度 (RH) 是给定温度下水蒸气部分压力与水的平衡蒸汽压力之比。
• 特定湿度 (Sh) 是水蒸气质量与潮湿气块的总质量之比。
• 露点 (DP) 是空气冷却从而变得充满水蒸气的必需温度。进一步冷却后，就会凝结成液态水。
• 就精度、鲁棒性、响应和回收时间而言，在上下电极之间，夹着一薄层介电聚合物。介电容量与测量的湿度成正比。其在传感器上的位置有助于冷凝后快速回收，同时，能够有效防止污染物。

规范和性能

该传感器通过自诊断功能提供数字输出。其工作温度范围为-40°C至+105°C，湿度范围为 0% 至 100%。三个TRICAN版本可满足不同的电源：5V、12V和24V。

湿度传感器特征

TRICAN 应用

TRICAN 传感器适用于需要监控湿度、压力和温度且精度高和响应时间快的各种应用。主要应用包括：

柴油和汽油发动机管理

一个不争的事实是，湿度会影响进气密度，进而影响燃烧 [3、4]。EGR 回路会增加进气的湿度。湿度、温度和压力传感器可促进性能提升和油耗优化。它具有以下优点：

• 喷射调适
• 点火定时 调适
• 监控 EGR 冷凝以防止减少气缸寿命
• 减少氮氧化物 排放
• EGR 回路控制 优化

天然气发动机管理

在天然气发动机中，最大可获得功率是进气湿度的函数。精益燃烧发动机中精确的空气/燃油比至关重要。

相比传统天然气发动机，过量的空气可降低燃烧温度，进而使氮氧化物排放量减少一半。当氧气过量时，燃烧效率更高，因为同样量的燃油可产生更高的功率。

精益燃烧限值是湿度的函数，必须实时调适才能：

• 提高效率
• 减少氮氧化物排放、爆震和失火

实际氮氧化物

由于去除了上游的氮氧化物传感器，实际氮氧化物估算中增添了高成本节约一项。主要优点之一是：即使在冷启动条件下，TRICAN 的精度也很高。一半的行驶循环排放产生于冷启动期间，而在此期间，至少 20 分钟氮氧化物传感器无法高效工作。在这些特定条件下，排放量最高，因此需要特定方案。

此外，如将进气管的温度和压力传感器换成 TRICAN 传感器，则能进一步降低成本。

湿度对内燃机的影响

如上一节所述，进气湿度在最大压力 [2]、扭矩和污染物排放方面影响发动机效率。下一节会提到有关Renault K4M-700四缸汽油发动机的一项实验研究，从中可以看出特定湿度对发动机扭矩和排放气体的影响 [5、6]。

湿度对发动机扭矩的影响

由于燃烧速度降低，当特定湿度增加时，气缸最大压力会降低。如图9所示，当特定湿度因最大压力降低而从10g/kg增加至40g/kg时，发动机扭矩会降低 5.5%。对于特定湿度为 15g/kg 的情况，如果测量间隔为5g/kg，则发动机扭矩将下降1%。