压力传感器在汽车中的常见应用

        简介
随着汽车行业燃油经济性的要求日益提高以及排放标准越来越严格，越来越多的系统应用到汽车当中，例如进气/尾气管理系统、燃油蒸汽管理系统、刹车助力系统、柴油颗粒滤清系统等。这些系统都需要借助压力传感器快速准确获得的压力信息来确定系统的状态和下一步的动作。
迈来芯公司在压力传感器的研发和生产上积累了多年的经验，其集成的压力传感器系列能够根据客户应用的要求提供不同工作模式、不同量程范围的芯片。迈来芯将MEMS工艺和CMOS工艺集成到同一个芯片上，实现了从压力传感到信号处理整个流程的单芯片解决方案。
应用
本文主体部分针对几种典型的应用进行了简要介绍，并推荐了适合该应用的迈来芯相应的压力传感器芯片。
1. 进气/尾气管理系统
汽车引擎管理系统需要在适当的时间喷射适量的燃油到气缸中，这样可以使得燃油充分有效的燃烧，达到最佳的燃烧效率，减小污染。引擎管理器的ECU做决定是基于一系列的传感器信号的，例如曲轴位置、凸轮轴位置、空气流量、进气歧管温度、进气歧管压力等。其中进气歧管压力传感器是一个工作在绝压模式的压力传感器，ECU根据该压力信号计算需要喷射的燃油量，使得燃烧过程获得最佳的空燃比。MLX90808-1和MLX90810适合于这样的应用(满量程范围为100KPa左右)，可以提供准确的进气歧管压力信息。有些车辆搭载了涡轮增压系统，进气歧管在涡轮增压器之后，这会使进气歧管中的压强高达约400KPa。MLX90808-2可以用于带有涡轮增压系统的进气歧管压力检测。为了减少氮氧化物的排放，有些车辆搭载了EGR(Exhaust Gas Recirculation, 废气再循环)系统。EGR系统将一小部分废气引入进气歧管，由于废气具有惰性会延缓燃烧过程，燃烧速度将会放慢，燃烧最高温度降低，燃烧室中的压力形成过程放慢，从而减少氮氧化物的产生。由于废气温度高并且含有多种有腐蚀性的物质，因此搭载了EGR系统的车辆对进气歧管压力传感器提出了更高的介质兼容性要求。


图1. 引擎管理系统示意图

2. 燃油蒸汽管理系统
由于燃油的挥发是碳氢排放的主要原因之一，在美国一些州的法令中强制要求对汽车的燃油蒸汽进行管理。在加油站给汽车加油时燃油蒸汽会直接排放到大气中，这样既不环保又浪费了燃油。搭载燃油蒸汽管理系统汽车的油箱蒸汽通过分离阀经管道进入活性炭罐，活性炭罐中的活性炭多孔且表面积很大，可吸附大量燃油蒸汽分子。活性炭罐与引擎的进气歧管相连，当引擎运转在进气冲程时时，活塞运动使进气歧管产生低压，在进气歧管低压吸力作用下，空气从活性炭罐中经过，将活性炭罐中吸附的燃油蒸汽分子送入引擎燃烧，使之得到充分应用，活性炭罐中活性炭的吸附能力得到恢复。燃油蒸汽管理系统中需要微压传感器(表压模式)来检测燃油蒸汽是否有泄露，迈来芯公司的MLX90807-0适合这种微压强(例如满量程5KPa)的应用。


图2. 燃油蒸汽管理系统示意图

3. 刹车助力系统
真空刹车助力器是真空助力伺服制动系统的核心部件，利用引擎进气歧管的真空和大气压的压差进行刹车助力。如图所示是一个真空助力器的示意图，在刹车未踩下时，气室膜片隔板将真空助力器分为的两个腔是连通的，通过真空单向阀接到引擎的进气歧管，两个气室均为真空。踩下刹车制动踏板时，气室膜片隔板移动，空气阀打开，真空阀关闭，气室的前腔为真空，气室的后腔与大气相连。两个腔之间的压力差作用在气室膜片隔板上，相当于增加了刹车制动力，制动力通过制动主缸推杆传到制动主缸，实现刹车功能。
如果刹车助力系统出现漏气现象，会造成在刹车时气室前后腔的压差很小甚至消失，刹车助力系统失效，造成制动距离增加，制动困难等。另外燃油直喷系统和起停系统的搭载使得汽车进气歧管的真空度降低，就需要安装真空泵提供真空来源以满足刹车助力系统的要求。在上述两种情况下都有必要增加一个压力传感器来监测气室前后腔之间的压力差是否合适，如有漏气则应启动相应的警告系统，如果真空度不够则应通知ECU启动真空泵提供额外的真空。MLX90809是一款专门针对该应用设计的压力传感器，可工作在100KPa满量程的差压/表压模式，适合刹车助力系统的应用。


图3. 刹车助力器示意图


图4. MLX90809芯片

4. 柴油尾气滤清系统
由于柴油引擎的物理特性，其排放的废气中除了一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以外还有一些微小的颗粒物，这些颗粒物是造成黑烟的主要原因。为了满足排放要求，减少环境污染，越来越多的柴油引擎都搭载了柴油颗粒滤清系统(DPF, Diesel Particulate Filter)。柴油引擎燃烧产生的尾气经过柴油颗粒滤清器时，滤清器的多孔系统会捕捉其中的颗粒，当柴油尾气颗粒不断在滤清器中累积就会造成滤清器饱和甚至堵塞，因此需要对滤清器进行再生。通过一个差压传感器检测滤清器进气口和出气口之间的压差，当压差高于设定的阈值时认为滤清器达到饱和，ECU控制提高引擎温度，引擎排放出高温尾气以燃烧存储在滤清器中的颗粒，完成滤清器的再生。MLX90807-1可以测量40KPa到200KPa的差压，适合该应用。由于尾气温度高，并且含有多种有腐蚀性的气体和颗粒，需要考虑介质兼容性的问题。


图5. 柴油颗粒滤清系统示意图

5. 以天然气/液化石油气为燃料的系统
由于天然气/液化石油气价格相对便宜，排气污染小，安全可靠，车辆改装简单，一些产天然气/液化石油气的国家和地区越来越多的使用天然气/液化石油气作为燃料。在保留原车供油系统的情况下，增加一套专用的天然气/液化石油气装置，形成“双燃料汽车”。压缩天然气/液化石油气被储存在钢瓶中，通过减压阀和压力调节器将钢瓶中的高压燃气送到燃烧室与空气充分混合后燃烧为汽车提供动力。通过两个压力传感器分别监测燃气和进气歧管中空气的压力可以更好的控制空燃比，达到最佳的燃烧状态，提高燃料的经济性，减少污染。MLX90808-2芯片可以工作于绝压模式，测量400KPa满量程的绝压，适合于监测燃气和进气歧管的压力。
迈来芯除了提供集成式的压力传感器以外还提供汽车等级的信号处理芯片，例如MLX90320、MLX90328，在一些高压、恶劣介质的压力环境可以考虑采用信号处理芯片跟陶瓷/金属传感头配合使用的解决方案，例如空调冷媒压力传感器、机油压力传感器、变速箱压力传感器、刹车油压传感器、高压共轨压力传感器等应用。