汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量檢測系統(tǒng)設(shè)計組員：魏麗丹（組長）、余舟、黃靜、申川一、研究背景內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣空氣流量是一個非常重要的測量參數(shù)，因為汽油機(jī)空燃比的調(diào)節(jié)的方式是采用調(diào)整與進(jìn)氣量相匹配的噴油量，所以現(xiàn)在電控汽油機(jī)噴射系統(tǒng)能否準(zhǔn)確的測量發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，從而正確的將空燃比控制在所要求的范圍內(nèi)，決定了發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放等性能指標(biāo)?？諝赓|(zhì)量流量傳感器是當(dāng)前汽車發(fā)動機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一，是對發(fā)動機(jī)的空氣進(jìn)氣量的準(zhǔn)確測量的器件。在車用空氣流傳感器中，由于熱式流量傳感器具有無機(jī)械傳動，無需對空氣密度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償，響應(yīng)速度快，測試靈敏度高，工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，熱式空氣流量傳感器

2、發(fā)展非常迅速，且在汽車領(lǐng)域開始得到廣泛的應(yīng)用。二、方案選擇熱式空氣流量計主要有熱線式空氣流量計和熱膜式空氣流量計兩種。（1）熱線式空氣流量計：在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量直接檢測法中，由于熱線式空氣流量傳感器的輸出直接反映了空氣質(zhì)量流量的大小，無需進(jìn)行空氣密度補(bǔ)償，無運(yùn)動部件，不但工作可靠，而且響應(yīng)快，缺點(diǎn)是在流速分布不均時誤差較大。而且熱線式空氣流量計由于鉑絲線細(xì)（約為70m），進(jìn)氣通道中氣流變化大，因而鉑絲易斷，現(xiàn)在汽車上應(yīng)用較少。（2）熱膜式空氣流量計：雖然熱膜式空氣流量計的工作原理和熱線式空氣流量計類似，但由于熱膜式傳感器不使用白金線作為熱線，而是將熱線電阻、補(bǔ)償電阻等用厚膜工藝制作，在同一陶瓷基片

3、上，使發(fā)熱體不直接承受空氣流動所產(chǎn)生的作用力，從而增加了發(fā)熱體的強(qiáng)度，不但使空氣流量計的可靠性進(jìn)一步提高，也使誤差減小，性能更好。由以上對比可知選擇熱膜式空氣流量計更合適。三、熱膜式空氣流量計工作原理1.熱膜式空氣流量計的結(jié)構(gòu)1一機(jī)體 2一傳感單元 3一驅(qū)動電路 4一傳感頭 5一空氣通道圖-1 熱膜式空氣流量計結(jié)構(gòu)如圖-1所示是熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要組成有：機(jī)體、設(shè)置在機(jī)體內(nèi)的空氣通道及安裝在空氣通道中的空氣流量傳感器的傳感單元和空氣流量傳感器的驅(qū)動電路，空氣流量傳感器的傳感單元通過螺釘連接在機(jī)體上，包括有安置于空氣通道內(nèi)的傳感頭，傳感頭電信號連接驅(qū)動電路板以及固定傳感頭

4、及其電路板的支撐架。熱線式空氣流量計安裝位置：空氣濾清器和節(jié)氣門體之間。2.熱膜式空氣流量計的基本原理熱膜式空氣流量傳感器屬于量熱式傳感器，其原理是對傳感器的傳感單元進(jìn)行加熱，由于測量流體的流動導(dǎo)致傳感單元上的熱量會被氣流帶走，通過測量傳感單元的熱損耗來反映氣體的質(zhì)量流量。 圖-2 惠更斯電橋原理上圖為熱膜式空氣流量計的基本原理圖。設(shè)電源U負(fù)極接地端電位為0，a點(diǎn)的電位即為電阻R2兩端的電壓，b點(diǎn)電位即為電阻R4兩端的電壓，由歐姆定律得：如果有Ua=Ub,可得R1×R4=R2×R3當(dāng)有氣流吹過，R1熱量被帶走，R1溫度下降，設(shè)計時R1采用正溫度系數(shù)電阻(PrC)，所以R1電

5、阻值下降，由式(3)可知此時電橋平衡破壞，要使電橋恢復(fù)平衡，需要加大電流，提高R1的溫度，使R1阻值上升，以達(dá)到新的平衡。此時電流作用在與R1同一支路的R2上，電流增大引起R2兩端的電壓升高，即Ua也升高。R2兩端的電壓為Ua熱式空氣計的輸出信號。由上述分析可知，當(dāng)空氣流量變化引起電橋平衡破壞時，電橋要重新平衡，需要調(diào)整電流，控制R1的溫度以達(dá)到新的平衡。3. 熱膜式空氣流量計與ECU的連接圖-3 熱線式空氣流量計與ECU的連接圖3所示為熱膜式空氣流量計與ECU的連接。流量計的電子控制線路板包括電橋平衡電路、燒凈電路和怠速混合氣調(diào)節(jié)電位器,電子控制的大部分元件都配置在一塊集成電路板上,其上一般

6、設(shè)置六腳插頭與ECU相連接,用以傳遞信息。圖-4 空氣流量計的輸出特性圖4所示為空氣流量計的輸出特性,而且E=C4Q,式中C為與流量計結(jié)構(gòu)、熱線材料等有關(guān)的常數(shù),Q為空氣的質(zhì)量流量(kg/h),E為橋頂電壓(V)。當(dāng)Q<10kg/h時,熱線的靈敏度很高;在空氣流量增大時,熱線的靈敏度降低。四、檢測參數(shù)精度汽油發(fā)動機(jī)所吸進(jìn)空氣流量的最大值與最小值之比max/min在自然進(jìn)氣系統(tǒng)中為4050，在此范圍內(nèi)的，空氣流量傳感器應(yīng)能保持±23%的測量精度，電子控制燃油噴射裝置上所用的空氣流量傳感器在很寬的測定范圍上不僅應(yīng)能保持測量精度，而且測量響應(yīng)性也要優(yōu)秀，可測量脈動的空氣流，輸出信號的

7、處理應(yīng)簡單。當(dāng)規(guī)定發(fā)動機(jī)所吸進(jìn)的空氣、混合氣的空燃比（A/F）的控制精度為±1.0時，系統(tǒng)的允許誤差為±6%7%，將此允許誤差分配至系統(tǒng)的各構(gòu)成部件上時，空氣流量傳感器所允許的誤差為±2%3%。（9）參考文獻(xiàn)（1）董輝主編 汽車用傳感器（第2版） 北京理工大學(xué)出版社 2009-02-01（2）姜立標(biāo)主編 汽車傳感器及其應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 2010-09-01（3）金越川.汽車空氣流量傳感器的研究.武漢理工大學(xué)，2011年5月.（4）李偉主編 新型汽車傳感器、執(zhí)行器原理與故障檢測 機(jī)械工業(yè)出版社 2013-03-01（5）吳榮輝編著.電噴發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng).福建科學(xué)技

8、術(shù)出版社,2002年01月第1版.（6）宋年秀，劉超主編 汽車傳感器原理與檢測200問 中國電力出版社 2009-05-01(7) 李貴德 汽車維修技師，2005（8）（8）肖啟瑞 計量技術(shù)，2012（6）（9）第3章熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的設(shè)計31熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器傳感頭設(shè)計由上一章對熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的理論分析我們對其工作原理有所了解，而且不難看出整個熱膜式傳感器的核心部件就是傳感器的傳感頭，因此，本文重點(diǎn)對熱膜式傳感器的傳感頭進(jìn)行設(shè)計。311熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器傳感頭電阻布局設(shè)計如圖31所示是熱膜式傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，本設(shè)計涉及的空氣質(zhì)量流量傳感器采用了一種基于M

9、EMS工藝的硅基薄膜敏感結(jié)構(gòu)。MEMS由硅片采用光刻和各向異性刻蝕工藝制造而成，具有尺寸小、重量輕、成本低、抗振動沖擊能力強(qiáng)、可靠性高以及易批量生產(chǎn)等一系列的優(yōu)點(diǎn)。通過MEMS版圖設(shè)計的傳感器傳感頭由環(huán)境溫度電阻1、加熱電阻2、加熱電阻的溫度檢測電阻3、加熱電阻上下游的溫度測試電阻4、絕緣層薄膜5和硅基片6組成。硅基片5是采用單晶硅材料，雙拋單晶硅后在其上生成一層絕緣層薄膜4。然后通過濺射PtTi金屬薄膜層，再光刻并腐蝕形成薄膜電阻。在傳感頭的中間區(qū)域，通過RIE刻蝕工藝形成了隔熱空腔7，這樣使絕緣層薄膜4只能通過橫向傳導(dǎo)才能將熱量傳送到硅基片6，而絕緣層薄膜5的厚度僅幾個微米，故具有很大的熱

10、阻。圖3-1熱膜式傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1一環(huán)境溫度電阻；2一加熱電阻；3-加熱電阻的溫度檢測電阻；4一加熱電阻上下游的溫度測試電阻；卜絕緣層薄膜；6一硅基片；7一隔熱空腔。如圖32所示，其為本設(shè)計中涉及的加熱電阻2和加熱電阻的溫度檢測電阻3的結(jié)構(gòu)示意圖。加熱電阻和加熱電阻的溫度檢測電阻的電阻絲采用如圖中所示的蛇形結(jié)構(gòu)交叉布置，加熱電阻的溫度檢測電阻緊貼在加熱電阻周圍，這樣的設(shè)計可以很好地保證二者的溫度敏感系數(shù)一致，從而提高了傳感器的測量精度。圖3-2力【1熱電阻和加熱電阻的溫度檢測電阻的結(jié)構(gòu)示意圖312熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器傳感頭材料的選擇熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器傳感頭材料的選擇主要是指

11、薄膜材料和基底材料這兩個方面的選擇。傳感器薄膜材料的選擇包括：熱膜電阻、絕緣層、保護(hù)膜等。薄膜的性能不但對傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命等有一定的影響，還對其測量精度有著重要的影響。因此，熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器傳感頭材料的選擇對傳感器的性能有著至關(guān)重要的作用。3122傳感器薄膜材料的選擇(1)熱膜電阻的選擇根據(jù)現(xiàn)代汽車傳感器的發(fā)展趨勢及其要求，不光要求尺寸小，而且要求功能多、精度高?，F(xiàn)代制造技術(shù)中的肛MS工藝可以使傳感器在突破了尺寸上的技術(shù)，典型的尺寸為微(納)米級。在這方面，硅可以制造出尺寸非常小的、機(jī)械性能強(qiáng)，同時具有特殊性能微結(jié)構(gòu)，幾乎是生產(chǎn)傳感器的理想物質(zhì)乜刀。熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的熱

12、膜電阻要求其電阻的溫度系數(shù)的線性度特別好，以及具有較高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性極佳的熱電性能等等位鍆。而鉑(Pt)測溫電阻的電阻溫度系數(shù)分散性小，其精度高、線性好、靈敏度也比較高，穩(wěn)定性和耐高壓性也較好。因此，對于熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器，鉑是一種極好的選擇，并可被大量使用，例如由世界知名公司BOSCH生產(chǎn)的熱膜式空氣質(zhì)量流傳感器就是采用鉑電阻。另外，與其他薄膜金屬相比，如金或鎳，由于鉑有較低的熱膨脹系數(shù)，因此，就會使薄膜由于熱膨脹而引起的應(yīng)力問題趨向于最小化，提高了傳感器的使用壽命。但是鉑是一種貴金屬，其價格非常貴的，這樣無形中就提高了傳感器的成本。綜上所述，鉑(Pt)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，天生就十分的

13、使用與傳感器，因此選擇鉑(Pt)作為熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的電阻。(2)絕緣層的選擇由于薄膜材料與基底材料之間的熱膨脹系數(shù)相差較大，因而當(dāng)傳感器工作時，熱膜產(chǎn)生高溫會使薄膜內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在大的內(nèi)應(yīng)力影響下，傳感器的電熱性能會變差，最終可能是導(dǎo)致傳感器性能下降更有甚者是不能工作。因此，為了避免上述問題的出現(xiàn)，常常在薄膜和基底中間增加一層過渡薄膜來去除或減小其內(nèi)應(yīng)力，這層過渡薄膜的韌性較好且熱膨脹系數(shù)介于基底和薄膜之間。另外，當(dāng)采用的基底絕緣性能不好，其過渡薄膜還應(yīng)該具有足夠的介電強(qiáng)度，從而起到絕緣層的作用。經(jīng)過對比，二氧化硅(Si02)這種薄膜對半導(dǎo)體表面具有較好的保護(hù)和鈍化作用，而且其

14、絕緣性能好。因此，可確定以二氧化硅(Si02)膜作為絕緣層。(3)保護(hù)膜的選擇武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文由于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣中含有大量的顆粒污染物，電阻容易受到污染物的影響，使得傳感器的性能大大下降，為了接著這個問題，通常需要在薄膜外表面上制作一層非常薄的保護(hù)膜，阻止污染物與熱膜電阻接觸，從而提高傳感器的工作可靠性。在本次設(shè)計中，由于三氧化二鋁(A1。03)膜的抗離子污染能力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，抗輻射性能和化學(xué)穩(wěn)定性好，且與金屬薄膜的附著性好嘲。上述的一系列優(yōu)點(diǎn)表面Al：O。十分適合作為薄膜材料的保護(hù)膜，因此，本論文中選擇三氧化二鋁(A120。)作為熱膜式傳感器薄膜的保護(hù)膜。3123傳感器基底材料的選

15、擇傳感器的基底主要起到兩方面的作用：一方面是金屬薄膜各種材料沉淀的基礎(chǔ)；另一方面還是傳感器金屬薄膜上電阻電信號引出線的絕緣支承體。另外，基底材料的化學(xué)、物理性質(zhì)以及表面粗糙度等對傳感單元的電性能和傳熱性能都有很大的影響，這些因素都會對傳感器的精度、可靠性等產(chǎn)生影響。因此必須合理正確地選擇傳感器的基底。通常由于人們接觸很薄且較大的硅片會認(rèn)為硅片易脆裂，其實這只是人們的主觀認(rèn)識。對微機(jī)械而言，由硅制作的桿、梁或等版圖結(jié)構(gòu)都有很好的彈性且無塑性變形。硅材料質(zhì)輕，密度小，其密度僅為為不銹鋼的三分之一，而彎曲度卻為不銹鋼的三倍多，所以它具有極高的剛度密度比和強(qiáng)度密度；與同樣形狀和尺寸的金屬微結(jié)構(gòu)相比由硅

16、制作的微結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性可能更為優(yōu)異，試驗證明硅不僅具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，而且硅還具有優(yōu)良的電性能和良好的機(jī)電合一特性，便于實現(xiàn)機(jī)電器件的集成化和多功能化；硅還具有其他多種優(yōu)異的傳感特性，如霍爾效應(yīng)、壓阻效應(yīng)等，因此也是許多效應(yīng)敏感的傳感器的首選材料之一；硅的加工精度比較高，容易生成絕緣薄膜，提高器件的精確度；硅儲備量充足，占到地殼成分的25，是地球上第二豐富元素，十分適用于大量的生產(chǎn)；另外現(xiàn)如今隨著硅的加工工藝日漸成熟，微電子加工技術(shù)與硅基微加工技術(shù)易丁兼容集成為一個系統(tǒng)，所以硅基微機(jī)械業(yè)已成為臟MS加工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢啪1。由于單晶硅具有上述一系列的優(yōu)點(diǎn)，而且這些優(yōu)點(diǎn)恰恰是熱膜式流量

17、傳感器想要達(dá)到的，因此，選擇單晶硅作為傳感器的基底材料。313傳感器芯片加工工藝的介紹3131 MEMS簡介如圖3-4所示是傳感器工作在恒溫模式下，其電路部分分為恒溫控制電路和信號輸出電路，恒溫控制電路采用微機(jī)直接控制加熱電阻上的電流，對加熱電阻隨時進(jìn)行加熱，達(dá)到隨時控制其溫度的目的?？刂齐娐返乃膫€橋臂電阻分別是加熱電阻檢測電阻Ra、環(huán)境溫度檢測電阻Rk和兩個固定電阻R組成。當(dāng)進(jìn)氣道內(nèi)有氣體流過時，溫度平衡被打破，電橋發(fā)生變化的電信號被傳送到微機(jī)中，ECU控制加熱電阻的電流，維持電路中的恒溫差，使電橋恢復(fù)平衡狀態(tài)。信號輸出電路也是有一個惠斯通電橋組成，控制電路的四個橋臂電阻分別是加熱電阻上下游

18、溫度測試電阻Rsl、Rs2和2個固定電阻組成。根據(jù)惠斯通電路原理，輸出電壓為：對于加熱電阻Rh的電阻值與溫度t成正比，Rk=R·(1+口·r)，當(dāng)進(jìn)氣道有氣流時，加熱電阻的溫度下降，電阻值隨之下降，因此我們可以得到溫度測試電阻Rsl、Rs2的與加熱電阻的溫度關(guān)系。將式(3一1)和(32)聯(lián)合起來我們就可以得到輸出電壓U和加熱電阻溫度差之間的關(guān)系式：當(dāng)氣流靜止時，加熱電阻Rh的加熱熱量通過基底導(dǎo)熱傳至加熱電阻上下游溫度測試電阻Rsl和Rs2，此時，加熱電阻主要是與空氣自然對流換熱，由于上下游溫度測試電阻Rsl和Rs2對稱分布，傳感器輸出信號為零。當(dāng)進(jìn)氣氣流流速度不為零時，氣流

19、與加熱電阻的傳熱以強(qiáng)迫對流的形式為主，處于加熱電阻上端的溫度測試電阻Rsl溫度下降，而處于加熱電阻下游的溫度測試電阻Rs2的溫度上升，造成上下游電阻產(chǎn)生一個溫度差，上下游溫度測試電阻的阻值不在相等，而是Rs2>Rsl。由上述分析可導(dǎo)出迸氣空氣質(zhì)量流量與輸出電壓之間的關(guān)系式：上式中的k1和k2都是常數(shù)，kl是一個與傳感器傳感單元結(jié)構(gòu)、熱膜電阻排列結(jié)構(gòu)、測量通道有效截面積、電橋電壓和空氣物性參數(shù)等有關(guān)的常數(shù)。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管中的單位時間內(nèi)的流量與發(fā)動機(jī)的排量有關(guān)，還與發(fā)動機(jī)工作時的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高進(jìn)氣量越大。對于大多數(shù)發(fā)動機(jī)而言，其空氣質(zhì)量流量量程一般為222102789s4引。發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管

20、道的特征尺寸一般如下：外徑o。=70mm，內(nèi)徑。=60mm。將該質(zhì)量量程轉(zhuǎn)換成進(jìn)氣管流道中的平均速度量程大概為為065-30ms“引。根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量量程和進(jìn)氣管道的特征尺寸，對其工作情況下空氣流動狀態(tài)進(jìn)行分析得到相關(guān)的雷諾數(shù)：由上式可得Re遠(yuǎn)遠(yuǎn)2300，我們知道當(dāng)雷諾數(shù)大于2300了氣體的流動可能會出現(xiàn)湍流狀態(tài)，因此，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管中的空氣流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。但對于大多數(shù)熱膜式空氣流量傳感器來說，其流速測試范圍一般不會超過5ms，武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一般情況下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)平均流速都遠(yuǎn)大于這個值。另外，熱膜式流量傳感器工作原理是熱傳導(dǎo)，主要通過惠斯通電橋平衡狀態(tài)下熱膜溫度分布情況來

21、反映進(jìn)氣流量，但在若是在湍流狀態(tài)下進(jìn)行測量熱量分布穩(wěn)定性很差，平衡溫度分布也會發(fā)生跳躍性，可能對測試結(jié)果造成很大的誤差洶1。因此，進(jìn)氣空氣流量傳感器應(yīng)在層流狀態(tài)下測量進(jìn)氣空氣質(zhì)量。在既滿足熱膜式空氣流量傳感器的測試條件，同時又要達(dá)到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量的測試要求的情況下，本論文中在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管中設(shè)計取樣流道，通過測試取樣流道中的氣體流速，間接測量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管的空氣質(zhì)量。由上文可知需要對傳感器采用對進(jìn)氣管道取樣流道設(shè)計，但是分流對流動場有很大的影響。這可以通過傳感器結(jié)構(gòu)的尖角和棱邊來減少分流對流動場的影響(如圖36所示)。同時，因為在某種時候分流的大區(qū)域會變得不穩(wěn)定，因此也必須被避免。縱向流可以減少分流區(qū)域，因此要想得到小區(qū)域分流可以通過產(chǎn)生縱向流來實現(xiàn)，縱向流可以通過在傳感器的邊緣設(shè)置棱邊或尖角結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生，具體的幾何設(shè)計規(guī)則如下： (1)在傳感器的上流區(qū)域，為了減少進(jìn)氣空氣的阻力，需要采用平滑的圓角形形狀。(2)在傳感器的下流區(qū)域，為了盡快將取樣流道中的空氣傳導(dǎo)出去，需要采用尖角或尖邊來減少截面面積。傳感器的傳感單元的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。傳感器芯片、電路板、取樣氣道和連接元件都集成在這個插入模型中。傳感單元通過兩個螺栓連接在空氣流量傳感器的管道中。在流量傳感器的封裝中主要考慮傳感器芯片的安裝問題。芯