让发动机更环保: 降低柴油机排放的传感器技术

      减少二氧化碳排放是当今汽车领域最热门的话题。欧盟委员会最近宣布到2012年获得更安全更环保汽车的路线图。汽车消费者购买方式中的明显变化也证实，消费者想要能满足自己个人与专业需求的有最高燃料效能汽车。通过混合燃料技术等进展，汽车制造商正在推出降低二氧化碳排放的新款汽车。另外还有一些技术也致力于这一目标，如Blue Motion、Econetic和Efficient Dynamics。

　　柴油发动机的污染率高于汽油动力汽车，这也是一个事实。尤其是，柴油微粒对人体有伤害，会造成肺部不适、癌症和心脏疾病。老式柴油发动机会排放出较大可见微粒，像黑烟一样，而新型发动机排放的微粒一般很小，无法用肉眼看到。

　　为使这些排放更清洁，汽车制造商建立了柴油微粒过滤器（diesel particulate filters，DPF）。自1980年以来，这些过滤器已用于越野车，从1996年起用于某些普通汽车。现在DPF可以捕获低至2.5微米的柴油煤烟微粒，因此将微粒排放从60%降低到7%。DPF采用多孔陶瓷材料，最终会饱和，需要清洗和再生。作这种维护时需要将DPF加热到+600℃以上的排气温度。为了达到这种高于正常的温度，ECU（电控单元）会暂时延缓喷油，并限制吸气。这时传感器就成为关键的控制元件：通过用压力传感器测量过滤器上的压降，就可以确定开始再生过程的最有效时点。

接口实现

　　以柴油过滤模块为例，我们在 DPF中安装了一个采用传统压敏电阻元件的压差传感器。这个传感器检查一个较小的压力范围，一般为0至15psi。一只传感器接口IC（如Melexis 公司的MLC90320 CMOS模拟传感器接口）连接在传感器的输出端，构成一个阻性Wheatstone桥式电路。这个接口可将电阻的小变化电压（通常是数毫伏）转换为相当大的输出电压变动。采用这种结构，电路就能够比较过滤器前、后的压力信号（图1）。接口芯片对传感器的信号作放大和校正，将其变换为ECU能够识别的值。当 DPF饱和时，接口会探测到在过滤器前、后的信号之间有一较大的压力差。接口IC对这一差值作放大和补偿，传给ECU。这个过程可以使传感器接口控制检测元件与ECU之间的通信，保证过滤器的连续正常工作。

传感器接口

　　在上述例子中，压敏电阻检测元件连接到传感器接口的输入端，它对信号作增益与偏移的补偿，以确定有经过良好校准的输出信号。此外，在不同的粗调阶段采用3位和10位数模转换器（DAC），这种特殊接口的输出架构中采用了另外一片10位DAC，能够对输出变化范围作精确的校准（图2）。