压差传感器在柴油商用车上的应用研究

柏吉电工电子 2019-06-11

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2018-01-26 08:58

摘要：压差传感器是为实现准确控制“再生”触发时间需要而设计的一种传感器。本文结合柴油商用车排放的特点，采用厚膜陶瓷电容式压力传感器为压差传感器，并应用到柴油商用车上，取得了很好的效果。

柴油机为了达到国V、国VI排放标准要求，常用方法是在汽车尾气排放部分安装颗粒捕集器，捕捉尾气中排放的颗粒物。但是，废气排放通道会随着捕集到颗粒的积聚而被渐渐堵塞。清除这些积聚颗粒的方法是提高尾气的温度，促使催化剂反应，从而使积聚的颗粒燃烧并气化。这个清洁过程被称为“再生”过程，如果“再生”过程太频繁，会增加燃油消耗量；相反间隔太长，则可能导致发动机损坏或颗粒捕集器失效。因而，选择合理的“再生”触发时间是有效提升颗粒物捕集的关键。

压差传感器就是为实现准确控制“再生”触发时刻需要而设计的一种传感器。压差传感器是通过测量捕集器前后通道的压力差，将压力差信号送至ECU，ECU根据该压力差判断捕集器中颗粒的积聚程度，决定“再生”触发时刻及额外燃料注入量。同时，ECU还可以通过控制EGR阀、电子节气门的开度来提高尾气温度。颗粒捕集器结构如图1所示。

1 压差传感器介绍

为了保护环境，减少大气污染，中国预计2020年实施汽车国VI排放要求。为了保证以上排放法规的落实，国家环保部颁布了HJ437标准，强制规定发动机与汽车车载诊断（OBD）系统的技术要求。法规中确认了压差传感器的监控要求、具体技术参数和出现故障所采取的措施等。强制要求压差传感器实时监测颗粒捕集器的前后端压力，通过压差值来判断颗粒捕集器是否发生烧结或者堵塞，并通过其他温度传感器精确判断产生原因。

基于厚膜陶瓷电容式压力传感器是凯维力科公司生产的一种压差传感器。其技术原理在于使用变隙式工作原理制成感压元件，其结构如图2所示。盖板和膜片均为陶瓷制品（主要化学成分为A1203），通过厚膜丝网印刷工艺将把银电极浆料（Pd-Ag电极）印刷在盖板和膜片上；利用环形低温玻璃将陶瓷盖板和弹性膜片电极粘接成一体，经烘干和高温烧结便形成了一个非充液空气介质的电容器，其电容量由电容面积和两极间的间隙决定。电极初始间隙由烧结的玻璃体控制，当感压元件的弹性膜片受到外加压力时，弹性膜片产生形变，使电极间隙减小，引起感压元件电容量的变化，电容的变化量与压力大小成比例。该压差传感器通过检测感压元件的电容值变化，并将其转换成电压信号输出至ECU，使ECU能够实时得知颗粒捕集器中颗粒捕捉情况，进行处理。

2 压差传感器在商用车排放控制中的应用

压差传感器的使用首先需要进行标定，一般使用整车内燃机的标定设备对压差传感器进行标定，压差传感器的标定工作是整车OBD标定的组成部分。本文选用南京依维柯公司的一款A50国V排放的客车，对其压差传感器进行相关标定。其发动机为2.8 L的SOFIM8140.43E5，最大功率为100 kW/3 600 r/min，后处理采用颗粒捕集器DPF。该车装配的是凯维力科公司的PE604-5015型压差传感器，由发动机电控单元供5±0.25V电源进行驱动，测量范围是相对大气压力0～1 bar，测量信号输出电压范围为0.5～4.5V。工作温度－30～135℃。其特性曲线如图3所示。

首先根据车载诊断（OBD）系统法规描述的要求，对压差传感器相关故障进行标定，具体要求见表1。

2.1压差传感器的特性标定

激活与压差传感器相对应的ECU针脚，并根据压差传感器的特性曲线，标定ECU软件中压差传感器特性值，标定后的曲线如图4所示。

2.2压差传感器OBD诊断功能的标定

为了实现压差传感器对电源和对搭铁短路故障的监测，根据压差传感器的电气特性，对传感器的高／低阈值、故障确认及治愈时间进行了标定。标定结果见表2和表3。

2.3压差传感器OBD诊断功能的验证

为保证以上标定数据的准确性，需要按如下方法对标整车进行验证。

1）对电源短路故障的模拟：使用导线将压差传感器的信号端与供电端连通，3s后DFC＿PPMCatSRCMax故障报出，同时MIL灯（曲线1）点亮，空挡急加速和急减速过程中无限扭现象出现。具体如图5所示。

2）对搭铁短路故障的模拟：使用导线将压差传感器的信号端与搭铁端连通，3s后DFC＿ PPMCatSRCMin故障报出，同时MIL灯（曲线1）点亮，空挡急加速和急减速过程中无限扭现象出现。具体如图6所示。

2.4标定验证

采用整车在底盘测功机上运行OBD循环的方式对标定数据进行了验证。样车运行结果如图7所示。从试验结果可以看出，压差传感器能够实现对DPF压差的测量。DPF的压差在标定的限值之内，压差最小值为3.7 hPa，压差最大值为244.2 hPa。在测试过程中未出现误报DPF移除和DPF堵塞故障的现象。完成对压差传感器的标定之后，将该传感器装车进行验证。首先根据HJ437-2008《车载压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求》，在整车台架上进行8h测试，未发现任何问题。接着进行15 000 km的一般公路和16 000 km的城市工况道路试验，全程颗粒捕集器可以自动完成再生，无任何问题。证明该压差传感器可以完全满足整车状态的需求，为以后批量使用提供了有力的证明。