用于检测空气质量流量的车用空气流量传感器的开发

【日】 内山薫

0 前言

1960年，汽车尾气排放首次成为社会问题。1970年，美国制定了著名的“马斯基法”，目的是防止大气污染，这一排放法规将汽车废气排放限值修订为以往的1／10。恰巧也是在当时，微型计算机问世，这加快了与废气排放对策相对应的车用发动机电控化的进程［1］。同时，作为检测发动机负荷状态的重要装置，空气流量传感器已成为必不可少的汽车部件。

1 车用发动机的电控化与空气流量传感器的作用

图1为电控燃油喷射系统示意图。这一系统利用转速传感器检测发动机的转速，将采集到的信号n，与用于检测发动机进气量的空气流量传感器所采集到的信号Q一起，输入至发动机电控单元，再使用微型计算机计算最佳的燃油喷射量q，最后通过喷油器喷射燃油。参数n、Q、q的关系如式（1）所示。

式中，M为冷却液和空气的温度，是与加速及减速等运转状态相关的系数。

2 空气流量传感器的工作原理

检测空气流量有多种方法。在发动机中，作为燃油的燃烧控制参数，检测空气的质量流量是较为理想的方法。最初，有多家生产商开发了分别测量空气体积或质量的流量传感器，而日立汽车系统公司的研究人员决定开发并采用检测空气质量流量的热线式传感器。热线式传感器的原理是，使电流流过加热的电阻器（热线），在发热的状态下暴露于空气中，由于空气的传热作用，会导致热线温度发生变化（即电阻值发生变化）。在此，如对电流加以控制，使加热温度维持恒定值，则加热电流就能作为空气流量的函数。设加热的热线电阻值为Rh，加热电流为Ⅰh，则热线的加热电力与至空气的传热将遵循King的试验公式（式（2）），加热电流Ⅰh与空气流量Q呈4次方的关系。

式中，A和B是与热特性相关的常数，ΔT是热线温度Th与空气温度Ta的差。

3 传感器元件和热线元件的开发

在1970年的市场上，并没有适用于热线式空气流量传感器的电阻器商品，因此，当时的研究人员自行开发了热线元件（图2）。该元件是在外径0.5mm、长2.0mm的陶瓷轴线管的两端，用玻璃固定铂系合金引线，再绕卷20μm的铂丝，并且在铂丝表面用玻璃包裹保护。另外，用焊接的方法连接铂丝与引线。研究人员经过多次的反复试验后，才确定了上述结构和尺寸。在这一过程中，须解决的课题包括：热容量必须能满足随空气流量变化的响应性要求；传感器元件的尺寸须能够匹配后文所述旁通回路的需要；能确保耐受空气中尘埃附着的性能可靠性。此外，在传感器的量产化过程中，针对铂丝的卷绕操作自动化技术，也进行了仔细的研究。在经反复研究后发现，采用当时已有的自动绕线机无法按设计要求卷绕铂丝。所以，研究人员用高速摄像机拍摄了技术熟练的工人手工绕线的动作并加以分析，从而了解了无法从原理上加以说明的操作技巧。由此也说明，产品制造的关键在于加工工艺的科学化。

4 传感器元件的通用化和控制回路的开发

在空气流量传感器中，必须要有加热的电阻器（热线），以及用于检测空气温度的电阻器（冷线）。通常情况下，由于是被加热的，所以热线要使用低阻抗的电阻器；而冷线上即便加载与热线相同的电压，也不会被加热，因此使用随空气温度的变化改变电阻的高阻抗电阻器，并由此组成桥接电路。

然而，如果分别开发上述2种电阻器，那么，无论在开发周期，还是在开发成本方面，都是不利的。于是，最后确定的研究思路是使用相同的电阻器，但在电路上进行精心设计，以达到最终的性能要求。由此开发出的成果就是图3所示热线控制回路（即双桥电路）。由于使用单级放大器的阻抗转换电路，可提高冷线Rc的阻抗，从而实现冷线Rc与热线Rh的通用化［2-4］。

5 车用空气回路和旁通回路的开发

汽车会因发动机中的不完全燃烧而产生逆火现象。因此，在研究中，必须考虑到下文所述防止灰尘附着的可靠性问题。并且，车用电源只采用12V的蓄电池，因此必须降低各种车载电子系统的耗电量。基于上述要求研发出的旁通回路结构如图4所示。将流入全部进气的主气流的一部分分流到设置热线的旁通回路中，如图4中虚线所示，在回路外围绕行3／4周，然后再次与主气流汇合。这种旁通回路的结构不仅可以隔离由逆火现象导致的冲击波，保护热线，还能确保防尘性，降低耗电量，而且对于降低因车用发动机特有的空气脉动引起的检测误差也能发挥极大的作用。

目前，这一旁通回路结构已成为车用空气流量传感器的标准结构。

6 防尘对策和可靠性设计

热线式空气流量传感器的最大问题在于，由于空气中含有的灰尘，以及由发动机自身产生的油雾、油渍及碳等会附着在热线上，致使传感器检测精度降低，甚至丧失检测功能。研究人员利用相关的评价试验设备，进行多次反复试验。图5中部件左侧为高温区域，右侧为低温区域，图5（a）是吹入灰尘并附着水分后的试验结果，图5（b）是吹入灰尘并附着油污后的试验结果。试验对灰尘附着在部件上的情况进行了分析。由试验结果可知，如加热温度达到200℃以上，则部件上不会附着灰尘。根据这一结果，设定热线的加热温度应比空气温度Ta高200℃。检测元件和旁通回路的技术规格也是在反复进行类似试验后才最后确定的。经过试验研究，最终研发出的空气流量传感器已能满足排放法规所要求的“11年或12万mile①为符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。”的使用寿命期目标。

综上所述，经潜心研究和试验所开发的空气流量传感器最终于1981年首次被配装在汽车上，该传感器迄今已累计生产2亿台。在产品研发的激烈竞争中，日立汽车系统公司的技术始终处于领先地位的原因如下：（1）传感器的防尘性能优异，这是因为采用了灰尘难以附着的热线式结构设计和加热温度设定，并且，旁通回路的结构也能降低灰尘与热线之间的冲撞；（2）研究人员直接参与发动机控制系统的研发和试验，因此能够实时进行发动机评价试验，从而系统性地确认存在的问题；（3）日立汽车系统公司中设有专门的半导体研发部门，能够按照车用部件的特殊标准，提供传感器所需要的部件产品。此外，该公司还拥有从火花塞研究中积累的陶瓷技术，以及点火线圈的绕线工艺等基础技术，在此基础上，在产品研发的过程中，研究所、生产企业及相关部门的技术人员展开充分的研究讨论，将“产品的首创性”作为开发宗旨，最终开发出具有优异性能的传感器产品。

7 今后的发展动向

目前，研究人员正在以进一步改善汽车燃油经济性、降低废气排放为目标开展研发工作。所涉及的新技术包括发动机的小型化、怠速起停、燃烧过程的超稀燃技术等，此外，还有能弥补上述技术缺陷的增压器配套应用等。出于这类技术周边工作环境的需要，对空气流量传感器技术规范的要求已越来越严格。具体而言，就是必须改善随空气量变化的检测响应性，拓展动态测试的范围，以及提高检测精度。下文将就对提高检测精度极为重要的空气脉动中逆流的影响加以说明。

传统的热线式空气流量传感器无法检测空气的流动方向。因此，由发动机倒吹返回的空气（逆流）也会被作为进入发动机的空气量输出。由于发动机小型化的趋势，气缸数减少，并且应用阿特金森循环后，空气逆流会进一步加剧，导致检测精度降低。因此，要求开发出能检测空气逆向流动的空气流量传感器。最近已进入实用化阶段的就有运用微电子机械系统的检测元件（图6）［5，6］。图6（a）示出这一传感器的结构与逆流检测的原理。在硅质基板中央设置加热器，于空气流动的上游和下游分别设置温度传感器。加热器和温度传感器均使用电阻温度系数较高的材料制成。用保护膜包覆加热器和温度传感器后，在硅质基板内侧面实施蚀刻加工，形成加热器和温度传感器的基座薄板。薄板的厚度约为1μm，这样就能将传感部位的热容量控制在热线的1／100以下，从而达到高速检测的目的。

从传感器的工作原理来看，在没有空气流动时（V＝0），薄板上的温度分布如图6（a）中的虚线所示，是以加热器为中心作为检测对象的。在有空气流动的情况下（V＞0），如图6（a）中实线所示，热量传递至下游，下游侧的温差dT较高。其结果是，在加热器两侧的2个温度传感器电阻值产生差异，由此，通过计算温差dT，可以求出空气质量流量。这样，如图6（b）所示，就能够得到顺流和逆流2个方向上的输出。

图6（c）是为验证上述结论的计算机辅助工程解析实例。在热线式传感器的开发中，历经多次反复试验，这些试验结果也相应推进了计算机辅助工程解析技术的发展。利用上述研发成果，现已研制出高性能的空气流量传感器，期待今后传感器技术能得到进一步的发展与推广应用。

8 结语

基于“产品制造”的观点，总结了日立汽车系统公司的研究人员针对空气流量传感器的开发工作。产品制造的基本理念是要具备“响应社会需求，并有益于社会”的精神。在产品制造的过程中，无论是否存在最初的产品雏形，都必须具备“从无到有”的创新精神和挑战勇气。并且，在呈全球化发展趋势的大环境下，先进技术的发展也需要有具备挑战各种难题勇气的研发人员。

［1］笹山隆生，上野定寧，ほか.高効率パワートレイン系のためのセンサ及びセンシング技術［C］.自動車技術会学術講演会前刷集，No.951，1995-4.

［2］白土剛，内山薫，ほか.自動車用空気流量センサの調整技術［C］.自動車技術会学術講演会前刷集，No.961，1996-5.

［3］西村豊，内山薫.自動車エンジンの吸入空気計測技術［J］.電気学会論文誌センサマイクロマシン部門誌，118-E，1998：300-303.

［4］西村豊，内山薫.熱線流速計のプローブ先端からの熱伝導に伴う誤差とその低減法［G］.日本機械学会論文集，66-652，C（2000）：120-126.

［5］Komzelman U，et al.Breakthrough in reverse flow detection a new mass flow meter using micro silicon technology［C］.SAE Paper 950433.

［6］松本昌大，五十嵐信弥，ほか.高信頼，高精度自動車用マイクロエアフローセンサ［J］.電気学会誌，130-E，2010：80-85.