車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊淑玲，王文群，黃倫正

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊淑玲，王文群，黃倫正

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

提出一種車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鳎辉敿?xì)介紹該傳感器的工作原理、電氣特性、傳感器布置及控制策略；為燃?xì)馄嚿a(chǎn)廠家燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

燃?xì)庑孤?；傳感器；探測(cè)

隨著中國(guó)大力實(shí)施節(jié)能減排和替代新能源政策，CNG汽車逐年大幅度增加。但天然氣一旦泄漏，易形成可燃混合氣，遇明火爆炸燃燒，造成安全隱患［1］。GB 7258—2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》提出，對(duì)于燃?xì)馄噾?yīng)具有安全泄漏探測(cè)報(bào)警裝置的要求。2015年前，多數(shù)CNG汽車都是私人改裝車，均未安裝燃?xì)庑孤┨綔y(cè)報(bào)警系統(tǒng)，專用于整車的燃?xì)庑孤┭b置少之又少。本文介紹一種車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅?，用于某合資品牌CNG汽車的整車燃?xì)庑孤┨綔y(cè)。

1 工作原理

車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅骰诩矣没蚬I(yè)用天然氣探測(cè)傳感器開發(fā)，是半導(dǎo)體氣敏傳感器。其采用先進(jìn)的平面半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，在微型Al2O3陶瓷基片上形成加熱器和金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，在一定溫度條件下，被測(cè)燃?xì)鈿怏w到達(dá)半導(dǎo)體氣敏材料表面，與吸附在半導(dǎo)體氣敏材料表面的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，傳感器電阻值發(fā)生變化，通過測(cè)量半導(dǎo)體電阻的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鈿怏w濃度的檢測(cè)。

車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鲀?nèi)部設(shè)定報(bào)警設(shè)定值，當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤?、且濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警設(shè)定值時(shí)，傳感器會(huì)輸出泄漏報(bào)警信號(hào)。傳感器有自檢測(cè)功能，自身發(fā)生故障時(shí)能發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。

傳感器輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平：①傳感器燃?xì)庑孤﹫?bào)警，連接器報(bào)警PIN腳輸出高電平；②傳感器故障報(bào)警，連接器故障PIN腳輸出高電平；③傳感器無(wú)燃?xì)庑孤┗蚬收蠄?bào)警，連接器報(bào)警和故障PIN腳均輸出低電平。

2 電氣特性參數(shù)

車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞴ぷ髟黼m然與家用或工業(yè)用天然氣探測(cè)傳感器相似，但由于整車工作溫度高、粉塵、油氣多，應(yīng)用環(huán)境比家庭及工業(yè)惡劣，對(duì)傳感器電氣特性要求也更高，同時(shí)，需增加一些特定要求。

2.1 報(bào)警設(shè)定值及報(bào)警動(dòng)作值

報(bào)警設(shè)定值是傳感器內(nèi)部預(yù)置的燃?xì)鈿怏w報(bào)警濃度值。天然氣的主要成份為甲烷CH4，甲烷在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度 （即爆炸下限濃度LEL）為5%vol。該款車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅髟趥鞲衅鲀?nèi)部預(yù)置甲烷氣體報(bào)警濃度值是10%LEL，即當(dāng)空氣中甲烷的濃度達(dá)到爆炸下限的10%時(shí)，傳感器觸發(fā)后輸出報(bào)警信號(hào)?？紤]整車在不同車速下有不同的氣體流速，氣流對(duì)傳感器有效檢測(cè)有較大影響。車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅髟跉饬魉俣取埽?.8±0.2）m／s時(shí)，報(bào)警動(dòng)作值是（10% ±3%）LEL；氣流速度=6.0 m／s時(shí)，報(bào)警動(dòng)作值不應(yīng)超過（10%±5%）LEL。

2.2 上電啟動(dòng)時(shí)間

傳感器如果長(zhǎng)時(shí)間不通電，阻值會(huì)產(chǎn)生可逆性漂移。長(zhǎng)時(shí)間不通電貯存的傳感器初次上電，輸出信號(hào)不可靠。CNG電子控制模塊需要上電3min達(dá)到穩(wěn)定后再對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，即傳感器上電起動(dòng)時(shí)間為3min。傳感器由主繼電器后電提供時(shí)，整車長(zhǎng)時(shí)間停放后再起動(dòng)，傳感器需要3min上電啟動(dòng)時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)無(wú)法檢測(cè)車內(nèi)燃?xì)鈿怏w泄漏情況并輸出報(bào)警信號(hào)，有泄漏探測(cè)盲區(qū)，存在安全隱患。因此，需要將整車上某一燃?xì)庑孤﹤鞲衅髟O(shè)置為實(shí)時(shí)監(jiān)控，由傳感器探測(cè)到泄漏氣體后，將信號(hào)轉(zhuǎn)給報(bào)警指示燈，直接報(bào)警提醒。該品牌CNG汽車將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)燃?xì)庑孤﹤鞲衅饔尚铍姵毓┏ｋ?，?shí)施監(jiān)控整車燃?xì)庑孤┣闆r。

2.3 響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間特性

響應(yīng)時(shí)間是傳感器接觸甲烷開始至達(dá)到穩(wěn)定輸出高電平的90%所需要的時(shí)間。反之，恢復(fù)時(shí)間是傳感器脫離甲烷開始至輸出低電平的90%所需要的時(shí)間。響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間關(guān)系到燃?xì)庑孤┦欠襁t報(bào)、誤報(bào)，原則上是越快越好，燃?xì)庑孤﹤鞲衅黜憫?yīng)及恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于30 s。此外，燃?xì)庑孤r(shí)的應(yīng)答曲線最好是平坦的曲線，而沒有過度的峰沖，如圖1所示。

圖1 響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間特性

2.4 靈敏度特性

車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅魇前雽?dǎo)體氣敏傳感器，氣敏元件吸收氫、一氧化碳、烷、醚、苯以及天然氣時(shí)，都會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，使元件電阻發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。元件對(duì)不同氣體的靈敏度不同。車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞯募淄闅怏w報(bào)警濃度值是10%LEL，最大值是5 000ppm。在甲烷檢測(cè)范圍內(nèi)，對(duì)乙酸、乙醇、氫氣等具有較高靈敏度，而對(duì)CH4和LPG靈敏度較低［2］。由于整車上很少有CNG和LPG并存，不存在干擾問題，所以這種傳感器的抗干擾性較強(qiáng)。傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)隨著氣體濃度增加，元件阻值明顯增大，在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

2.5 半導(dǎo)體氣體傳感器受溫濕度影響

如圖2所示，在一定的溫度條件下，被測(cè)氣體在半導(dǎo)體氣敏材料表面與氧發(fā)生化學(xué)氧化還原反應(yīng)。當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，累加到傳感器表面的溫度也會(huì)隨之發(fā)生變化，影響氣敏材料表面化學(xué)反應(yīng)的程度，引起氣敏材料體電阻有微量變化而導(dǎo)致輸出信號(hào)的偏離。傳感器受溫度影響比較大，隨著溫度增加，靈敏度下降。當(dāng)外界環(huán)境的濕度發(fā)生變化時(shí)，氣敏材料表面吸附水汽，引起吸附在半導(dǎo)體材料表面的氧重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡，在平衡過程中伴隨電荷轉(zhuǎn)移，半導(dǎo)體電阻變化，導(dǎo)致輸出信號(hào)的偏離。傳感器隨著相對(duì)濕度的增加，其靈敏度減小。在整車應(yīng)用中，傳感器應(yīng)用環(huán)境溫度和濕度變化大，傳感器內(nèi)部需要增加模擬電路或軟件修正進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，抵消溫度、濕度對(duì)其的影響。

圖2 溫／濕度影響

2.6 長(zhǎng)期穩(wěn)定性

燃?xì)庑孤﹤鞲衅鳉饷粼菀资芄栉镔|(zhì)、腐蝕性物質(zhì)、堿金屬及水等污染，造成傳感器氣敏元件中毒、老化或傳感器靈敏度下降等；傳感器加熱器容易受整車溫度、濕度變化影響，發(fā)生材料特性變化，導(dǎo)致加熱器失效。這些都會(huì)直接影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性?？紤]到傳感器整車應(yīng)用環(huán)境惡劣，且傳感器是整車安全泄漏探測(cè)裝置，傳感器設(shè)計(jì)要求滿足整車三包要求的同時(shí)，使用上要求定期更換傳感器濾網(wǎng)及用燃?xì)鈱Ｓ命c(diǎn)檢器進(jìn)行測(cè)試。

3 傳感器布置

根據(jù)近年來CNG汽車燃?xì)庑孤┗馂?zāi)案例調(diào)查統(tǒng)計(jì)，燃?xì)庑孤┲饕趦?chǔ)氣瓶出口連接處、減壓閥連接處。其上的調(diào)整螺釘、高低壓輸氣管路和閥頭連接處松動(dòng)，閥門腐蝕、管路開裂等導(dǎo)致燃?xì)庑孤?］。同時(shí)考慮到甲烷的密度小于空氣密度，天然氣泄漏后會(huì)漂浮在相對(duì)密封空間內(nèi)上方。該合資品牌CNG汽車屬于微型車，全車安裝2個(gè)車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鳌?/p>

1）氣瓶箱內(nèi)儲(chǔ)氣瓶出口與管路連接的接口附近上方，見圖3。氣瓶箱全密封，保證氣體泄漏時(shí)，氣瓶箱內(nèi)甲烷氣體上升，傳感器易于檢測(cè)泄漏氣體。

圖3 氣瓶箱布置

2）發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)減壓閥和燃?xì)鉃V清器附近，見圖4。減壓閥和燃?xì)鉃V清器都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，該區(qū)域輸氣管路及接頭多，燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)高，考慮到傳感器需要3min上電啟動(dòng)時(shí)間，將該區(qū)域燃?xì)庑孤﹤鞲衅鹘映ｋ?，?shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)庑孤┣闆r。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度高，傳感器安裝位置盡量不要貼近熱源；發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流復(fù)雜，傳感器安裝在氣流相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，避免氣流變化影響傳感器有效監(jiān)測(cè)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置

4 報(bào)警系統(tǒng)控制策略

圖5是燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警控制策略，圖6為控制面板定義圖。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)燃?xì)庑孤﹤鞲衅髟O(shè)為常通電傳感器，由蓄電池直接供電，實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體泄漏情況。駐車狀態(tài)下，CNG汽車燃?xì)庑孤┑皆O(shè)定值時(shí)，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)輸出到轉(zhuǎn)換開關(guān)面板上泄漏報(bào)警指示燈，泄漏報(bào)警指示燈閃爍 ，伴隨蜂鳴器鳴叫警示，提示用戶進(jìn)行相關(guān)處理，直到檢測(cè)不到CNG泄漏。行車狀態(tài)下，傳感器將檢測(cè)的燃?xì)庑孤﹫?bào)警信號(hào)輸出給CNG電子控制模塊，CNG電子控制模塊禁止油切氣功能，CNG狀態(tài)會(huì)自動(dòng)切回燃油模式，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)輸出給轉(zhuǎn)換開關(guān)面板上前泄漏報(bào)警指示燈。前泄漏報(bào)警指示燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器鳴叫，提示用戶進(jìn)行相關(guān)處理。

圖5 燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警控制策略

圖6 控制面板

氣瓶箱內(nèi)燃?xì)庑孤﹤鞲衅髦骼^電器接電，整車上電后，傳感器開始檢測(cè)氣瓶箱內(nèi)天然氣是否泄漏。當(dāng)檢測(cè)到泄漏氣體時(shí)，將報(bào)警信號(hào)輸出給CNG電子控制模塊。CNG電子控制模塊禁止油切氣功能，CNG狀態(tài)自動(dòng)切回燃油模式，同時(shí)報(bào)警信號(hào)發(fā)給轉(zhuǎn)換開關(guān)面板上后泄漏報(bào)警指示燈。后泄漏報(bào)警指示燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器鳴叫。

車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞴收蠒r(shí)，向CNG電子控制模塊輸入故障報(bào)警信號(hào)。CNG電子控制模塊禁止油切氣功能，CNG狀態(tài)自動(dòng)切回燃油模式；存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的故障代碼，將故障信號(hào)發(fā)給控制面板上的前泄漏、后泄漏報(bào)警指示燈。前泄漏、后泄漏報(bào)警指示燈常亮，蜂鳴器鳴叫警示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器電氣特性上進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)出一種車用燃?xì)庑孤﹤鞲衅鳌Ｍ瓿稍谡嚿先細(xì)庑孤┨綔y(cè)點(diǎn)的布置，實(shí)現(xiàn)CNG汽車天然氣泄漏的探測(cè)要求。該傳感器已由某企業(yè)在客車中安裝一年多，能滿足燃?xì)馄囆孤┨綔y(cè)技術(shù)要求，對(duì)CNG雙燃料汽車泄漏報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的幫助。

［1］ 高吉.天然氣汽車的安全性能分析［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2013（6）：223.

［2］ 徐潔，龐炳海，王連馳.用氣體傳感器特性數(shù)據(jù)評(píng)估酒精和醋酸的干擾程度［J］.傳感器世界，2011（5）：16-18.

［3］ 姚曉華.淺析CNG／汽油雙燃料改裝出租車火災(zāi)成因及預(yù)防對(duì)策［J］.科技資訊，2013（12）：218，220.

（編輯 心 翔）

Design and Application of Automotive Gas Leak Sensor

YANG Shu-ling，WANG Wen-qun，HUANG Lun-zheng
（SGM-WULING Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

This paper proposes an automotive gas leak detecting sensor，and introduces details of its working principle， electrical characteristics， sensor locating and controlling strategy， which provides valuable reference in alarm system development for gas-powered vehicle manufacturers.

gas leak；sensor；detecting

U463.6

A

1003－8639（2016）10－0043－03

2016-03-24

楊淑玲 （1983-），女，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電器零件設(shè)計(jì)。