趋势
用于发动机管理和减排的进气组合传感器
为顺应近些年来推出的有关降低汽油和柴油发动机排放和油耗的环境友好标准和出现的全球要求，需要创新性的燃烧方案，以便能够对进气湿度进行闭环监测。
进气湿度、温度和压力是发动机管理的三个关键参数。它允许用户在污染物排放、油耗和发动机功率之间实时找到平衡点。来自 TE Connectivity (TE) 的 TRICAN 传感器是用于进气湿度和压力传感器的行业领先的组合传感器之一。
简介
TRICAN 进气传感器是由 TE Connectivity 设计和制造的一种湿度、温度和压力组合传感器。这种坚固耐用且成熟的现成传感器一举解决了汽车集成约束、性能和可靠性问题。TE 已售出超过 1200 万个湿度传感器，服务于汽车、工业、商用卡车、非公路和燃料电池市场。2004 年，是第一个应用需求得到满足之年。
进气口湿度控制表明，湿度比与最大压力、发动机扭矩和氮氧化物排放成反比。
排放标准正逐年变得更加严格；如图 1 所示，柴油发动机的氮氧化物排放须低于 80mg/km [1]。
图 1：排放标准的演变
进气湿度控制是优化车辆空气/燃油混合物协调并减少废气排放的关键技术之一。
进气口湿度控制表明，湿度比与最大压力、发动机扭矩和氮氧化物排放成反比。
设备描述
TRICAN 进气传感器由塑料外壳、四针连接器和 PCBA 组成。湿度传感器接触通过 PTFE 膜进入的气流，PTFE 膜允许湿的空气进入传感器，防止传感器受到液体污染物或灰尘污染。压力和湿度传感器由 TE Connectivity 设计和制造。
TRICAN 是一款坚固耐用的汽车级传感器，针对高湿度和高温环境进行了优化。得益于湿度感应元件附近的加热器，防污染能力增强，且冷凝后可快速回收。
图 2：TRICAN 传感器横截面
湿度和温度信号上采用信号调节阶段可允许其传递数字输出。压力传感器 ASIC 与传感器微控制器通信。传感器具有自我诊断功能，会发布像短路、开路或超出范围这样的诊断状态。
图 3：TRICAN 传感器架构
传感器输出
TRICAN 传感器与另一个外部传感器配合，支持系统级可信度诊断的双向通信。其数字输出按照 J1939，可根据客户需求（CAN 帧）配置 CAN2.0。
TRICAN 提供相对湿度、特定湿度和露点（如果需要）。并且还测量空气温度和进气压力，如图 4 所示。
图 4：特定湿度计算
- 相对湿度 (RH) 是给定温度下水蒸气部分压力与水的平衡蒸汽压力之比。
- 特定湿度 (Sh) 是水蒸气质量与潮湿气块的总质量之比。
- 露点 (DP) 是空气冷却从而变得充满水蒸气的必需温度。进一步冷却后，就会凝结成液态水。
就精度、鲁棒性、响应和回收时间而言，TE 的湿度传感器是一种独特的高性能传感器。在上下电极之间，夹着一薄层介电聚合物。介电容量与测量的湿度成正比。其在传感器上的位置有助于冷凝后快速回收，同时，能够有效防止污染物。我们的湿度传感器提供当今市场上最低的滞后和最快的响应时间之一。
图 5：湿度传感器架构
规范和性能
该传感器通过自诊断功能提供数字输出。其工作温度范围为-40°C 至+105°C，湿度范围为 0% 至 100%。三个 TRICAN 版本可满足不同的电源：5V、12V 和 24V。
湿度传感器特征
图 6
TE 的压力传感器专为 ICT 进气道而开发。其工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，提供高达 250kPa 的压力范围，具有非常快速的响应时间。
压力传感器特征
图 7
温度传感器是 PCBA 上焊接的负温度系数 (NTC) 传感器。它提供 -40°C 至 105°C 的温度测量范围，精度为 ±0.5 °C。
TRICAN 应用
TRICAN 传感器适用于需要监控湿度、压力和温度且精度高和响应时间快的各种应用。主要应用包括：
柴油和汽油发动机管理
一个不争的事实是，湿度会影响进气密度，进而影响燃烧 [3、4]。EGR 回路会增加进气的湿度。湿度、温度和压力传感器可促进性能提升和油耗优化。它具有以下优点：
- 喷射调适
- 点火定时 调适
- 监控 EGR 冷凝以防止减少气缸寿命
- 减少氮氧化物 排放
- EGR 回路控制 优化
天然气发动机管理
在天然气发动机中，最大可获得功率是进气湿度的函数。精益燃烧发动机中精确的空气/燃油比至关重要。
相比传统天然气发动机，过量的空气可降低燃烧温度，进而使氮氧化物排放量减少一半。当氧气过量时，燃烧效率更高，因为同样量的燃油可产生更高的功率。
精益燃烧限制是湿度的函数，必须实时调适才能：
- 提高效率
- 减少氮氧化物排放、爆震和失火
实际氮氧化物
由于去除了上游的氮氧化物传感器，实际氮氧化物估算中增添了高成本节约一项。主要优点之一是：即使在冷启动条件下，TRICAN 的精度也很高。一半的行驶循环排放产生于冷启动期间，而在此期间，至少 20 分钟氮氧化物传感器无法高效工作。在这些特定条件下，排放量最高，因此需要特定方案。
此外，如将进气管的温度和压力传感器换成 TRICAN 传感器，则能进一步降低成本。
图 8：发动机架构
我们的湿度、压力和温度组合传感器可以完全取代上游氮氧化物传感器。该组合传感器在其使用寿命内提供高精度、高可靠性和有限的漂移。它还可以在寿命期内，结合上游氮氧化物传感器在发动机中使用，以提供系统诊断功能，精确监控氮氧化物。
燃料电池
要实现最佳燃料电池性能，需要高相对湿度或近饱和的湿度 (Rh>80%)。质子交换膜的渗透性取决于其含水量；因此，相对湿度是影响燃料电池堆栈在整个寿命中性能和效率发挥好坏的重要操作条件之一。
燃料电池进口处使用加湿器来校正湿度。该传感器面临的主要挑战之一是在冷启动时，这时会发生冷凝。根据在严苛环境（如卡车、建筑机械和公路/非公路应用）中的现场使用情况来看，TE 的湿度传感器是一个可靠的解决方案，能提供冷凝后的快速回收时间以及快速响应时间。压力也是功率密度控制的一个关键参数。TRICAN 传感器也适用于高湿高温环境。此外，其传感元件受到保护，可以防止化学污染。
湿度对内燃机的影响
如上一节所述，进气湿度在最大压力 [2]、扭矩和污染物排放方面影响发动机效率。下一节会提到有关 Renault K4M-700 四缸汽油发动机的一项实验研究，从中可以看出特定湿度对发动机扭矩和排放气体的影响 [5、6]。
湿度对发动机扭矩的影响
由于燃烧速度降低，当特定湿度增加时，气缸最大压力会降低。如图 9 所示，当特定湿度因最大压力降低而从 10g/kg 增加至 40g/kg 时，发动机扭矩会降低 5.5%。对于特定湿度为 15g/kg 的情况，如果测量间隔为 5g/kg，则发动机扭矩将下降 1%。
图 9：发动机扭矩作为进气特定湿度的函数
湿度对排放的影响
由于壁面淬熄现象，未燃烧的颗粒会产生碳氢化合物排放。当空气湿度增加时，碳氢化合物排放增加，而二氧化碳和氮氧化物排放减少。
图 10：氮氧化物作为进气特定湿度的函数
图 11：碳氧化物作为进气特定湿度的函数
对于特定湿度为 15g/kg 的情况，如果测量间隔为 5g/kg，则排放影响为：碳氢化合物增加 1.5%，氮氧化物增加 7.2%，二氧化碳增加 5.4%。
绝热燃烧终止温度会影响燃烧过程中释放的热量，从而影响活塞的工作，进而影响发动机功率。
结论
特定湿度监控是发动机管理和燃料电池性能的关键因素。湿度感应设备具有经过证实的若干优点。它允许精确的闭环控制。温度范围内的高精度是满足排放法规所必需的。
进气湿度会影响燃烧的气体成分和污染物排放。通过精确监控特定湿度，可以减少氮氧化物和碳氧化物排放。
参考文献
[1] caremissionstestingfacts.eu
[2] Influences of Charge Air Humidity and Temperature on the Performance and Emission Characteristics of Diesel Engines（增压空气湿度和温度对柴油机性能和排放特性的影响），Cherng-Yuan Lin，Yuan-Liang Jeng
[3] Advanced Combustion for Low Emissions and High Efficiency（低排放和高效率的高级燃烧），Cracknell, R.，Ariztegui, J.，Barnes
[4] Water addition to gasoline, effect on combustion, emission, performance and knock（汽油加水的燃烧、排放、性能和爆震效应），J.A.Harrington
[5] Etude numerique et experimentale de l’influence de l’humidité de l’air sur la combustion。Application aux strategies de reduction d’émissions polluantes et de consummation des moteurs à pistons, Yannick Duhé
[6] Effect of Ambient Temperature and Humidity on Combustion and Emissions of a Spark-Assisted Compression Ignition Engine（环境温度和湿度对火花辅助压缩点火发动机燃烧和排放的影响），Yan Chang，Brandon Mendrea Jeff Sterniak，Sranislav Bohac
