Датчики систем управления бензиновым двигателем
Датчики служат для преобразования неэлектрических показателей в электрические. В системах управления бензиновым двигателем устанавливаются свыше десяти датчиков, которые могут быть объединены в следующие группы: расходомеры воздуха, датчики температуры, угла открытия дроссельной заслонки, угла поворота коленчатого вала и детонации.
- 1. Потенциометр, управляемый поворачивающейся под воздействием воздуха заслонкой;
- 2. Датчик изменения перепада давления во впускном трубопроводе;
- 3. Датчик Кармана, измеряющий число вихрей, создаваемых воздушным насосом;
- 4. Термоанемометрический датчик, реагирующий на изменение сопротивления платиновой проволоки.
Рис. 7. Характеристики датчиков: а — расходомера воздуха; б — давления; в — Кармана; г — температуры охлаждающей жидкости
В датчике 2-го типа преобразователем давления служит кремниевый кристалл, на поверхности которого сформирован мостик сопротивлений, ток через который изменяется под действием деформаций (пьезорезистивный эффект), вызванных изменением давления р. Этот ток усиливается и вводится температурная компенсация (рис. 7,6).
Расходомер 3-го типа — датчик Кармана имеет генератор воздушных вихрей — завихритель, установленный в поток потребляемого двигателем воздуха. Число вихрей почти пропорционально расходу всасываемого воздуха. Датчик считает эти вихри и преобразует их в выходные электрические сигналы (импульсы) с резонансной частотой f (рис. 7,в).
Основой конструкции датчика 4-го типа является помещенная в поток поступающего в двигатель воздуха платиновая проволока, нагреваемая электрическим током и охлаждаемая воздухом. Сопротивление проволоки изменяется под воздействием температуры пропорционально скорости воздушного потока. Поэтому по измеренной силе тока, протекающего через проволоку, косвенно судят о количестве воздуха, поступающего в двигатель.
Датчики температуры охлаждающей жидкости и воздуха представляют собой полупроводниковый элемент, сопротивление которого резко почти линейно, изменяется (рис. 7,г).
Датчик угла открытия дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, ползун которого связан с осью заслонки. Характеристика датчика линейная.
Датчик кислорода — лямбда-зонд — устанавливается в выпускной системе. Он выдает данные о концентрации кислорода в отработавших газах, реагируя на отклонение от стехиометрического состава горючей смеси, попадающей в цилиндры. Датчик кислорода (рис. 8,а) представляет собой элемент из порошка 3, спеченного в виде пробирки, наружная 1 и внутренняя 4 стороны которой покрыты пористой пластиной. Наружная поверхность элемента подвергается воздействию отработавших газов. В датчике используется сильная зависимость ЭДС твердотелого гальванического элемента из двуокиси циркония или титана от концентрации кислорода. Такая электрохимическая ячейка реагирует на атомы кислорода и создает разность между корпусом 2 и внутренней стороной 4 пробирки до 1 В. Эта разность и служит управляющим сигналом (рис. 8,6), заставляющим электронный модуль изменять подачу топлива в двигатель до тех пор, пока в отработавших газах не останется свободного, т.е. не вступающего в химическую реакцию кислорода. Таким образом автоматически поддерживается стехиометрический состав рабочей смеси во всех диапазонах нагрузок и частоты вращения двигателя.
Рис. 8. Устройство (а) и характеристика (б) датчика кислорода: 1 и 4 — соответственно наружная и внутренняя стороны пробирки; 2 — корпус; 3 — порошок; I и II — соответственно высокий и низкий уровни напряжения
Датчик угла поворота коленчатого вала двигателя размещается в корпусе распределителя зажигания и состоит обычно из двух катушек и двух роторов — магнитов. Одна пара катушка-ротор выдает сигнал G угла поворота коленчатого вала, другая — сигнал Ne скорости вращения коленчатого вала двигателя (рис. 9). Поскольку распределитель вращается в два раза медленнее, чем коленчатый вал, то ротор датчика скорости имеет два выступа и за каждый оборот подает два импульса. Поэтому число импульсов равно числу оборотов коленчатого вала.
Рис. 9. Сигналы датчика скорости (а) и угла поворота коленчатого вала (б)
Датчик угла поворота коленчатого вала имеет 24 выступа и за один оборот подает 24 импульса, т.е. через 15° поворота распределителя и 30° — коленчатого вала.
Датчик детонации — представляет собой пьезоэлемент, установленный в жестком корпусе, частота собственных колебаний которого равна частоте колебаний при детонации. В этот период пьезоэлемент вырабатывает максимум напряжения, так как испытывает максимальные нагрузки (рис. 10).
Рис. 10. Характеристика датчика детонации (вертикальная линия обозначает резонансную частоту)
Если двигатель имеет широкий диапазон детонационных частот f, то применяются датчики детонации нерезонансного типа.
Датчики положения
Многие автомобильные системы управления дроссельной заслонкой используют сегодня электрическую цепь для передачи сигнала управления от педали управления подачей топлива к электронной системе впрыска топлива. Определенному положению педали соответствует определенное значение подаваемого на блок управления сигнала. Если сигнал будет неправильным, но его значение будет находиться в определенных для системы пределах, установить ошибочность сигнала невозможно.
Для исключения такой возможности фирмы «Wiliams Controls» и «Navistar International Transportation» объединили свои усилия и разработали прибор, в котором интегрируется выключатель режима холостого хода (IVS — idle valedation switch) с устройством управляемого педалью передачей топлива тока. Этот прибор посылает раздельные избыточные сигналы в ЭБУ. Устройство IVS объединено с датчиком положения педали (APS — accelerator position sensor). Оба компонента остаются электрически изолированными, но связаны с педалью единой механической связью.
Интегральный ключ IVS и датчик положения APS располагаются на единой подложке. Подложка несколько увеличена для встраивания ключа, но никаких новых элементов не содержит. Выгоды приведенной интеграции включают простоту изготовления, более легкое обслуживание, меньшую стоимость и повышенную совместимость с различными исполнениями педалей.
Потенциометры
Потенциометры просты по конструкции и работе (представляют собой щетку, скользящую по резистивной поверхности), они имеют массу преимуществ: высокотемпературный диапазон, низкую стоимость, высокий уровень сигнала и почти безграничное разрешение в сравнении с магнитными или оптическими датчиками (табл. 1). Потенциометрический датчик является лучшим для указания положения, но имеет наименьший срок службы.
Таблица 1. Сравнение датчиков положения (по 4-балльной системе)
| Датчик | Температура | Срок службы | Линейность | Разрешающая способность | Сигнал/ шум | Стоимость |
| Потенциометрический | 5 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| С использованием эффекта Холла | 4 | 5 | 5 | 4 | 2 | 2 |
| Индуктивный | 5 | 5 | 4 | 4 | 3 | 3 |
| Цифровой | 3 | 5 | 4 | 2 | 3 | 2 |
Кроме того, обычные потенциометры иногда теряют свою линейность под воздействием некоторых условий, например вибрации двигателя. Они могут выдержать только 10 млн. циклов (колебаний). Нарушение линейности является результатом разрушения резистивного элемента и роста в этой точке электрического сопротивления.
Используя специальную резину, графит и наполнители, фирма «Alps Electric Со» разработала потенциометр со сроком службы при вибрации более 1 млрд, циклов колебаний. Были исследованы характеристики условий скольжения этого нового датчика, Контактное сопротивление оставалось в пределах 2% от начального после 40 млн. циклов при температуре 175°С, через 10 млн. циклов оно сохраняло свое начальное значение до 100 млн. циклов, после чего сопротивление стало заметно возрастать.
Самыми долговечными должны быть датчики положения клапана рециркуляции газов, дроссельной заслонки и высоты пола кузова над дорожным покрытием.
Датчики углового положения (RPS). Они обычно применяются в системах ДВС для определения положения дроссельной заслонки, распространяются и на системы управления «без проводов». Обычные потенциометры углового положения основываются на контакте между резистивным элементом и трущимся о него контактом, что сопровождается соответствующим стиранием. Микровыключатели, работающие на бесконтактных датчиках углового положения, являются альтернативой сегодняшних устройств. Линейный выход в соединении с магниточувствительной схемой обеспечивают линейность и стабильность магнитного поля, большой срок службы и компенсацию механических допусков.
Такие датчики состоят из интегральной микросхемы на эффекте Холла с линейным выходом, возбуждаемой неодимовым магнитом и расположенной вблизи него на роторе датчика, точность формы которого выдерживается в пределах 1% для обеспечения необходимой линейности сигнала. Зазор между ними является компромиссом между минимальной разницей в чувствительности при разных положениях (что требует большого зазора) и максимальной силой (что требует малого зазора).
Линейные датчики включают элементы тонко- и толстопленочной технологий для достижения высокой чувствительности, точной установки нуля, хорошей температурной компенсации и электронной совместимости с электронными блоками управления. Они способны к работе уже при питании напряжением 5 В и в диапазоне температур -40. +150°С. Возвратная пружина датчика обеспечивает стабильность зазора ротора, что гарантирует минимальный гистерезис характеристик.
Датчики были испытаны в течение 10 млн. циклов без заметного изменения их параметров. Стабильность выхода при закрытой дроссельной заслонке обеспечивается калибровкой и составляет несколько градусов мертвой зоны во всем температурном диапазоне.
Датчики качества топлива
Фирма «Mitsubishi Electrik» разработала датчик состава топлива, измеряющий коэффициент преломления и диэлектрическую постоянную топлива. Он будет способен определять концентрацию метанола (многотопливные двигатели) или качество бензина у автомобилей.
Принцип работы датчика состоит в следующем. Параллельный световой пучок, излучаемый инфракрасным диодом с коллиматорными линзами, проходит через стержневую призму, изготовленную из оптического стекла, к границе поверхности, на которую поступает топливо, подлежащее измерению. После отражения под углом, пропорциональным коэффициенту преломления топлива, луч света отражается от зеркала, преломляясь на той же граничной поверхности. Затем он снова проходит через стержневую призму и фокусируется конденсаторной линзой на светочувствительном детекторе позиционирования (PSD — position sensitive detektor).
Положение падающего на детектор пучка соотносится с коэффициентом преломления топлива. Поскольку этот коэффициент зависит от температуры, в устройстве для температурной компенсации предусмотрен малогабаритный термистор высокого разрешения. Диапазон измеряемых коэффициентов преломления зависит от угла среза призмы. Поэтому для этанола и бензина можно применять один и тот же датчик, различающийся лишь углом среза призмы.
Датчик малогабаритен, чувствителен, имеет достаточно линейный выход в используемом диапазоне коэффициентов преломления. Основным преимуществом таких фотопозиционных детекторных систем является устойчивость к загрязнениям оптических систем, прочность и унифицированность конструкции для контроля как концентрации метанола, так и качества бензина.
Датчики качества масла
Подобно датчику топлива фирма «Ford» разрабатывает датчик загрязнения масла, определяющий диэлектрическую постоянную не бензина, а масла. Датчик, реагируя на химические или физические параметры моторного масла, оповещает водителя об ухудшении свойств масла, помогает избежать использования нестандартного масла, контролирует, не разбавлено ли масло топливом или охлаждающей жидкостью, отслеживает, насколько хорошим поддерживается состояние масла в картере.
Чувствительным элементом датчика является миниатюрный воздушный конденсатор, монтируемый в промежуточной кольцевой прокладке между масляным фильтром и блоком цилиндров двигателя. Электронная схема преобразует изменения диэлектрической постоянной в изменения частоты. Кольцевая прокладка поддерживает положение датчика в области интенсивного масляного потока на выходе его из маслонасоса двигателя, чтобы исключить попадание датчика в застойные зоны, где может накапливаться шлам.
Устройство достаточно чувствительно для обнаружения доливки одного литра масла, полной его смены или работы двигателя с пониженным уровнем масла.
Одного параметра недостаточно для определения необходимости смены масла. Современные системы управляются алгоритмом, учитывающим ряд параметров, в том числе интегрально температуру масла двигателя в зависимости от передачи, для решения о необходимости смены масла. Однако, конденсаторный датчик состояния масла может обеспечивать микропроцессор системы контроля масла химическими параметрами, расширяя возможности действующих систем.
http://www.nissanbook.ru/point/electronic/show/datchiki-sistem-upravleniya-benzinovym-dvigatelem