Основные датчики системы 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:

Ø расходомеры воздуха;

Ø датчики температуры;

Ø угла открытия дроссельной заслонки;

Ø угла поворота коленчатого вала;

Ø детонации.

11.2.1 Расходомеры воздуха

Принципиально различаются четыре типа расходомеров воздуха:

Ø Потенциометрический, управляемый поворачивающейся под воздействием воздуха заслонкой;

Ø Датчик изменения перепада давления во впускном трубопроводе;

Ø Датчик Кармана, измеряющий число вихрей, создаваемых воздушным насосом;

Ø Термоанемометрический датчик, реагирующий на изменение сопротивления платиновой проволоки.

11.2.1.1 Потенциометрический расходомер воздуха

Принцип действия

В датчике данного типа воздух, проходящий в двигатель через воздушный фильтр, изменяет угол поворота подвижной заслонки, на которую, кроме скоростного напора воздуха, воздействует тарированная пружина, препятствующая повороту заслонки. При этом расход воздуха преобразуется в соотношение напряжений плеч потенциометра, который непосредственно соединен с осью заслонки.

Рис. 11.11 - Потенциометрический расходомер воздуха

11.2.1.2 Датчик изменения перепада давления во впускном трубопроводе

Принцип действия

Разрежение во впускном трубопроводе за дроссельной заслонкой измеряется датчиком давления. Эти данные и данные о частоте вращения коленчатого вала двигателя обрабатываются в ЭБУ. Таким образом, косвенно рассчитывается расход воздуха. Этот метод называется также методом потребления или методом «скорость - плотность».

Рис. 11.12 - Конструкция (поперечное сечение) и выходная характеристика датчика давления.

На рисунке 11.12 показаны конструкция и характеристика полупроводникового датчика давления. В преобразователе давления на кремниевом кристалле используется пьезорезистивный эффект. На поверхности кристалла сформирован мостик сопротивлений, ток через которые изменяется под действием деформации. Этот ток усиливается и вводится температурная компенсация. Таким образом, формируется выходной сигнал.

11.2.1.3 Датчик Кармана

Пример такого датчика показан на рисунке 2.13, а его характеристика - на рисунке 11.14. Если в поток потребляемого двигателем воздуха поместить генератор вихрей (завихритель), то за ним образуются несимметричные упорядоченные вихри, которые называются рядом Кармана. Число вихрей почти пропорционально расходу всасываемого воздуха. В примере, показанном на рисунке, ультразвуковые волны генерируют вихри, количество которых преобразуется в выходные электрические сигналы (импульсы) датчика.

Рис. 11.13 - Пример датчика расхода воздуха, работающего на принципе вихрей Кармана («Мицубиси»): количество волн соответствует числу вихрей.

Рис. 11.14 - Характеристика датчика Кармана.

11.2.1.4 "Массовый" расходомер воздуха термоанемометрического типа, с нагреваемой нитью

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.

В массовом расходомере воздуха отсутствуют какие-либо перемещающиеся детали, и он создает очень маленькое аэродинамическое сопротивление воздушному потоку. Массовый расходомер воздуха расположен между воздушным фильтром и корпусом дроссельной заслонки.

1 - направляющая сетка; 2 - измерительная нить; 3 - подвод воздуха; 4 - компенсационная нить

Рис. 11.15 - "Массовый" расходомер воздуха термоанемометрического типа

Один из примеров расходомер воздуха термоанемометрического типа фирмы Nissan

1 - место пайки контактов разъема к ос­новной плате; 2 - корпус ос­новной платы; 3 - элемент конструкции для крепления выводов измеритель­ного элемента и датчика температуры; 4 - измеритель­ный элемент (рядом располагается датчик температуры воздуха); 5 – корпус; 6 - защитная сетка; 7 - упорное кольцо крепления

Рис. 11.16 - Расходомер воздуха термоанемометрического типа

1 - датчик температуры впускаемого воздуха; 2 - измерительный элемент (нить); 3 - корректирующий резистор

Рис. 11.17 - расходомер воздуха термоанемометрического типа

Принцип работы

Основными частями массового расходомера воздуха являются сопло Вентури и измерительная нить, расположенная в сопле.

Датчик температуры воздуха или компенсационная нить, так же расположены в сопле.

Электронный блок управления регистрирует изменение температуры, происходящее вследствие изменения расхода воздуха, и увеличивает или уменьшает электрический ток в цепи измерительной нити.

Электронный блок, расположенный в расходомере воздуха, поддерживает на постоянном уровне температуру измерительной нити примерно на 120° С выше температуры всасываемого воздуха.

Изменение силы электрического тока регистрируется электронным блоком управления. Это основной сигнал, который, совместно с сигналами датчиков других систем, определяет величину подачи топлива в двигатель.

При выключении двигателя измерительная нить кратковременно нагревается до высокой температуры, чтобы выжечь грязь с поверхности нити.

"Массовый" расходомер воздуха - термоанемометрического типа, тонкопленочный, аналогичен выше описанному, но чувствительный элемент нанесен на керамическую пластину, что исключает необходимость сжигания отложений.

11.2.1.5 Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе

Датчик соединен вакуумным шлангом с впускным коллектором двигателя. Обычно он расположен в подкапотном пространстве или встроен в корпус электронного блока управления (рисунок 11.18).

1- подвод разрежения; 2 - пьезоэлектрический кристалл; 3 - электрический разъем

Рис. 11.18 Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе: А - полная нагрузка; В – холостой ход

Принцип работы

В датчике расположена диафрагма и пьезоэлектрический модуль, сопротивление которого изменяется пропорционально величине давления во впускном коллекторе.

Напряжение питания датчика равно 5 вольт, а выходной сигнал, поступающий в электронный блок управления пропорционален давлению во впускном коллекторе.

Этот сигнал используется электронным блоком управления для корректировки величины цикловой подачи топлива.

11.2.1.6 Датчик кислорода с нитью накала

В иностранной литературе в старых терминах употреблялось название "лямбда-зонд". Датчик измеряет избыток кислорода в отработавших газах всех цилиндров и устанавливается в системе выпуска до каталитического нейтрализатора. Он выдает данные о концентрации кислорода в отработавших газах, реагируя на отклонение от стехиометрического состава горючей смеси, попадающей в цилиндры.

При необходимости (например, в V-образных двигателях) могут устанавливаться два датчика, по одному на каждый полублок (рисунок 11.19).

1 – защитный колпачок с прорезями; 2 – нагревательный элемент; 3 – чувствительный элемент; 4 – электрический разъём

Рис. 11.19 – Датчик кислорода с нитью накала

Принцип работы

Датчик кислорода представляет собой элемент из порошка, спеченного в виде пробирки, наружная и внутренняя 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 и внутренней стороной пробирки.

Сигнал кислородного датчика, в виде переменного напряжения 200-800 мВ, зависит от концентрации кислорода в отработавших газах. Обрабатывая этот сигнал, электронный блок управления регулирует состав топливовоздушной смеси.

Если состав топливовоздушной смеси стехиометрический (@=1), сигнал датчика равен 500 мВ.

Если топливовоздушная смесь слишком бедная, напряжение - 200-450 мВ (@=1,10).

Если топливовоздушная смесь слишком богатая, напряжение - 550-800 мВ (@=0,9б).

Чтобы обеспечить состав топливовоздушной смеси как можно ближе (±1%) к теоретически необходимому (стехиометрическому) отношению 14,7 частей (массовых) воздуха к одной части топлива, оптимальному для работы каталитического нейтрализатора, кислородный датчик практически постоянно передает сигнал в электронный блок управления, на основании которого величина подачи топлива корректируется.

Рис. 11.20 Характеристика датчика кислорода на изменение состава смеси

Датчик неработоспособен до тех пор, пока не прогреется до температуры 482-572°С., однако большинство современных кислородных датчиков оборудованы нагревательным элементом, благодаря которому система управления двигателя переходит в режим работы с обратной связью довольно быстро после холодного пуска двигателя.

11.2.1.7 Датчик температуры охлаждающей жидкости

Измерительная часть датчика находится в охлаждающей жидкости двигателя. В большинстве случаев в датчике установлено сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом, электрическое сопротивление которого уменьшается по мере роста температуры. Однако встречаются датчики температуры охлаждающей жидкости с положительным температурным коэффициентом, у которых сопротивление возрастает с увеличением температуры двигателя.

1- электрический разъем; 2 – корпус; 3 - терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом

Рис. 11.21 – Датчик температуры охлаждающей жидкости и его температурная характеристика