Лекция 12. Датчики и исполнительные устройства систем управления двигателем

1. ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Измерители расхода воздуха

Схемное и конструктивное исполнение измерителя расхода воздуха приведено на рис. 12.1. В этом измерителе воздушный поток воздействует на заслонку 2, закреплённую на оси в специальном канале. Поворот заслонки потенциометром преобразуется в напряжение, пропорциональное рас ходу воздуха. Демпфер 3 с пластиной 4, выполненной как одно целое с измерительной заслонкой 2, служит для гашения колебаний, вызванных пульсациями воздушного потока и динамическими воздействиями, характерными для движущегося автомобиля. На входе в измеритель расхода воздуха встроен датчик температуры поступающего в двигатель воздуха 7. Недостатком данного измерителя расхода является наличие подвижных деталей и скользящего контакта.

Подвижных деталей не имеют измерители расхода воздуха ионизационного, ультразвукового, вихревого и термоанемометрического типов.

Термоанемометрический измеритель расхода воздуха для системы впрыскивания топлива «LH-Jetronic» представляет собой автономный блок, устанавливаемый во впускной тракт двигателя (рис 12.2). Наиболее ответственной частью термоанемометра является внутренний измерительный канал 6, состоящий из пластмассовых обойм, которые окружают несущие кольца нагреваемой платиновой нити 2 диаметром 100 мкм и термокомпенсационного плёночного резистора 3. Платиновая нить 2, плёночный резистор 3 и прецизионный резистор 1 являются элементами измерительного моста и размещаются в измерительном канале 6 (на рис. 12.2 они показаны в увеличенном виде). Корпус 5 имеет камеру для размещения электронного блока, который поддерживает постоянным перегрев нити относительно потока на уровне 150 ºС путём регулирования силы тока измерительного моста. Выходным параметром измерителя расхода воздуха служит падение напряжения на прецизионном резисторе 1. На входе и выходе основного канала измерителя установлены защитные сетки, которые одновременно выполняют функции стабилизирующих элементов.

На рис 12.3 показан автомобильный термоанемометрический измеритель расхода воздуха с чувствительным плёночным элементом на керамических подложках. Пластмассовая рамка с чувствительным элементом размещается в измерительном патрубке. Температура перегрева измерительного терморезистора – 70 ºС. Она поддерживается с помощью электронной схемы управления.

1.2. Датчики давления

В процессе эксплуатации автомобилей необходим непрерывный контроль за давлением масла в двигателе, воздуха в пневматической тормозной системе, масла в гидромеханической передаче, в централизованной системе подкачки воздуха и др. Информацию о давлении получают с помощью манометров.

По способу измерения манометры делятся на приборы непосредственного действия и электрические. Приборы непосредственного действия имеют чувствительный элемент и указатель, устанавливаемый на приборной панели. Электрические манометры основаны на преобразовании неэлектрических величин в электрические и содержат датчик и указатель, связанные гальванически.

Схема датчика давления с мембранным чувствительным элементом приведена на рис. 12.4, а. Наличие механических элементов и большое число звеньев в цепи передачи информации снижают точность датчика рис 12.4, а и надёжность системы в целом.

В бесконтактных индуктивных датчиках (рис. 12. 4, б) при перемещении чувствительного элемента – мембранной камеры 9 изменяется воздушный зазор в магнитопроводе, магнитное сопротивление магнитопровода и индуктивность катушки. Катушка включена в измерительный мост. При разбалансировке моста появляется электрический сигнал, поступающий в блок управления.

Применение микроэлектронной технологии позволило перейти к полностью статическим конструкциям датчиков. На рис. 12.4, в приведён интегральный датчик давления с полупроводниковыми тензоэлементами.

1.3. Датчики положения и перемещения

Для определения положений дроссельной заслонки и угловой скорости перемещения (частоты вращения) коленчатого вала применяют датчики контактного типа (потенциометрические). Основой потенциометрического датчика является плёночный резистор с несколькими контактными дорожками, с которыми контактируют упругие токосъёмные элементы. Токосъёмные элементы жестко связаны с осью датчика и выдают сигналы ускорения при резком открытии дроссельной заслонки, сигналы о холостом ходе двигателя, информацию о положении дроссельной заслонки и полном или близком к нему открытии дроссельной заслонки.

Недостатки датчиков: дребезжание контактов, низкая стабильность и малый срок службы. Свободны от недостатков электромеханических датчиков оптоэлектронные и индуктивные датчики.

Конструкция индуктивного датчика показана на рис. 12.5. Индуктивные датчики перемещения в электронных системах управления двигателем используются в основном для измерения частоты вращения коленчатого или распределительного вала двигателя.

Датчики применяются также для определения ВМТ первого цилиндра или другой специальной метки, служащей началом отсчёта для синхронизации функционирования системы управления с рабочим процессом двигателя. Индукционная катушка датчика размещена вокруг постоянного магнита, полюс которого со стороны, обращённой к объекту вращения, например, к зубчатому венцу маховика (рис. 11.10, в), имеет магнитопровод из магнитомягкого материала. Магнитопровод установлен с небольшим зазором относительно зубьев вращающегося венца маховика. Амплитуда выходного сигнала датчика зависит от длины воздушного зазора между магнитопроводом и маркерным зубом и от скорости изменения магнитной индукции, зависящей от скорости перемещения зуба.

1.4. Датчики детонации

Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические вибродатчики (рис. 12.6). Элементы такого датчика крепятся к основанию 1, выполненному из титанового сплава.

Собственно датчик состоит их двух параллельно включённых кварцевых элементов. При возникновении детонации (вибрации) инерционная масса 3 воздействует на пьезоэлементы 2 с соответствующей частотой и усилием. В результате пьезоэффекта появляется переменный сигнал, который снимается с кварцевых пластин с помощью выводов из латунной фольги 4.

1.5. Датчики кислорода

В настоящее время применяются два типа датчиков кислорода – циркониевые (чувствительный элемент – диоксит циркония ZrO₂) и титановые (чувствительный элемент – диоксит титана TiO₂).

Принцип действия циркониевого датчика поясняет схема рис. 12.7. На рис 12.8 приведена конструкция датчика. Электроды датчика (внешний 4 и внутренний 5) выполнены из пористой платины или её сплава и разделены слоем твёрдого электролита 3 – диоксида циркония ZrO₂ с добавлением оксида иттрия Y₂O₃ для повышения ионной проводимости.

Среда, окружающая внутренний электрод, имеет постоянное парциальное давление кислорода. Внешний электрод омывается потоком отработавших газов в выпускной системе двигателя. Поток газов имеет переменное парциальное давление кислорода. Ионная проводимость твёрдого электролита, возникающая под действием разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между ними.

При низком уровне парциального давления кислорода в отработавших газах, когда двигатель работает на обогащённой смеси (λ < 1), датчик генерирует высокое напряжение (700 ÷ 1000 мВ). При переходе на обеднённую смесь (λ > 1) парциальное давление кислорода в отработавших газах заметно увеличивается, что приводит к падению напряжения на выходе датчика до 50 ÷ 100 мВ. Резкое изменение напряжения датчика позволяет определять стехиометрический состав смеси с погрешностью не более 0,5 %.

Конструкция датчика кислорода на базе диоксида титана TiO₂ приведена на рис. 12. 9.

Принцип работы датчика основан на изменении электропроводности TiO₂ при изменении парциального давления кислорода в выпускной системе. Параллельно чувствительному элементу 1 датчика подключён термистор для компенсации влияния температуры на сопротивление соединения TiO₂.

2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ ВПРЫСКА

2.1. Электромагнитные форсунки

Форсунка – наиболее ответственный элемент системы впрыскивания топлива. Обычно форсунки разрабатываются для каждой модели автомобиля и двигателя, поэтому существует большое разнообразие их конструкций.

Форсунки работают в импульсном режиме при частоте срабатывания от 10 до 200 Гц в условиях вибрации двигателя, повышенных температур и при этом должны обеспечивать линейность характеристики дозирования топлива в пределах 2 ÷ 5 % на протяжении всего срока службы (около 600 млн. циклов срабатывания).

Рассмотрим работу форсунки по рис 12.10. Сигнал на начало впрыскивания топлива подаётся на обмотку 1 электромагнита, размещённую в металлическом корпусе. В корпусе расположен также запирающий элемент 3 клапана, прижимаемый к седлу пружиной 5. Когда на обмотку электромагнита от электронного блока управления подаётся электрический импульс прямоугольной формы определённой длительности, запирающий элемент перемещается, преодолевая сопротивление пружины, и открывает отверстие распылителя. Топливо поступает в двигатель. По окончании управляющего импульса запирающий элемент под действием пружины возвращается в седло. Количество впрыскиваемого топлива за цикл при постоянстве давления на входе в форсунку, зависит только от длительности управляющего импульса.

В реальной форсунке время открытого состояния клапана не совпадает с длительностью управляющего импульса. После подачи импульса на форсунку в обмотке электромагнита возникает ток самоиндукции, препятствующий нарастанию магнитного потока в системе. Открытие клапана происходит с задержкой во времени. По окончании управляющего импульса эффект самоиндукции препятствует быстрому отпусканию запирающего элемента.

Увеличить быстродействие электромагнитной форсунки можно, уменьшив число витков ее обмотки. Но при этом уменьшится сопротивление и увеличится ток обмотки. Для ограничения величины тока потребуется включение последовательно с обмоткой добавочного резистора.

В электромагнитных форсунках используются три вида запирающих элементов клапана: плоский, конусный и сферический (рис. 12.11).

Плоский запирающий элемент 3 форсунки, представленной на рис 12.11, а, изготовлен из магнитомягкой стали. В центральной части он имеет стальную вставку, которая предотвращает появление кольцевой выработки в месте посадки элемента на седло клапана. Рабочий ход запирающего элемента составляет 0,15 мм и ограничивается специальным дистанционным кольцом. Усилие пружины 4 может регулироваться специальным винтом 9, закрытым пробкой. Внутри форсунки размещён топливный фильтр 6 в виде кольца из порошкового материала. Фильтр исключает попадание загрязнений и возможную потерю герметичности клапана форсунки.

Форсунки с конусным запирающим элементом (рис. 12.11, б) получили наибольшее распространение. Форсунка имеет нижний подвод топлива, обеспечивающий его постоянную циркуляцию через форсунку, лучшее охлаждение электромагнитной системы и лучшие условия для отвода пузырьков газа.

Преимущество сферического запирающего элемента в форсунке, представленной на рис. 12.11, в, состоит в том, что сферические элементы обладают хорошими герметизирующими свойствами и способностью к центрированию в седле клапана.

Форсунки для распределённого и центрального впрыскивания отличаются по размерам, способу крепления на двигателе, способу подвода топлива и по сопротивлению обмоток электромагнита.

Дополнительная пусковая форсунка (рис 12.12) отличается по конструкции от рабочих. Обычно она состоит из корпуса с фланцем крепления 3, в который завальцован пластмассовый каркас 1 обмотки 2 электромагнита. Запирающий элемент 6 клапана является якорем электромагнита. В нижней части корпуса расположен центробежный распылитель. При подаче топлива пусковая форсунка постоянно находится в открытом состоянии.

2.2. Исполнительные устройства с электродвигателями.

Для подачи топлива к форсункам в системах впрыскивания топлива используются электрические топливные насосы. В основном используются насосы роторного (роликового) типа (рис. 12.13).

Насосы могут устанавливаться как вне, так и внутри топливного бака. При внешней установке насос представляет собой автономный агрегат, объединяющий насос и электродвигатель в одном корпусе, как показано на рис. 12.13.

При размещении в баке насос представляет собой комплекс, объединяющий собственно насос, топливопроводы, демпфирующее устройство, фильтр и провода электропитания. Пример системы топливоподачи с таким размещением насоса показан на рис. 12.14.

На рис. 12.15 приведён регулятор холостого хода с приводным шаговым электродвигателем. Шаговый электродвигатель имеет четыре обмотки управления. Обмотки размещены на статоре. В продольных пазах ротора установлены постоянные магниты с чередующимся расположением полюсов. Управление двигателем ведётся с помощью электрических импульсов различной полярности, подаваемых на обмотки в определённой последовательности.

Малогабаритные электродвигатели постоянного тока используются для регулирования расхода воздуха на холостом ходу путём перемещения дроссельной заслонки. Вал электродвигателя через редуктор связан с цилиндрическим толкателем, который непосредственно воздействует на подпружиненный рычаг заслонки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

12.1. Пользуясь рис. 12.1, 12.2 и 12.3, поясните принцип работы измерителей расхода воздуха. Сравните их достоинства и недостатки.

12.2. Как формируется выходной сигнал датчиков, приведенных на рис. 12.4, б и 12.4, в?

12.3. Почему потенциометрические датчики перемещения нецелесообразно применять для измерения частоты вращения коленчатого вала ДВС?

12.4. Чем определяется чувствительность индуктивного датчика давления?

12.5. Какой конструктивный элемент определяет чувствительность пьезоэлектрического датчика давления?

12.6. Где должен размещаться датчик кислорода?

12.7. Почему момент срабатывания (отпирания) форсунки всегда отстает от переднего фронта прямоугольного управляющего импульса?

12.8. В чем заключаются отличия пусковой форсунки от форсунок центрального и распределенного впрыскивания?

12.9. Какие задачи систем управления ДВС решаются применением электродвигателей?

Дата добавления: 2015-05-06