Электронные системы управления топливопадачей бензиновых двигателей. Датчики основных систем управлением двигателя.

Измерители расхода воздуха

Рис. 2. Термоакемометрический измеритель расхода воздуха системы "LH-Jetrooic":

1 - прецизионный резистор; 2 - платиновая нить (измерительный элемент); 3 -термокомпенсационный пленочный резистор; 4 - стабилизирующие решетки; 5 -пластмассовый корпус; б — внутренний измерительный канал, в котором располагаются элементы I, 2, 3 (показаны в увеличенном виде)

Однако ионизационные, ультразвуковые, вихревые и термоанемометри-ческого типа измерители расхода воздуха подвижных деталей не имеют.

Термоанемометрический измеритель расхода воздуха для системы впрыска топлива "LH-Jectronic" представляет собой автономный блок, устанавливаемый во впускном трубопроводе двигателя. Наиболее ответственной частью термоанемометрического измерителя является внутренний измерительный канал б (рис. 2), состоящий из пластмассо­вых обойм, которые окружают несущие кольца. В кольцах расположены нагреваемая платиновая нить 2 диаметром 100 мкм и термокомпенсаци­онный пленочный резистор 3. Корпус 5 имеет камеру для размещения электронного блока, который поддерживает постоянным перепад температур нити и потока на уровне 150 °С путем регулирования силы тока измерительного моста. Выходным параметром измерителя расхода воздуха служит падение напряжения на прецизионном резисторе /. На входе и выходе канала 6 измерителя расхода воздуха установлены защитные сетки, которые одновременно выполняют функции стабилизи­рующих элементов.

На рис. 3 показан автомобильный термоанемометрический измери­тель расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом на твердых керамических подложках.

Рис. 3. Термоанемометрическнй измеритель

расхода воздуха с пленочным чувствитель­ным элементом:

/ - корпус; 2 - датчик температуры воздуха; 3 - стабилизирующая решетка; 4 - внутрен­ний измерительный канал; J - чувствитель­ный элемент; 6 — электронная

Рис. 4. Металлополимерный чувстви­тельный элемент:

Чувствительный элемент включает измерительный / и термокомпенсационный резисторы 2 (рис. 4). Пласт­массовая рамка с чувстви­тельным элементом разме­щается в патрубке измери­теля расхода воздуха. Тем­пература перегрева измерительного терморезистора - 70 °С поддержива­ется с помощью электронной схемы управления.

Термоанемометрический измеритель расхода воздуха на основе металлополимерных чувствительных элементов приведен на рис. 5. Рабочая решетка металлополимерного чувствительного элемента (рис. 6) изготовляется из фольги методом фотолитографии. Чувствитель­ный элемент содержит измерительный и термокомпенсационный резисторы.

Измерители расхода топлива

Информация о расходе топлива на автомобиле необходима как для бортовых систем контроля, так и для адаптивных систем управления двигателем.

В электромеханических измерителях расхода топлива турбинного типа (тахометрические) считывающим элементом при определении частоты вращения турбин является светодиод инфракрасного излучения и фоторезистор. В измерителе расхода топлива предусмотрены демпфирую­щее устройство для гашения пульсаций потока, системы для удаления воздушных пробок из потока топлива, а также система термокомпенса­ции.

В одном из вариантов теплового измерителя расхода топлива датчик представляет собой четыре терморезистора, соединенных в мостовую схему и размещенных по периферии тонкой квадратной подложки. Поток топлива омывает терморезисторы и в большей степени охлаждает те из них, которые расположены перпендикулярно потоку. В диагонали моста возникает разностный сигнал, фиксирующий расход топлива.

В системах впрыскивания следует учитывать количество топлива, поступающего от форсунок или стабилизатора давления обратно в топливный бак, влияние на показания измерителей пульсаций потока топлива и вибрации двигателя.

Датчики давления

Датчики давления, в которых в качестве чувствительного элемента используется мембрана 3 (рис. 7, а), имеют существенные недостатки: наличие механических элементов и сравнительно большое число звеньев в цепи передачи информации, что отрицательно влияет на точность и надежность измерительной системы.

В бесконтактных индуктивных датчиках давления (рис. 7, б) при перемещении чувствительного элемента изменяются воздушный зазор в магнитопроводе, его магнитное сопротивление и индуктивность

катушки, которая 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. 7, в показан интегральный датчик давления с полупроводниковыми тензоэлементами.

Датчики температуры

В автомобильных системах контроля в качестве датчиков температу­ры широко используются полупроводниковые терморезисторы, размещаемые в металлическом корпусе с разъемом для включения датчика в измерительную цепь.

В системах управления находят применение более совершенные типы датчиков температуры, обладающие стабильностью и технологичностью, малым технологическим разбросом номинального сопротивления, высокой инерционностью, а также простотой конструкции. Это интегральные датчики температуры, представляющие собой однокрис­тальные термочувствительные полупроводниковые элементы с периферийными схемами (усилители и т.д.). Выходным сигналом датчика является напряжение. К таким датчикам относятся датчики на основе термочувствительных ферритов и конденсаторов, в которых используют­ся эффект влияния температуры на магнитную и диэлектрическую проницаемость. Однако из-за сложности конструкции они нетехнологич­ны.

По разным причинам (нетехнологичность, сложность конструкции, высокая стоимость и т.д.) на автомобилях пока не находят применение термоэлектрические датчики, датчики на основе кварцевых резонаторов и многие другие.

Датчики положения и перемещения

Для определения положения дроссельной заслонки и угловой скорости и (перемещения) коленчатого вала применяют датчики контактного типа.

Основой потенциометрического датчика является пленочный резистор с несколькими контактными дорожками, с которыми контактируют упругие токосъемные элементы. Токосъемные элементы связаны с осью датчика и перемещаются вместе с ней. Токосъемные элементы обеспечи­вают получение сигналов о резком открытии дроссельной заслонки, режиме холостого хода двигателя, положении дроссельной заслонки (полном ее открытии или близком к этому).

Основные требования к датчику положения дроссельной заслонки: долговечность и стабильность работы при отсутствии дребезга контактов. Эти требования выполняются за счет подбора износостойких материалов дорожек и контактных площадок токосъемных элементов.

Электромеханические датчики контактного типа не имеют недостат­ков бесконтактных датчиков, в частности оптоэлектронных датчиков с кодирующим диском. Разрешающая способность кодирующего датчика может быть меньше 1⁰ угла его поворота за счет применения прецизион­ных кодирующих дисков с прорезями или прозрачными площадками и оптических или фотоэлектрических устройств. По разным сторонам кодирующего диска установлены источники света и фоточувствительные элементы (обычно фотодиоды). При его вращении свет попадает на определенную комбинацию фотодиодов (фотоэлементов), что позволяет однозначно определять угол поворота диска.

Индуктивные датчики перемещения в электронных системах управ­ления двигателем используются в основном для измерения частоты вращения коленчатого или распределительного валов. Они предназначе­ны также для определения верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра или другой специальной метки, служащей началом отсчета с целью синхронизации функционирования системы управления рабочим процессом двигателя.

Индукционная катушка такого датчика размещена вокруг постоянно­го магнита, полюс которого со стороны, обращенной к объекту вращения, например, к зубчатому венцу маховика, имеет магнитопровод из магнитомягкого материала. Магнитопровод установлен с небольшим зазором относительно зубьев вращающегося зубчатого венца маховика.

При перемещении зубьев относительно магнитопровода величина зазора А между ними меняется (рис. 8). Это вызывает изменение магнитной индукции и появление двухполярного электрического импульса в индукционной катушке. Две пикообразных полуволны импульса расположены симметрично относительно оси, проходящей через нулевую точку, а нулевая точка соответствует центру каждого зуба, что позволяет с большой точностью определить их положение.

Амплитуда выходного сигнала датчика зависит от размера воздушно­го зазора между магнитопроводом и маркерным зубом и от скорости
изменения магнитной индукции, на которую влияет скорость перемеще­ния зуба.

Индуктивные датчики относятся к числу наиболее надежных датчиков в электронных системах управления автомобильных двигателей (рис. 9).

Конструкции датчиков детонации отличаются большим разнообрази­ем, кроме того, они имеют разные принципы работы, так как возможно большое число признаков проявления детонации.

Наиболее распространен способ определения детонации с помощью пьезокварцевого вибродатчика (рис. 10), все элементы которого крепятся к основанию /, выполненно­му из титанового сплава. Пьезоэлек­трический преобразователь состоит из двух включенных параллельно кварцевых пьезоэлементов. При возникновении детонации (вибрации) инерционная масса 3 воздействует на пьезоэлементы 2 с соответствующими частотой и усилием. В результате пьезоэффекта появляется переменный сигнал, который снимается с кварцевых пластин с помощью выводов из латунной фольги 4.

Датчики кислорода (А-зонды)

Известны два типа датчиков кислорода. В одном из них чувстви­тельным элементом является диоксид циркония Zr0₂, во втором -диоксид титана Ti0₂. Оба типа датчиков реагируют на парциальное давление кислорода.

Циркониевый датчик (рис. 11) имеет два электрода - внешний 4 и внутренний 5. Электроды, выполненные из пористой пластины или ее сплава, разделены слоем твердого электролита. Электролитом является диоксид циркония Zr0₂ с добавлением оксида иттрия У₂0з для повышения ионной проводимости. Среда, окружающая внутренний электрод, имеет постоянное парциальное давление кислорода. Внешний электрод омывается потоком отработавших газов в выпускной системе двигателя с переменным парциальным давлением кислорода. проводимость твердого электролита, возникающая вследствие 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 обогащенного состава горючей смеси (при коэффициенте избытка воздуха а > 1) датчик как гальваничес­кий элемент генерирует высокое напряжение (700-1000 мВ). При переходе на обедненного состава горючую смесь (а < 1) парциальное давление кислорода в отработавших газах заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения С_вых на выходных выводах датчика -до 50-100 мВ. Такое резкое падение напряжения на выходе датчика (рис. 12) при переходе от обогащенного к обедненному составу горючей смеси позволяет определигь ее стехиометрический состав с погрешностью не более 0,5 %.

Конструкция датчика кислорода на основе диоксида циркония Zr0₂ показана на рис. 13.

Принцип работы датчика кислорода на базе диоксида титана ТЮ₂ (рис. 14) основан на изменении электропроводности ТЮ₂от парциально­го давления кислорода в выпускной системе. Параллельно чувствительно­му элементу / датчика подключен термистор для компенсации влияния температуры на сопротивление