Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

140

ометричного) і деякий час двигун дає підвищений викид шкідливих речо-

вин на випуску. Чим довшою є ця затримка, тим більшою буде неточність

вимірювання.

Існує також і похибка роботи багатьох датчиків, пов’язана з видачею

ними аналогових електричних сигналів, неприйнятних для мікро ЕОМ, яка

сприймає інформацію тільки у цифровому вигляді. Крім того, датчики не

завжди узгоджуються з мікрокомп’ютером за діапазоном змін вхідних си-

гналів, швидкості отримання інформації та ін. Є необхідність застосування

інтерфейсу, який забезпечуватиме попередню обробку аналогових сигналів

датчиків та перетворення їх у цифрові.

Розробка датчиків, що задовольняють всім вимогам, становить знач-

ні труднощі. Однак при роботі датчиків спільно з мікро-ЕОМ частину їх

недоліків можна компенсувати за рахунок:

лінеаризації нелінійної характеристики датчика;

заглушування його шумів;

корекції чутливості й точки нуля, які звичайно змінюються при три-

валій експлуатації;

компенсації впливу навколишнього середовища (температури і т.п.);

автоматичного діагностування датчиків.

Для виконання програм оптимального керування системами двигуна,

закладеними до пам’яті мікро-ЕОМ, КПСК вкрай необхідна найбільш по-

вна ідентифікація кожного експлуатаційного режиму.

Це роблять такі основні датчики у КПСК паливоподачі та запалю-

вання:

· частоти обертання колінчастого вала;

· витрати повітря;

· положення (відкриття) дросельної заслінки;

· температури охолоджуючої рідини.

Допоміжні датчики обслуговують канали адаптації, блок діагносту-

вання та ін. До них належать датчики:

кисню у відпрацьованих газах (l-зонд);

детонації;

кутового положення колінчастого вала;

температур деталей;

температур робочих рідин у системах двигуна;

141

тиску в системах двигуна;

витрати палива;

кліматичних параметрів;

зазорів у з’єднаннях поміж деталями;

концентрації різних токсидів у викидах двигуна;

переміщень чутливих елементів виконавчих механізмів адаптив-

них каналів, тощо.

Слід підкреслити, що коло датчиків сучасних КПСК безперервно

розширюється; патентуються ефективні вимірювачі, основані на нових фі-

зико-хімічних ефектах. Цей процес оновлення бази датчиків суттєво збі-

льшує функціональні можливості КПСК паливоподачі і запалювання, що

поліпшує оптимізацію керування двигунами.

Виконавчі пристрої КПСК реалізують задачі перетворення електрон-

них командних сигналів датчиків у реальні переміщення силових елемен-

тів приладів дозування паливоподачі й організації запалювання двигунів.

До них відносять:

ü паливні насоси (бензонасоси);

ü форсунки;

ü інжектори вприскування;

ü свічки;

ü нейтралізатори;

ü стабілізатори тиску палива (перепадів тиску палива);

ü клапани перепускання палива;

ü клапани рециркуляції;

ü привід дроселя;

ü демпфери тиску (коливань) палива;

ü прискорювачі при максимальному навантаженні;

ü регулятори складу горючої суміші;

ü пускові форсунки;

ü змішувальні камери;

ü адсорбери;

ü кінцеві вимикачі;

ü розподільники запалювання (електронні, механічні);

ü котушки запалювання;

ü акумулятори;

142

ü розподілювачі палива;

ü регулятор підігрівання при пуску;

ü термореле;

ü допоміжний повітряний клапан системи х.х.;

ü коректори тиску палива при вприскуванні;

ü пристрої керування частотою обертання колінчастого вала на

х.х.;

ü пристрої зниження викидів пари палива з бензобака;

ü діагностичний інтерфейс та ін.

Спочатку розглянемо основні датчики КПСК паливоподачею та за-

палюванням.

Частота обертання колінчастого вала двигуна. Сьогодні контактні

датчики n витиснені індуктивними датчиками, закріпленими на картері ма-

ховика таким чином, що їх чутливий елемент розташовано над зубчастим

вінцем маховика (рис. 3.32). При проходженні кожного зуба в обмотці дат-

чика генерується ЕРС (електрорушійна сила). Частота імпульсів залежить

від кількості зубців на маховику й частоти його обертання n. Для двигуна

кількість зубців маховика є незмінною. Тому частота вимірюваних елект-

ричних імпульсів, наведених індукцією, зумовлена лише частотою обер-

тання колінчастого вала.

Вимогою є точне виставлення датчика (індуктора) та мале биття зу-

бців маховика, оскільки зазор між торцем датчика і верхньою поверхнею

зубця є малим (0,5–1,5 мм), а зі збільшенням цього зазора амплітуда сигна-

лу датчика суттєво зменшується.

Недоліком такого індуктивного датчика є те, що його сигнал на пус-

кових частотах обертання n

пуск

зменшується і стає не таким чітким. Сучасні

індуктори надійно функціонують при частотах, більших ніж 30–40 хв

–1

Такі датчики отримали значне поширення, бо мають високу швидко-

дію, не чутливі до забруднення, прості й дешеві.

143

Отримали поширення і фотодатчики. У них використовується прин-

цип сприймання фотоприймачем випромінювання від інфрачервоного

джерела. Якщо на шляху променя розмістити зубчастий диск або кільце з

заданою кількістю отворів, то при перериванні світового потоку на виво-

дах фотодіода або фототранзистора, встановлених у приймачі, генерується

ЕРС, яка стає вхідним сигналом для мікро-ЕОМ щодо частоти обертання n.

Такі датчики мають високу швидкодію, малі габарити, достатньо прості й

дешеві. Але вони дуже чутливі до забруднення, що треба враховувати при

виборі місця розташування фотодатчика.

Ряд фірм розробили датчик з використанням ефекту Холла. Діапазон

робочих частот обертання у таких датчиків є більш широким, ніж у індук-

тивних. Але вони потребують дуже ретельного виготовлення, періодичної

перевірки чутливого елемента, що збільшує вартість як самого датчика, так

і його експлуатації.

Інформація розглянутого типу датчика використовується КПСК крім

прямого призначення, для підтримання заданої n на холостому ході, для

підключення або відключення паливоподачі на режимі примусового холо-

стого ходу, для обмеження максимального n, тощо.

Витрати повітря. Як зазначалось вище, маються переваги застосу-

вання які головного командного параметра циклового масового постачання

повітря замість абсолютного тиску у впускному трубопроводі.

Масову кількість повітря треба вимірювати найточніше, бо її вико-

ристовують як базу для оптимального керування на експлуатаційних ре-

Рисунок 3.32 – Індуктивний датчик частоти обертання колінчастого вала:

1 – магнітний сердечник; 2 – фланець кріплення датчика; 3 – картер маховика; 4 –

магнітопровід з магнітом м’якого заліза; 5 – обмотка; 6 – зубчастий диск маховика

напруга

час

144

жимах співвідношенням повітря–паливо a, керування перехідними проце-

сами, режимами х.х., різкого прискорення до N

max

У зв’язку з цим, розробники КСК ДВЗ приділяють найбільшу увагу

витратомірам поточної маси повітря, що споживається двигуном.

Розглянемо сучасні й перспективні витратоміри повітря.

На рис. 3.33 наведено потенціометричний датчик-витратомір [6]. По-

вітряний потік діє на прямокутну заслінку, закріплену на осі, й повертає її

на відповідний кут, який потенціометром перетворюється у напругу, про-

порційну витраті повітря. Дія потоку на заслінку зрівноважується пружи-

ною.

Для погашення коливань, що зумовлені пульсацією повітряного по-

току й динамічними явищами, характерними, наприклад, для автомобіля,

витратомір має демпфер-компенсатор у вигляді пластини, яку виконано як

єдине ціле з вимірювальною заслінкою. Пластина розташована у спеціаль-

ній демпфуючій камері.

На режимах х.х. повітря йде у двигун по байпасному каналу в обхід

вимірювальної заслінки.

Вдала конструкція забезпечує високі метрологічні якості повітряви-

мірювача. Головний недолік – наявність рухомих елементів, що як відомо,

негативно впливає на надійність. Наявність спрацьованого контактного ву-

зла також знижує стабільність роботи при тривалій експлуатації цього дат-

чика. Але тільки останній спроможний давати інформацію про масову ви-

трату повітря, що робить їх придатними і для перспективних КПСК пали-

воподачею.

Принцип дії термоанемометрів базується на залежності значення те-

плового потоку, що відводиться з нагрівального елемента 3 (протягненої

нитки) обдуваючим повітрям 5 (за умови підтримання постійного перепаду

температур між цим елементом і повітрям, від масової витрати через зада-

ний переріз потоку через камеру 2.

Вимогам статичності всіх елементів вимірювачів витрат повітря за-

довольняють вихреві, ультразвукові, термоанемометричні датчики.

Термоанемометричний витратомір повітря для КПСК паливопода-

чею ДВЗ (рис. 3.34) має вигляд короткого патрубка, який встановлюють

між корпусом дроселя й повітряним фільтром. Вхід та вихід проточного

каналу вимірювача захищений сітками 1, які також сприяють випрямлен-

145

ню потоку. На корпусі є електронний блок первинної обробки інформації.

Вимірювальний теплообмінний елемент у вигляді платинової нитки діаме-

тром приблизно 70 мкм розміщений перпендикулярно потоку повітря у

проточному каналі вимірювальної камери 2.

Рисунок 3.33 - Потенційний витратомір повітря:

а – вигляд проточної частини: 1 – компенсаційна заслінка; 2 – демпфуюча камера; 3

– байпасний канал; 4 – вимірювальна заслінка; 5 – гвинт регулювання суміші на

х.х.;

б – вигляд з боку мікропроцесорного блока: 1 – зубчастий вінець; 2 – зворотна

пружина; 3 – тля пружини; 4 – мікроплата; 5 – рукоятка; 6 – шлейф; 7 –

контакти паливного насоса;

в – конструкція, схема, характеристика: 1 – зворотна тарована пружина; 2 – кон-

такти вимикача паливного насосу; 3 – датчик температури повітря, що

надходить; 4 – потік повітря; 5 – потенціометр; 6 – до впускного трубо-

проводу 7 – гвинт регулювальний; 8 – рухлива заслінка (вимірюваль-

на)

Вимикач паливного насоса

Витрата повітря

Потенціометр

146

Електронний блок також підтримує постійний перепад температур

(порядку 150 °С) між підігріваною електричним струмом платиновою нит-

кою та потоком повітря. При цьому знімання теплоти з нитки змінюється

адекватно масовій кількості повітря, тобто швидкості обтікання чутливого

елемента набігаючим повітряним потоком. Електричний сигнал датчика,

таким чином, є пропорційним витраті повітря.

Особливістю термоанемометрів є можливість самоочищення нитки

від відкладень, для чого через неї пропускають струм, що розжарює нитку

до 1000–1100 °С. При такій температурі наліт згоряє, а метрологічні харак-

теристики вимірювача поновлюються.

На відміну від розглянутого, у витратомірі Hitachi (Японія)

(рис. 3.35) теплообмінний елемент розміщено не в основному потоці пові-

тря, а в байпасному каналі невеликого перерізу. Це дозволяє зменшити

вплив пульсації потоку й небезпеку відмов при зворотних спалахах. Фор-

ма, розміри й розташування обвідного каналу повинні забезпечити необ-

хідну відповідність витрат повітря через основний та байпасний канали.

Розташований у каналі а теплообмінний (чутливий) елемент викона-

ний у вигляді тонкої спіралі з платинового дроту. Для захисту від забруд-

нень спіраль має тонке скляне покриття. Швидкодія вимірювача становить

приблизно 20 мс, а діапазон вимірювання витрати палива – від 9 до

Рисунок 3.34 - Термоанемометричний датчик витрати повітря [6]:

1 – захисна сітка; 2 – вимірювальна камера; 3 – дріт; 4 –

датчик температури

повітря; 5 – потік повітря; 6 – електронна схема; 7 – штекер роз’єднання

147

300 кг/год, що забезпечує КПСК сучасних двигунів з робочим об’ємом до

2 л. Похибки вимірювання – 5–7 %; тобто їх можна вважати досить висо-

кими для перспективних КПСК паливоподачею.

Рисунок 3.35 –

Термоанемометричний вимірювач

масової витрати повітря фірми

Hitachi[1]:

1, 2 – термоанемометри;

3 – плата електронної схеми;

а – байпасний канал

В останні роки проведені глибокі дослідження, на основі яких розро-

блено ряд термоанемометричних вимірювачів витрат повітря для перспек-

тивних КПСК (рис. 3.36).

Характерною особливістю створюваних вимірювачів є застосування

як теплообмінника спеціальної плівки. Остання має металево-полімерну

структуру, у якій створюється металева решітка із фольги товщиною по-

рядку десятків мікрометрів. Зверху плівка для захисту фольги вкривається

лаком.

Перевагою використання плівкових елементів є відпадання необхід-

ності застосовування платини. Справа не тільки в тому, що платина – кош-

товний метал. Процес тепловіддачі від платинової нитки дуже малого діа-

метра до повітряного потоку залежить саме від цього діаметру, а також від

швидкості потоку. Для отримання стабільних та ідентичних для вимірюва-

чів характеристик доводиться встановлювати дуже жорсткі допуски на ді-

аметр платинової нитки або використовувати індивідуальне калібрування

чутливого елемента, що подорожчує датчик.

Плівкові термоанемометричні вимірювачі мають мале розсіювання

характеристик. Їх випробування в КПСК вприскуванням показали, що по-

грішності вимірювання знижуються до 2 %; на нестаціонарних (неустале-

них) режимах їх стала часу становить 10 мс. Вимірювані рівні максималь-

ної витрати повітря сягають 600 кг/рік.

1 а

148

Плівкові термометри можуть ви-

готовлятися у вигляді вставок, розташо-

ваних по осі потоку повітря, що протікає

через циліндричний корпус вимірювача.

Для перспективних КПСК фірма-

ми США для своїх автомобілів запропо-

новано ультразвуковий витратомір пові-

тря [17]. Вимірювач має завихрювач,

який утворює завихрення повітряного

потоку. Перпендикулярно до напряму

цього потоку ультразвуковий генератор,

що встановлений на патрубку, запускає

ультразвукові хвилі, які й реєструє при-

ймач. Завихрення повітряного потоку

змінюють частоту пускових хвиль, за рі-

внями яких судять про зміни об’ємної

витрати повітря. З урахуванням немож-

ливості отримувати масові витрати пові-

тря дещо сумнівними стають перспекти-

ви ультразвукових витратомірів.

На ультразвуковому ефекті побу-

довані й витратоміри витрати повітря –

датчики Corman [6], розроблені фірмою Mitsubishi (Японія). Вони викорис-

товуються тільки на японських автомобілях.

Кутове положення (кут відкриття) дросельної заслінки. Такі датчи-

ки можуть: 1) виконувати функції головного датчика, коли дозування па-

лива здійснюється за положенням дроселя та частотою обертання колінча-

стого вала двигуна, або 2) допоміжного датчика, якщо як головний датчик

використовується датчик абсолютного тиску у впускному трубопроводі,

або вимірювач циклової витрати палива.

Особливо високі метрологічні вимоги ставлять до датчика у першо-

му випадку. Це пояснюється тим, що індуктивні датчики n практично по-

вністю задовольняють таким вимогам; вся складність реалізації методу до-

Рисунок 3.36 – Плівковий вимірю-

вач масової втрати повітря:

а – корпус; б – плівковий вимірювач

(встановлено по центру корпуса); 1 –

тепловідвідний елемент; 2 – розпірка;

3 – задавальний ступінь; 4 – гібридна

схема; 5 – вимірювач (металева плівка)

149

зування при цьому зосереджується на отриманні найточнішої інформації

саме щодо положення дросельної заслінки.

Залежність витрат повітря крізь дросельну щілину від кута повороту

дросельної заслінки є нелінійною. На початку відкриття вже поворот на

частки градуса різко змінює витрату повітря або горючої суміші, тому чут-

ливість датчика при малих відкриттях заслінки має бути особливо вели-

кою. Наприклад, датчик вприскування фірми Alfa-Romeo обладнаний пе-

ретворювачем у вигляді складного потенціометра з восьми струмознімаль-

них доріжок; спеціальна обробка отриманого електронного сигналу забез-

печує чутливість схеми не менш ніж 0,05° повороту заслінки.

Задачу вимірювання малих кутових переміщень можна вирішити й

іншими способами, наприклад, спеціальними прецизійними індуктивними

датчиками.

Вона спрощується, якщо зазначений датчик не є головним у КПСК, а

виконує допоміжні функції керування холостим ходом, або режимом мак-

симального навантаження чи примусового холостого ходу. Для цього по-

трібна інформація лише про крайні положення дроселя.

Крім інформації про положення дроселя, для керування паливопода-

чею потрібно мати й інформацію про швидкість його відкриття, оскільки

при різкому зростанні n для поліпшення динамічних якостей двигуна го-

рючу суміш необхідно збагачувати за рахунок збільшення циклової подачі

палива. У такому разі інформація подається до електронного БСІ від спе-

ціального пристрою, що генерує серію імпульсів, частота яких залежить

від швидкості відкриття дросельної заслінки.

Датчики положення та швидкості відкриття дросельної заслінки зви-

чайно розташовуються в єдиному корпусі, який монтується збоку корпусу

дроселя на його осі.

Типове конструктивне рішення цього вузла грунтується на тому, що

положення закриття чи відкриття дросельної заслінки фіксується однозна-

чно двома кінцевими вимикачами, які керуються кулачком, закріпленим на

осі заслінки. Такі вимикачі дають командні імпульси на зміну паливопода-

чі (на примусовому холостому ходу) або потужності. У датчику швидкості

відкриття заслінки можливе використання принципу зміни електронного

опору при пробіганні повзункового контакту по дуговому сектору з набо-

ром нерухомих контактів. Найпоширенішим та таким, що задовольняє ви-