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.

150

могам щодо точності знаходження положення (кута відкриття) дроселя, є

датчик-потенціометр, корпус якого закріплений на блоці дросельної заслі-

нки, а рухома частина зв’язана з заслінкою. На рис. 3.37 наведено констру-

кцію та схему датчика-потенціометра.

Сигнал, що надходить на потенціометр, перетворюється на напругу,

що змінюється пропорційно положенню дроселя.

На рис.3.38 також показано двопозиційний датчик положення дросе-

льної заслінки.

Рисунок 3.38 –

Датчик положень

максимального відкриття та

закриття дросельної заслінки:

1 – опора; 2 – контакт повного відкриття

дросельної заслінки; 3 – кулачок; 4 – вісь

дроселя; 5 – опора; 6 – електричний роз-

микач каналу керування; 7 – контакт за-

криття дросельної заслінки

Температура охолоджувальної рідини. Така температура є важливим

режимним параметром двигуна, особливо у період запуску, оскільки ви-

значає при цьому рівень корекції паливоподачі для надійного запуску. Та-

Рисунок 3.37 – Конструкція (поперечний переріз) та схема датчика кута від-

криття дросельної заслінки:

1 – заслінку відкрито; 2 – заслінку закрито

ТА

IDL

ТА

Потенціометр

Контакти

151

кож командний сигнал цього датчика при підвищенні теплового стану дви-

гуна забезпечує зменшення кута випередження запалювання, аби запобігти

перегріванню ДВЗ.

Звичайно датчик температури розташовують неподалік від термоста-

ту. Як чутливий елемент у ньому використовується матеріал, опір якого

(електричний) суттєво залежить від температури. Датчик працює на основі

використання негативного температурного коефіцієнта (NTC), тобто при

збільшенні температури значення його опору зменшується (рис.3.39).

У зв’язку з важливістю інформації про температурний стан на двигу-

нах з КПСК використовуються два датчики: один обслуговує електронну

схему, інший виконує діагностичний та візуальний контроль з виведенням

сигналу на панель водія.

Уваги заслуговують плівкові термометри опору. Плівка виготовля-

ється з нікелевої пасти з високим коефіцієнтом електричного опору. Дат-

чик для КПСК використовується у вигляді друкованої схеми на пластині з

оксиду алюмінію: спочатку наносять випалюванням тонкий шар пасти, да-

лі – паладієво-срібну підложку й захисний шар склошлаку. Плівка має лі-

Рисунок 3.39 - Конструкції та характеристики датчиків темпе

ратури

охолоджувальної рідини:

а – полупровідниковий термометр опору (thermistor): 1 –

електричний зв’язок;

2 – корпус; 3 – NTC напівпровідник;

б – електротермометр: 1 – чутливий елемент; 2 – корпус

кОм

152

нійну залежність електроопору від температури при –40...+80 °С. Датчики

випускаються масово.

Тепер розглянемо великий масив різноманітних допоміжних датчи-

ків для обслуговування каналів адаптації, діагностування, блокування та

інших функціональних потреб сучасних КПСК.

Датчик кисню у відпрацьованих газах (

-зонд). Такий датчик є осно-

вою ефективної нейтралізації токсидів у викидах двигунів та адаптивним

датчиком (зворотного зв’язку), що обслуговує КБК екологічними характе-

ристиками практично всіх ДВЗ різних призначень.

Обґрунтування конструкції, особливості робочих характеристик

l-зонда пояснюються у розділі 6.2, присвяченому саме проблемі боротьби

з токсичністю двигунів.

Датчик детонації. Для зменшення детонації застосовують два спо-

соби: зменшення кута випередження запалювання (КВЗ) або зміну складу

горючої суміші. Другий з них є кращим, бо не погіршує паливної економі-

чності двигуна.

У разі використання цих способів треба обрати найкращий закон

зміни як КВЗ, так і a. Найбільш слушним з точки зору досягнення оптима-

льних показників двигуна, слід розглянути закон зміни КВЗ (a), який за-

безпечує робочий процес на межі виникнення детонації, незалежно від фа-

ктичного октанового числа використовуваного палива. При реалізації

подібного закону у двигуні забезпечується найбільша повнота згоряння за

рахунок зростання швидкості протікання процесів, що передують спалаху-

ванню після подачі іскри та підвищення швидкості поширення фронту по-

лум’я.

Реалізувати такий складний закон зміни КВЗ (a) можна лише за до-

помогою КПСК за сигналами датчика детонації.

З рис. 3.40 бачимо, що у циліндрі детонаційні коливання робочого

тіла є одним із небезпечних складових спектра коливань, можливих при

роботі двигуна.

Датчик детонації повинен розпізнавати й виділяти високочастотні

детонаційні коливання з цього спектру.

153

Рисунок 3.40 - Індикаторні діаграми

ДВЗ:

1 – за відсутності запалювання;

2 – при пізньому запалюванні;

3 – нормальне згоряння при оп-

тимальному КВЗ;

4 – раннє детонаційне згоряння

Проблема в тому, аби мати найчутливіший датчик, що реєструватиме

з високою швидкодією саме початкові стадії детонації. Це необхідно, бо

КПСК потребує часу на командні впливи ще до детонаційного спалаху-

вання горючої суміші.

На сьогодні цю проблему успішно вирішують.

Найкращими за якостями є прості п’єзокварцеві акселерометри, що

реагують на спектр вібрацій. Конструкції датчиків, наприклад, фірми

Bosch, розраховані на закріплення їх на одній зі шпильок головки цилінд-

рів. Для збільшення чутливості передбачена система фазування, яка про-

пускає сигнал акселерометра тільки в період згоряння, тобто при звуженні

терміну вимірювання до 15–60° повороту колінчастого вала. Смуга пропу-

скання, яка забезпечує оптимальну чутливість вимірювача, розташована на

частотах порядку 6–16 кГц. Розроблено й індуктивні датчики.

Конструктивні варіанти датчиків детонації показані на рис. 3.41.

Датчик детонації індуктивного типу (рис. 3.41, а) базується на прин-

ципі зміни магнітного опору і призначений для КПСК, що забезпечує ав-

томатичне регулювання кута випередження. Він виробляє сигнали за поча-

тком детонації для адаптивного канала зворотного зв’язку. Він має магніт

1, сердечник 2, магнітний язичок 3. Корпус датчика різьбовою частиною

закріплено до блока циліндрів ДВЗ й коливається разом з ним. При коли-

ваннях язичка, власна частота якого співпадає з частотою детонації, зміна

зазору веде до зміни магнітного потоку, що фіксується зміною напруги на

кінцях обмотки 5 магніту. Датчик нечутливий до умов зовнішнього сере-

довища, простий у виробництві, надійний у роботі, має малу масу, вигото-

вляється з недорогих матеріалів.

ВМТ

, град

Р, МПа

154

Датчик детонації п’єзоелектричного типу (рис. 3.41, б) сприймає віб-

рації корпусних деталей ДВЗ, що виникають при детонаційному згорянні,

та перетворює їх в електричний сигнал. Індикатор складається з металево-

го корпусу 1, який закріплено на блоці циліндрів ДВЗ, інерційної маси 2,

пружин конусних 3, 4 та п’єзоелектричного чутливого елемента 5. Корпус

закритий кришкою 6, яку виконано з ізоляційного матеріалу. Власна часто-

та коливань інерційної маси настроєна на частоту коливань корпусу ДВЗ

саме при детонаційному згорянні. З початковою стадією цього процесу ко-

ливання корпусу викликають резонансні коливання інерційної маси, що

періодично б’ють по п’єзоелектричному елементу, викликаючи виникнен-

ня у ньому електричного струму, який далі знімається через контакт 7. На-

явність індикатора виключає необхідність у широкосмуговому фільтрі, про

який йшла мова вище при розгляді датчика детонації фірми Bosch.

Вимірювач (рис. 3.41, в) відрізняється від попереднього лише фор-

мою інерційної маси.

Те ж саме стосується й датчика на рис. 3.41, г.

Нарешті, розроблений та успішно використовується, оптичний дат-

чик детонації, в основу якого покладено вимірювання світлового випромі-

нювання при згорянні у циліндрі двигуна. Відомо, що таке випромінюван-

ня змінює прозорість робочого тіла. Датчик має світовод, який монтується

всередині центрального металевого електрода свічки. Зовнішній вивід з

нього зв’язаний з фотоприймачем.

Датчик кутового положення колінчастого вала. Для визначення

положення цього вала успішно використовується один з основних датчи-

ків – вимірювач частоти обертання колінчастого вала n. Він обслуговує

адаптивний канал КПСК для пристосування робочого процесу двигуна до

змін умов його експлуатації, не врахованих заданою програмою керування.

Сигнали цього датчика дозволяють змінювати КВВ (КВЗ) відповідно

до їх оптимальних значень згідно з програмою процесу.

Природно, двигун повинен мати виконавчі механізми, що дозволя-

ють автоматично з потрібною швидкістю змінювати КВВ (КВЗ) без зупин-

ки двигуна.

Датчик температур деталей. Такі датчики призначені для каналів

адаптації керування та діагностування за критерієм теплового стану основ-

них деталей, наприклад, ЦПГ.

155

Рисунок 3.41 – Датчики детонації:

а – індуктивний датчик;

б – п’єзоелектричний датчик з кубічною масою;

в – п’єзоелектричний датчик з пластинчатою масою:

1 – пластина інерційна; 2 – чутливий п’єзоелемент;

г – п’єзоелектричний датчик з дисковою масою:

1 – інерційна маса у вигляді порожнистого диска;

2 – заливка компаундом;

3 – п’єзокерамічний елемент;

4 – контакти; 5 – вивід сигналу до БСІ

156

Якщо вимірювання температур газових та рідинних потоків у систе-

мах ДВЗ базується на метрології стандартних теплотехнічних термометрів

(термопари, термометри опору), то стандартних вимірювачів температур

стінок деталей з бажаними характеристиками поки що не розроблено.

Тому необхідно розробляти такі датчики індивідуально, відповідно

до специфіки об’єктів термометрії – деталей ДВЗ різних типів і призна-

чень.

Сьогодні вже запропоновано ряд нестандартних датчиків для вимі-

рювань стаціонарних температур деталей двигунів. Їх почали використо-

вувати у схемах КПСК (точніше, їх адаптивних каналів) автомобілів, на-

приклад, елітного класу. Такі вимірювання, природно, коштують немало.

В основному розробляються поверхневі плівкові термопари та тер-

мометри опору.

Їхні конструктивні характеристики залежать від потрібної чутливості

та швидкодії вимірювачів, рівня первинного сигналу, відведених габаритів,

особливостей місць розташування на поверхнях деталей ДВЗ. При цьому

головну увагу слід приділяти надійності датчиків і стабільності при трива-

лій експлуатації у досить жорстких умовах ЦПГ, камер згоряння і т.п.

Такі термопари та термометри опору мало чим відрізнятимуться від

вимірювачів, що створювались і створюються для випробувань при прове-

денні наукових досліджень.

Вони вивчаються студентами у лекційному курсі “Методи експери-

ментальних досліджень”.

Потрібно підкреслити, що при перспективних розробках КПСК ДВЗ

конструктори зустрінуться зі значно більшими труднощами. Йдеться про

вимірювання температур рухомих деталей (поршень, клапан, тощо), для

чого необхідно мати надійні струмознімачі, які б забезпечували безперерв-

ну видачу сигналів вимірювача.

Не менші труднощі чекають на конструкторів при розробці вимірю-

вачів нестаціонарних температур під час перехідних процесів (для контро-

лю небезпечних закидів температур по закінченні “скидань–накидів” нава-

нтаження).

Як свідчать заяви фірм, їхні зусилля націлені на створення необхід-

них термометричних датчиків для перспективних КПСК з багатопарамет-

ричною адаптацією, нарешті, й за критерієм надійності деталей ДВЗ.

157

Датчики температур робочих рідин у системах двигуна. Як такі да-

тчики можуть використовуватися описані вище вимірювачі температур за

умови їхньої стійкості до агресивних робочих тіл (паливо, мастило, від-

працьовані гази та ін.) в умовах тривалої експлуатації.

Однак для перспективних КПСК потрібно розробляти і значно скла-

дніші датчики температур робочого тіла (газу) в циліндрі двигуна. Це

вкрай необхідно при поцикловій адаптації робочого процесу з метою коре-

гування характеристик перехідних процесів, про що йшлося вище.

Цю проблему вирішують принципово нові вимірювачі температур

газів, наприклад, основані на використанні оптико-волоконної техніки.

Зупинимося на оптико-волоконних засобах вимірювань детальніше.

Завдяки своїй простоті, малій вартості та мініатюрності оптико-

волоконні перетворювачі можуть знайти та знаходять все ширше застосу-

вання у КСК ДВЗ [26, 27].

Вони мають високу чутливість, добрі динамічні якості та високу тех-

нологічність при вимірюваннях нестаціонарних параметрів – швидкості га-

зового потоку, тиску в ньому, тиску у мастильному шарі швидкохідних

підшипників тертя, витрат палива тощо. Саме ці та подібні параметри про-

цесів у ДВЗ можуть відігравати роль командних параметрів КПСК паливо-

подачі або повітропостачання, приміром.

Волоконно-оптичні датчики не створюють поля розсіювання, не

спричиняють виникнення іскри, не чутливі до перешкод. Вони можуть ви-

користовуватися у діапазоні робочих температур від –40 до +135 °С; спеці-

альні волокна працездатні при температурі до 800 °С.

На рис. 3.42,а показано принципи конструювання чутливих елемен-

тів оптиковолоконних датчиків тиску детонації та витрати палива.

Датчик тиску (рис. 3.42,б) має розмір від 1 до 3 мм у діаметрі; мем-

брана виготовлена з полірованого алюмінієвого сплаву; центральний світ-

ловод є освітлювальним, а периферійні – приймальними.

Оптоелектронний перетворювач (див. рис. 3.42, а) для вимірювання

поточної витрати палива включає генератор тиску для живлення випромі-

нювального діода та підсилювач фотоприймача. Аналоговий сигнал пере-

творювача передається до БСІ КСК ДВЗ. Електронним чутливим елемен-

том такого волоконно-оптичного датчика виступає оптична пара (світлоді-

од – фотодіод), яка працює в інфрачервоному діапазоні. У таких датчиках

158

використовуються оптичні траси, які виготовляються із кварцових, скля-

них, полімерних матеріалів.

Датчики тиску у системах двигуна. Мова йде про датчики абсолют-

ного тиску, оскільки схеми вимірювачів перепадів тиску поєднуються з

виконавчими пристроями регулювання цих перепадів. Відповідно, стабілі-

затори перепадів тиску розглянуто нижче у розділі, присвяченому вико-

навчим механізмам КПСК.

Найбільш простими і зручними для вимірювання можуть вважати датчики

з мембранним чутливим елементом. Принциповим недоліком таких конс-

трукцій є наявність рухомих деталей і контактів, тобто меж розділів вимі-

рювальної схеми (наприклад, розділи між повітрям і мембраною, мембра-

ною і потенціометром). Це зменшує чутливість (через витрати на тертя в

рухомих парах) і швидкодію та інерційність механічних елементів. Суттє-

во обмежена надійність датчика, що пов’язано з величезною кількістю пе-

реміщень його елементів при тривалій експлуатації, яка досягає 20 млн на

100 тис. км пробігу. Зазначені датчики практично не використовуються для

КПСК.

Підвищений ресурс відрізняє індуктивні безконтактні датчики. На

рис. 3.43 показано датчик КПСУ фірми Bosch.

Рисунок 3.42 – Оптичні схеми оптоволоконних датчиків:

а – датчик оптоелектронний: 1 – передавальний світловод; 2 – приймальний

світловод; 3- турбінка;

б – волоконно-оптичний перетворювач тиску: 1 – мембрана; 2 –

приймальні

світловоди; 3 – передавальний світловод

А-А

159

Його основний елемент – дві анероїдні коробки, що реагують на аб-

солютний тиск. Деформація анероїдів змінює положення якоря. При цьому

змінюється індуктивність котушок, які включені у схему БСІ КПСК. Вимі-

рювальний комплекс датчика розташований у герметичному корпусі, який

за допомогою шланга, наприклад, з’єднаний з задросельним об’ємом впус-

кного трубопроводу. На жаль, і в цьому датчику є рухомі елементи, що по-

гіршує його характеристики, перш за все, щодо швидкодії.

Сьогодні широке застосування отримали датчики на основі мікро-

електронних технологій. Виявлені їхні добрі метрологічні характеристики,

висока надійність але відносно низька якість.

На рис. 3.44 наведено приклад такого датчика, який випускається фі-

рмою Honovell (США). Його чутливий елемент – перегородка мембранно-

го типу з кремнію. На поверхню кремнію вакуумним напиленням нанесені

тензорезистори. На робочій частині мембрани виконана мікросхема оброб-

ки імпульсу й термокомпенсаційні резистори. Діаметр такого датчика

складає 15 мм, що дозволяє розташувати його безпосередньо в корпусі

блока керування.

На рис. 3.45 показано загальний вигляд та характеристику напівпро-

відникового датчика тиску. У перетворювачі тиску на кремнієвому криста-

лі використовується п’єзорезистивний ефект. На поверхні кристалу сфор-

мовано міст опорів, струм через який змінюється під впливом деформації.

Цей струм посилюється; вводиться температурна компенсація. Таким чи-

Рисунок 3.43 – Датчик тиску з

анероїдним чутливим елементом

та індуктивним перетворювачем:

1 – корпус; 2 – анероїдні коробки; 3,

4 – обмотки котушки; 5 – підвіска

якоря; 6 – демпфер; 7 – штуцер для

підключення до впускного трубо-

проводу; 8 – якір; 9 – магнитопровід;

10 – упор; 11 – мембрана