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.

160

ном формується вихідний сигнал. Такі датчики вимірюють, наприклад,

розрідження у впускному трубопроводі за дросельною заслінкою.

Рисунок 3.44 – Датчик

абсолютного тиску:

1 – корпус; 2 – мембрана з кремнію;

3 – тензорезистори; 4 – штуцер для

шланга сполучення з випускним

трубопроводом

Рисунок 3.45 – Конструкція (поперечний

переріз) та вихідна характеристика дат-

чика тиску:

1 – напівпровідниковий п’єзоелектричний

перетворювач; 2 – фільтр; 3 – трубопровід

Датчик витрати палива. Адаптивні КПСК за критерієм паливної

економічності передбачають наявність датчиків витрати палива. Розробка

та організація масового виробництва таких датчиків становлять складну

технічну проблему, оскільки вони повинні поєднувати високі метрологічні

властивості з великою надійністю, стабільністю та прийнятною вартістю.

Як правило, такі вимоги важко суміщати.

Основною передумовою надійності і стабільності роботи датчиків

витрати палива є відсутність у них рухомих деталей. З цієї точки зору пор-

шневі або турбінні витратоміри малоперспективні, оскільки мають деталі

зі значним переміщенням (поршневі) або надвисокою частотою обертання

(турбінні з ротором, що обертається).

Крім того, паливним датчикам належить функціонувати в бензині,

тому зазнавати агресивного впливу сіркових сполучень і, що безпечніше,

нафтових смол. Осмолення рухомих деталей неминуче призводить до

втрати метрологічних якостей, іноді – до відмов внаслідок затвердіння та-

ких смол.

Найбільш перспективними є вимірювачі витрати палива, що викори-

стовують принцип термоанемометрії, який вже описано вище. Вони повні-

тиск

напруга

161

стю статичні, мають простий пристрій перетворення первинного сигналу.

Важливо також, що їх виробництво може бути налагоджене на тих же під-

приємствах, які виготовляють витратоміри повітря термоанемометричного

типу, про широке застосування яких раніше зазначалося. Необхідно перед-

бачити компенсаційні засоби для вилучення смолистих речовин з чутливих

елементів датчика.

Ультразвукові вимірювачі витрати палива значно складніші, ніж

термоанемометричних. Вони потребують малогабаритних вимірювачів і

відповідних приймачів. Разом з тим, такі вимірювачі не чутливі до смолис-

тих відкладень на випромінювачах і приймачах. До того ж, їхні поверхні

самоочищаються внаслідок високочастотних коливань.

Датчики кліматичних параметрів. Мова піде про датчики тиску, во-

логості, температури навколишнього середовища (газового середовища) з

помірними рівнями вимірюваних параметрів.

Це значно спрощує вибір відповідних датчиків. Для сьогоднішніх

КПСК придатні стандартні вимірювачі масового виробництва з підвище-

ною чутливістю, які вже давно обслуговують автомобілі, наприклад.

Датчики зазорів, концентрацій, переміщень. Такі датчики станови-

тимуть об’єкти перспективних розробок КПСК ДВЗ.

Основні труднощі, пов’язані з розробкою відповідних датчиків, сто-

суються відсутності їх стандартних конструкцій.

Крім того, потрібно не обмежуватися дослідницькими розробками, а

турбуватись про створення датчиків масового використання, що задоволь-

нятимуть всі вимоги до датчиків КПСК, сформульовані на початку даного

розділу підручника.

Завершуючи розгляд датчиків КПСК, слід зупинитися на спільній

роботі датчиків та мікро-ЕОМ, оскільки від цього залежить така важлива

характеристика каналів адаптації та діагностування, як їхня швидкодія.

Справа в тому, що тривалість обробки та перетворення первинних сигналів

датчиків в мікро-ЕОМ залежить від форми, інших властивостей цих сигна-

лів.

Розглянемо дану проблему детальніше.

Узгодження сигналів датчиків та мікро-ЕОМ вимагає застосування

різноманітних периферійних схем. Це пов’язано з тим, що спочатку фізич-

162

ні величини (температура, тиск, частота обертання та ін.) перетворюються

за допомогою датчиків в електричні сигнали.

Вихідні сигнали датчиків, як правило, являють собою аналогові ве-

личини, які неможливо обробити безпосередньо в ЕОМ. Спочатку сигнали

датчиків необхідно піддати аналого-цифровому перетворенню з метою на-

дання їм – з високою точністю – цифрового вигляду.

Крім того, вихідний сигнал датчика частіше є невеликим (для пере-

міщень рухомих елементів виконавчих пристроїв); повний електричний

опір самого датчика – значний. У таких випадках ще до аналого-цифрового

перетворення потрібна попередня обробка: посилення потужності сигналу

та перетворення вихідного електроопору.

Коли в КПСК багато датчиків, використовують мультиплексор –

пристрій, який дозволяє одночасно з аналого-цифровим перетворювачем

(АЦП) ефективно обробляти сигнали кількох датчиків (рис. 3.46).

Необхідно відзначити, що аналоговими сигналами наведених вище

датчиків КПСК є сигнали датчиків:

Шина керування

Адресна шина

Шина даних

Мікропроцесор

Порт

вводу-виводу

Вибір каналу

Схема

виборки

пам’яті

АЦП

Аналог

вий

вихідний

сигнал

Датчик

Мультиплексор

Вихідний цифровий сигнал

Рисунок 3.46 –

Структурна схема КПСК, що містить датчики та

мікро-ЕОМ

163

Мають цифровий код сигнали датчиків:

¡ кута повороту колінчастого вала;

¡ частоти обертання колінчастого вала;

¡ схеми запалювання;

¡ кисню (l-зонд) та ін.

Форми вихідних сигналів датчиків КПСК показано на рис.3.47.

Аналоговий сигнал типу рис. 3.47,а характерний для датчиків витра-

ти повітря або температури охолоджувальної рідини та ін. Сигнал типу

рис. 3.17, в – цифровий, являє собою безперервні незмінні імпульси та ха-

рактерний для датчиків n тощо. Цікавим є цифровий сигнал типу рис.

3.47,б, який є дворівневим і визначає стан датчика за схемою: “включено-

виключено”. Подібні датчики називаються бінарними й широко викорис-

товуються в КПСК як кінцеві датчики положення або при контролі такого

Напр

га

Час

вкл.

викл.

Рисунок 3.47 – Форми вихідних сигналів датчиків:

а – аналоговий сигнал; б – цифровий сигнал (включено-

виключено); в – цифровий сигнал (безперервні імпульси)

Напр

га

Напр

га

164

параметра, для якого достатньо знати, перевищує його значення визначе-

ний рівень чи ні.

Підкреслимо, що вхідна обробка сигналів датчиків залежить від їх-

ньої форми.

Розглянемо обробку цифрових сигналів (рис. 3.48). Хоча багато дат-

чиків і видають саме цифрові сигнали, точніше – сигнали в імпульсному

вигляді, зручному для подаль-

шого перетворення в цифрові

коди, але й вони без попере-

дньої обробки не будуть

сприйматися мікро-ЕОМ. Це

пов’язано з тим, що мікроЕОМ

функціонує від стабілізованого

джерела живлення напругою

+5 В яке входить до складу

КПСК, і сигнали, що переда-

ються на його вхід, необхідно

узгоджувати з цією напругою,

бо вони мають різноманітні

значення. На рис. 3.48 наве-

дено форми сигналів, що над-

ходять на вхід: а – перевищу-

ючі допустиме значення; б –

перемінної полярності; в – ма-

ють перешкоди й шуми; г –

мають піки напруги.

Тільки після перетворень

подібний сигнал може бути закодований і введений до мікро-ЕОМ.

Аналогові датчики застосовуються при діагностуванні (випадках

безперервного контролю фізичної величини). За типом змінюваного вихід-

ного електричного параметра аналогові датчики поділяються на три групи:

v зі змінюваною вихідною напругою;

v таким же струмом;

v таким же електричним опором.

Вкл.

Викл.

+12В

0В

Викл.

Вкл.

0В

5В

0В

(+)

(-)

0В

5В

0В

-40В

Схема вхідної обробки

Рисунок 3.48 – Вхідна обробка цифрових

сигналів:

а – стрибок напруги; б – знакозмінна напруга;

в – наявність перешкод; г – викиди напруги

165

Більш поширений спосіб сполучення аналогових датчиків та мікро-

ЕОМ – з використанням АЦП. Вихідний сигнал датчика після первинної

обробки перетворюється в аналогову напругу оптимального рівня, а потім

за допомогою АЦП перетворюється у цифровий сигнал.

Завершуючи розділ датчиків КПСК, підкреслимо, що на сьогодні

проведено величезну роботу з їх створення. Вже розроблено і масово ви-

користовується більше 100 датчиків різних призначень і типорозмірів. Во-

ни забезпечують якісну первинну інформацію для комп’ютерного керу-

вання паливоподачею, запалюванням сучасних ДВЗ, діагностування та ін.

Перейдемо до розгляду виконавчих пристроїв сучасних КПСК пали-

воподачею та запалюванням.

Саме виконавчі пристрої замикають канали керування, тому від їх

характеристик залежить кінцева ефективність КПСК. Ці характеристики

мають бути не гіршими, ніж метрологічні, конструкторсько-технологічні

параметри датчиків, які розпочинають схему керування будь-яким проце-

сом двигуна.

Отже, функціональні вимоги до виконавчих пристроїв повинні від-

повідати високому рівню вимог до датчиків, у тому числі щодо точності,

швидкодії, надійності, технологічності, габаритів, маси тощо. На перший

план виходить конструктивна та параметрична надійність цих пристроїв,

оскільки вони завжди мають рухомі елементи й пари тертя, високі дина-

мічні навантаження, працюють у жорстких умовах.

Спеціальні вимоги до виконавчих пристроїв носять індивідуальний

характер, оскільки зумовлені різноманітністю схем дії і конструкцій таких

пристроїв.

Однак можна відзначити загальні принципи побудови виконавчих

пристроїв КПСК, у тому числі найважливіші:

² максимальне спрощення схеми дії;

² найменша перестановочна сила;

² найменша маса виконавчого елемента;

² вибухобезпека (актуально для роботи з бензином);

² висока зносостійкість деталей запираючих вузлів;

² висока корозієстійкість;

² мінімальне нагароутворення на поверхнях запираючих вузлів;

² відсутність підтікання (герметизація) запираючих вузлів;

166

² стабільний захист від агресивності робочих тіл (бензин, відпра-

цьовані гази і т.п.);

² компенсація впливу тиску навколишнього середовища у схемах

стабілізації.

При аналізі перспективних модифікацій КПСК виявляється загальна

тенденція заміни механічних приводів на електромагнітні або електроди-

намічні приводи запірних вузлів, що найбільш відповідають сформульова-

ним вимогам.

Розглянемо сучасні конструкції виконавчих пристроїв КПСК пали-

воподачею та запалюванням. До них відносять:

· форсунки та інжектори;

· пристрої подачі палива до форсунок;

· інші виконавчі пристрої паливоподачі;

· пристрої запалювання;

· пристрої, що обслуговують мікропроцесор.

Форсунки та інжектори. Вони є головним пристроєм КПСК

вприскуванням.

Найбільш поширені форсунки з електромагнітним приводом. Фор-

сунки перетворюють електричні командні імпульси в дії, що зумовлюють

дозування палива. При дискретній подачі палива вони по суті являють со-

бою швидкодіючі клапани з електромагнітним керуванням.

Головне – такі клапани повинні забезпечити мінімальну тривалість

командного електричного імпульсу на рівні, меншому 0,75 мс. Це поясню-

ється таким прикладом. Внаслідок швидкісного режиму роботи двигуна

(на режимі максимальної потужності рівень n може перевищити 5000 хв

–1

)

з кількістю циліндрів z – до 8 й тактністю, звичайно для цього режиму,

тривалість вприскування по куту обертання займає 120–130 град. П.К.В.,

що становить усього t

= 3 мс,

min

= 0,75 мс, тобто не більше ¼ від t

мах

оскільки (з умови режимного регулювання) DG

nал

max

/DG

nал

min

= 4 (DG

nал

–

циклова подача палива).

Створення електромагнітної частини форсунки, яка б спрацювала за

такий малий проміжок часу, є складною задачею. При t

< 1мс на роботу

клапанної форсунки починає впливати механіко-електромагнітна інерцій-

ність системи.

167

Поліпшити швидкодію форсунок можна, використовуючи магніто-

електричні пристрої, які реагують на полярність командного імпульсу.

Принцип дії форсунок з електромагнітним керуванням можна вивчи-

ти на прикладі сучасної конструкції (рис.3.49). Форсунка складається з

корпусу, який є також магнітопроводом сильного постійного магніту, та

плоского клапана, на якому розташована мініатюрна котушка, що має мо-

жливість переміщуватися у магнітному зазорі в межах зони пружності

мембрани, що жорстко з’єднана з клапаном. Паливо подається через отво-

ри 3 та 4 (останній у клапані), заповнює порожнину А форсунки. Тиск на

мембрану зрівноважується, клапан притискається до сідла невеликим

зусиллям, що створюється її пружністю й тиском палива за рахунок різниці

площин над і під мембраною (над мембраною площа більша на значення

площі поперечного перерізу сідла 6 клапана. Зазначене зусилля не пере-

вищує 0,3–0,4 Н.

При подачі у котушку імпульсу сили струму прямої полярності ко-

тушка втягується у магнітне поле зазору і клапан відкривається; деталь 6

виконує роль жиклера.

При припиненні імпульсів прямої полярності біполярний прилад ав-

томатично змінює полярність імпульсу, і струм починає текти у котушці у

зворотному напрямку, внаслідок чого котушка, а разом з нею і клапан, ви-

штовхуються з магнітного зазору. Подача палива припиняється.

Розглянута схема форсунки дозволяє значно скоротити електромеха-

нічну інерційність її рухомих елементів та повністю узгодити t

і фактич-

ний час відкритого стану форсунки. Це пов’язано з тим, що внаслідок ма-

лої індуктивності обмотки електричної котушки зростання (зниження) еле-

ктричного поля відбувається протягом 0,03–0,04 мс, тому значно скорочу-

Рисунок 3.49 – Магнітоелектрична

форсунка:

1 – корпус; 2 – вивід; 3 – отвір для відведення

палива; 4 – рухома котушка; 5 – отвір у

клапані; 6 – сідло клапана; 7 – клапан; 8 –

мембрана; 9 – постійний магніт

168

ється й інерційність системи клапан–котушка.

Широко використовуються різноманітні варіанти форсунок фірми

Bosch, НВО “ЦНІПА”, НАМІ та ін. На рис. 3.50 показано форсунки фірми

Bosch з електромагнітним керуванням та неплоским клапаном, виконаним

у вигляді порожнистої втулки, що, природно, збільшує масу цієї рухомої

деталі. Такі форсунки відрізняються конфігурацією штифту, габаритами

(на рис. 3.50, справа бачимо малогабаритну форсунку).

У кращих форсунках, які упроваджені, підвищено швидкодію, стабі-

льність їхньої роботи, перш за все, за рахунок зменшення залипання кла-

пана при його зрушенні з місця (початок процесу вприскування), зниження

спрацювання основних пар тертя, а також зменшення електромагнітної

інерційності. Останнє необхідно, аби забезпечити роботу форсунки при ча-

стоті електричних імпульсів до 200 Гц.

У ряді форсунок для підвищення їхньої надійності і швидкодії змен-

шено параметри обмотки котушки магніту (розробки НВО “ЦНІПА”, Ро-

сія), що допускає короткочасне (порядку 0,7 мс) формування імпульсу то-

ку. Це дозволяє суттєво знизити некерований час руху якоря-клапана і тим

самим підвищити точність дозування малих циклових подач палива на час-

ткових навантаженнях двигуна. При цьому зусилля пружини збільшується

більш ніж вдвічі, що, у свою чергу, скорочує час залипання і зворотного

перельоту якоря-клапана, а також зменшує можливість власне залипання.

Йдеться про те, що некерований час руху якоря-клапана знижує точність

дозування палива; цей час визначається тривалістю зрушення з місця якоря

з урахуванням його залипання. Взагалі проблемі статичності форсунок як

головного виконавчого пристрою КПСК паливоподачею двигунів з іскро-

вим запалюванням має бути приділено серйозну увагу.

Фірма Bosch та інші успішно використовують форсунки-інжектори

(рис. 3.51). Треба підкреслити, що до умов їхнього застосування ставляться

підвищені вимоги.

Це пов’язано з тим, що забруднення форсунок-інжекторів залежить

від якості бензину. Низька якість бензину виявляється у підвищеному шумі

холостого ходу, провалі або неповному наборі швидкості при різкому тис-

ку на педаль газу, збільшенні витрати палива, димних викидах. Подібні

прояви з’являються в автомобілях з невеликим підкапотним простором при

коротких поїздках по місту з тривалими зупинками між ними: у непрацю-

169

ючому “гарячому” двигуні захолонені у соплах форсунок (кільцеві щілини)

краплі палива випаровуються, залишаючи нагар, лаки та інші осади, по-

ступово забиваючи вузький (приблизно 0,05 мм) кільцевий канал

(рис.3.51).

Рисунок 3.50 – Електромагнітні форсунки:

1 – штифт; 2 – голка; 3 – якір; 4 – пружина; 5 – обмотка

електромагніта; 6 – електричний контакт; 7 – паливний

фільтр