Лабораторно – практическая работа № 6 Исследование датчика массового расхода воздуха

Цель работы: изучение конструкции и принципа действия автомобильного датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), исследование характеристик ДМРВ.

Программа работы:

Используя конспекты лекций, учебники и учебные пособия, настоящие методические указания, а также доступный справочный материал:

– ознакомиться с назначением датчика массового расхода воздуха в электронной системе автоматического управления двигателем (ЭСАУД) автомобиля;

– изучить конструкции и принцип действия основных типов датчиков, используемых в системе управления автомобиля;

– ознакомиться с экспериментальной лабораторной установкой.

2. В процессе предварительной подготовки к работе в лаборатории найти ответы на контрольные вопросы методических указаний.

3. Выполнить лабораторную работу следуя методическим указаниям.

4. Оформить отчёт согласно образцу.

Методический материал к лабораторной работе

Общие сведения о датчиках расхода воздуха

Экологические требования к современным двигателям внутреннего сгорания предполагают поддержание определенного (стехиометрического) соотношения воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси на всех режимах работы. Только в этом случае каталитический нейтрализатор полностью удаляет вредные вещества в отработавших газах.

Для поддержания стехиометрического соотношения компонентов топливно-воздушной смеси требуется точная информация о количестве (расходе) всасываемого воздуха, которую предоставляет расходомер воздуха. Расходомер воздуха устанавливается во впускной системе между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой двигателя. Мерой расхода может выступать как объем, так и масса всасываемого воздуха. В зависимости от этого различают два способа определения расхода воздуха:

• механический

• тепловой

Механический способ основан на измерении объема воздуха пропорционального перемещению заслонки. Тепловой способ предполагает измерение массы воздуха в соответствии с изменением температуры чувствительного элемента.

Механический расходомер воздуха

Принцип работы расходомера воздуха построен на перемещении измерительной заслонки пропорционально величине потока воздуха. Измерительная заслонка, демпфирующая заслонка и потенциометр размещены на одной оси, обеспечивающей прямую связь между перемещением заслонки и изменением сопротивления потенциометра. Поступающий воздушный поток отклоняет напорную измерительную заслонку расходомера воздуха, преодолевая усилие возвратной пружины, на определенный угол, который преобразуется в электрическое напряжение посредством потенциометра. Для корректировки показаний расходомера в систему управления включен датчик температуры входящего воздуха.

Объем проходящего через впускной тракт воздуха полностью определяется положением дроссельной заслонки (нагрузкой на двигатель). Объем воздуха, всасываемого двигателем, проходящего через впускную систему в м³/час, измеряется расходомером: зная время можно посчитать «идеальный» объем, зная температуру и атмосферное давление можно посчитать реальный (или близкий к реальному) объем. Давление обычно считают постоянным.

Схема механического расходомера воздуха приведена на рисунке 1.

Рис.1 – Схема и внешний вид механического расходомера воздуха

Конструктивно механический расходомер включает:

• корпус с демпфирующей камерой;

• измерительную заслонку;

• возвратную пружину;

• демпфирующую заслонку;

• потенциометр;

• обводный канал с винтом качества.

Конструктивно потенциометр выполнен в виде керамической подложки, на которую нанесены резисторные дорожки. К дорожкам прижат ползунок потенциометра. На потенциометр подается напряжение, изменяющееся в соответствии с сопротивлением. Изменение напряжения учитывается электронным блоком управления как объемная характеристика всасываемого воздуха.

В настоящее время механические расходомеры на двигатели внутреннего сгорания не устанавливаются.

Термоанемометрические расходомеры воздуха

Более совершенными являются расходомеры воздуха, построенные на тепловом способе определения массового расхода воздуха, т. н. термоанемометрические расходомеры воздуха (от «анемо» - ветер). Они не имеют подвижных механических частей, характеризуются высоким быстродействием, точностью и в силу особенности конструкции не зависят от температуры воздуха.

Термоанемометрический расходомер воздуха (другое наименование – датчик массового расхода воздуха, ДМРВ) используется в современных системах впрыска бензиновых и дизельных двигателей, в т.ч. в системе непосредственного впрыска топлива. Конструктивно расходомер воздуха включен в систему управления двигателем. В ряде систем управления двигателем расходомер воздуха не используется, а его функции выполняет датчик давления воздуха во впускном трубопроводе.

В зависимости от конструкции чувствительного элемента различают следующие виды термоанемометрических расходомеров:

• проволочный расходомер воздуха (Hot Wire MAF Sensor);

• пленочный расходомер воздуха (Hot Film Air Flow Sensor, HFM).

Проволочный расходомер воздуха

Основой проволочного термоанемометрического расходомера воздуха является чувствительный элемент – платиновая нагреваемая нить. Работа расходомера построена на поддержании постоянной температуры платиновой нити за счет нагрева электрическим током.

Внешний вид и схема проволочного ДМРВ приведены на рисунке 2.

Рис. 2 – Пленочный датчик массового расхода воздуха. Внешний вид, схема.

Сопротивление терморезистора изменяется вследствие охлаждения его воздушным потоком, что позволяет использовать терморезистор в качестве чувствительного элемента датчика. Обычно чувствительный элемент включается в мостовую измерительную цепь и работает в режиме заданной температуры.

В корпусе установлено кольцо, внутри которого расположены чувствительный элемент в виде платиновой нити диаметром (0,07-0,1) мм и термокомпенсирующий резистор, включенные в мостовую схему электронного модуля датчика. Термокомпенсирующий резистор служит для уменьшения температурной погрешности датчика и представляет собой терморезистор, аналогичный платиновой нити по чувствительности, но не омываемый потоком воздуха. Электронная схема модуля поддерживает температуру платиновой нити около 150 °С. Воздух проходит через кольцо 1, охлаждая платиновую нить. Электронный модуль восстанавливает температуру нити до прежнего уровня, увеличивая ток питания мостовой схемы. Изменение тока питания моста, пропорциональное расходу воздуха, преобразуется в изменение выходного напряжения датчика. Между выходным напряжением и массовым расходом воздуха существует нелинейная зависимость, которая учитывается блоком управления двигателем.

Для исключения загрязнения платиновой нити в электронном модуле предусмотрена кратковременная подача на нее повышенного напряжения для ее разогрева до 1000 °С. При этом все загрязнения сгорают (режим прожига).Необходимо отметить, что в ходе эксплуатации расходомера толщина платиновой нити уменьшается, что приводит к снижению точности измерений.

Данного недостатка лишен пленочный расходомер воздуха, который пришел на смену проволочного датчика. Принцип действия пленочного расходомера аналогичен проволочному ДМРВ. Основное отличие заключается в конструкции чувствительного элемента.

Пленочный расходомер воздуха

Пленочный расходомер состоит из измерительной трубки и электронного блока с чувствительным элементом (рисунок 3).

Рис. 3 – Конструкция пленочного расходомера воздуха

Чувствительный элемент расположен в специальном воздушном канале, воздух в который поступает за счет разряжения. Часть потока, необходимая для измерения массы воздуха, всасывается в байпасный канал за отбойником (рисунок 4). Высокая скорость потока предотвращает попадание в канал крупных частиц грязи и загрязнение чувствительного элемента. Конструкция воздушного канала позволяет определять массу как прямого, так и обратного (отраженного от закрытых клапанов) потока воздуха, что увеличивает точность измерения.

Рис. 4 – Воздушные потоки в пленочном расходомере

Чувствительный элемент пленочного расходомера воздуха представляет собой кристалл кремния, на который нанесено несколько тонких платиновых слоев – резисторов: нагревательного резистора, двух терморезисторов, резистора датчика температуры воздуха (рисунок 5).

Рис. 5 – Конструкция чувствительного элемента пленочного расходомера

Нагревательный резистор поддерживает определенную температуру чувствительного элемента. По разнице температур на терморезисторах определяется масса всасываемого воздуха и направление воздушного потока. Выходным аналоговым сигналом расходомера является напряжение постоянного тока.

Вместо аналогового сигнала отдельные конструкции датчиков массового расхода воздуха генерируют цифровой сигнал, являющийся в системах управления более предпочтительным (не зависит от срока эксплуатации устройства и характеристик электрической цепи).