3. Пьезоэлектрические датчики.

Действие основано на исполь­зовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величина ко­торого пропорциональна действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое на­пряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колеба­ний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

ПРИМЕР. Датчик детонации (Knock sensor).

Датчик детонации предназначен для преобразования механических вибраций двигателя в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна мощности вибраций.

Датчик состоит из пьезокерамического элемента. Под воздействием вибрации в пьезоэлементе под действием механических вибраций вырабатывает ЭДС переменного тока. По существу ДД работает подобно микрофону.

При резонансе пьезокристалл вырабатывает электрический потенциал, использующийся ЭБУ как информация о появлении детонации в двигателе.

Информация датчика позволяет блоку управления откорректировать угол опережения зажигания (уменьшает угол зажигания в соответствующем цилиндре на «поздно») до устранения детонационных стуков в двигателе.

* ИНФОРМАЦИЯ

Детонация - один из видов аномального горения топлива в камере сгорания.

Детонационное сгорание топлива - сгорание, которое является следствием самовоспламенения еще не охваченной пламенем свежей топливовоздушной смеси, при этом пламя распространяется со скоростью 1500-2500 м/с, что в сотни раз превышает скорость распространения пламени при нормальном горении (~ 30 м/с) топлива в двигателе.

Признаками детонационного сгорания топлива в двигателе являются: характерный металлический стук в цилиндрах, тряска мотора, перегрев головки цилиндров, падение мощности двигателя.

На рисунке номер один изображен график нормального сгорания топлива:

 

 

- участок АВ - образование очага горения (сгорает до 10 % объема смеси от объема камеры сгорания);

- участок ВС - распространение пламени, зависящее от распыления топлива и его скорости на входе в цилиндр.

- за точкой С происходит плавное догорание смеси после прохода фронта пламени.

Продолжительность фаз АВ и ВС зависит:

- от состава смеси;

- от октанового числа топлива;

- степени сжатия, определяемой техническим состоянием двигателя;

- мощностью искры.

Детонация - очень быстрое и несвоевременное сгорание топлива – взрыв!

Это приводит к тому, что ударная волна десятки раз за время движения поршня в НМТ отразится от поршня и головки цилиндров, вызывая при этом характерный звонкий металлический стук.

На рисунке изображен график детонационного сгорания топлива.

 

При детонации участок АС сокращается, и весь объем смеси сгорает практически одновременно. Максимум давления (точка С) смещается левее оси ординат и может оказаться вообще за осью. Тогда при этом поршень, не доходя до ВМТ, получает взрывной удар, при котором возможно повреждение поршней, колец.

Типичный пример, когда верхнее кольцо при ударе срезает перемычку, ломает второе кольцо и перемычку под ним, зажимая маслоотражательное кольцо.

П ример частотной диаграммы вибрации двигателя:

 

1 – нормальная работа двигателя, детонации нет

2 – немного увеличенная детонация, но в пределах нормы

3 – детонационный «всплеск», однако ЭБУ на него не реагирует – количество амплитуд (всплесков) не соответствует  его понятию «детонация»

4 – детонация, ЭБУ переводит двигатель в «щадящий режим» и изменяет угол опережения зажигания на «поздно»

Красная черта на графике – «уровень допустимой детонации», программируемой для данного двигателя, после которой ЭБУ начинает «думать» о величине детонации и начинает сопоставлять ее с теми величинами, которые заложены в его Памяти.

При распознавании детонации ( участок А ), ЭБУ мгновенно «сбрасывает» угол опережения на «поздно» ( участок В ), и затем, если детонация отсутствует, начинает «пошагово» возвращать угол опережение в прежнее состояние ( участок С ). Степень детонации определяется подсчетом числа «выбросов» (импульсов) в сигнале датчика детонации, величина которых превышает стандартную величину (зона 4).

 

Чем ниже октановое число (ОЧ) бензина, тем «хужее» автомобиль едет.

Все, наверное, с этим сталкивались на своем опыте.

А вот по какой причине – постараемся разобраться?

Посмотрим на следующий график:

Углы опережения зажигания при использовании:

1 – японский бензин     «96»

2 – японский бензин     «89»

3 -  российский бензин  «98»

4 – российский бензин   «95»

5 – российский бензин   «92»

6 – российский бензин   «76»

В иды датчиков детонации:

В настоящее время используются:

- частотные пьезоэлектрического (резонансные, обычного) типа;

- широкополосные пьезокерамического (плоского) типа (наиболее распространены).

1. В обычных датчиках детонации (резонансного типа) имеется пластина, при этом резонансная частота колебаний пластины совпадает с частотой детонации двигателя. Она позволяет регистрировать колебания вблизи частоты резонанса (ок. 15кГц).

(один вывод на ЭБУ)

2. Широкополосный датчик детонации (нерезонансного типа) позволяет регистрировать вибрацию в более широком диапазоне частот (примерно 6–15 кГц), которая передается на стальной грузик, а тот давит на пьезоэлектрический элемент. В результате образуется электродвижущая сила.

Широкополосный датчик обладает следующим преимуществами.

Частота детонации двигателя слегка изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Датчик детонации плоского типа позволяет регистрировать вибрацию даже при изменении частоты детонации двигателя (у обычного датчика возможны ошибки в регистрации резонанса). Таким образом, по сравнению с традиционными датчиками детонации, расширены возможности по регистрации вибрации, что позволяет более точно регулировать угол опережения зажигания

(два вывода на ЭБУ)