10. Датчики

10.1. Расходомеры воздуха

A/F= (A/F)_опт.

При управлении топливоподачей Fтребуется оценка циклового расхода воздухаA. Оптимальное топливовоздушное соотношение (A/F)_опт. определяется режимом работы двигателя (при работе без обратной связи) или (A/F)_опт. = 14.7 (= стехиометрическому при работе с обратной связью по сигналу кислородного датчика)

10.1.1. «Лопаточные» расходомеры

Принадлежность L-Jetronic (BOSCH 1970). Гидравлическая схема – [1] - с.39. В корпусе поворотная заслонка с двумя лопастями, байпасный канал с регулировочным винтом.

По утверждению одного из источников, разность давлений остается постоянной и изменяется только площадь окна между корпусом и краем заслонки.

Показания расходомера пропорциональны кв. корню из плотности * Обьемный расход воздуха. Определение массового расхода требует оценки пл.воздуха (кв. корня, необходимо задаться атм. давлением и температурой). Все датчики подобного типа снабжаются датчиками температуры. Имеется байпасный канал, позволяющий устанавливать СО.

Разъем 7 контактов.

1 – датчик Т

2 - U_вых(расход 0…3.1В)

3 - 3.1 В (контроль) (загадочный)

4 – питание ( 5В)

5 – общий

6, 7 – контакты вкл. реле бензонасоса

Более поздние приборы имеют 5 контактов и бывают двух типов по схемному исполнению. Первое исполнение повторяет в точности 7- контактный, исключены контакты вкл. реле бензонасоса. 1 – датчик Т, 2 - U_вых(расход 0…3.1В), 3 – питание ( 5В), 4 – общий, 5 – пустой.

Второе исполнение (для LE3) не имеет специального выхода датчика Т, д. Т включен в схему для компенсации показаний до массового расхода – последовательно с изм. реостатом и дополнительным резистором.

1 – (8) – Верхнее плечо изм. R(+8В)

2 – (7) – Выход реостата – "расход"

3 – (Е) – общая точка RtиRдоп – в блок не идет – свободен

4 – (9) – Rt- +Uпит

5 – (5) - общий

Тарировочные зависимости - два линейных участка (крутой и пологий), (линейные – не используется), нелинейные сбалансированные по точности во всём диапазоне расходов.

Недостатки: механика подвержена износу и соответствующим отказам, дросселирование потока (гидравлическое сопротивление составляет 100-200мм воды – эквивалентно потере на воздушном фильтре при больших расходах - на спортивных двигателях не исп.), некоторые неудобства и сложности в обработке, узкий диапазон измеряемых расходов, мертвая зона при малых расходах.

10.1.2. Термоанемометры

Т. бывают т.н. «постоянного тока» и «постоянной температуры/сопротивления».

Т. «постоянного тока» имеют спадающую характеристику (при 0 расходе – макс. сигнал, максимум температуры датчика). Чем больше расход, тем меньше выходной сигнал, чувствительность и быстродействие. В пределе выходной сигнал стремится к горизонтальной асимптоте U=I*R_хол., и не зависит от перегрева.

Принцип работы термоанемометра постоянной температуры - поддержание нагретого сопротивления на заданном постоянном уровне. По величине тока измерительного моста судят о скорости - расходе. Характеристика нарастающая – ток минимальный при 0 расходе: U~ro*V². Быстродействие не зависит от расхода. Температурный перепад поддерживается постоянным (~ 150-220 °C). Чувствительный элемент - металлическая нить, полупроводниковый резистор, металлополимерные элементы. Постоянная времени – 1, 10-80 мс (нить, плёночный чувствительный элемент и пр.).

Обязательной принадлежностью реального т.а. является измеритель (компенсатор) температуры. Его включают в одно из плеч измерительного моста. Не путать с отдельным терморезистором для измерения Т потока.

Современные промышленные т.а. – только т.а. постоянной температуры. Характеристика предпочтительнее – точность в широком диапазоне расходов выше, значительно выше быстродействие, легче компенсируется температурная зависимость.

Разновидности т.а.: полного потока, частичного потока /1 - с. 51/.

Недостатки: металл. нити боятся вибраций, сразу погибают от обратных вспышек, требуется тщательная мат. обработка - интегрирование в условиях нелинейной передаточной характеристики.

Контакты разъема BOSCH 0 280 212 014: 1, 2 – общий, 3 – выход, 4 – прожиг, 5 - +12В, 6 – резистор многооборотный 1 кОм макс. (его второй вывод соединен с общим)

Пример обработки сигнала с термоанемометра BOSCH 0 280 212 014.

U, В	1.28	1.608	2.099	2.507	3.004
Gв , кг/ч	0	3.11	11.7	32.32	86.42

Среднее 4 точек по напряжению - 2.099 В - это значение соответствует расходу воздуха в 11.7 кг/ч. Если же усреднять по мгновенным значениям расхода воздуха получим среднее равным (0+3,11+32,32+86,42)/4 = 30.46 кг/ч.

В последнее время используются т.а. с пленочными датчиками…(ГАЗ с 2002г.)

Некоторые д. используют образцовый уровень напряжения +5В, подаваемый из блока

Некоторые д. учитывают направление потока

Некоторые д. на выходе имеют частотный сигнал.

10.1.3. Прочие расходомеры.

Вихревые. При обтекании плохо обтекаемого тела за ним возникают возмущения (вихри). Известно применение вихревых расходомеров. Проблема в том, чтобы зафиксировать частоту вихрей, которая, оказывается, не зависит от плотности, вязкости и температуры потока. Измеряется объемный расход, очень велика кратность (1: 100).

10.2.Датчики давления впуска. Характерны - меньшая стоимость, более удобен при работе на двигателе (можно снять патрубок, идущий от воздушного фильтра к блоку дроссельных заслонок - двигатель будет работать в том же режиме).

10.2.1. GMC- выход - напряжение.

10.2.2. FORD - выход - частотный сигнал, измеряет и избыточные давления (Steyr - ГАЗ)

Передаточная характеристика

P, кПа	100	80	60	40	20
fout, Hz	79	70	62	54.5	47.5
	81	96	110	126	142		Sensor2K

Давление во впускном трубопроводе является неполным параметром для расчета циклового наполнения/топливоподачи. Так для точного расчета требуется знать количество остаточных газов, учитывать величину и знак дозарядки, определять температуру смеси в цилиндре к концу впуска и пр.

10.3. Датчики положения дроссельной заслонки (ДПДЗ)

Бывают: контактные - мин. и макс. положение, потенциометрические - на основе потенциометра - аналоговый выход. Известны преобразователи угол - код (стандартно - в станкостроении) - как правило, оптические датчики.

Минимальное положение др. – задача поддержания частоты вр. на заданном уровне, одно из условий ПХХ. Максимальное положение др. – для управления топливоподачей – сигнал обогащения смеси (аналоговые БУ).

Недостаток контактных д. – дырка на нагрузочной характеристике, необходимость регулировки срабатывания. Зачастую требуется настройка начальной установки.

Непрерывный сигнал – для цифровых БУ. Известны системы, использующие сигнал положения как основной сигнал для управления топливоподачей. VW– двойной потенциометр,AlfaRomeo– преобразователь угол-код для индивидуальных дроссельных заслонок на каждый цилиндр (датчик - один).

В литературе часто встречается утверждение, что сигнал с ДПДЗ используется в первую очередь как сигнал резкого открытия дросселя... Следует учесть, что сигнал с основного параметра дозирования топлива обрабатывается в пределах одного периода впуска. Впрыскивание топлива осуществляется раньше впуска смеси в цилиндр, основываясь на более ранней информации о величине воздушного заряда. Поэтому имеется принципиальное несоответствие между поданным топливом и фактическим поступлением смеси в цилиндр.

Сигнал с ДПДЗ может быть использован как резервный (при отказе д. расхода воздуха или д. давления впуска или при трудностях с обработкой сигнала ДМРВ в МИКАС-5.4/7.1 при нахождении в зоне обратного выброса воздуха через датчик). Недостаточно умные БУ требуют довольно точной начальной установки, с тем, чтобы сигнал находился в узком допустимом интервале по напряжению (например, 0.45В ±0.05В). Более продвинутые программы допускают фактически произвольную начальную установку ДПДЗ (например, допустим диапазон 0.25…0.8В).

10.4. Датчики температуры

10.4.1. Прецизионные терморезисторы - две (три) близкие таблицы. Максимально допустимая температура д. 130-150С.

T, C	R air кОм	U, V	U, V	R cool, USA	Siemens 20.3855	GMC-ВАЗ 23.3828	BOSCH 0 280 218 037
-40	47.0			885	44.373	100.7	39.2
-30						52.70	23
-20	15.0			271	15.141	28.68	13.9
-15						21.45
-10						16.18	8.6
-5						12.3(-4C)
0	9.0			90..100	5.774	9.42	5.5
5						7.28
10	4.0	3.77	3.48			5.67	3.6
15						4.45
20	2.5	2.5	3.07	35...40	2.448	3.520	2.4
25					2.014	2.796
30	1.7	1.7	2.65			2.238	1.7
35						1.802
40		1.18	2.23	15...18	1.150	1.459	1.2
45	1.0					1.188
50	0.83		1.84			0.973	0.84
60		0.60	1.49	7...8	0.583	0.667	0.6
70						0.467	0.45
80		0.33	0.95	4	0.316	0.332	0.34
90						0.241	0.26
100	0.19		0.56	1.9-2.2	0.183	0.177	0.2
110							0.16
120					0.1103		0.13
125				1
130						0.070
T, C	R air	U, V	U, V	R cool	20.3855	23.3828	B 037

10.4.2. Полупроводниковый 19.3828 (аналоги 192. 42. 424. 405226). По ТУ требуется создать ток в диапазоне 1 ±0.5 мА. Напряжение на датчике U = 10 * ( t + 273 ), мВ. Имеет неравнозначные выводы + и -, проверяется в составе штатной схемы или заданием внешнего тока (например, через резистор около 10 кОм при 12 В).

При токе 0.3мА показания температуры занижаются на 4С . При больших токах (2-5мА) увеличивается напряжение и полученное значение Т на 1-2С больше и связано с самоподогревом. Однако большой ток, скорее всего, резко снижает надёжность датчика. Максимально допустимая температуры заявлена равной 125С.

ток, мА	0.166	0.28	0.312	0.338	0.602	1.182	2.422	4.99
напр., В	1.55	2.687	2.967	3.005	3.010	3.013	3.019	3.034
Т изм, С	-	-4.3	23.7	27.5	28	28.3	28.9	30.4

10.5. Датчики синхронизации

Индукционные и Холла. Обычно индукционные д. называют индуктивными, что неверно. Индуктивность – inductance. Индукция -induction. Индукционный –inductive. Вульгарный перевод.

Индуктивный д. (например, д. положения кузова автом.) – в нём изменяется и измеряется индуктивность. Принцип измерения индуктивности – через д. пропускается переменный ток известной частоты и измеряется ток. Либо к катушке подключается параллельно конденсатор, тогда получается колебательный контур – на него воздействуют переменным напряжением и изменяя частоту ищется резонанс. Т.е. в индуктивном д. измеряется индуктивность как постоянная величина.

Индукционный д. Изменением магнитного поля провоцируется возникновение ЭДС самоиндукции. Если возле индукционного датчика перемещается металлический предмет (зубчатое колесо) – в катушке датчика наводится (индуцируется) ЭДС. Именно переменное напряжение фиксируется БУ и преобразуется в прямоугольные импульсы.

Быстродействие д. Холла по данным литературы почему-то очень ограниченное, поэтому они устанавливаются лишь на распредвалах (обычно макс. 67Гц - это по коленвалу всего 8000 мин^-1). Однако появились д. Холла для колес (для систем АБС) и д. скорости автомобилей со значительно большим быстродействием. Предельная частота индукционных значительно выше – (например, 10 кГц).

Д. Холла имеют питание (бортовое +12В или +5В) и выход "открытый коллектор". Для работы такого выхода требуется нагрузочный резистор, одним контактом подключенный к + питания, другим, разумеется, к выходу д.. Обычно когда к д. подведена металлическая шторка, транзистор открыт, и напряжение д.б. низким, близким к 0. Если шторка отведена от д. - транзистор закрыт, напряжение д.б. высоким, близким к напряжению питания.

Некоторые д., если шторка подведена постоянно (двигатель остановлен, не вращается) отключают транзистор через 2-3с. Т.е. такие датчики не могут правильно показать вращение вала при очень низких скоростях.

Требования к размерам шторки и пропуска были определены эмпирическим путём для трёх типов датчиков (экспериментальный 406-3847050, 406-3847050-06, 2111-3706040-02). Размер шторки (зуба), определяющий угловой сектор вала взят практически минимального размера и равен 3.5мм. Другой размер взят, наоборот, максимальным – более 18мм с тем, чтобы перекрыть весь диаметр датчиков (= 18мм). Шторка вращалась на валу с радиусом около 30мм и минимальный зазор составлял около 1 мм. Результаты наблюдений выходного сигнала следующие. Дуга, вдоль которой каждый из датчиков держал сигнал в 0, составила соответственно 15, 6.5 и 7.5мм. Это расстояние по существу есть минимальный размер пропуска (расстояния между зубьями, если их более одного) без учёта длительности сигнала в высоком уровне . Таким образом, зубья для д. Холла должны иметь большие промежутки, значительную ширину (не исследовалось, но очевидно).

Зубчатые колеса коленвала: венец маховика 120-140 зубьев или специальные диски с зубьями(пазами): 6+1 паз (Америка), 60-2 (BOSCH), 36-1/36-2 (FORD).

Распредвал: достаточно одного флажка, хотя можно было бы меток иметь побольше. С одним флажком-шторкой чтобы поймать фазу, следует повернуть коленвал в самом неблагоприятном исходе почти на целый оборот. Гарантированно улучшить ситуацию можно, имея на распредвалу 4 зуба! или более.

10.6. Датчики детонации

Резонансные и широкополосные кварцевые.

Резонансный. Контроллер подает на ДД опорное напряжение 5 В. Резистор, расположенный внутри датчика, понижает напряжение до 2,5 В. Сопротивление резистора от 330 до 450 Ом. Во время нормальной (без детонации) работы двигателя напряжение на выхо­де датчика остается постоянным на уровне 2,5 В. При появлении детонации ДД гене­рирует сигнал переменного тока, который поступает в контроллер по той же цепи, по которой подается опорный сигнал 5 В. Это возможно потому, что опорный сигнал 5 В является напряжением постоянного тока, а обратный сигнал детонации - напряжением переменного тока. Амплитуда сигнала переменного тока ДД зависит от уровня детонации. Контроллер считывает этот сигнал и корректирует угол опереже­ния зажигания для гашения детонации.

Широкополосные. Наиболее применимы. При обработке сигнала требуется частотная фильтрация, интегрирование на некотором угловом интервале, где наиболее вероятна детонация. Проблемы оценки. Возможно использование ш.д. при решении задач, отличных от детонации (оценка наличия сгорания по шуму выпуска, и пр.?).

10.7. Датчики кислорода. / 1 с.77-84/ Представляет из себя стакан с порошком двуокиси циркония ZrO₂ (или двуокиси титанаTiO₂ Nissan1982). Наружная поверхность контактирует с ОГ. Внутрь вставлен малый стакан, контактирующий с наружным воздухом (через провода). При отсутствии кислорода в ОГ исправный и прогретый циркониевый датчик генерирует ЭДС около 0.9В, а при наличии – около 0В. Типичная схема включения циркониевого датчика – к делителю напряжения с верхним резистором 510кОм и нижним – 51кОм. При отсутствии или неработоспособности датчика АЦП получит напряжение с делителя около 0.45В (половина от 0.9В). По мере прогрева датчика сигнал должен изменяться согласно текущему составу ОГ и делитель напряжения не будет влиять на уровень сигнала.

Новый д. должен срабатывать за менее чем за 0.2с. Допускается увеличение времени срабатывания при обеднении до 0.25с, при обогащении – до 0.45с??

Работоспособны при 350-850 С. 1-2-3-4 контакта (подогрев 12/18Вт и более). Сигнальный провод чёрный, потом появился сигнал- обычно серый. Посадочная резьба М18х1.5

Титановый датчик эквивалентен переменному резистору - без кислорода R< 1 кOм, при наличии кислорода -R> 20 кOм. Холодный датчик имеет крайне низкое сопротивление 5-7 Ом? Ему не нужен контакт с наружным воздухом, позволяет работать при более (низких) и(или)? высоких температурах, стОит дороже. Схема включения может использовать всего один дополнительный резистор, подключенный, например, к +5В. Т.о. при использовании титанового датчика при отсутствии кислорода (обогащённая смесь) в блок управления будет поступать низкий уровень напряжения, а при наличии (обеднённая смесь) – высокий, что не соответствует циркониевому. Соответственно невозможна взаимная замена циркониевого и титанового датчиков.

Работоспособны при 300?-900 С. 1-2-3-4 контакта (подогрев – один из проводов красный, как признак титанового д. Остальные провода тоже не как у циркониевого: чёрный – сигнал-, жёлтый – сигнал+). Посадочная резьба или М18х1.5, или М12

Эффективность катал. нейтрализатора максимальна для NОxпри недостатке О₂, для СО и СH, наоборот, при избытке О₂:

NОx->N₂+O₂(не нужен кислород, мешает восстановлению)

СО + O₂->CO₂(нужен кислород)

CH+O₂->CO₂+H₂O(нужен кислород)

Испортить нейтрализатор можно, пропуская через него много углеводородов (CH). При исправном ДВС концентрацияCHсоставляет 30-600ppm(частиц на миллион). Когда нет сгорания или в отдельных цилиндрах / циклах, или расход масла превышает … (разумные пределы) концентрацияCHвозрастает на порядок и более. Это может привести к перегреву, оплавлению и частичному разрушению нейтрализатора. При расположении н. вблизи двигателя (Е3 и выше), осколки н. могут попасть в двигатель и вывести его из строя.

Блок управления призван не допустить разрушение н. Для этого тем или иным образом контролируется наличие пропусков сгорания, при наличии которых запрещается работа форсунки (-нок).

Чаще всего БУ анализирует пульсации частоты вращения. При пропуске сгорания мгновенные значения скорости вращения двигателя должны соответствующим образом изменяться. Для заднеприводных автомобилей длинная трансмиссия вносит искажения в сигнал мгновенной скорости двигателя.

Кроме того, известны специальные катушки зажигания с диагностическими схемами, фиксирующими ионизационный ток во вторичной цепи зажигания.

Принципиально пропуски сгорания можно анализировать по шуму или отсутствию шума сгорания и выпуска с помощью датчика детонации. Однако последний способ требует колоссальной мощности микроконтроллера.