Факультет механический. Кафедра сельскохозяйственной техники.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 по предмету «Тракторы и автомобили»
Лабораторная работа - Микропроцессорные системы управления двигателем с принудительным зажиганием
Вопросы
1. Микропроцессорные системы управления двигателем.
2. Комплексные системы управления двигателем.
3. Датчики микропроцессорных систем управления двигателем.
4. Электрические устройства впрыска топлива.
Микропроцессорные системы управления двигателем с принудительным зажиганием
За последние годы существенным образом повысились экономическое и экологическое требования к двигателям. Именно они обусловили употребление ряда конструктивных и технологических мероприятий, которые дали возможность повысить степень сжатия до 8,5-10, освоение и производство высокооктановых бензинов АИ-93, АИ-95, АИ-98, ввести системы зажигания с высокой энергией и микропроцессорным управлением и на этой основе оптимизировать процессы сгорания топлива и повысить коэффициент полезного действия двигателей.
Тем не менее, дальнейшее улучшение экономических показателей такими способами ограничено, и конструкторы идут путем дальнейшего усовершенствования дозирования топлива, улучшение его смесеобразования и обедненности, уменьшение токсичности отработанных газов. Реализация этих мероприятий осуществляется установкой микропроцессорных систем для управления на начальной стадии углом опережения зажигания и электромагнитным клапаном экономайзера принудительного холостого хода, а с развитием таких систем - дозированием топлива с применением обратной связи с составом отработанных газов за токсичностью, признаками детонации, организацией рециркуляции отработанных газов, поглощение испарений бензина и т. п..
Величина угла опережения зажигания определяется как алгебраичная сумма составляющих, заложенных в память микропроцессора, по таким параметрам:
- частота вращения коленчатого вала, в зависимости от которой угол опережения зажигания изменяется от 0 до 35° поворота коленчатого вала;
- нагрузка двигателя, которая определяется при помощи датчика абсолютного давления, установленного во впускном коллекторе. При уменьшении нагрузки осуществляется дополнительное опережение зажигания в пределах 10-15° поворота коленчатого вала;
- температура охлаждающей жидкости, о которой подает сигналы резисторный датчик и микропроцессор, задает угол опережения зажигания во время пуска и прогревание двигателя к 40-50 °С;
- температура всасываемого воздуха, которая также определяется резисторным датчиком; изменяется угол опережения зажигания на 6-8° поворота коленчатого вала.
Кроме того, датчик положения коленчатого вала двигателя подает команду о начале отсчета опережения зажигания, а датчик положения дроссельной заслонки помогает распознать режим холостого хода во время пуска и прогревания двигателя.
В современных двигателях с принудительным зажиганием применяется преимущественно внешнее смесеобразование (образование горючей смеси вне границ рабочего цилиндра). Карбюратор, предназначен с помощью топливных и воздушных жиклеров создавать соответствующее количественное соотношение топлива и воздуха при разных режимах работы двигателя, смешивать их к гомогенной (однородной) смеси и обеспечивать полное выпаровывание топлива на пути к рабочему цилиндру.
Применяют также подачу топлива в цилиндр путем его впрыскивания форсункой (одной или несколькими) во впускной коллектор или прямо в каждый цилиндр, беспрерывно или дискретно.
Анализ дозировочных систем современных карбюраторов свидетельствует, что в зависимости от режима работы двигателя отклонения от оптимального дозирования достигает 10%.
Во время движения автомобилей в городских условиях их двигатели приблизительно пятую часть времени работают в режиме принудительного холостого хода в случае торможения двигателем, переключение передач, движения автомобиля накатом и т. п.. В таком режиме дроссельная заслонка карбюратора закрыта, а коленчатый вал двигателя вращается от кинетической энергии автомобиля, в результате чего тратится топливо, не выполняя полезной работы.
Для уменьшения затрат топлива и токсичности отработанных газов на грузовых и легковых автомобилях применяют электронные системы автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода (ЭПХХ), которая прекращает подачу топлива в режиме принудительного холостого хода.
Структурная схема системы автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода имеет такой вид:
ЭПХХ включает электронный блок управления, электромагнитный клапан и конечный выключатель карбюратора (микровыключатель или датчик-винт).
Система ЭПХХ срабатывает в двух случаях: когда частота вращения коленчатого вала двигателя больше частоты заданного режима холостого хода и когда дроссельная заслонка карбюратора закрыта. Для определения этих режимов предназначен датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя, к которому информация поступает из первичной обмотки катушки зажигания, и микропереключатель на карбюраторе, который информирует о положении дроссельной заслонки. Если она открыта, контакты микропереключателя замкнуты, а при ее закрывании они размыкаются.
В случае превышения частоты вращения коленчатого вала установленного параметра для режима холостого хода и при закрывании дроссельной заслонки, электронный блок получает соответствующие сигналы и подает управляющий сигнал на закрывание электромагнитного или пневмоэлектромагнитного клапана и прекращение подачи топлива через систему холостого хода.
После окончания режима принудительного холостого хода, когда водитель открывает дроссельную заслонку, частота вращения коленчатого вала увеличивается от главной дозировочной системы карбюратора, а соответствующий датчик частоты вращения через электронный блок подает управляющий сигнал на открывание электромагнитного клапана и подачу топлива через систему холостого хода.
Одним из примеров карбюратора с электронным управлением на зарубежных автомобилях более сложной конструкции есть карбюратор "Ecotronic", который выпускается фирмой "Pirburg". Благодаря согласованному управлению дроссельной и воздушной заслонками он обеспечивает автоматическое регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу, обогащение рабочей смеси во время пуска двигателя, его прогревание и работы в режиме "разгона", отключение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода, регулирование излишка воздуха, исходя из экономичности двигателя и токсичности отработанных газов, защита двигателя от превышения максимальной частоты его вращения и т. п..
Основными составляющими системы управления "Ecotronic" (рис. 1) есть карбюратор 5, потенциометр дроссельной заслонки 6, установочные устройства воздушной 3 и дроссельной 2 заслонок, контроллер (электронный блок управления) 1, датчик температуры охлаждающей жидкости 8, кислородный датчик 9.
В системе "Ecotronic" применяют компактный карбюратор с падающим потоком и последовательным включением смесительных камер первой и второй степеней. В нем традиционных устройств для пуска, прогревание, разгонки и обогащение горючей смеси нет, а эти функции выполняют два установочных устройства дроссельной и воздушной заслонок, которые управляются контроллером.
Рис. 1 - Система управления подачей топлива "Ecotronic":
1 - контроллер; 2 - установочное устройство дроссельной заслонки; 3 - установочное устройство воздушной заслонки; 4 - воздушный фильтр; 5 - карбюратор; 6 - потенциометр дроссельной заслонки; 7 - нагревательная пустота; 8 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 9 - кислородный датчик; 10 - трехкомпонентный каталитический нейтрализатор
Установочное устройство дроссельной заслонки 2 действует по принципу электропневматического привода и состоит из толкателя с мембранным приводом, вакуумной камеры и электромагнитных клапанов. Величина разрежения в камере мембранного механизма регулируется с помощью электромагнитных клапанов, путем ее подключения к впускному коллектору или атмосфере. В исходное положение толкатель возвращается обратной пружиной.
Таким образом, руководя электромагнитными клапанами, в рабочей камере можно создать разрежение определенной величины и соответственно разное положение дроссельной заслонки в зависимости от режима работы двигателя.
Потенциометр 6 соединен с осью дроссельной заслонки первой степени и, изменяя свое сопротивление, дает информацию контроллеру о том или другом ее положении. Датчик температуры охлаждающей жидкости 8 действует по принципу резистора с отрицательным коэффициентом сопротивления. При температуре -20°С его сопротивление составляет 15-17 кОм, а при температуре +80°С – 200-400 Ом.
Контроллер 1 выполнен на основе 8-разрядного микропроцессора и состоит из трех функциональных блоков:
- ввода информации из потенциометра положения дроссельной заслонки и позиций установочных устройств, датчиков температуры охлаждающей жидкости и состава отработанных газов;
- блока обработки данных, в который входят центральный процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) объемом 4 кбайт, запоминающее устройство с произвольным выбором (ЗУПВ) объемом 128 байт, таймер и другие компоненты, которые обеспечивают роботу вычислительного устройства;
- блок вывода команд управления, по которым подаются сигналы для настраивания карбюратора, нагревание впускного коллектора, установки момента зажигания на холостом ходу, установки положения воздушной и дроссельной заслонок.
В постоянное запоминающее устройство блока обработки данных микропроцессора записаны значения опорных точек положений дроссельной и воздушной заслонок. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала угловые положения дроссельной заслонки имеют шесть опорных точек (36 режимов работы двигателя). Для разных тепловых режимов двигателя, которые определяются по сигналам датчика температуры, и скорости открывания дроссельной заслонки есть по четыре опорных точки для каждого параметра. Сопоставляя входные величины с опорными точками характеристик, осуществляют управление установочными устройствами воздушной и дроссельной заслонок.
Поддерживание заданной частоты вращения коленчатого вала в режиме холостого хода достигают автоматическим изменением положения дроссельной заслонки по команде микропроцессора, как только эта частота изменится по любой причине на ± 10 мин-1.
Обогащение горючей смеси во время пуска и прогревание холодного двигателя обеспечивается закрыванием воздушной заслонки и осуществляется в связи с увеличением перепада давления во впускном трубопроводе. Установочное устройство автоматически переводит дроссельную заслонку, которая отвечает данной температуре двигателя. С прогреванием двигателя установочные устройства постепенно закрывают дроссельную и открывают воздушную заслонки.
В дальнейшем состав топливовоздушной смеси при разных режимах работы двигателя, включая необходимость резкого ускорения, устанавливается также автоматически изменением положения воздушной заслонки. В режиме принудительного холостого хода дроссельная заслонка закрывается полностью и подача топлива прекращается.
Система "Ecotronic" может автоматически поддерживать стехиометричный состав топливовоздушной смеси (а = 1). Для этого в выпускном коллекторе устанавливают кислородный датчик состава отработанных газов, во время включения которого закрывается или приоткрывается воздушная заслонка, обогащая или обедняя рабочую смесь.
При обогащении смеси в отработанных газах исчезает свободный кислород, датчик вырабатывает сигнал, который обрабатывается вычислительным устройством, и на установочное устройство воздушной заслонки поступает импульс для ее открытия к появлению свободного кислорода в отработанных газах. Таким образом, поддерживается стехиометричный состав смеси, необходимый для эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора.
По подобному принципу построена система управления смесеобразованием карбюратора 21083-1107010-61, разработанная в России. Отличием такой системы есть то, что электронный блок на основе полученной информации от датчиков температуры, кислорода, полной нагрузки, положении дроссельной заслонки карбюратора и оборотов двигателя руководит электромагнитными клапанами (актюаторами) главной дозировочной системы и системы холостого хода и соленоидным клапаном.
Фирмы "Hitacshi", "General Motors", "Pirburg", "Bosch" и др. оборудуют автомобили двигателями, на которые установлены системы центрального впрыска с электронным управлением. На рис. 2 приведена функциональная схема системы CFI, установленная на двигателе автомобиля "Ford Escort".
Она состоит из топливного бака 6, топливного насоса с электроприводом 5, фильтра 4, смесительной камеры, электромагнитной форсунки 10, стабилизатора перепада давления топлива 9, электронного блока управления 2, датчика температуры охлаждающей жидкости 7, 
-зонда и датчика привода дроссельной заслонки 8, а также потенциометра дроссельной заслонки, датчиков воздуха и абсолютного давления. В смесительной камере размещены дроссельная заслонка, ее привод и потенциометр, стабилизатор давления топлива, датчик температуры воздуха и форсунка, которая уменьшает гидравлические потери и выводит паровоздушные пузырьки.
Исполнительными устройствами подачи топлива есть электромагнитная форсунка и электродвигатель привода дроссельной заслонки. Информацию о перепаде давления топлива, температуры воздуха и охлаждающей жидкости, положении дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала коллектор получает от соответствующих датчиков и реализует полную программу дозирования топлива во время пуска и прогревания двигателя на холостом ходу, обогащение горючей смеси при резком открытии и ее обедненность при закрытии дроссельной заслонки.
Рис. 2- Функциональная схема системы управления центральным впрыском топлива:
1 - датчик расхода воздуха; 2 - электронный блок управления (контроллер); 3 - линии соединения с источником питания и катушкой зажигания; 4 - топливный фильтр; 5 - топливный насос; 6 - топливный бак; 7 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 8 - датчик положения дроссельной заслонки; 9 - стабилизатор перепада давления топлива; 10 - электромагнитная форсунка; 11 - привод дроссельной заслонки
В такой системе количество управляющих импульсов, которые поступают в электромагнитную форсунку, отвечают количеству искровых разрядов на свечах зажигания, т. е. в 4-тактном четырехцилиндровом двигателе за один оборот коленчатого вала происходит два искровых разряда и два впрыскивания топлива в смесительную камеру.
Система центрального впрыска, в сравнении с обычным карбюратором, обеспечивает более высокое качество управления подачи топлива.
Существуют и другие способы подачи топлива в смесительную камеру карбюратора. Тем не менее, во всех случаях центральной подачи топлива остается их главный недостаток - выпадение капель топлива на стенки трубопроводов и, как результат, неравномерное его распределение по цилиндрам.
В связи с этим применяют системы управления беспрерывным впрыскиванием бензина или системы распределенного типа, когда топливо подается через отдельную для каждого цилиндра форсунку (инжектор). Благодаря этому достигается оптимальное количество впрыскивания топлива соответственно определенному режиму работы двигателя или на переходном этапе, равномерное его распределение по цилиндрам, устраняется конденсация топлива на стенках впускного трубопровода.
Систему с беспрерывной подачей топлива через форсунки, которые установлены в каждом цилиндре, можно рассмотреть на примере системы "KE-Jetronik" фирмы "Bosch" (рис. 3).
Рис. 3 - Функциональная схема системы "KE-Jetronik":
1 - электронный блок управления; 2 - дозатор-распределитель топлива; 3-расходомер воздуха; 4 - клапан дополнительной подачи воздуха; 5 - топливный фильтр; 6 - топливный насос; 7- накопитель топлива; 8 - топливный бак; 9 - выключатель положения дроссельной заслонки; 10 - регулятор давления топлива в системе; 11 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 12 - пусковая форсунка; 13 - рабочая форсунка 14 - электрогидравлический регулятор управляемого давления
В ее состав входят топливный бак 8, топливный насос с электроприводом 6, топливный фильтр 5, накопитель топлива 7, дозатор-распределитель топлива 2, расходомер воздуха 3, регулятор дополнительной подачи воздуха 4, регулятор давления топлива в системе 10, рабочая 13 и пусковая 12 форсунки, потенциометр с выключателем дроссельной заслонки 9, датчик температуры охлаждающей жидкости 11 и электронный блок управления (контроллер) 1.
Контроллер имеет структуру, аналогичную рассмотренной в системе "Ecotronic".
Расходомер воздуха измеряет мгновенный расход воздуха и своим рычагом руководит плунжером дозатора-распределителя топлива, который, в свою очередь, направляет к форсункам такое количество топлива, которое отвечает расходу воздуха. При неизменном давлении в верхней части дозатора-распределителя давление в нижней его части регулируется электрогидравлическим регулятором давления 14, который управляется контроллером 1.
К контроллеру также поступают сигналы от датчика температуры охлаждающей жидкости 11, потенциометра и выключателя дроссельной заслонки и от катушки зажигания о частоте вращения коленчатого вала.
По этим сигналам контроллер идентифицирует работу двигателя и изменяет силу и направление тока, который проходит через обмотку электромагнита электрогидравлического регулятора, и, перемещая золотник, изменяет сечение проходного отверстия, которое соединяет верхнюю и нижнюю камеры дозатора-распределителя топлива. Если золотник полностью откроет отверстие, давление в верхней и нижней камерах станет одинаковым, мембрана прижмется к седлу распределительного клапана и подача топлива прекратится. Такое положение системы отвечает режиму принудительного холостого хода.
В режиме, когда частота вращения коленчатого вала превышает верхнюю границу холостого хода, а выключатель дроссельной заслонки замкнут, подача топлива прекращается и возобновится лишь после снижения частоты вращения к нижнему установленному уровню.
Датчик температуры охлаждающей жидкости предоставляет контроллеру информацию о тепловом состоянии двигателя, по которой корректируется количество и качество горючей смеси во время пуска холодного двигателя, в ходе его прогревания, в режиме ускорения и т. п.. При этом подается дополнительная порция воздуха через регулятор 4 и дополнительное количество топлива через пусковую форсунку 12.
Комплексные системы управления двигателем
Дальнейшее развитие системы зажигания и топливоподачи формируется на внедрении комплексного управления ими и введении дополнительных регулировочных параметров по управлению турбонаддува, рециркуляции отработанных газов, отключением части цилиндров или рабочих циклов, трансмиссией, включением фар, кондиционера, обеспечение диагностики двигателя и самодиагностики, повышение точности их измерения, увеличение быстродействия микропроцессора и объема памяти, в которой должны сохраняться законы управления с учетом коррекции.
Например, блок управления 90.3761 комплексной системы управления двигателя ЗМЗ-4024 имеет датчики давления во впускном трубопроводе, температуры воздуха и охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки и скорости ее открытия или закрытия, компаратор включения стартера, датчики сигналов начала отсчета и угловых импульсов вращения коленчатого вала, устройства управления впрыскиванием топлива и пусковой форсункой, реле электрического бензонасоса, углом опережения зажигания.
Такой блок обеспечивает:
- включение экономайзера при угле открытия дроссельной заслонки свыше 70 ± 5° за счет увеличения продолжительности впрыскивания топлива на 23%;
- управление пусковой форсункой при включении стартера и температуре охлаждающей жидкости меньше чем +20 °С;
- управление реле бензонасоса (включение его на 2 с) при включенном зажигании и неработающем двигателе;
- постоянное включение реле бензонасоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя свыше 300 мин-1;
- отключение реле бензонасоса при частоте вращения вала меньше чем 300 мин-1.
Наибольшего функционального развития получили комплексные системы, которые выпускаются японскими и американскими фирмами. Так, фирма "Toyota" применила новую цифровую систему под названием TCCS (Toyota Computer Controlled System), которая для управления основными процессами зажигания и топливоподачи использует информацию по 15-ти параметрам с высокой точностью управления. При этом кроме уже традиционных сигналов - расхода и температуры воздуха, частоты вращения коленчатого вала и положение дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, состава отработанных газов и начала детонации используют сигналы о включении кондиционера, скорости движения автомобиля и включение нейтральной передачи.
При управлении подачей топлива учитывают также состояние аккумуляторной батареи, которая дает возможность компенсировать задержку срабатывания форсунки в случае снижения напряжения ее питания. В режиме холостого хода TCCS согласовывает экономичную работу двигателя и кондиционера, ускоряя выход последнего на стабильный режим работы, а во время прогревания и в режиме принудительного холостого хода - отключить рециркуляцию отработанных газов. Она предотвращает включение повышенных передач во время прогревания двигателя, а также возможным толчкам во время их переключения.
Такая система диагностирует двигатель по 14-ти параметрам с выводом информации на сигнальное табло щитка приборов и записывает неисправности в память контроллера, которые могут быть считаны диагностическим тестером при обслуживании автомобиля.
С целью повышения надежности в системе предусмотрен специальный блок, который генерирует сигналы датчиков, которые вышли из строя, или об отказе контроллера. Этот блок дает возможность двигателю работать с постоянным опережением зажигания на холостом ходу и двигаться автомобилю со скоростью до 60 км/ч.
Фирма "Mitsubishi" ввела метод отключения цилиндров при определенных нагрузках двигателя. При этом электронная система автоматически отключает два цилиндра при давлении масла 150 кПа, температуры охлаждающей жидкости t = 70 °С, частоты вращения коленчатого вала n<2700 мин-1 и скорости движения автомобиля не менее чем 10 км/ч путем закрытия клапанов первого и четвертого цилиндров гидравлической системой с электронным управлением по сигналам соответствующих датчиков о режиме работы и тепловом состоянии двигателя. Тем не менее, она предохраняет пуск двигателя на двух цилиндрах, а также движение автомобиля в этом режиме на пониженных передачах.
В Европе наибольшим производителем приборов управления топливоподачи и зажиганием в бензиновых двигателях есть фирма "Bosch". Одну из комплексных систем управления двигателем, разработанную этой фирмой, - систему "Motronik"- устанавливают на разных автомобилях. Функциональная схема ее изображена на рис. 4.
Здесь кроме обратной связи с составом отработанных газов, который подается датчиком кислорода 1, и с рециркуляцией отработанных газов, которая осуществляется через клапан рециркуляции 2 и электропневмоклапан 3, введены обратная связь при возникновении детонации через установленный датчик детонации 17, подсистема адсорбирования испарения бензина с помощью адсорбера 13 и клапана продувки, а также применен блок катушек зажигания 6 на каждый цилиндр. Итак, здесь нет традиционного распределителя зажигания.
Управление углом опережения зажигания с применением датчика детонации сводится к тому, что при появлении детонации по сигналу датчика определяется ее интенсивность и уменьшается опережение зажигания, а с устранением детонации восстанавливается оптимальный угол опережения.
Рис. 4 – Функциональная схема системы комплексного управления двигателем с принудительным зажиганием фирмы «Bosch»»Motronik»
1 – датчик кислорода; 2 – клапан рециркуляции отработанных газов; 3 - электропневмоклапан; 4 – свеча зажигания; 5 – форсунка; 6 – блок катушек зажигания; 7 - стабилизатор; 8 – датчик температуры воздуха; 9 -, 10 – топливные фильтры; 11 – расходомер воздуха; 12 – клапан; 13 – адсорбер; 14 – контролер; 15 – регулятор подачи воздуха; 16 - датчик положения дроссельной заслонки; 17 – датчик детонации; 18 – датчик угловых отметок; 19 – датчик температуры охлаждающей жидкости
Датчики микропроцессорных систем управления двигателем
Наиболее распространенными есть пьезоэлектрические датчики детонаций, в которых кристаллы электризуются под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформируются в электрическом поле (обратный пьезоэффект).
Датчик детонации (рис. 5) состоит из корпуса 1, в котором гайкой 2 зажата мембрана 3 и на нее опираются две пьезоэлектрических шайбы, разделенных между собой металлической пластиной 5. Мембрана и пьезоэлектрические шайбы образуют чувствительный элемент, который в свою очередь сжата в корпусе внешней гайкой 6. В верхней части этой гайки вмонтирован вывод 7, соединенный изолированным проводом с металлической пластиной.
Датчик детонации, вкрученный в стенку блока цилиндров, реагирует на давление жидкости, которая действует на мембрану. Вибрация, которая возникает вследствие детонации, передается охлаждающей жидкости, мембране и пьезоэлементам. В последних возникает заряд, который характеризует уровень вибрации.
Характеристика датчика подобрана так, чтобы частота собственных колебаний его чувствительного элемента совпадала с частотой колебаний стенок цилиндра при детонации. Исходный сигнал датчика подается на контроллер, который, в свою очередь, подает команды об изменении угла опережения зажигания.
Рис. 5 - Пьезоэлектрический датчик детонации:
1 - корпус; 2 - внутренняя гайка; 3 - мембрана; 4 - пьезоэлектрическая шайба; 5 - металлическая пластина; 6 - внешняя гайка; 7 - вывод
Датчики частоты вращения и положения коленчатого вала (рис. 6) применяют преимущественно индуктивного типа. В электронных системах управления двигателем они предназначены для измерения частоты вращения коленчатого или распределительного вала, а также определение ВМТ поршня первого цилиндра или другой специальной метки, которая является началом отсчета для системы управления и ее синхронизации с рабочим процессом двигателя.
Индукционная катушка датчика размещена вокруг постоянного магнита, один из полюсов которого имеет магнитопровод, установленный в сторону зубчатого венца маховика с небольшим зазором.
Во время перемещения зубцов маховика относительно магнитопровода величина зазора между ними постоянно изменяется, что изменяет магнитную индукцию и предопределяет возникновение двухполярного электрического импульса в индукционной катушке. Две подковоподобные полуволны импульса размещены симметрично относительно оси, которая проходит через нулевую точку, а нулевая точка отвечает центру каждого зубца, который дает возможность определить их положение с большей точностью.
Рис. 6 - Датчики частоты вращения и положение коленчатого вала:
1 - указатель положения коленчатого вала; 2 - постоянный магнит; 3 - датчик частоты вращение; 4 - картер маховика; 5 - обмотка датчика; 6 - венец маховика; 7 - датчик положения коленчатого вала
Рис. 7 - Индуктивный датчик:
1 - корпус; 2 - индукционная катушка; 3 - магнитопровод; 4 - магнит из ферита бария; 5 - пружинное кольцо; 6 - крышка со штекерами; 7 - фланец
Амплитуда исходного сигнала датчика зависит от длины воздушного зазора между магнитопроводом и маркерным зубом и от скорости изменения магнитной индукции, которая в свою очередь изменяется скоростью перемещения зубцов венца маховика. Конструкцию индуктивного датчика показано на рис. 7.
Датчиком частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя электронного регулятора, в частности фирмы "Bocsh", может быть тахогенератор, ротор которого жестко соединен с кулачковым валом топливного насоса. В случае снижения нагрузки и роста частоты вращения коленчатого вала тахогенератор присылает сигнал в электронный блок управления. Сюда подается также сигнал, который задает скоростной режим.
Датчики давления бывают с мембранным чувствительным элементом, бесконтактные индуктивные и интегральные с полупроводниковыми тензоэлементами (рис. 8). Наличие механических элементов в датчиках с мембранным чувствительным элементом (см. рис. 8, a), a также достаточно большое количество звеньев передачи информации отрицательно влияют на их точность и надежность.
По этим причинам применяют бесконтактные индуктивные датчики (см. рис. 8, б), чувствительным элементом которых является мембранная камера 9. При ее перемещении изменяются воздушный зазор в магнитопроводе и индуктивность катушки, которая включена в измерительный мостик. В случае разбалансирования мостика появляется электрический сигнал, который подается в блок управления.
Как датчики температуры в системах контроля работы двигателей применяют полупроводнику терморезисторы, размещенные в металлическом корпусе, с включением их в измерительную сеть, а также интегральные с теплочувствительными полупроводниковыми элементами и датчики, изготовленные на основе теплочувствительных ферритов и конденсаторов, в которых используется зависимость магнитной и диэлектрической проницаемости от температуры.
Рис. 8 - Датчики давления:
а - с мембранным чувствительным элементом; б - бесконтактный индуктивный; в - интегральный с полупроводниковыми тензоэлементами; 1 - потенциометр; 2 - корпус мембранного механизма; 3 - мембрана; 4 - калиброванная пружина; 5 - шток; 6 - амортизатор; 7 - стальной сердечник; 8 - первичная обмотка; 9 - мембранная камера; 10 - корпус; 11 - вторичная обмотка; 12 - электрические контакты; 13 - полупроводниковый тензорезистор; 14 - контактная поверхность; Р - давление во впускном трубопроводе
Датчики кислорода (-зонды) используют двух типов: в одном из них чувствительным элементом является оксид циркония (IV) ZrО2 , во втором - оксид титана (IV) ТіО2, которые реагируют на парциальное давление кислорода.
Рис. 9 - Схема циркониевого датчика кислорода (-зонда):
1 - электропроводное уплотнение; 2 - корпус; 3 – твердый электролит; 4, 5 - соответственно внешний и внутренний электроды
Циркониевый датчик (рис. 9) имеет внешний 4 и внутренний 5 электроды, изготовленные из платины или ее сплава и разделены пластом твердого электролита ZrО2 с добавлением оксида итрия Y2О3 для повышения ионной проводимости электролита. Среда, которая окружает внутренний электрод, имеет постоянное парциальное давление кислорода. Внешний электрод омывается потоком выпускных газов со сменным парциальным давлением кислорода.
Ионная проводимость твердого электролита, который возникает вследствие разности парциальных давлений на внутреннем и внешнем электродах, служит причиной появления разности потенциалов между ними. При низком парциальном давлении кислорода в отработанных газах (когда двигатель работает на обогащенной смеси - а < 1) датчик, как гальванический элемент, генерирует высокое напряжение (700-1000 мВ). Во время перехода на обедненную смесь (а > 1) парциальное давление кислорода в отработанных газах увеличивается, что предопределяет резкое уменьшение напряжения на выходе датчика до 50-100 мВ, по которому можно определить стехиометричный состав смеси и влиять на ее корректирование. Конструкцию датчика кислорода на основе оксида циркония (IV) показано на рис. 10
Принцип работы датчика кислорода на базе оксида титана (IV) ТіО2 основывается на изменении электропроводности ТіО2 с изменением парциального давления кислорода в выпускной системе. Конструкция такого датчика изображена на рис. 11. Параллельно чувствительному элементу 1 датчик установлен термистор для компенсации влияния температуры на сопротивление соединения ТіО2.
В датчике расхода воздуха, изображенному на рис. 12, воздушный поток действует на заслонку 2, закрепленную на оси в специальном канале. Поворот заслонки потенциометром превращается в напряжение, пропорциональное расходу воздуха. Действие воздушного потока на эту заслонку уравновешивается пружиной. Демпфер 3 с пластиной 4, выполненной как одно целое с измерительной заслонкой 2, предназначенный для погашения колебаний, которые возникают вследствие пульсаций воздушного потока и динамических влияний во время движения автомобиля. На входе в измеритель расхода воздуха установлен датчик 7 температуры воздуха, который поступает в двигатель.
Рис. 10 - Циркониевый датчик кислорода:
1 - металлический корпус; 2 - уплотнение; 3 - соединительный кабель; 4 - кожух; 5 - контактный стержень; 6 - активный элемент ZrО2; 7 - защитный колпачок с
прорезами
Рис. 11 - Титановый датчик кислорода:
1 - чувствительный элемент; 2 - металлический корпус; 3 - изолятор; 4 - контакты; 5 - уплотнение; 6 - защитный кожух
Рис. 12 - Измеритель расхода воздуха с датчиком температуры:
1 - обводный канал; 2 - измерительная заслонка; 3 - демпферная камера; 4 - пластина демпфера; 5 - потенциометр; 6 - винт регулировки качества смеси в режиме холостого хода; 7 - датчик температуры; 8 - контакт топливного насоса
Недостатком датчиков расхода воздуха такой конструкции есть подвижные детали и контакты скольжения, поэтому чаще применяют датчики ионизационного, ультразвукового, вихревого и термоанемометричного типов.
Термоанемометричний датчик расхода воздуха для системы впрыскивания топлива "LH-Jetronik" представляет собой автономный блок, установленный во впускной тракт двигателя. Самой ответственной частью термоанемометра есть внутренний измерительный канал 6 (рис. 13), который состоит из пластмассовых обойм, которые окружают кольца платиновой нити 2 диаметром 100 мкм, и термокомпенсационного пленочного резистора 3.
Корпус 5 имеет камеру для размещения электронного блока, который поддерживает постоянное нагревание нити относительно потока на уровне 150 °С путем регулирования силы тока измерительного мостика.
Исходным параметром измерителя расхода воздуха есть уменьшение напряжения на прецизионном резисторе 1. На входе и выходе основного канала измерителя расхода воздуха установленные сетки, которые одновременно выполняют функции стабилизирующих элементов.
Рис.13- Термоанемометричний измеритель расхода воздуха:
1 - прецизионный резистор; 2 - измерительный элемент;3 - термокомпенсационный элемент; 4 - стабилизирующие решетки; 5 - пластмассовый корпус; 6 - внутренний измерительный канал, в котором размещаются элементы поз. 1, 2, 3 (на схеме изображенные в увеличенном виде)
На рис. 14 изображен термоанемометричний датчик расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом, который включает измерительный и термокомпенсационный резисторы. Пластмассовая рамка с чувствительным элементом размещена в измерительном патрубке датчика. Температура перегревания измерительного терморезистора представляет -70 °С и поддерживается с помощью электронной схемы управления.
Рис. 14 - Термоанемометричний измеритель расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом:
1 - корпус; 2 - датчик температуры воздуха; 3 - стабилизирующая сетка; 4 - внутренний измерительный канал; 5 - чувствительный элемент; 6 - электронная плата
Электрические приборы впрыска топлива
В микропроцессорных и комплексных системах управления двигателями происходит регулирование как системы зажигания, так и впрыскивания топлива. С этой целью устанавливают электромагнитные рабочие и пусковые форсунки, клапаны, топливные насосы и т. п..
Рис. 15 - Схема строения электромагнитной форсунки:
1 - обмотка электромагнита; 2 - якорь; 3 - запорный элемент; 4 - упор; 5 - пружина; 6 - магнитопровод; 7 - контакты; 8 - штуцер подведения топлива
Электромагнитные форсунки приоткрываются автоматически и осуществляют дозирование и распыление топлива. По конструкции они бывают разные, но по принципу работы идентичные.
Сигнал на впрыскивание топлива подается на обмотку 1 (рис. 15) электромагнита, которая размещена в закрытом металлическом корпусе. В корпусе также размещен запорный элемент С, который прижимается к седлу пружиной 5. Когда на обмотку электромагнита от электронного блока подается электрический импульс прямоугольной формы определенной продолжительности, запорный элемент поднимается, преодолевая усилие пружины, и открывает сопло распылителя. После прекращения электрического сигнала запорный элемент под действием пружины возвращается в свое гнездо.
Количество топлива, которое впрыскивается за цикл, при постоянном давлении на входе в форсунку зависит лишь от продолжительности управляющего импульса.
Форсунки работают в импульсном режиме при частоте срабатывания от 10 до 200 Гц при условиях вибрации двигателя, повышенных температур и при этом должны обеспечить линейность характеристики дозирования топлива в пределах 2-5% в течении всего периода эксплуатации.
В электромагнитных форсунках применяют запорные элементы трех видов: плоский (дисковый), конусный (штифтовой) и сферический (шариковый). Наибольшего распространения приобрели форсунки с конусным запорным элементом. Форсунки для распределенного и центрального впрыска различаются между собой размерами, способом крепления на двигателе, способом подведения топлива и сопротивлением обмоток электромагнита.
Рис. 16 - Электромагнитная пусковая форсунка:
1 - пластмассовый каркас; 2 - обмотка электромагнита; 3 - фланец крепления форсунки; 4 - распылитель; 5 - пружина; 6 - запорный элемент; 7 - топливоподводящий штуцер с фильтровальным элементом; 8 - электрические контакты
Для облегчения пуска двигателя устанавливают дополнительную пусковую форсунку, которая несколько отличается от рабочей (рис. 16). Она состоит из корпуса с фланцем крепления 3, в которой завальцован пластмассовый каркас 1 обмотки 2 электромагнита. Запорный элемент 6 клапана есть одновременно якорем электромагнита. В нижней части корпуса размещен центробежный распылитель. Во время подачи топлива пусковая форсунка постоянно находится в открытом положении.
Электромагнитный клапан системы автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода (ЭПХХ) (рис. 17) герметически закрыт. При подаче напряжения на обмотку электромагнита якорь притягивается к упору и запорное кольцо перекрывает доступ топлива по каналу системы холостого хода карбюратора. Обратный ход якоря обеспечивает пружина.
Для подачи топлива к форсункам в системах впрыска используют электрические топливные насосы роторного типа, которые объединяют в себе одновременно электродвигатель и насос (рис. 18).
Рис. 17 - Электромагнитный клапан 3202.3747:
1 - запорное кольцо; 2 - стопорное кольцо; 3 - пружина; 4 - корпус; 5 - якорь;
6 - втулка; 7 - катушка электромагнита; 8 - кожух; 9 - крышка; 10 - штекер; 11 - упор
Рис. 18 - Электрический топливный насос:
а - схема работы; б - поперечный разрез, 1 - корпус; 2 - предохранительный клапан; 3 - роликовый насос; 4 - электродвигатель; 5 - обратный клапан
Контрольные вопросы.
1. По каким параметрам определяется величина угла опережения зажигания?
2. Как топливо может подаваться в цилиндр двигателя?
3. Какую функцию выполняет экономайзер холостого хода?
4. Что включает экономайзер холостого хода?
5. В каких случаях срабатывает ЭПХХ?
6. Из каких функциональных блоков состоит контролер?
7. Из чего состоит и как работает система центрального впрыска?
8. Какой главный недостаток системы центрального впрыска?
9. Что собой представляет система подачи топлива распределенного типа?
10. Основные составляющие системы подачи топлива распределенного типа.
11. Что собой представляет комплексная система управления двигателем?
12. Назначение и принцип работы датчика детонации.
13. Назначение и принцип работы датчиков частоты вращения и положения коленчатого вала.
14. Какие бывают датчики давления? Их назначение.
15. Назначение и принцип работы датчиков кислорода.
16. Назначение и принцип работы датчика расхода воздуха.
17. Назначение, устройство и принцип работы электромагнитной форсунки.
18. Чем отличается электромагнитная форсунка впрыска и пусковая форсунка?
19. Назначение и принцип работы электромагнитного клапана.
Содержание отчета.
1. Записать по каким параметрам определяется величина угла опережения зажигания в микропроцессорной системе.
2. Что собой представляет система ЭПХХ?
3. Назначение, устройство системы центрального впрыска топлива.
4. Отличие системы центрального впрыска от распределенного впрыска.
5. Комплексная система управления двигателя. Схематично зарисовать (рис. 4), ее устройство.
6. Датчики управления, их назначение.
7. Электрические приборы впрыска, их назначение и работа.
Список литературы.
1. М. Ф. Бойко. Трактори та автомобілі. Єлектрообладнання. 2 частина. Київ. Вища освіта, 2001 – с. 69-76, 108-130.
