Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

2

2

ĆWICZENIE 13 – BADANIE CZUJNIKÓW UKŁADU

DOLOTOWEGO SILNIKA

Wprowadzenie

W

produkowanych

obecnie

pojazdach

sterowanie

pracą

silnika

jest

skomplikowanym procesem, w którym muszą być uwzględniane bieżące parametry

pracy pojazdu. Zintegrowany układ wtryskowo-zapłonowy ma do spełnienia cztery

zasadnicze funkcje:

−

sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i wtryskiem paliwa wg

optymalnego algorytmu,

−

ograniczanie zużycia paliwa,

−

zmniejszenie emisji szkodliwych gazów,

−

zwiększenie niezawodności działania układu wtrysku – zapłonu

.

Regulacja czasu wtrysku paliwa odbywa się na podstawie sygnału ilości powietrza

dostarczanego do silnika i sygnału prędkości obrotowej silnika przy uwzględnieniu

rozmaitych korekt.

Korekcja następuje zarówno w trakcie rozruchu silnika, jak i w trakcie normalnej

pracy.

W czasie rozruchu silnika, czyli zmieniającej się prędkości obrotowej,

elektroniczna jednostka sterujaca (EJS) określa czas trwania wtrysku na podstawie

temperatury płynu chłodzącego i przeprowadza korektę wynikającą z różnic

temperatury powietrza dolotowego i zmiany napięcia akumulatora.

W trakcie normalnej pracy korekcję przeprowadzana jest:

−

na podstawie temperatury powietrza dolotowego (czujnik – temperatury

powietrza dolotowego),

Przy zmianie temperatury zmienia się gęstość powietrza, co

wpływa na skład spalin. Korekta dawki paliwa o 10% do 20%.

−

po rozruchu silnika (czujnik – temperatury płynu chłodzącego),

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

3

3

Niska temperatura płynu chłodzącego – podwojenie dawki

paliwa.

−

przy nagrzewaniu silnika (czujnik – temperatury płynu chłodzącego),

Przy zimnym silniku paliwo słabo paruje, stąd konieczność

zwiększenia – aż do podwojenia – ilości wtryskiwanego paliwa).

−

przy dużych obciążeniach silnika (czujnik – kąta otwarcia przepustnicy

lub pomiary ilości powietrza),

Zwiększenie dawki o 10% do 30%.

−

w stanach przejściowych (przyspieszanie lub zwalnianie) (czujnik –

prędkości obrotowej),

Odpowiednio zwiększanie lub zmniejszanie dawki paliwa.

−

metoda sprzężenia zwrotnego

•

nie obowiązuje przy rozruchu,

•

nie obowiązuje przy dużych obciążeniach,

•

nie obowiązuje przy temperaturze płynu chłodzącego

niższej od założonej,

•

nie obowiązuje przy zbyt ubogiej lub zbyt bogatej

mieszance,

•

nie obowiązuje przy odcięciu paliwa,

•

w przeciwnych wypadkach obowiązuje sprzężenie zwrotne

– zwiększenie dawki paliwa przy sygnale z czujnika tlenu.

Korekta o maksymalnie

±

20%.

Schemat funkcjonalny dwóch popularnych układów elektronicznego wtrysku

paliwa przedstawiono na rys.13.1 i 13.2. Układ L-Jetronic (z niem. Luft – powietrze) i

D-Jetronic (z niem. Druck – ciśnienie) różnią się zasadniczo sposobem pomiaru ilości

powietrza doprowadzanego do silnika.

Również sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu wymaga uwzględnienia

aktualnych parametrów pracy silnika. Procedurę wyznaczania kąta wyprzedzenia

zapłonu przedstawiono na rys.13.3.

Z powyższych uwag wynika, że praca układu wtrysku i zapłonu wymaga kilku

zasadniczych elementów:

−

elektronicznej jednostki sterującej (sterownik mikroprocesorowy),

−

elementów wykonawczych (np. wtryskiwacze paliwa),

−

czujników dostarczających bieżących informacji o pracy silnika.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

4

4

Kolektor

dolotowy

Powietrze

pr

ę

dko

ść

Jednostka
sterujaca

Silnik

Wtryskiwacz

dawka

paliwo

Przeplywomierz

przepływ

obrotowa

Rys. 13.1. Schemat funkcjonalny układu L-Jetronic

Kolektor

dolotowy

Powietrze

Silnik

Czujnik ci

ś

nienia

w kolektorze dolotowym

Jednostka
steruj

ą

ca

ci

ś

nienie

obrotowa

pr

ę

dko

ść

dawka

Wtryskiwacz

wtrysk

paliwo

Rys. 13.2. Schemat funkcjonalny układu D-Jetronic

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

5

5

Aby czujnik mógł współpracować z elektronicznym sterownikiem musi być

spełniony warunek dopasowania sygnału z czujnika do postaci wymaganej przez

sterownik. Warunek ten jest spełniony dzięki zastosowaniu układów dopasowania

sygnału wykonanych w postaci zintegrowanej. Układy te montowane są po stronie

czujnika lub po stronie sterownika.

W układach wtrysku i zapłonu stosowane są różne rodzaje czujników, w

zależności od mierzonych wielkości fizycznych. Do podstawowych wielkości należą:

prędkość obrotowa, ilość zasysanego powietrza (przepływ, ciśnienie), temperatura,

położenie. Oczywiście czujniki wielkości fizycznych stosowane są również w innych

obwodach samochodu poza napędowym, np. w układzie hamulcowym, kierowniczym,

w układzie sterowania pracą skrzyni biegów itd.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

6

6

Rys. 13.3. Procedura wyznaczania kąta wyprzedzenia zapłonu

Kąt wyprzedzenia zapłonu

Wyznaczanie kąta wyprzedzenia zapłonu

Wyznaczanie kąta wyprzedzenia zapłonu

Statyczny kąt wyprzedzenia zapłonu

Korekcja kąta w fazie

nagrzewania silnika

Korekcja kąta wyprze-

dzenia zapłonu

Podstawowy kąt

wyprzedzenia

zapłonu

Prędkość obrotowa silnika

Obciążenie silnika

Statyczny kąt

wyprzedzenia zapłonu

Korekcja kąta dla przegrzanego

silnika

Korekcja kąta przy stabilizacji biegu

jałowego silnika

Korekcja kąta w czasie spalania

stukowego

Korekcja kąta w czasie pracy sondy

lambda

Korekcja kąta przy

recyrkulacji spalin

Korekcja kąta wyprzedzenia

zapłonu trybu awaryjnego

Korekcja kąta przy zmianach

obciążenia silnika

PRACA

ROZRUCH

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

7

7

Pomiar temperatury

a) Zastosowanie czujników temperatury

Przykłady zastosowania czujników temperatury:

−

pomiar temperatury powietrza w przewodzie dolotowym,

−

pomiar temperatury silnika,

−

regulacja temperatury wnętrza pojazdu,

−

pomiar temperatury spalin,

−

pomiar temperatury oleju silnikowego,

−

pomiar temperatury paliwa.

W układzie wtryskowo-zapłonowym czujnik temperatury powietrza umieszczony

jest w układzie dolotowym silnika. Wraz ze zmianą temperatury zmienia się objętość i

gęstość powietrza. Sygnał z tego czujnika wraz z sygnałem z czujnika ciśnienia

dolotowego (układ D-Jetronic) dostarcza informacji potrzebnych do obliczenia masy

powietrza zasysanego przez silnik. W przypadku zastosowania przepływomierza

powietrza w układzie dolotowym (układ L-Jetronic) sygnał z czujnika temperatury

powietrza wykorzystywany jest do korekcji czasu wtrysku. Powyżej temp. 20

°

C

dawka paliwa jest zmniejszana, poniżej – zwiększana. Czujnik może być

zlokalizowany w trzech miejscach. W układzie z przepływomierzem powietrza czujnik

jest zintegrowany z przepływomierzem natomiast w wersji bez przepływomierza

czujnik jest umieszczony w kolektorze dolotowym. Trzecia lokalizację stanowi zespół

wtryskiwacza

Czujnik temperatury silnika wbudowany jest w układ chłodzenia silnika i mierzy

temperaturę płynu chłodzącego. Element ten ma dwojakie znaczenie, ostrzega

kierowcę przed przegrzaniem silnika oraz wpływa na dawkę wtryskiwanego paliwa.

Sygnał ten jest także wykorzystywany do korygowania kąta wyprzedzenia zapłonu oraz

wzbogacania mieszanki przy powtórnym uruchomieniu silnika. Gdy temperatura

silnika jest niska dawka wtryskiwanego paliwa jest większa, natomiast przy wysokiej

temperaturze działanie układu jest odwrotne.

Czujnik temperatury paliwa jest wbudowany w układ zasilania paliwem w części

niskociśnieniowej. Znajomość temperatury paliwa pozwala na dokładne obliczenie

dawki wtrysku.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

8

8

Pomiar temperatury gazu w katalizatorze jest szczególnie ważnym sygnałem

diagnostyczno-kontrolnym. Prawidłowa temperatura spalin decyduje o sprawności

katalizatora, chroniąc go przed przegrzaniem. Ochrona taka może przyjąć charakter

procedur regulacji bez sztucznego ograniczania mocy silnika podczas kalibracji

algorytmu sterowania.

Sygnał z czujnika temperatury oleju silnikowego używany jest do obliczania

okresów obsługowych. Jest to możliwe, ponieważ zużycie materiałowe oleju ma duży

wpływ na jego sprawność temperaturową.

Czujniki temperatury wykorzystywane są również w elektronicznych układach

klimatyzacji, dzięki czemu można utrzymywać stałą, zadaną przez kierowcę

temperaturę wnętrza, w układach bezpieczeństwa (obserwacja pozycji pasażera przy

sterowaniu poduszką powietrzną) i in.

b) Rozwiązania techniczne czujników temperatury

Ze względu na zasadę działania czujniki temperatury można podzielić na dwie

grupy:

−

czujniki dotykowe,

−

czujniki bezstykowe.

Metoda dotykowa pomiaru temperatury polega na tym, że czujnik pomiarowy

wymaga bezpośredniego styku z mierzonym medium. Spotykane w motoryzacji

rozwiązania techniczne takich czujników to:

−

rezystory NTC ze spieków ceramicznych,

−

rezystory metalowe PTC cienko- lub grubowarstwowe,

−

rezystory grubowarstwowe (PTC/NTC),

−

monokrystaliczne rezystory krzemowe-półprzewodnikowe (PTC),

−

termoelementy (termopary),

−

zaporowe warstwy półprzewodnikowe (diody, tranzystory).

Działanie czujników bezstykowych polega na wyznaczaniu temperatury

mierzonego medium na podstawie jego promieniowania podczerwonego. Przykłady

takich rozwiązań technicznych to:

−

bolometr,

−

czujnik ze stosem termoelektrycznym,

−

czujnik obrazu (termowizja).

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

5

5

9

9

c) Czujnik temperatury płynu chłodzącego

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został użyty czujnik temperatury płynu

chłodzącego silnika firmy BOSCH. Współpracuje on z układem jednopunktowego

wtrysku paliwa BOSCH MONO-MOTRONIC. Czujnik ten zawiera w swojej

obudowie zbudowany ze spieku ceramicznego termistor typu NTC (z ang. Negative

Temperature Coefficient) (rys. 13.4). Rezystancja czujnika maleje wraz ze wzrostem

temperatury (ujemny współczynnik temperaturowy).

Czujniki NTC (lub podobne do nich PTC – Positive Temperature Coefficient,

czyli o dodatnim współczynniku temperaturowym) charakteryzują się dużym zakresem

pomiarowym oraz niskimi kosztami. Rezystory te tworzone są z tlenków metali

ciężkich i oksydowanych kryształów mieszanych i wytwarzane są w kształcie perełki

lub płytki.

Najczęściej stosuje się trzy miejsca zamocowania czujnika temperatury cieczy

chłodzącej:

−

w kolektorze dolotowym pod korpusem przepustnicy, w miejscu, gdzie

ma on styczność z płynem chłodzącym silnika,

−

na boku kadłuba lub na bloku silnika w pobliżu króćca wyjściowego

cieczy chłodzącej z termostatu,

−

w korpusie wykonanym z metalu i wkręconym w obudowę termostatu.

Termistor czujnika wykorzystywanego w ćwiczeniu ma rezystancję równą

R

20

= 2,5 k

Ω

w temperaturze 20°C. Jego charakterystyka opisana jest równaniem:















−

=

0

0

1

1

)

(

ϑ

ϑ

ϑ

B

e

R

R

,

(13.1)

gdzie:

R

0

=

)

(

0

ϑ

R

- rezystancja termistora w temperaturze odniesienia

0

ϑ

,

R(

ϑ

) - rezystancja termistora w temperaturze

ϑ

,

B = 3408 K – współczynnik temperaturowy,

ϑ

- temperatura bezwzględna w K.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

0

0

Rys. 13.4. Czujnik temperatury płynu chłodzącego – widok zewnętrzny i przekrój: 1 – złącze

elektryczne, 2 – obudowa, 3 rezystor NTC [6]

Podstawowe dane techniczne czujnika

Temperatura pracy

(40

÷

130) °C

Błąd pomiaru

(2

÷

5)%

Maksymalny prąd zasilania

1 mA

Napięcie zasilania

< 5V

5

10

10

4

2

10

3

10

Temperatura,°C

120

80

40

0

Ω

-40

R

e

zy

st

an

cj

a

,

Rys. 13.5. Charakterystyka czujnika NTC

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

1

1

Pomiar ciśnienia

a) Zastosowanie czujników ciśnienia

Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie do pomiaru:

−

ciśnienia w układzie ssącym silnika spalinowego – wyznaczanie

natężenia przepływu powietrza dla sterowania dawką wtryskiwanego

paliwa,

−

ciśnienia w pompie wtryskowej –w układzie elektronicznej regulacji

silnika o zapłonie samoczynnym,

−

ciśnienia powietrza w układzie hamulców pneumatycznych –

zapewnienie poprawnego działania hamulców,

−

ciśnienia w ogumieniu – zastosowanie w układzie kontroli i regulacji

stanu ogumienia,

−

ciśnienia w amortyzatorach – dla regulacji zespołów podwozia,

−

ciśnienia w pneumatycznym układzie zawieszenia,

−

ciśnienia w układzie ABS,

−

ciśnienia w układzie wspomagania kierownicy,

−

ciśnienia w układzie bezpośredniego wtrysku paliwa silników o

zapłonie iskrowym,

−

ciśnienia oleju w silniku – do kontroli stanu technicznego silnika.

Czujnik ciśnienia bezwzględnego powietrza w kolektorze dolotowym. jest

stosowany w układach wtrysku bez przepływomierza powietrza (układy D-Jetronic).

Jego zadaniem jest ciągły pomiar ciśnienia w przewodzie zbiorczym kolektora

dolotowego. Poprzez tabelaryczne powiązanie wielkości bieżącego ciśnienia powietrza

z jego temperaturą i prędkością obrotową silnika można określić natężenie przepływu

powietrza. Posiadając tę informację sterownik dobiera odpowiednią dawkę

wtryskiwanego paliwa, potrzebną do prawidłowej pracy silnika.

Czujnik ciśnienia bezwzględnego używany jest również do pomiaru ciśnienia

barometrycznego, co pozwala na ustalenie parametrów pracy silnika w zależności od

wysokości nad poziomem morza.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

2

2

b) Rozwiązania techniczne czujników ciśnienia

Ze względu na zasadę działania można rozróżnić dwa zasadnicze rodzaje

czujników ciśnienia:

−

czujniki dynamiczne,

−

czujniki statyczne.

Przykładem czujników dynamicznych są np. mikrofony , które będąc niewrażliwe

na ciśnienie statyczne służą do mierzenia zmian ciśnienia w gazach i cieczach.

Natomiast czujniki statyczne dokonują ciągłego pomiaru ciśnienia. W motoryzacji

praktycznie są stosowane tylko statyczne czujniki ciśnienia.

Można spotkać następujące rozwiązania techniczne czujników ciśnienia:

−

pojemnościowe,

−

tensometryczne,

−

grubowarstwowe,

−

mikromechaniczne.

c) Czujnik ciśnienia bezwzględnego powietrza

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został użyty czujnik ciśnienia

bezwzględnego powietrza w kolektorze dolotowym firmy DELCO. Stosowany jest on

w układach wtrysku paliwa MULTEC firmy General Motors.

Jest to mikromechaniczny, piezokwarcowy czujnik ciśnienia. Mikromechaniczne

czujniki ciśnienia charakteryzują się między innymi tym, że mierzone ciśnienie jest

odniesione do próżni. Ta cecha umożliwia dokładne wyznaczenie masy powietrza przy

zastosowaniu tego czujnika do pomiaru ciśnienia w kolektorze dolotowym.

Doprowadzone do czujnika ciśnienie oddziałuje na element piezoelektryczny.

Bieżące zmiany ciśnienia mierzy element aktywny, którym jest silikonowy miniukład o

powierzchni 3 mm

2

i grubości 250

µ

m. W miniukład wtopione są piezorezystory czułe

na działanie ciśnienia. Są one w układ mostka tak, że zmiany ciśnienia powodują

powstawanie napięcia nierównowagi. Rolę przepony uginającej pod wpływem

ciśnienia pełni komora próżniowa. Od wewnętrznej strony komora zabezpieczona jest

silikonową warstwą ochronną o grubości 25

µ

m, a od zewnętrznej strony zamknięta

jest szklaną płytką. Wzrost ciśnienia powoduje proporcjonalny wzrost napięcia sygnału

wyjściowego (rys. 13.6).

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

3

3

Czujnik ciśnienia (A) jest mostkiem pomiarowym i w jego gałęziach znajdują się

piezorezystory poddawane działaniu ciśnienia. Elektronika sygnałowa (B i C) jest

zintegrowana w miniukładzie i ma za zadanie wzmocnić napięcie mostka,

skompensować wpływ temperatury oraz zlinearyzować charakterystykę przetwornika.

Napięcie U

V

jest napięciem zasilania, natomiast sygnał U

A

jest sygnałem napięciowym

wyjściowym.

A

U

V

C

B

A

U

Rys. 13.6. Ideowy schemat elektryczny czujnika ciśnienia: A- czujnik ciśnienia, B- wzmacniacz

sygnału, C- kompensacja temperaturowa

Podstawowe dane techniczne czujnika

Zakres pomiarowy

(20

÷

102)kPa

Wytrzymałość membrany

600 kPa

Czas reakcji

< 10 ms

Napięcie zasilania

(4,75

÷

5,25) V

Prąd zasilania

< 10 mA

Rezystancja

> 50 k

Ω

Temperatura pracy

(-40

÷

+125) ºC

Sensor odbiera ciśnienie z kolektora dolotowego za pomocą połączenia

elastycznym przewodem powietrznym. Zarówno miejsce pomiaru, jak i odpowiedni

materiał i długość przewodu mają zasadnicze znaczenie dla poprawnego pomiaru.

Zaleca się, aby czujnik był montowany rurką doprowadzającą ciśnienie skierowaną do

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

4

4

dołu. Wynika to z faktu, iż czujnik może być wrażliwy na niektóre czynniki

chemiczne, na przykład pary paliwa i w wyniku kontaktu z tymi czynnikami może

dojść do zakłócenia sygnału wyjściowego.

Charakterystyka wyjściowa czujnika jest liniowa i wzrostowi ciśnienia towarzyszy

wzrost napięcia wyjściowego – rys. 13.7.

U

,V

A

5
4
3
2
1

100

60

20

Ciśnienie, kPa

120

80

40

0

N

ap

ię

ci

e

Rys. 13.7. Charakterystyka czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym

Pomiar położenia

a) Zastosowanie czujników położenia

Czujniki położenia (kąta) znajdują zastosowanie przy pomiarach:

−

położenia przepustnicy,

−

położenia pedału przyspieszenia i hamulca,

−

położenia siedzeń, reflektorów i lusterek,

−

stanu napełnienia zbiornika paliwa,

−

skoku tarczy sprzęgła.

b) Czujnik położenia przepustnicy

Jego zadaniem jest ciągła rejestracja kąta obrotu przepustnicy. Zastosowanie tego

czujnika umożliwia sterownikowi wtrysku paliwa wykonanie wielu funkcji

obliczeniowo–decyzyjnych, takich jak:

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

5

5

−

regulacja prędkości samochodu w zależności od bieżącego położenia

przepustnicy,

−

szybkość zmian położenia przepustnicy warunkuje reakcję układu

zasilania na warunki nieustalone,

−

całkowite zamknięcie przepustnicy oznaczać może bieg jałowy lub

hamowanie silnikiem,

−

całkowite otwarcie przepustnicy związane jest najczęściej z chęcią

uzyskania maksymalnego momentu obrotowego silnika,

−

w przypadku uszkodzonych czujników pomiaru wydatku powietrza lub

ciśnienia w kolektorze dolotowym, pomiar położenia przepustnicy

ułatwia sterowanie dawką paliwa,

−

w układach wtrysku bez zastosowania czujnika ciśnienia oraz

przepływomierza wskazania czujnika położenia przepustnicy oraz

czujnika prędkości obrotowej służą do określenia stopnia obciążenia

silnika.

c) Rozwiązania techniczne czujników położenia przepustnicy

Do pomiarów kąta położenia przepustnicy stosuje się obecnie trzy rodzaje

czujników:

−

potencjometryczne (jedno- lub dwuścieżkowe),

−

magnetyczne czujniki indukcyjne,

−

czujniki wykorzystujące zjawisko Halla.

d) Czujnik położenia przepustnicy

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został użyty potencjometryczny,

jednościeżkowy czujnik położenia przepustnicy firmy MAGNETI-MARELLI,

pracujący w układzie wtrysku paliwa SIEMENS-SIRIUS 32.

Działa on na zasadzie potencjometru obrotowego. Umieszczony jest na wsporniku

przy przepustnicy powietrza poruszając się razem z trzpieniem obrotowym. Ramię

ś

lizgacza czujnika położenia przepustnicy jest wciśnięte bezpośrednio na wałek

przepustnicy i przesuwa się po bieżni oporowej. Zarówno zacisk złącza elektrycznego

czujnika, jak i bieżnie oporowe są umieszczone na płytce z tworzywa sztucznego.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

6

6

Zasilanie bieżni zapewnia sterownik układu wtrysku paliwa. Wraz z obrotem

przepustnicy połączonej z ramieniem ślizgacza następuje zmiana długości przepływu

prądu wzdłuż płytki potencjometru, co powoduje zmianę rezystancji czujnika. W ten

sposób następuje zmiana napięcia odniesienia na wartość sygnału odpowiadającą

położeniu przepustnicy. Czujnik jest zasilany napięciem stabilizowanym U

A

= 5 V, zaś

sygnałem wyjściowym z czujnika jest napięcie U

V

z zakresu 0,5 V – do ok. 4,5 V.

Zakres pełnego otwarcia przepustnicy od biegu jałowego aż do pełnej mocy został

podzielony na dwie części w celu uzyskania wystarczająco dokładnego odczytu kąta

otwarcia. Obydwu częściom bieżni oporowej zostały przyporządkowane równolegle

położone bieżnie prowadzące, tzw. bieżnie kolektorowe. Ramię ślizgacza ma cztery

ś

lizgacze odpowiadające każdemu fragmentowi bieżni czujnika.

Zalety czujników potencjometrycznych:

−

prosta konstrukcja,

−

brak konieczności stosowania elementów elektronicznych,

−

odporność na zakłócenia,

−

duża dokładność,

−

duży zakres temperatur pracy.

Wady czujników potencjometrycznych:

−

zużycie mechaniczne, ścieranie,

−

powstanie błędów pomiarowych z powodu obecności produktów

ś

cierania,

−

odrywanie się suwaka przy silnych drganiach.

ruchomy styk

czujnika

ś

cieżka

rezystora

położenie całkowitego

otwarcia

położenie

zamknięcia

Rys. 13.8. Potencjometryczny czujnik położenia przepustnicy

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

7

7

Stosunek napięcia zasilania do napięcia wyjściowego w funkcji kąta uchylenia

przepustnicy przedstawiony jest na rys.13.9.

Podstawowe dane techniczne czujnika

Zakres pomiarowy

(0

÷

90)°

Zakres obrotu

(0

÷

122)°

Dopuszczalny prąd zasilania

10 mA

Napięcie zasilania

5 V

Dopuszczalne maksymalne napięcie

43 V

Dopuszczalna temperatura pracy

(-40

÷

+105)°C

Ś

rednia rezystancja

1,6

Ω

Wartości rezystancji i napięcia w skrajnych położeniach

położenie

rezystancja

napięcie

otwarte

2,12 k

Ω

4,81 V

zamknięte

1,21 k

Ω

0,5 V

/

V

U

U

A

1
0,8
0,6
0,4
0,2

100

60

20

Kąt obrotu

α, °

80

40

0

Rys. 13.9. Napięcie wyjściowe czujnika w funkcji kąta obrotu przepustnicy

Pomiar przepływu powietrza

W układach typu L-Jetronic pomiar masy zasysanego powietrza za pomocą

przepływomierzy powietrza jest stosowany w układach wielopunktowego wtrysku

paliwa dla określenia stopnia obciążenia silnika. Sygnał pomiarowy przepływomierza

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

8

8

wykorzystywany jest również przez jednostkę sterującą do sterowania kątem

wyprzedzenia zapłonu oraz do kontroli usuwania par paliwa ze zbiornika. W

przypadku braku sygnału z przepływomierza powietrza, sterownik silnika odłącza

układ usuwania par paliwa ze zbiornika i do obliczenia pozostałych funkcji

wykorzystuje sygnał z potencjometru przepustnicy. Informacja o obciążeniu silnika

pozwala dobrać w bardzo dokładny sposób dawkę paliwa potrzebną do prawidłowej

pracy silnika przy danym obciążeniu. Dokładność pomiarów musi zapewniać błąd

pomiaru nie większy niż (1

÷

2)%. Sygnał z przepływomierza jest najważniejszą

informacją dla jednostki sterującej silnika, potrzebną do prawidłowego dawkowania

paliwa przez wtryskiwacze (patrz rys. 13.1).

Przepływomierz montowany jest zawsze w układzie dolotowym silnika pomiędzy

filtrem powietrza a przepustnicą. Takie umiejscowienie czujnika zapewnia poprawny

pomiar masy zasysanego powietrza.

Szacowanie ilości powietrza zasysanego przez silnik dokonuje się trzema

metodami: poprzez bezpośredni pomiar przepływomierzem, na podstawie pomiaru

ciśnienia w kolektorze dolotowym i prędkości obrotowej oraz na podstawie pomiaru

położenia przepustnicy i prędkości obrotowej. W stanach ustalonych najdokładniejsze i

najbardziej stabilne wyniki szacowania ilości powietrza uzyskuje się przez

zastosowanie przepływomierza powietrza. Wadami takiego rozwiązania są: większy

koszt, nieliniowość oraz konieczność uśredniania pomiarów.

a) Rozwiązania techniczne przepływomierzy

Stosuje się następujące rodzaje przepływomierzy:

−

klapowe (mierzące ciśnienie spiętrzania),

−

ultradźwiękowe,

−

spiętrzające (zwężki pomiarowe),

−

termoanemometry,

−

drutowe,

−

warstwowe.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

6

6

9

9

Czujnik anemometryczny drutowy

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został użyty przepływomierz powietrza

firmy FORD (rys. 13.10). Jest on stosowany w układzie wielopunktowego wtrysku

paliwa MOTORCRAFT samochodów marki FORD.

Pomiar natężenia przepływu powietrza polega na pomiarze natężenia prądu

potrzebnego do utrzymania temperatury elementu gorącego na poziomie 100

°

C

powyżej temperatury otoczenia (rys. 13.10). Przez rurową obudowę

przepływa

strumień dolotowy powietrza. Wewnątrz rury zamontowana jest przy ściance rurka o

dużo mniejszej średnicy, w której zamontowany jest ogrzewany platynowy drut

(element pomiarowy) oraz rezystor kompensacji temperaturowej wykonany z tego

samego materiału. Rurka zamontowana jest w ten sposób, aby mógł przez nią

przepływać strumień zasysanego do silnika powietrza. Do obudowy przepływomierza

przymocowany jest układ elektroniczny, który odpowiedzialny jest za utrzymywanie

stałej temperatury ogrzewanego drutu platynowego oraz za wysyłanie sygnału

napięciowego do jednostki sterującej, proporcjonalnego do zmian przepływu

strumienia powietrza. Przepływający strumień powietrza chłodzi platynowy drut.

Układ regulacyjny tak reguluje prąd grzewczy, aby utrzymać stałą nadwyżkę

temperatury drutu nad temperaturą powietrza. Prąd grzewczy I

H

lub napięcie drutu są

wówczas miarą przepływu masowego Q

M

. Prąd lub napięcie są następnie przetwarzane

przez układ dopasowujący na napięcie U

m

, podawane na sterownik. W sterowniku

układu wtryskowego napięcie to jest przeliczane na wartość wydatku masowego.

Przepływomierz pracuje w układzie zrównoważonego mostka (rys. 13.11). Jedną

jego część stanowią rezystory nagrzewające, drugą rezystor służący do pomiaru

temperatury powietrza. Ze wzrostem strat ciepła mostek przestaje być skompen-

sowany. Wzmacniacz różnicowy reaguje na niezrównoważenie mostka przez podnie-

sienie napięcia polaryzacji tranzystora zasilającego. Wszystkie trzy elementy (drut

platynowy, czujnik temperatury i precyzyjny rezystor pomiarowy) są zespolone jako

rezystory warstwowe umieszczone na spieku ceramicznym. Rezystor pomiarowy

znajduje się poza strumieniem głównym przepływomierza, nie jest więc narażony na

zanieczyszczenia.

Dla dokładnego określenia masy zasysanego powietrza, także w przypadku

pulsacji strumienia w przepływomierzu, sygnał elektryczny termoanemometru jest

rejestrowany w bardzo krótkich odstępach czasu, a wyniki są przetwarzane z dużą

częstotliwością w procesorze sterownika (do 1000 Hz).

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

0

0

Rys. 13.10. Widok przepływomierza powietrza: 1 – złącze elektryczne, 2 – rura przelotowa, 3 – zinte-

growany elektroniczny układ sterujący [8]

m

U

m

R

R

2

1

R

M

Q

H

I

H

R

k

R

Rys. 13.11. Schemat

elektryczny

termoanemometru

drutowego:

R

k

– rezystor

kompensacji

temperaturowej,

R

H

– rezystor nagrzewany,

R

m

– rezystor pomiarowy,

R

1

,

R

2

– rezystory

układu mostkowego,

U

m

– napięcie pomiarowe,

I

H

– prąd grzewczy,

Q

M

– masowy

wydatek powietrza

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

1

1

Działania termoanemometru można opisać następującymi zależnościami:

ϑ

λ

∆

=

=

=

l

2

e

c

P

I

R

P

th

H

H

,

(13.2)

gdzie:

P

e

– moc elektryczna doprowadzona do drutu,

P

th

– moc odprowadzona z drutu,

R

H

– rezystancja drutu,

I

H

– prąd przepływający przez drut,

λ

– przewodność cieplna drutu,

c

1

– straty ciepła przy zerowym przepływie,

ϑ

∆

– nastawiona różnica temperatur.

Z dużym przybliżeniem zachodzi również następujący związek:

2

M

2

)

(

c

Q

c

v

+

=

+

=

ρ

λ

,

(13.3)

gdzie:

c

2

– straty ciepła przy nieruchomym medium,

ρ

– gęstość powietrza,

v – prędkość przepływającego powietrza.

Po przekształceniu wzorów otrzymuje się zależność na prąd grzejny:

(

)

H

H

R

c

Q

c

I

2

M

1

∆

+

=

ϑ

.

(13.4)

Dane techniczne przepływomierza

Zakres pomiarowy

(0

÷

250) kg/h

Napięcie wyjściowe

(0

÷

3) V

Prąd zasilania

(80

÷

150) mA

Napięcie zasilania

12 V

Temperatura drutu (odniesienia)

200

o

C

Wraz ze wzrostem prędkości przepływu powietrza przez układ dolotowy, w tym

przez przepływomierz, wzrasta napięcie na wyjściu czujnika. Charakterystyka czujnika

jest nieliniowa (rys. 13.12).

Zaletą tego typu przepływomierzy jest to, że mierzony jest masowy wydatek

powietrza, a nie objętościowy jak w przypadku przepływomierzy klapowych. Drugą

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

2

2

ważną zaletą jest fakt, że nie zwiększa on oporów przepływu powietrza, co

występowało w przypadku stosowania tarczy lub przesłony spiętrzającej. Wadą tych

przepływomierzy jest natomiast fakt, że nie potrafią one wykrywać ewentualnych

przepływów zwrotnych i są wrażliwe na urazy i zanieczyszczenia mechaniczne.

Q

M

1,5

3,5

N

ap

ię

ci

e

,

V
U

3,0
2,5
2,0

1,0
0,5

250

150

50

Przepływ , kg/h

200

100

0

Rys. 13.12. Charakterystyka wyjściowa przepływomierza

Opis stanowiska laboratoryjnego

Uwaga: Poza układami służącymi do pomiaru ciśnienia, temperatury, przepływu i kąta

położenia na stanowisku laboratoryjnym znajdują się również inne czujniki i układy.

Schemat ideowy stanowiska pokazany jest na rys.13.13, zaś widok ogólny

zamieszczono na rys. 9.11 str.114 (ćwiczenie „Pomiar prędkości obrotowej”).

Na stanowisku badane są:

−

czujnik temperatury płynu chłodzącego – czujnik NTC firmy BOSCH,

−

czujnik ciśnienia w kolektorze dolotowym – czujnik piezokwarcowy

firmy DELCO,

−

czujnik położenia przepustnicy – czujnik potencjometryczny firmy

MAGNETI-MARELLI,

−

przepływomierz powietrza – termoanemometryczny firmy FORD.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

3

3

a) Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego do działania

W celu uruchomienia stanowiska laboratoryjnego należy:

−

przewód układu regulacji podciśnienia (odkurzacza) podłączyć do

gniazda znajdującego się na płycie czołowej zasilacza,

−

przewód sygnałowy podłączyć do gniazdka na płycie czołowej zasilacza

oraz do gniazdka znajdującego się na stanowisku (tylna część),

−

przewód zasilający, zasilacz oraz przewód zasilający grzałkę podłączyć

do gniazda znajdującego się na dolnej półce stanowiska,

−

przewód zasilający stanowisko włączyć do sieci 230 V,

−

włącznik główny należy ustawić w pozycji „1”. Świecenie włącznika

informuje o gotowości stanowiska do działania.

b) Budowa stanowiska

Na płycie czołowej umieszczono następujące układy pomiarowe:

1)

Układ pomiaru temperatury płynu chłodzącego

Części składowe układu (rys. 13.14):

−

zbiornik płynu chłodzącego z zamontowaną grzałką elektryczną,

−

elektryczna pompa wodna,

−

aluminiowa obudowa z gniazdami do wkręcenia czujników,

−

wskaźnik temperatury,

−

czujnik temperatury (czujnik 1) dla wskaźnika temperatury,

−

czujnik temperatury (czujnik 2)współpracujący z układem wtryskowym,

−

termostat wraz z regulatorem temperatury i sondą pomiarową,

−

przewody hydrauliczne,

−

złącze pomiarowe (lewy dolny róg tablicy).

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

4

4

Rys. 13.13. Schemat ideowy stanowiska

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

5

5

Rys. 13.14. Schemat układu pomiaru temperatury:1 – zbiornik płynu wraz z grzałką, 2 – termostat,

3 – pompa wodna, 4 – sonda termostatu, 5 – czujniki temperatury 1 i 2, 6 – wskaźnik
temperatury

Rys. 13.15. Lokalizacja czujników temperatury

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

6

6

2)

Układ regulacji i pomiaru ilości zasysanego powietrza (pomiar ciśnienia

i przepływu)

Części składowe układu (rys. 13.16):

−

silnik wymuszający przepływ powietrza,

−

czujnik ciśnienia,

−

przepustnica wraz z czujnikiem położenia przepustnicy,

−

przepływomierz powietrza,

−

rura gumowa układu dolotowego,

−

przewód igielitowy dostarczający podciśnienie do czujnika ciśnienia,

−

regulator obrotów silnika komutatorowego.

Rys. 13.16. Schemat układu do regulacji i pomiaru ilości zasysanego powietrza: 1 – czujnik ciśnienia,

2 – przepustnica

z

czujnikiem

położenia,

4 – rura

układu

dolotowego,

3 – przepływomierz powietrza, 5 – przewód igielitowy

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

7

7

Rys. 13.17. Pulpit sterowania stanowiska

Na rysunku 13.18 jest przedstawiony pulpit sterowania, na którym zamontowane

są włączniki i regulatory uruchamiające wszystkie układy pomiarowe oprócz układu

pomiaru temperatury. Układ ten jest załączany i sterowany za pomocą regulatora

temperatury umieszczonego obok pompy wodnej (rys. 13.18).

Rys. 13.18. Widok termostatu z regulatorem temperatury: 1 – diody kontrolne, 2 – włącznik układu

(grzałka + pompa), 3 – regulator temperatury

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

8

8

Do punktów pomiarowych stanowiska (por. rys. 13.13) doprowadzone są sygnały

wyjściowe wszystkich czujników. Czujniki zasilane są napięciem 5 V lub 12 V z

zasilacza stabilizowanego. W obudowie zasilacza umieszczone są również układy

regulujące obroty silników prądu stałego i zmiennego.

c) Uwagi BHP

Podczas obsługi stanowiska trzeba zachować ostrożność, szczególnie przy

pomiarze temperatury ze względu na groźbę porażenia elektrycznego. W układzie tym

grzałka oraz pompa zasilane są napięciem 230 V i zaciski tych elementów znajdują się

po stronie czołowej stanowiska. Istnieje również groźba poparzeniem płynem podgrze-

wanym w układzie pomiaru temperatury. Z tego powodu nie wolno dotykać żadnych

elementów podczas pracy układu obiegu płynu a szczególnie zbiornika z płynem, w

którym może panować temperatura do około 100ºC.

Program ćwiczenia

1) Badanie czujnika temperatury

W układzie obecne są dwa czujniki temperatury. Pomiar temperatury realizowany

jest w zakresie od temperatury otoczenia (zwykle ok. 20

o

C) do 90

o

C. Jeden z

czujników jest podłączony do wskaźnika temperatury. Zaciski drugiego są podłączone

bezpośrednio do pulpitu pomiarowego w lewym dolnym rogu tablicy. Na zaciskach

tych można mierzyć rezystancję czujnika w funkcji temperatury omomierzem.

Podgrzewanie płynu w układzie jest realizowane przez grzałkę, natomiast obieg

wymusza pompa elektryczna. Pomiar ułatwia regulator temperatury wraz z

termostatem, który wyłącza podgrzewanie i obieg płynu przy zadanej temperaturze.

Po przeliczeniu rezystancji czujnika na temperaturę można porównać wynik

pomiarów i obliczeń ze wskazaniem wskaźnika temperatury. Na podstawie wyników

pomiarów należy wykreślić charakterystykę czujnika, a następnie porównać ją z

charakterystyką teoretyczną czujnika.

W rzeczywistym układzie obiegu płynu w samochodzie temperatura może

zmieniać się w większym zakresie - od –30º do 130

o

C.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

7

7

9

9

2) Badanie czujnika ciśnienia

Podciśnienie potrzebne do pracy czujnika jest wytwarzane w rurze dolotowej

przez silnik komutatorowy prądu zmiennego stosowany w odkurzaczach. Podciśnienie

do czujnika jest doprowadzone od rury dolotowej za pośrednictwem cienkiego

przewodu igielitowego. Zaciski wyjściowe czujnika są wyprowadzone ma pulpit

pomiarowy, gdzie woltomierzem można mierzyć napięcie wyjściowego czujnika w

funkcji zmieniającego się ciśnienia. Podciśnienie jest regulowane układem regulacji

obrotów silnika za pośrednictwem potencjometru umieszczonego na pulpicie

sterowania. Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić charakterystykę

czujnika, a następnie porównać ją z charakterystyką teoretyczną czujnika.

Zakres pomiarowy wynosi od 85 kPa do 105 kPa, jest on o połowę mniejszy niż

występuje w rzeczywistym silniku spalinowym ze względu na małą moc odkurzacza

(w rzeczywistym silniku ciśnienie zmienia się w zakresie od 60 kPa do 100 kPa).

3) Badanie czujnika położenia przepustnicy

Otwieranie przepustnicy jest przeprowadzane za pomocą dźwigni umieszczonej na

osi przepustnicy po przeciwnej stronie niż czujnik. Pomiar ułatwia umieszczona przy

dźwigni podziałka wraz ze śrubą blokującą przepustnicę w dowolnym położeniu.

Wyjściowy sygnał napięciowy jest doprowadzony do pulpitu pomiarowego, napięcie

można zmierzyć woltomierzem. Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić

charakterystykę czujnika, a następnie porównać ją z charakterystyką teoretyczną

czujnika.

Czujnik mierzy położenie w całym zakresie ruchu przepustnicy tj. od 0º do 90º. W

takim też zakresie pracuje przepustnica w rzeczywistym silniku spalinowym.

4) Badanie przepływomierza

Przepływ powietrza i jego regulacja jest wymuszana silnikiem prądu przemien-

nego odkurzacza, podobnie jak w układzie badania czujnika ciśnienia. Napięcie

wyjściowe z przepływomierza jest wyprowadzone na pulpit pomiarowy i można je

zmierzyć woltomierzem. Można również zmierzyć prąd zasilania czujnika za pomocą

amperomierza wpiętego w zaciski umieszczone na tablicy nad przepływomierzem.

Na

Badanie czujników układu dolotowego silnika

1

1

8

8

0

0

podstawie wyników pomiarów należy wykreślić charakterystykę czujnika, a następnie

porównać ją z charakterystyką teoretyczną czujnika.

Zakres pomiarowy wynosi od 0 kg/h do 100 kg/h, czyli jest o ok. połowę mniejszy

niż w rzeczywistym silniku, co spowodowane jest zbyt małą mocą silnika odkurzacza

wymuszającego przepływ (w rzeczywistym silniku przepływ zmienia się w zakresie

(0

÷

250) kg/h).

Literatura

1.

Ocioszyński J.: Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach. WNT,

Warszawa 1999, ISBN 83-204-2298-1.

2.

Dziubiński M., Ocioszyński J., Walusiak S.: Elektrotechnika i elektronika samo-

chodowa. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1999.

ISBN 83-87270-49-0.

3.

Herner A.: Elektronika w samochodzie. WKŁ, Warszawa 2001. ISBN 83-206-

1385-X.

4.

Praca zbiorowa: Informator techniczny Bosch. Czujniki w pojazdach

samochodowych. WKŁ, Warszawa 2002. ISBN 83-206-1447-3.

5.

Czujniki i elementy wykonawcze. Autoelektro nr 10/2001. ISSN 1640-3924.

6.

Strona internetowa

www.auto-online.pl

7.

Strona internetowa

www.automotoserwis.com.pl

8.

Strona internetowa

www.gecdsb.com.pl

9.

Strona internetowa

www.delphi.com

10.

Cycoń R.: Badanie czujników wykorzystywanych w układzie dolotowym

zintegrowanego układu wtrysku paliwa. Praca dyplomowa inżynierska,

Politechnika Śląska, Gliwice 2003.