Badanie czujników układu dolotowego silnika
ĆWICZENIE 13  BADANIE CZUJNIKÓW UKA
ADU
DOLOTOWEGO SILNIKA
Wprowadzenie
W produkowanych obecnie pojazdach sterowanie pracą silnika jest
skomplikowanym procesem, w którym muszą być uwzględniane bie\
ące parametry
pracy pojazdu. Zintegrowany układ wtryskowo-zapłonowy ma do spełnienia cztery
zasadnicze funkcje:
- sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i wtryskiem paliwa wg
optymalnego algorytmu,
- ograniczanie zu\
ycia 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 ró\
nic
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),
152
152
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Niska temperatura płynu chłodzącego  podwojenie dawki
paliwa.
- przy nagrzewaniu silnika (czujnik  temperatury płynu chłodzącego),
Przy zimnym silniku paliwo słabo paruje, stąd konieczność
zwiększenia  a\
do podwojenia  ilości wtryskiwanego paliwa).
- przy du\
ych obcią\
eniach 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 sprzę\
enia zwrotnego
" nie obowiązuje przy rozruchu,
" nie obowiązuje przy du\
ych obcią\
eniach,
" nie obowiązuje przy temperaturze płynu chłodzącego
ni\
szej od zało\
onej,
" nie obowiązuje przy zbyt ubogiej lub zbyt bogatej
mieszance,
" nie obowiązuje przy odcięciu paliwa,
" w przeciwnych wypadkach obowiązuje sprzę\
enie zwrotne
 zwiększenie dawki paliwa przy sygnale z czujnika tlenu.
Korekta o maksymalnie ą20%.
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) ró\
nią się zasadniczo sposobem pomiaru ilości
powietrza doprowadzanego do silnika.
Równie\
sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu wymaga uwzględnienia
aktualnych parametrów pracy silnika. Procedurę wyznaczania kąta wyprzedzenia
zapłonu przedstawiono na rys.13.3.
Z powy\
szych uwag wynika, \
e praca układu wtrysku i zapłonu wymaga kilku
zasadniczych elementów:
- elektronicznej jednostki sterującej (sterownik mikroprocesorowy),
- elementów wykonawczych (np. wtryskiwacze paliwa),
- czujników dostarczających bie\
ących informacji o pracy silnika.
153
153
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Powietrze
Przeplywomierz
Kolektor
dolotowy
Wtryskiwacz
przepływ
paliwo
Silnik
prędkość
obrotowa
dawka
Jednostka
sterujaca
Rys. 13.1. Schemat funkcjonalny układu L-Jetronic
Powietrze
Kolektor
wtrysk
dolotowy
Czujnik ciśnienia
Wtryskiwacz
w kolektorze dolotowym
paliwo
Silnik
ciśnienie prędkość
obrotowa
dawka
Jednostka
sterująca
Rys. 13.2. Schemat funkcjonalny układu D-Jetronic
154
154
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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 ró\
ne rodzaje czujników, w
zale\
ności od mierzonych wielkości fizycznych. Do podstawowych wielkości nale\
ą:
prędkość obrotowa, ilość zasysanego powietrza (przepływ, ciśnienie), temperatura,
poło\
enie. Oczywiście czujniki wielkości fizycznych stosowane są równie\
w innych
obwodach samochodu poza napędowym, np. w układzie hamulcowym, kierowniczym,
w układzie sterowania pracą skrzyni biegów itd.
155
155
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Kąt wyprzedzenia zapłonu
ROZRUCH
PRACA
Wyznaczanie kąta wyprzedzenia zapłonu
Wyznaczanie kąta wyprzedzenia zapłonu
Statyczny kąt wyprzedzenia zapłonu
Podstawowy kąt
Statyczny kąt Korekcja kąta wyprze-
wyprzedzenia
wyprzedzenia zapłonu dzenia zapłonu
zapłonu
Prędkość obrotowa silnika
Obcią\
enie silnika
Korekcja kąta w fazie
nagrzewania silnika
Korekcja kąta dla przegrzanego
silnika
Korekcja kąta przy stabilizacji biegu
Korekcja kąta przy
jałowego silnika
recyrkulacji spalin
Korekcja kąta przy zmianach
Korekcja kąta w czasie spalania
obcią\
enia silnika
stukowego
Korekcja kąta wyprzedzenia
Korekcja kąta w czasie pracy sondy
zapłonu trybu awaryjnego
lambda
Rys. 13.3. Procedura wyznaczania kąta wyprzedzenia zapłonu
156
156
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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. Powy\
ej temp. 20� C
dawka paliwa jest zmniejszana, poni\
ej  zwiększana. Czujnik mo\
e 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 tak\
e 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.
157
157
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Pomiar temperatury gazu w katalizatorze jest szczególnie wa\
nym sygnałem
diagnostyczno-kontrolnym. Prawidłowa temperatura spalin decyduje o sprawności
katalizatora, chroniąc go przed przegrzaniem. Ochrona taka mo\
e przyjąć charakter
procedur regulacji bez sztucznego ograniczania mocy silnika podczas kalibracji
algorytmu sterowania.
Sygnał z czujnika temperatury oleju silnikowego u\
ywany jest do obliczania
okresów obsługowych. Jest to mo\
liwe, poniewa\
zu\
ycie materiałowe oleju ma du\
y
wpływ na jego sprawność temperaturową.
Czujniki temperatury wykorzystywane są równie\
w elektronicznych układach
klimatyzacji, dzięki czemu mo\
na utrzymywać stałą, zadaną przez kierowcę
temperaturę wnętrza, w układach bezpieczeństwa (obserwacja pozycji pasa\
era przy
sterowaniu poduszką powietrzną) i in.
b) Rozwiązania techniczne czujników temperatury
Ze względu na zasadę działania czujniki temperatury mo\
na podzielić na dwie
grupy:
- czujniki dotykowe,
- czujniki bezstykowe.
Metoda dotykowa pomiaru temperatury polega na tym, \
e 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).
158
158
Badanie czujników układu dolotowego silnika
c) Czujnik temperatury płynu chłodzącego
Do badań na stanowisku laboratoryjnym został u\
yty 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 du\
ym zakresem
pomiarowym oraz niskimi kosztami. Rezystory te tworzone są z tlenków metali
cię\
kich 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 pobli\
u króćca wyjściowego
cieczy chłodzącej z termostatu,
- w korpusie wykonanym z metalu i wkręconym w obudowę termostatu.
Termistor czujnika wykorzystywanego w ćwiczeniu ma rezystancję równą
R20 = 2,5 k&! w temperaturze 20�C. Jego charakterystyka opisana jest równaniem:
�ł �ł
1
�ł
B�ł 1 -
�ł �ł
Ń Ń0
�ł łł
R(Ń) = R0e , (13.1)
gdzie:
R0 = R(Ń0 ) - rezystancja termistora w temperaturze odniesienia Ń0 ,
R(Ń ) - rezystancja termistora w temperaturze Ń ,
B = 3408 K  współczynnik temperaturowy,
Ń - temperatura bezwzględna w K.
159
159
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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
105
104
103
102
-40 0 40 80 120
Temperatura,�C
Rys. 13.5. Charakterystyka czujnika NTC
160
160
&!
Rezystancja,
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Pomiar ciśnienia
a) Zastosowanie czujników ciśnienia
Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie do pomiaru:
- ciśnienia w układzie ssącym silnika spalinowego  wyznaczanie
natę\
enia 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 bie\
ącego ciśnienia powietrza
z jego temperaturą i prędkością obrotową silnika mo\
na określić natę\
enie przepływu
powietrza. Posiadając tę informację sterownik dobiera odpowiednią dawkę
wtryskiwanego paliwa, potrzebną do prawidłowej pracy silnika.
Czujnik ciśnienia bezwzględnego u\
ywany jest równie\
do pomiaru ciśnienia
barometrycznego, co pozwala na ustalenie parametrów pracy silnika w zale\
ności od
wysokości nad poziomem morza.
161
161
Badanie czujników układu dolotowego silnika
b) Rozwiązania techniczne czujników ciśnienia
Ze względu na zasadę działania mo\
na rozró\
nić dwa zasadnicze rodzaje
czujników ciśnienia:
- czujniki dynamiczne,
- czujniki statyczne.
Przykładem czujników dynamicznych są np. mikrofony , które będąc niewra\
liwe
na ciśnienie statyczne słu\
ą do mierzenia zmian ciśnienia w gazach i cieczach.
Natomiast czujniki statyczne dokonują ciągłego pomiaru ciśnienia. W motoryzacji
praktycznie są stosowane tylko statyczne czujniki ciśnienia.
Mo\
na spotkać następujące rozwiązania techniczne czujników ciśnienia:
- pojemnościowe,
- tensometryczne,
- grubowarstwowe,
- mikromechaniczne.
c) Czujnik ciśnienia bezwzględnego powietrza
Do badań na stanowisku laboratoryjnym został u\
yty 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, \
e mierzone ciśnienie jest
odniesione do pró\
ni. Ta cecha umo\
liwia dokładne wyznaczenie masy powietrza przy
zastosowaniu tego czujnika do pomiaru ciśnienia w kolektorze dolotowym.
Doprowadzone do czujnika ciśnienie oddziałuje na element piezoelektryczny.
Bie\
ące zmiany ciśnienia mierzy element aktywny, którym jest silikonowy miniukład o
powierzchni 3 mm2 i grubości 250 �m. W miniukład wtopione są piezorezystory czułe
na działanie ciśnienia. Są one w układ mostka tak, \
e zmiany ciśnienia powodują
powstawanie napięcia nierównowagi. Rolę przepony uginającej pod wpływem
ciśnienia pełni komora pró\
niowa. Od wewnętrznej strony komora zabezpieczona jest
silikonową warstwą ochronną o grubości 25 �m, a od zewnętrznej strony zamknięta
jest szklaną płytką. Wzrost ciśnienia powoduje proporcjonalny wzrost napięcia sygnału
wyjściowego (rys. 13.6).
162
162
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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 UV jest napięciem zasilania, natomiast sygnał UA jest sygnałem napięciowym
wyjściowym.
A
UV
B
UA
C
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&!
Temperatura pracy
(-40 � +125) �C
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
163
163
Badanie czujników układu dolotowego silnika
dołu. Wynika to z faktu, i\
czujnik mo\
e być wra\
liwy na niektóre czynniki
chemiczne, na przykład pary paliwa i w wyniku kontaktu z tymi czynnikami mo\
e
dojść do zakłócenia sygnału wyjściowego.
Charakterystyka wyjściowa czujnika jest liniowa i wzrostowi ciśnienia towarzyszy
wzrost napięcia wyjściowego  rys. 13.7.
5
4
3
2
1
0 20 40 60 80 100 120
Ciśnienie, kPa
Rys. 13.7. Charakterystyka czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym
Pomiar poło\
enia
a) Zastosowanie czujników poło\
enia
Czujniki poło\
enia (kąta) znajdują zastosowanie przy pomiarach:
- poło\
enia przepustnicy,
- poło\
enia pedału przyspieszenia i hamulca,
- poło\
enia siedzeń, reflektorów i lusterek,
- stanu napełnienia zbiornika paliwa,
- skoku tarczy sprzęgła.
b) Czujnik poło\
enia przepustnicy
Jego zadaniem jest ciągła rejestracja kąta obrotu przepustnicy. Zastosowanie tego
czujnika umo\
liwia sterownikowi wtrysku paliwa wykonanie wielu funkcji
obliczeniowo decyzyjnych, takich jak:
164
164
A
U
Napi
ę
cie
,V
Badanie czujników układu dolotowego silnika
- regulacja prędkości samochodu w zale\
ności od bie\
ącego poło\
enia
przepustnicy,
- szybkość zmian poło\
enia przepustnicy warunkuje reakcję układu
zasilania na warunki nieustalone,
- całkowite zamknięcie przepustnicy oznaczać mo\
e 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 poło\
enia przepustnicy
ułatwia sterowanie dawką paliwa,
- w układach wtrysku bez zastosowania czujnika ciśnienia oraz
przepływomierza wskazania czujnika poło\
enia przepustnicy oraz
czujnika prędkości obrotowej słu\
ą do określenia stopnia obcią\
enia
silnika.
c) Rozwiązania techniczne czujników poło\
enia przepustnicy
Do pomiarów kąta poło\
enia przepustnicy stosuje się obecnie trzy rodzaje
czujników:
- potencjometryczne (jedno- lub dwuście\
kowe),
- magnetyczne czujniki indukcyjne,
- czujniki wykorzystujące zjawisko Halla.
d) Czujnik poło\
enia przepustnicy
Do badań na stanowisku laboratoryjnym został u\
yty potencjometryczny,
jednoście\
kowy czujnik poło\
enia 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
ślizgacza czujnika poło\
enia przepustnicy jest wciśnięte bezpośrednio na wałek
przepustnicy i przesuwa się po bie\
ni oporowej. Zarówno zacisk złącza elektrycznego
czujnika, jak i bie\
nie oporowe są umieszczone na płytce z tworzywa sztucznego.
165
165
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Zasilanie bie\
ni zapewnia sterownik układu wtrysku paliwa. Wraz z obrotem
przepustnicy połączonej z ramieniem ślizgacza następuje zmiana długości przepływu
prądu wzdłu\
płytki potencjometru, co powoduje zmianę rezystancji czujnika. W ten
sposób następuje zmiana napięcia odniesienia na wartość sygnału odpowiadającą
poło\
eniu przepustnicy. Czujnik jest zasilany napięciem stabilizowanym UA = 5 V, zaś
sygnałem wyjściowym z czujnika jest napięcie UV z zakresu 0,5 V  do ok. 4,5 V.
Zakres pełnego otwarcia przepustnicy od biegu jałowego a\
do pełnej mocy został
podzielony na dwie części w celu uzyskania wystarczająco dokładnego odczytu kąta
otwarcia. Obydwu częściom bie\
ni oporowej zostały przyporządkowane równolegle
poło\
one bie\
nie prowadzące, tzw. bie\
nie kolektorowe. Ramię ślizgacza ma cztery
ślizgacze odpowiadające ka\
demu fragmentowi bie\
ni czujnika.
Zalety czujników potencjometrycznych:
- prosta konstrukcja,
- brak konieczności stosowania elementów elektronicznych,
- odporność na zakłócenia,
- du\
a dokładność,
- du\
y zakres temperatur pracy.
Wady czujników potencjometrycznych:
- zu\
ycie mechaniczne, ścieranie,
- powstanie błędów pomiarowych z powodu obecności produktów
ścierania,
- odrywanie się suwaka przy silnych drganiach.
ście\
ka
rezystora
ruchomy styk
czujnika
poło\
enie poło\
enie całkowitego
zamknięcia otwarcia
Rys. 13.8. Potencjometryczny czujnik poło\
enia przepustnicy
166
166
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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
Średnia rezystancja
1,6 &!
Wartości rezystancji i napięcia w skrajnych poło\
eniach
poło\
enie rezystancja napięcie
otwarte 4,81 V
2,12 k&!
zamknięte 0,5 V
1,21 k&!
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 20 40 60 80 100
Kąt obrotu ą, �
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 obcią\
enia silnika. Sygnał pomiarowy przepływomierza
167
167
/
A
V
U U
Badanie czujników układu dolotowego silnika
wykorzystywany jest równie\
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 obcią\
eniu silnika
pozwala dobrać w bardzo dokładny sposób dawkę paliwa potrzebną do prawidłowej
pracy silnika przy danym obcią\
eniu. Dokładność pomiarów musi zapewniać błąd
pomiaru nie większy ni\
(1 � 2)%. Sygnał z przepływomierza jest najwa\
niejszą
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
poło\
enia 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),
- ultradz
więkowe,
- spiętrzające (zwę\
ki pomiarowe),
- termoanemometry,
- drutowe,
- warstwowe.
168
168
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Czujnik anemometryczny drutowy
Do badań na stanowisku laboratoryjnym został u\
yty przepływomierz powietrza
firmy FORD (rys. 13.10). Jest on stosowany w układzie wielopunktowego wtrysku
paliwa MOTORCRAFT samochodów marki FORD.
Pomiar natę\
enia przepływu powietrza polega na pomiarze natę\
enia prądu
potrzebnego do utrzymania temperatury elementu gorącego na poziomie 100 �C
powy\
ej temperatury otoczenia (rys. 13.10). Przez rurową obudowę przepływa
strumień dolotowy powietrza. Wewnątrz rury zamontowana jest przy ściance rurka o
du\
o 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 nadwy\
kę
temperatury drutu nad temperaturą powietrza. Prąd grzewczy IH lub napięcie drutu są
wówczas miarą przepływu masowego QM. Prąd lub napięcie są następnie przetwarzane
przez układ dopasowujący na napięcie Um, podawane na sterownik. W sterowniku
układu wtryskowego napięcie to jest przeliczane na wartość wydatku masowego.
Przepływomierz pracuje w układzie zrównowa\
onego mostka (rys. 13.11). Jedną
jego część stanowią rezystory nagrzewające, drugą rezystor słu\
ący do pomiaru
temperatury powietrza. Ze wzrostem strat ciepła mostek przestaje być skompen-
sowany. Wzmacniacz ró\
nicowy reaguje na niezrównowa\
enie 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 nara\
ony na
zanieczyszczenia.
Dla dokładnego określenia masy zasysanego powietrza, tak\
e w przypadku
pulsacji strumienia w przepływomierzu, sygnał elektryczny termoanemometru jest
rejestrowany w bardzo krótkich odstępach czasu, a wyniki są przetwarzane z du\
ą
częstotliwością w procesorze sterownika (do 1000 Hz).
169
169
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Rys. 13.10. Widok przepływomierza powietrza: 1  złącze elektryczne, 2  rura przelotowa, 3  zinte-
growany elektroniczny układ sterujący [8]
IH
Rk RH
QM
R1
R2 Rm Um
Rys. 13.11. Schemat elektryczny termoanemometru drutowego: Rk  rezystor kompensacji
temperaturowej, RH  rezystor nagrzewany, Rm  rezystor pomiarowy, R1, R2  rezystory
układu mostkowego, Um  napięcie pomiarowe, IH  prąd grzewczy, QM  masowy
wydatek powietrza
170
170
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Działania termoanemometru mo\
na opisać następującymi zale\
nościami:
2
Pe = RH IH = Pth = cl"Ń , (13.2)
gdzie:
Pe  moc elektryczna doprowadzona do drutu,
Pth  moc odprowadzona z drutu,
RH  rezystancja drutu,
IH  prąd przepływający przez drut,
  przewodność cieplna drutu,
c1  straty ciepła przy zerowym przepływie,
"Ń  nastawiona ró\
nica temperatur.
Z du\
ym przybli\
eniem zachodzi równie\
następujący związek:
 = (�v) + c2 = QM + c2 , (13.3)
gdzie:
c2  straty ciepła przy nieruchomym medium,
�  gęstość powietrza,
v  prędkość przepływającego powietrza.
Po przekształceniu wzorów otrzymuje się zale\
ność na prąd grzejny:
c1"Ń( QM + c2).
IH = (13.4)
RH
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 oC
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, \
e mierzony jest masowy wydatek
powietrza, a nie objętościowy jak w przypadku przepływomierzy klapowych. Drugą
171
171
Badanie czujników układu dolotowego silnika
wa\
ną zaletą jest fakt, \
e nie zwiększa on oporów przepływu powietrza, co
występowało w przypadku stosowania tarczy lub przesłony spiętrzającej. Wadą tych
przepływomierzy jest natomiast fakt, \
e nie potrafią one wykrywać ewentualnych
przepływów zwrotnych i są wra\
liwe na urazy i zanieczyszczenia mechaniczne.
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0 50 100 150 200 250
QM
Przepływ , kg/h
Rys. 13.12. Charakterystyka wyjściowa przepływomierza
Opis stanowiska laboratoryjnego
Uwaga: Poza układami słu\
ącymi do pomiaru ciśnienia, temperatury, przepływu i kąta
poło\
enia na stanowisku laboratoryjnym znajdują się równie\
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 poło\
enia przepustnicy  czujnik potencjometryczny firmy
MAGNETI-MARELLI,
- przepływomierz powietrza  termoanemometryczny firmy FORD.
172
172
Napi
ę
cie
U
, V
Badanie czujników układu dolotowego silnika
a) Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego do działania
W celu uruchomienia stanowiska laboratoryjnego nale\
y:
- 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 nale\
y 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,
- wskaz
nik temperatury,
- czujnik temperatury (czujnik 1) dla wskaz
nika 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).
173
173
Badanie czujników układu dolotowego silnika
Rys. 13.13. Schemat ideowy stanowiska
174
174
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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  wskaz
nik
temperatury
Rys. 13.15. Lokalizacja czujników temperatury
175
175
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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 poło\
enia 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 poło\
enia, 4  rura układu dolotowego,
3  przepływomierz powietrza, 5  przewód igielitowy
176
176
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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
177
177
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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 równie\
układy
regulujące obroty silników prądu stałego i zmiennego.
c) Uwagi BHP
Podczas obsługi stanowiska trzeba zachować ostro\
ność, szczególnie przy
pomiarze temperatury ze względu na groz
bę pora\
enia elektrycznego. W układzie tym
grzałka oraz pompa zasilane są napięciem 230 V i zaciski tych elementów znajdują się
po stronie czołowej stanowiska. Istnieje równie\
groz
ba poparzeniem płynem podgrze-
wanym w układzie pomiaru temperatury. Z tego powodu nie wolno dotykać \
adnych
elementów podczas pracy układu obiegu płynu a szczególnie zbiornika z płynem, w
którym mo\
e panować temperatura do około 100�C.
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 oC) do 90 oC. Jeden z
czujników jest podłączony do wskaz
nika temperatury. Zaciski drugiego są podłączone
bezpośrednio do pulpitu pomiarowego w lewym dolnym rogu tablicy. Na zaciskach
tych mo\
na 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 mo\
na porównać wynik
pomiarów i obliczeń ze wskazaniem wskaz
nika temperatury. Na podstawie wyników
pomiarów nale\
y wykreślić charakterystykę czujnika, a następnie porównać ją z
charakterystyką teoretyczną czujnika.
W rzeczywistym układzie obiegu płynu w samochodzie temperatura mo\
e
zmieniać się w większym zakresie - od  30� do 130 oC.
178
178
Badanie czujników układu dolotowego silnika
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 mo\
na 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 nale\
y 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 ni\

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 poło\
enia przepustnicy
Otwieranie przepustnicy jest przeprowadzane za pomocą dz
wigni umieszczonej na
osi przepustnicy po przeciwnej stronie ni\
czujnik. Pomiar ułatwia umieszczona przy
dz
wigni podziałka wraz ze śrubą blokującą przepustnicę w dowolnym poło\
eniu.
Wyjściowy sygnał napięciowy jest doprowadzony do pulpitu pomiarowego, napięcie
mo\
na zmierzyć woltomierzem. Na podstawie wyników pomiarów nale\
y wykreślić
charakterystykę czujnika, a następnie porównać ją z charakterystyką teoretyczną
czujnika.
Czujnik mierzy poło\
enie w całym zakresie ruchu przepustnicy tj. od 0� do 90�. W
takim te\
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 mo\
na je
zmierzyć woltomierzem. Mo\
na równie\
zmierzyć prąd zasilania czujnika za pomocą
amperomierza wpiętego w zaciski umieszczone na tablicy nad przepływomierzem. Na
179
179
Badanie czujników układu dolotowego silnika
podstawie wyników pomiarów nale\
y 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
ni\
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. WKA
, Warszawa 2001. ISBN 83-206-
1385-X.
4. Praca zbiorowa: Informator techniczny Bosch. Czujniki w pojazdach
samochodowych. WKA
, 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 in\
ynierska,
Politechnika Śląska, Gliwice 2003.
180
180