Исполнительные механизмы управления частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу

 

 

Регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу в ЭСАУ бензиновых двигателей осуществляется подачей до­полнительного воздуха в обход дроссельной заслонки или управ­ление ее положением.

В первом случае небольшое количество воздуха направляется во впускной коллектор в обход дроссельной заслонки. В этом кана­ле устанавливается клапан регулировки оборотов холостого хода. При изменении количества воздуха, проходящего через клапан, частота вращения коленчатого вала также изменяется.

В системах К, L-Jetronic фирмы Bosch количество добавочного воздуха регулировалось заслонкой, управляемой биметаллической пластиной (рис. 6.26). Впоследствии стал применяться трехпровод­ной клапан регулировки холостого хода (рис. 6.27) Электродвига­тель клапана вращается по или против часовой стрелки в зависи­мости от подключенной обмотки. БУ периодически переключает направление вращения двигателя, что предотвращает перемеще­ние клапана в любое из крайних положений. Изменяя соотношение времени включения одной или другой цепи, БУ может установить клапан в любое требуемое положение.

Рис. 6.27. Трехпроводной клапан регу­лировки холостого хода: 1 - разъем; 2- корпус; 3- возвратная пружина; 4- обмотка; 5- магнитопро­вод якоря; 6- поток воздуха; 7- регу­лируемый ограничитель; 8- поворот­ная заслонка

В некоторых модификациях систем впрыска используется двух­проводной клапан управляемый электромагнитом с возвратной пру жиной. БУ подает на электромагнит клапана управляющие импульсы напряжения с постоянной частотой (около 110 Гц). При включении электромагнит преодолевает усилие пружины и открывает клапан. Время открытого состояния клапана определяется скважностью импульса (т.е. относительным временем подачи напряжения). Чем больше скважность импульсов, тем большее количество воз-духа пройдет через клапан. При неисправности электромагнита клапан останется в закрытом положении. Даже при полностью за-крытом клапане, через него проходит небольшое количество воздуха для обеспечения базовой частоты вращения коленчатого вала на режиме холостого хода.

В современных системах для управления холостым ходом ис-пользуются шаговые электродвигатели. Шаговый электродвигатель может использоваться для открытия-закрытия клапана, регулирующего поступление воздуха во впускной коллектор или ступенчатого перемещения дроссельной заслонки.

На рис. 6.28 представлен регулятор холостого хода с шаговым электродвигателем. На статоре электродвигателя размещены об-мотки, имеющие четыре выхода. В продольных пазах ротора установлены постоянные магниты с чередующимся расположением по-люсов. Управление двигателем ведется с помощью электрических импульсов различной полярности подаваемых на обмотки в определенной последовательности. Винтовая передача преобразует вращение вала в поступательное движение клапана.

Датчики для определения нагрузки двигателя

Одной из основных величин для расчета цикловой подачи топлива и угла опережения зажигания является нагрузка двигателя.

Для определения нагруз­ки двигателя используются следующие чувствительные элементы:

- датчик количества воз­духа;

- нитевой датчик массо­ного расхода воздуха;

- пленочный датчик мас­сового расхода воздуха;

- датчик давления во нпускной трубе;

датчик положения дроссельной заслонки.

Датчик количества воз­духа. Датчик устанавливает­ся между воздушным фильт­ром и дроссельной заслон­кой и производит измерение объема воздуха (м³/ч), по­ступающего в двигатель (рис. 6.29). Проходящий по­ток воздуха отклоняет за­слонку, противодействуя по­стоянной силе возвратной пружины. Угловое положе­ние заслонки регистрируется потенциометром. Напряже­ние с него передается на блок управления, где произ­водится его сравнение с пи­тающим напряжением по­тенциометра. Это отноше­ние напряжений является

мерой для поступающего в двигатель объема воздуха. Определение отношений напряжений в блоке управления исключает влияние изно­са и температурных характеристик сопротивлений потенциометра на точность. Чтобы пульсации проходящего воздуха не вели к колеба­тельным движениям воздушной заслонки, она стабилизируется противовесной заслонкой. С целью учета изменения плотности посту­пающего воздуха при изменении температуры датчик расхода осна щен терморезистором. По сопротивлению терморезистора проводит­ся корректировка показаний датчика. Датчик количества воздуха дол­гое время был составной частью большинства систем Motronic и Jetronic, выпускаемых серийно. Согласно современным требованиям показания датчика расхода воздуха не должны зависеть от атмо­сферного давления, температуры пульсаций и обратного потока воз­духа, возникающих при работе двигателя. Поэтому в настоящее вре­мя датчик количества воздуха с заслонкой заменен более совершен­ными датчиками массового расхода воздуха.

Рис. 6.28. Конструкция регулятора холостого хода с шаговым электродви­гателем (а) и схема его работы (б): клапан; 2,3- обмотки шагового электродвигателя; 4 - ротор шагового пектродвигателя; 5~ пружина; 6- РХХ; 7- дроссельный патрубок; v, - дроссельная заслонка; 9- клапан; 10- разъем; А - поступающий воздух

 

 

Рис. 6.29. Датчик расхода воздуха во впускной системе:

/ - дроссельная заслонка; 2- датчик расхода воздуха; 3 - сигнал термо­резистора; 4- блок управления; 5- сигнал потенциометра; 6- воздушный фильтр. Ql - поступающий воздух; а - угол отклонения заслонки

 

Датчики массового расхода воздуха. Датчиками массового расхода воздуха называют нитевые или пленочные термоанемо- метрические датчики. Они устанавливаются между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и измеряют массу воздуха, по­ступающего в двигатель (кг/ч). Принцип действия обоих датчиков одинаков. В потоке поступающего воздуха находится электрически |нагреваемое тело, которое охлаждается воздушным потоком.

Схема регулирования тока нагрева рассчитана таким образом, что |всегда имеется положительная разность температуры измерительно­го тела относительно проходящего воздуха. В данном случае ток на- трева является мерой для массы воздушного потока. При таком ме­тоде измерения производится учет плотности воздуха, так как она также определяет величину теплоотдачи нагреваемого тела. Отсут­ствие в датчике подвижных частей делает его более надежным.

Нитевой датчик массового расхода воздуха. У данного дат­чика нагреваемым элементом является платиновая нить толщиной 70 мкм. Для учета температуры поступающего воздуха производит­ся ее измерение встроенным компенсационным терморезистором. Нагреваемая нить и терморезистор включены в мостовую схему (рис. 6.30 - 6.32). Ток нагрева образует на прецизионном резисторе падение напряжения, пропорциональное массе проходящего воз­духа. С целью предупреждения дрейфа за счет отложения загряз- нении на платиновои нити после отключения двигателя осуществ­ляется ее нагрев «прожиг» в течение нескольких секунд до темпе­ратуры, ведущей к испарению или осыпанию отложений и тем са­мым ее очистке.

 

 

 

 

Рис. 6.30. Компоненты нитевого датчика массового расхода воздуха:

1 - компенсационный терморезистор; 2- кольцо с нагреваемой нитью; 3 - прецизионный резистор; QM - поступающий воздух

 

Рис. 3.31. Мостовая схема нитевого датчика массового расхода воздуха: Rн - нагреваемая нить; Rк - компенсационный терморезистор; R_M - прецизионный резистор; Rг - балансировочные резисторы; U_M- выходное напряжение; Q_M - поток воздуха

 

Рис. 6.32. Нитевой датчик массово­го расхода воздуха:

1 - электронный модуль; 2- крыш­ка; 3 - металлическая вставка; 4- внутренняя труба с нагреваемой нитью; 5- кожух; 6- защитная ре­шетка; 7-стопорное кольцо

 

Рис. 6.33. Пленочный датчик массового расхода воздуха: а - корпус; б - чувствительный элемент с нагреваемой пленкой (смонтирован в центре корпуса);

1 - радиатор; 2- промежуточная деталь; 3 - силовой блок;

4- электронный модуль; 5- чувствительный элемент

 

Пленочный датчик массового расхода воздуха. У такого датчика нагреваемым элементом является пленочный платиновый резистор, который находится вместе с другими элементами мостовой схемы на керамической подложке (рис. 6.33 - 6.35).

Температура нагреваемого элемента измеряется терморезисто­ром, который включен в мостовую схему. Раздельное исполнение нагревательного элемента и терморезистора удобно для организа­ции управления. Для измерения температуры воздуха используется

компенсационным терморезистор, также расположенный на подложке, но отделенный канавкой. Напряжение на нагреваемом элементе является мерой для массы воздушного потока. Это напряжение преобразовывается электронной схемой измерителя в напряжение, совместимое с блоком управления.

Рис. 6.34. Чувствительный эле­мент с нагреваемой пленкой:

1 - керамическая подложка; 2- паз; Rк - компенсационный тер­морезистор; R₁ - резистор моста; Rн - нагреваемый резистор;

Rs - терморезистор

 

Стабильность показаний датчика сохраняется без «прожига». В связи с тем, что засорение происходит в основном на передней кромке датчика, установка основных элементов произведена по ходу потока так, что засорение не оказывает влияния на датчик.

Рис. 6.35. Схема пленочного датчика массового расхода воздуха:

Як - компенсационный терморезистор; Rн - нагреваемый резистор;

R_b Rг, Rз - резисторы моста; Um- выходное напряжение; /н - ток нагрева; t_L - температура воздуха; Q_M - поток воздуха

 

Датчик давления во впуск-» ной трубе. Датчик давления во впускной трубе пневматически соединен с последней и замеряет абсолютное давление (кПа). Он изготавливается в виде встраиваемого в блок управления элемента или как отдельный датчик, который устанавливается вблизи или на самой впускной трубе. При применении встроенного датчика соединение с впускной трубой производится шлангом. Датчик состоит из пневматической секции с двумя чувствительными элементами и схемы обработки сигнала, установленных на общей керамической подложке (рис. 6.36).

1 2 3 4 5

Рис. 6.36. Датчик давления; уста­навливаемый в блок управления:

1 - штуцер; 2 - камера под давле­нием с чувствительным элементом; 3 - уплотнительная стенка; 4 - блок обработки; 5-толстопленочная гибридная схема

 

Чувствительный элемент представляет собой колоколообразную толстопленочную мембрану, которая образует камеру с образцовым внутренним давлением.

В зависимости от давления во впускной трубе мембрана прогибается на определенную глубину. На мембране установлены пьезорезисторы, проводимость которых меняется от механического напряжения (рис. 6.37).

Рис. 6.37. Чувствительный элемент датчика давления:

1 - пьезорезисторы; 2- основная мембрана; 3- камера образцового давления; 4 - керамическая под­ложка; Р – давление

 

Пьезорезисторы включены по мостовой схеме, так что смещение мембраны вызывает напряжение рассогласования моста, которое является мерой давления во впускной трубе.

Блок обработки увеличивает напряжения моста, компенсирует влияние температуры и обеспечивает линейный выходной сигнал, пропорциональный давлению.

Датчик положения дроссельной заслонки. Датчик положения дроссельной заслонки определяет угол ее поворота для расчета вспомогательного сигнала о нагрузке двигателя. Он позволяет получать дополнительную информацию для распознавания режимов (холостой ход, частичная и полная нагрузки) и может использоваться в качестве источника аварийного сигнала при выходе из строя основного датчика нагрузки. Обработка сигнала датчика в БУ позволяет рассчитывать не только положение, но и скорость перемещения педали управления дроссельной заслонкой. В большинстве систем датчик устанавливается на патрубке дроссельной заслонки и находится на одной оси с ней. Потенциометр замеряет угловое положение дроссельной заслонки и передает соотношение напряжений через резисторную схему на блок управления. Использование датчика дроссельной заслонки в качестве основного датчика нагрузки предъявляет повышенные требования к его точности, что достигается за счет установки двух потенциометров и усовершенствования опор вращения. Поступающая масса воздуха определяется блоком управления в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. Температурные колебания воздушной массы учитываются после обработки сигналов температурных датчиков.

В системах с электроуправляемой дроссельной заслонкой датчик располагается на педали управления топливоподачей.

Датчики частоты вращения и положения коленчатого и распределительного валов

Датчик частоты вращения и положения коленчатого вала.

Положение поршня в цилиндре является определяющим для расчета момента зажигания. Датчик на коленчатом валу выдает информацию

о положении поршней всех цилиндров. Частота вращения коленчато­го вала также рассчитывается по сигналу этого датчика. На коленча­том вале устанавливается магнитопроводящий зубчатый диск с рас­четным числом зубьев 60, при этом 2 из них отсутствуют. Индуктив­ный датчик частоты вращения производит последовательный опрос этих 58 зубьев. Он состоит из постоянных магнитов и сердечника из мягкого железа с медной обмоткой (рис. 6.40). Провод, соединяющий датчик и БУ, выполняется экранированным. При прохождении зубь­ев через зону чувствительного элемента в нем изменяется магнит­ный поток.

В обмотке датчика индуцируется переменная ЭДС (рис. 6.41). Ам­плитуда переменного напряжения уменьшается при увеличении рас­стояния между датчиком и зубчатым диском и растет с увеличением частоты вращения. Достаточная амплитуда имеет место уже при ми­нимальной частоте вращения (20 мин'¹). Геометрия зубьев и полюсов должны соответствовать друг другу. Блок управления формирует из синусоидального напряжения с сильно меняющейся амплитудой прямоугольное напряжение с постоянной амплитудой.

 

Рис. 6.40. Датчик положения коленчатого вала:

1 - постоянный магнит; 2- корпус; 3 - картер двигателя; 4- сердечник; 5 - обмотка; 6 - зубчатый диск с опорной меткой (промежуток между зубьями)

 

 

Рис. 6.41. Синхронизация сигналов зажигания; положения коленчатого и распределительного валов: а - вторичное напряжение катушки зажигания; б - сигнал индукционного датчика положения коленчатого вала; в - сигнал датчика Холла положе­ния распределительного вала; 1 - замкнутое состояние; 2- зажигание

 

I*-

Боковые фронты прямоугольного напряжения передаются через вход прерываний на процессор. Если текущий период прохождения фронтов в два раза больше как предыдущего, так и последующего, то происходит распознавание опорного промежутка в зубьях. Он сопряжен с определенным положением коленчатого вала. Процес­сор производит в данный момент синхронизацию положения колен­чатого вала. При каждом последующем положительном или отри­цательном фронте от боковых кромок зубьев процессор производит дальнейший отсчет положения коленчатого вала на три градуса. Подача сигнала зажигания должна производиться с меньшими ша­гами. Период между двумя боковыми кромками зубьев разделяется, поэтому, на четыре отрезка. К каждой боковой кромке зуба можно привязать один, два или три таких отрезка времени (благодаря этому можно производить выдачу сигнала зажигания с шагом 0,75 градуса).

Датчик положения распределительного вала. Распредели­тельный вал управляет впускными и выпускными клапанами двига­теля. Частота его вращения в два раза ниже, чем частота вращения коленчатого вала.

При движении поршня в верхнюю мертвую точку распредели­тельный вал определяет по положению впускных и выпускных кла­панов, находится ли поршень в такте сжатия с последующим зажи­ганием или же в такте выпуска газов. Эту информацию, исходя из положения коленчатого вала, получить невозможно. Если система зажигания имеет высоковольтный распределитель, который меха­нически связан с распределительным валом, то ротор распредели-теля определяет нужный цилиндр и информация о положении распределительного вала для выдачи сигнала зажигания блоку управления не нужна. В системах с распределением искр методом холостой искры и нефазированным впрыском топлива также достаточно сигнала от датчика положения коленчатого вала.

Информация о положении распределительного вала необходима, если реализуется индивидуальная установка момента впрыска топлива для каждого цилиндра, что имеет место при фазированном (последовательном) впрыске, а также при использовании системы зажигания с низковольтным распределением и индивидуальными катушками.

Для определения положения распределительного вала используется датчик на эффекте Холла. Датчик управляется шторкой из магнитопроводящего материала, закрепленной на распредели-тельном валу.

Напряжение с датчика Холла имеет порядок милливольт, поэтому датчик формирует сигнал и передает его в блок управления в виде двоичного сигнала. В простейшем случае процессор проверяет наличие напряжения с датчика Холла и тем самым положение первого цилиндра в рабочем такте в момент прохождения опорного промежутка зубчатого диска. Специальные формы шторок позволяют использовать сигнал положения распределительного вала в качестве аварийного при повреждении датчика частоты вращения. Разрешающая способность сигнала датчика положения распределительного вала является недостаточной для его применения вме-сто датчика частоты вращения в нормальном режиме.

Датчик кислорода

Датчик кислорода (А-зонд) регистрирует наличие кислорода в отработавших газах, что является прямым показателем качества рабочей смеси. Присутствие кислорода в отработавших газах характеризует бедную смесь а > 1, отсутствие - богатую а < 1. При-менение датчика кислорода обусловлено необходимостью поддерживать стехиометрический состав рабочей смеси (а = 1) для функционирования трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Датчик кислорода устанавливается в выпускной системе двигателя перед нейтрализатором. Иногда применяется второй датчик после нейтрализатора. Наружная поверхность датчика омывается отработавшими газами, а внутренняя сообщается с атмосферой. В на-стоящее время наибольшее распространение получили датчики на основе диоксида циркония Zr02 (рис. 6.42).

Рис. 6.42. Датчик кислорода с подогревом:

1 - корпус зонда; 2- керамическая опорная трубка; 3 - подсоединитель- ные провода; 4- защитный колпачок с прорезями; 5- чувствительный элемент; 6 - контакты; 7- защитная гильза; 8- нагревательный элемент;

9 -токоподводящая клемма нагревательного элемента

 

Датчик этого типа работает как химический источник ЭДС. Основание датчика - колпачок, спеченный из порошка диоксида циркония и выполняющий функцию твердого электролита (рис. 6.43). С внутренней и внешней стороны на колпачок нанесены электроды из пористой платины, имеющие электрические выводы. С внешней стороны датчик покрыт оболочкой из пористого алюминия, через который могут проникать отработавшие газы. При различии в концентрации кислорода между внутренней и наружной поверхностями датчика на платиновых электродах возникает разность потенциалов. Содержание кислорода в воздухе практически постоянно и составляет 21%. При работе двигателя на богатой рабочей смеси напряжение датчика около 900 мВ, на бедной - 50 мВ.

Сигнал датчика изменяется резко при незначительных изменениях концентрации кислорода (рис. 6.44). Однако проводимость керамического электролита при температуре ниже 150°С практически равна 0. Рабочая температура датчика, при которой обеспечи-вается необходимая скорость срабатывания, составляет 600°С. Предельно допустимая температура 850°С. Диапазон рабочих температур является определяющим при выборе места установки дат-чика в выпускной системе. Современные датчики оснащаются элек-троподогревом, включаемым по команде БУ.

Кабель, соединяющий БУ и датчик кислорода, выполняется экранированным. Корпус датчика полностью герметичен. Атмосферный воздух поступает к чувствительному элементу через зазоры изоляции проводов.

Датчик второго типа выполнен из титана и работает за счет изменения сопротивления чувствительного элемента датчика.

Рис. 6.44. Кривая напряжения дат­чика кислорода при рабочей температуре 600°С: а - богатая смесь (недостаток воздуха); б ~ бедная смесь (избыток воздуха)

В ЭСАУ топливоподачей бензиновых и дизельных двигателей ис­пользуются датчики температуры охлаждающей жидкости, воздуха, топлива, масла. В большинстве современных датчиков используются полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температур­ным коэффициентом. Сопротивление такого элемента с ростом тем­пературы уменьшается от десятков ом при -20°С до десятков килоом при 100°С. На рис. 6.45 показан датчик температуры двигателя.

Рис. 6.45. Датчик температуры двигателя: 1 - разъем; 2- корпус; 3- терморезистор

 

Рис. 6.46. Расположение датчика де­тонации на двигателе: i - датчик установлен между вторым и третьим цилиндрами; 2- при нали­чии двух датчиков они установлены между двумя цилиндровыми группами

 

Датчик детонации

Для выбора оптимального угла опережения зажигания и при управлении наддувом используется датчик детонации. Расположение и количество устанавливаемых датчиков определяется исходя из особенностей конструкции двигателя. Обычно 4-цилиндровые рядные двигатели оснащаются одним датчиком детонации, 6-цилиндровые двумя, 8- и 12-цилиндровые - двумя и более (рис. 6.46). Чувствительный элемент датчика детонации выполняется из пьезокерамики (рис. 6.47). Напряжение на выходе датчика, пропорциональное уровню, шума по экранированному проводу подается в БУ. Обработка сигнала в БУ позволяет определять возникновение детонации в отдельном цилиндре двигателя.