13 - Badanie czujników układu dolotowego silnika

Badanie czujników układu dolotowego silnika

ĆWICZENIE 13 – BADANIE CZUJNIKÓW UKŁADU

DOLOTOWEGO SILNIKA

Wprowadzenie

produkowanych

obecnie

pojazdach

sterowanie

pracą

silnika

jest

skomplikowanym procesem, w którym muszą być uwzględniane bieŜące parametry

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

zasadnicze funkcje:

−

sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i wtryskiem paliwa wg

optymalnego algorytmu,

−

ograniczanie zuŜycia 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 róŜnic

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

Niska temperatura płynu chłodzącego – podwojenie dawki

paliwa.

−

przy nagrzewaniu silnika (czujnik – temperatury płynu chłodzącego),

Przy zimnym silniku paliwo słabo paruje, stąd konieczność

zwiększenia – aŜ do podwojenia – ilości wtryskiwanego paliwa).

−

przy duŜych obciąŜeniach 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 sprzęŜenia zwrotnego

•

nie obowiązuje przy rozruchu,

•

nie obowiązuje przy duŜych obciąŜeniach,

•

nie obowiązuje przy temperaturze płynu chłodzącego

niŜszej od załoŜonej,

•

nie obowiązuje przy zbyt ubogiej lub zbyt bogatej

mieszance,

•

nie obowiązuje przy odcięciu paliwa,

•

w przeciwnych wypadkach obowiązuje sprzęŜenie 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) róŜnią się zasadniczo sposobem pomiaru ilości

powietrza doprowadzanego do silnika.

RównieŜ sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu wymaga uwzględnienia

aktualnych parametrów pracy silnika. Procedurę wyznaczania kąta wyprzedzenia

zapłonu przedstawiono na rys.13.3.

Z powyŜszych uwag wynika, Ŝe praca układu wtrysku i zapłonu wymaga kilku

zasadniczych elementów:

−

elektronicznej jednostki sterującej (sterownik mikroprocesorowy),

−

elementów wykonawczych (np. wtryskiwacze paliwa),

−

czujników dostarczających bieŜących informacji o pracy silnika.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

Kolektor

dolotowy

Powietrze

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

nienia

w kolektorze dolotowym

Jednostka
steruj

nienie

obrotowa

dko

ść

dawka

Wtryskiwacz

wtrysk

paliwo

Rys. 13.2. Schemat funkcjonalny układu D-Jetronic

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 róŜne rodzaje czujników, w

zaleŜności od mierzonych wielkości fizycznych. Do podstawowych wielkości naleŜą:

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

połoŜenie. Oczywiście czujniki wielkości fizycznych stosowane są równieŜ w innych

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

w układzie sterowania pracą skrzyni biegów itd.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

Rys. 13.3. Procedura wyznaczania kąta wyprzedzenia zapłonu

Kąt 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

ObciąŜenie 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

obciąŜenia silnika

PRACA

ROZRUCH

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. PowyŜej temp. 20

dawka paliwa jest zmniejszana, poniŜej – zwiększana. Czujnik moŜe 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 takŜe 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

Pomiar temperatury gazu w katalizatorze jest szczególnie waŜnym sygnałem

diagnostyczno-kontrolnym. Prawidłowa temperatura spalin decyduje o sprawności

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

procedur regulacji bez sztucznego ograniczania mocy silnika podczas kalibracji

algorytmu sterowania.

Sygnał z czujnika temperatury oleju silnikowego uŜywany jest do obliczania

okresów obsługowych. Jest to moŜliwe, poniewaŜ zuŜycie materiałowe oleju ma duŜy

wpływ na jego sprawność temperaturową.

Czujniki temperatury wykorzystywane są równieŜ w elektronicznych układach

klimatyzacji, dzięki czemu moŜna utrzymywać stałą, zadaną przez kierowcę

temperaturę wnętrza, w układach bezpieczeństwa (obserwacja pozycji pasaŜera przy

sterowaniu poduszką powietrzną) i in.

b) Rozwiązania techniczne czujników temperatury

Ze względu na zasadę działania czujniki temperatury moŜna podzielić na dwie

grupy:

−

czujniki dotykowe,

−

czujniki bezstykowe.

Metoda dotykowa pomiaru temperatury polega na tym, Ŝe 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

c) Czujnik temperatury płynu chłodzącego

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został uŜyty 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 duŜym zakresem

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

cięŜkich 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 pobliŜu króćca wyjściowego

cieczy chłodzącej z termostatu,

−

w korpusie wykonanym z metalu i wkręconym w obudowę termostatu.

Termistor czujnika wykorzystywanego w ćwiczeniu ma rezystancję równą

= 2,5 k

Ω

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















−

)

(

(13.1)

gdzie:

)

(

- rezystancja termistora w temperaturze odniesienia

) - rezystancja termistora w temperaturze

B = 3408 K – współczynnik temperaturowy,

- temperatura bezwzględna w K.

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

5)%

Maksymalny prąd zasilania

1 mA

Napięcie zasilania

< 5V

Temperatura,°C

120

Ω

-40

Rys. 13.5. Charakterystyka czujnika NTC

Badanie czujników układu dolotowego silnika

Pomiar ciśnienia

a) Zastosowanie czujników ciśnienia

Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie do pomiaru:

−

ciśnienia w układzie ssącym silnika spalinowego – wyznaczanie

natęŜenia 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 bieŜącego ciśnienia powietrza

z jego temperaturą i prędkością obrotową silnika moŜna określić natęŜenie przepływu

powietrza. Posiadając tę informację sterownik dobiera odpowiednią dawkę

wtryskiwanego paliwa, potrzebną do prawidłowej pracy silnika.

Czujnik ciśnienia bezwzględnego uŜywany jest równieŜ do pomiaru ciśnienia

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

wysokości nad poziomem morza.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

b) Rozwiązania techniczne czujników ciśnienia

Ze względu na zasadę działania moŜna rozróŜnić dwa zasadnicze rodzaje

czujników ciśnienia:

−

czujniki dynamiczne,

−

czujniki statyczne.

Przykładem czujników dynamicznych są np. mikrofony , które będąc niewraŜliwe

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

Natomiast czujniki statyczne dokonują ciągłego pomiaru ciśnienia. W motoryzacji

praktycznie są stosowane tylko statyczne czujniki ciśnienia.

MoŜna spotkać następujące rozwiązania techniczne czujników ciśnienia:

−

pojemnościowe,

−

tensometryczne,

−

grubowarstwowe,

−

mikromechaniczne.

c) Czujnik ciśnienia bezwzględnego powietrza

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został uŜyty 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, Ŝe mierzone ciśnienie jest

odniesione do próŜni. Ta cecha umoŜliwia dokładne wyznaczenie masy powietrza przy

zastosowaniu tego czujnika do pomiaru ciśnienia w kolektorze dolotowym.

Doprowadzone do czujnika ciśnienie oddziałuje na element piezoelektryczny.

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

powierzchni 3 mm

i grubości 250

m. W miniukład wtopione są piezorezystory czułe

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

powstawanie napięcia nierównowagi. Rolę przepony uginającej pod wpływem

ciśnienia pełni komora próŜniowa. 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).

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 U

jest napięciem zasilania, natomiast sygnał U

jest sygnałem napięciowym

wyjściowym.

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

dołu. Wynika to z faktu, iŜ czujnik moŜe być wraŜliwy na niektóre czynniki

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

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

100

Ciśnienie, kPa

120

ię

Rys. 13.7. Charakterystyka czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym

Pomiar połoŜenia

a) Zastosowanie czujników połoŜenia

Czujniki połoŜenia (kąta) znajdują zastosowanie przy pomiarach:

−

połoŜenia przepustnicy,

−

połoŜenia pedału przyspieszenia i hamulca,

−

połoŜenia siedzeń, reflektorów i lusterek,

−

stanu napełnienia zbiornika paliwa,

−

skoku tarczy sprzęgła.

b) Czujnik połoŜenia przepustnicy

Jego zadaniem jest ciągła rejestracja kąta obrotu przepustnicy. Zastosowanie tego

czujnika umoŜliwia sterownikowi wtrysku paliwa wykonanie wielu funkcji

obliczeniowo–decyzyjnych, takich jak:

Badanie czujników układu dolotowego silnika

−

regulacja prędkości samochodu w zaleŜności od bieŜącego połoŜenia

przepustnicy,

−

szybkość zmian połoŜenia przepustnicy warunkuje reakcję układu

zasilania na warunki nieustalone,

−

całkowite zamknięcie przepustnicy oznaczać moŜe 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 połoŜenia przepustnicy

ułatwia sterowanie dawką paliwa,

−

w układach wtrysku bez zastosowania czujnika ciśnienia oraz

przepływomierza wskazania czujnika połoŜenia przepustnicy oraz

czujnika prędkości obrotowej słuŜą do określenia stopnia obciąŜenia

silnika.

c) Rozwiązania techniczne czujników połoŜenia przepustnicy

Do pomiarów kąta połoŜenia przepustnicy stosuje się obecnie trzy rodzaje

czujników:

−

potencjometryczne (jedno- lub dwuścieŜkowe),

−

magnetyczne czujniki indukcyjne,

−

czujniki wykorzystujące zjawisko Halla.

d) Czujnik połoŜenia przepustnicy

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został uŜyty potencjometryczny,

jednościeŜkowy czujnik połoŜenia 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

lizgacza czujnika połoŜenia przepustnicy jest wciśnięte bezpośrednio na wałek

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

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

Badanie czujników układu dolotowego silnika

Zasilanie bieŜni zapewnia sterownik układu wtrysku paliwa. Wraz z obrotem

przepustnicy połączonej z ramieniem ślizgacza następuje zmiana długości przepływu

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

sposób następuje zmiana napięcia odniesienia na wartość sygnału odpowiadającą

połoŜeniu przepustnicy. Czujnik jest zasilany napięciem stabilizowanym U

= 5 V, zaś

sygnałem wyjściowym z czujnika jest napięcie U

z zakresu 0,5 V – do ok. 4,5 V.

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

podzielony na dwie części w celu uzyskania wystarczająco dokładnego odczytu kąta

otwarcia. Obydwu częściom bieŜni oporowej zostały przyporządkowane równolegle

połoŜone bieŜnie prowadzące, tzw. bieŜnie kolektorowe. Ramię ślizgacza ma cztery

lizgacze odpowiadające kaŜdemu fragmentowi bieŜni czujnika.

Zalety czujników potencjometrycznych:

−

prosta konstrukcja,

−

brak konieczności stosowania elementów elektronicznych,

−

odporność na zakłócenia,

−

duŜa dokładność,

−

duŜy zakres temperatur pracy.

Wady czujników potencjometrycznych:

−

zuŜycie mechaniczne, ścieranie,

−

powstanie błędów pomiarowych z powodu obecności produktów

cierania,

−

odrywanie się suwaka przy silnych drganiach.

ruchomy styk

czujnika

cieŜka

rezystora

połoŜenie całkowitego

otwarcia

połoŜenie

zamknięcia

Rys. 13.8. Potencjometryczny czujnik połoŜenia przepustnicy

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

90)°

Zakres obrotu

122)°

Dopuszczalny prąd zasilania

10 mA

Napięcie zasilania

5 V

Dopuszczalne maksymalne napięcie

43 V

Dopuszczalna temperatura pracy

(-40

+105)°C

rednia rezystancja

1,6

Ω

Wartości rezystancji i napięcia w skrajnych połoŜeniach

połoŜenie

rezystancja

napięcie

otwarte

2,12 k

Ω

4,81 V

zamknięte

1,21 k

Ω

0,5 V

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

100

Kąt obrotu

α, °

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 obciąŜenia silnika. Sygnał pomiarowy przepływomierza

Badanie czujników układu dolotowego silnika

wykorzystywany jest równieŜ 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 obciąŜeniu silnika

pozwala dobrać w bardzo dokładny sposób dawkę paliwa potrzebną do prawidłowej

pracy silnika przy danym obciąŜeniu. Dokładność pomiarów musi zapewniać błąd

pomiaru nie większy niŜ (1

2)%. Sygnał z przepływomierza jest najwaŜniejszą

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

połoŜenia 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 (zwęŜki pomiarowe),

−

termoanemometry,

−

drutowe,

−

warstwowe.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

Czujnik anemometryczny drutowy

Do badań na stanowisku laboratoryjnym został uŜyty przepływomierz powietrza

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

paliwa MOTORCRAFT samochodów marki FORD.

Pomiar natęŜenia przepływu powietrza polega na pomiarze natęŜenia prądu

potrzebnego do utrzymania temperatury elementu gorącego na poziomie 100

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

przepływa

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

duŜo 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 nadwyŜkę

temperatury drutu nad temperaturą powietrza. Prąd grzewczy I

lub napięcie drutu są

wówczas miarą przepływu masowego Q

. Prąd lub napięcie są następnie przetwarzane

przez układ dopasowujący na napięcie U

, podawane na sterownik. W sterowniku

układu wtryskowego napięcie to jest przeliczane na wartość wydatku masowego.

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

jego część stanowią rezystory nagrzewające, drugą rezystor słuŜący do pomiaru

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

sowany. Wzmacniacz róŜnicowy reaguje na niezrównowaŜenie 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 naraŜony na

zanieczyszczenia.

Dla dokładnego określenia masy zasysanego powietrza, takŜe w przypadku

pulsacji strumienia w przepływomierzu, sygnał elektryczny termoanemometru jest

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

częstotliwością w procesorze sterownika (do 1000 Hz).

Badanie czujników układu dolotowego silnika

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

growany elektroniczny układ sterujący [8]

Rys. 13.11. Schemat

elektryczny

termoanemometru

drutowego:

– rezystor

kompensacji

temperaturowej,

– rezystor nagrzewany,

– rezystor pomiarowy,

– rezystory

układu mostkowego,

– napięcie pomiarowe,

– prąd grzewczy,

– masowy

wydatek powietrza

Badanie czujników układu dolotowego silnika

Działania termoanemometru moŜna opisać następującymi zaleŜnościami:

∆

(13.2)

gdzie:

– moc elektryczna doprowadzona do drutu,

– moc odprowadzona z drutu,

– rezystancja drutu,

– prąd przepływający przez drut,

– przewodność cieplna drutu,

– straty ciepła przy zerowym przepływie,

∆

– nastawiona róŜnica temperatur.

Z duŜym przybliŜeniem zachodzi równieŜ następujący związek:

)

(

(13.3)

gdzie:

– straty ciepła przy nieruchomym medium,

– gęstość powietrza,

v – prędkość przepływającego powietrza.

Po przekształceniu wzorów otrzymuje się zaleŜność na prąd grzejny:

(

)

∆

(13.4)

Dane techniczne przepływomierza

Zakres pomiarowy

250) kg/h

Napięcie wyjściowe

3) V

Prąd zasilania

(80

150) mA

Napięcie zasilania

12 V

Temperatura drutu (odniesienia)

200

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, Ŝe mierzony jest masowy wydatek

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

Badanie czujników układu dolotowego silnika

waŜną zaletą jest fakt, Ŝe nie zwiększa on oporów przepływu powietrza, co

występowało w przypadku stosowania tarczy lub przesłony spiętrzającej. Wadą tych

przepływomierzy jest natomiast fakt, Ŝe nie potrafią one wykrywać ewentualnych

przepływów zwrotnych i są wraŜliwe na urazy i zanieczyszczenia mechaniczne.

1,5

3,5

ię

V
U

3,0
2,5
2,0

1,0
0,5

250

150

Przepływ , kg/h

200

100

Rys. 13.12. Charakterystyka wyjściowa przepływomierza

Opis stanowiska laboratoryjnego

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

połoŜenia na stanowisku laboratoryjnym znajdują się równieŜ 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 połoŜenia przepustnicy – czujnik potencjometryczny firmy

MAGNETI-MARELLI,

−

przepływomierz powietrza – termoanemometryczny firmy FORD.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

a) Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego do działania

W celu uruchomienia stanowiska laboratoryjnego naleŜy:

−

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 naleŜy ustawić w pozycji „1”. Świecenie włącznika

informuje o gotowości stanowiska do działania.

b) Budowa stanowiska

Na płycie czołowej umieszczono następujące układy pomiarowe:

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

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 połoŜenia 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

czujnikiem

połoŜenia,

4 – rura

układu

dolotowego,

3 – przepływomierz powietrza, 5 – przewód igielitowy

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 równieŜ układy

regulujące obroty silników prądu stałego i zmiennego.

c) Uwagi BHP

Podczas obsługi stanowiska trzeba zachować ostroŜność, szczególnie przy

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

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

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

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

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

którym moŜe 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

C) do 90

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 moŜna 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 moŜna porównać wynik

pomiarów i obliczeń ze wskazaniem wskaźnika temperatury. Na podstawie wyników

pomiarów naleŜy wykreślić charakterystykę czujnika, a następnie porównać ją z

charakterystyką teoretyczną czujnika.

W rzeczywistym układzie obiegu płynu w samochodzie temperatura moŜe

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

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 moŜna 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 naleŜy 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 niŜ

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 połoŜenia przepustnicy

Otwieranie przepustnicy jest przeprowadzane za pomocą dźwigni umieszczonej na

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

dźwigni podziałka wraz ze śrubą blokującą przepustnicę w dowolnym połoŜeniu.

Wyjściowy sygnał napięciowy jest doprowadzony do pulpitu pomiarowego, napięcie

moŜna zmierzyć woltomierzem. Na podstawie wyników pomiarów naleŜy wykreślić

charakterystykę czujnika, a następnie porównać ją z charakterystyką teoretyczną

czujnika.

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

takim teŜ 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 moŜna je

zmierzyć woltomierzem. MoŜna równieŜ zmierzyć prąd zasilania czujnika za pomocą

amperomierza wpiętego w zaciski umieszczone na tablicy nad przepływomierzem.

Badanie czujników układu dolotowego silnika

podstawie wyników pomiarów naleŜy 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

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

wymuszającego przepływ (w rzeczywistym silniku przepływ zmienia się w zakresie

250) kg/h).

Literatura

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

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

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

chodowa. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1999.

ISBN 83-87270-49-0.

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

1385-X.

Praca zbiorowa: Informator techniczny Bosch. Czujniki w pojazdach

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

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

Strona internetowa

www.auto-online.pl

Strona internetowa

www.automotoserwis.com.pl

Strona internetowa

www.gecdsb.com.pl

Strona internetowa

www.delphi.com

10.

Cycoń R.: Badanie czujników wykorzystywanych w układzie dolotowym

zintegrowanego układu wtrysku paliwa. Praca dyplomowa inŜynierska,

Politechnika Śląska, Gliwice 2003.