Датчики і генератори імпульсів реєструють робочий стан двигуна (наприклад, частоту обертання) і задають значення параметрів (наприклад, положення педалі акселератора). Вони перетворять фізичні величини в електричні сигнали. Робота сучасного автомобіля з електронним управлінням зі зворотним зв'язком або без зворотного зв'язку без високоточних і швидкодіючих датчиків була б немислимою.

Мал. 41 Датчик температури охолоджуючої рідини двигуна. 1 - кільце ущільнювача, 2 - різьблення, 3 - електричні висновки, 4 - корпус датчика, 5 - вимірює опір, 6 - охолоджуюча рідина.

Застосування в автомобілях

Датчики і приводи являють собою засоби взаємодії (інтерфейси) між електронними блоками управління, як блоками, обробними інформацію, і автомобілем з його складними управлінням, гальмами, шасі і бортовими функціями, як, наприклад, електронна система курсової стійкості (ESP) і кондиціонер. Як правило, контур інтерфейсу в датчику перетворює сигнали таким чином, щоб вони могли бути оброблені в ЕБУ.

Оскільки датчики знаходяться десь в глибині моторного відсіку або десь ще в автомобілі, вони здебільшого ведуть свою відокремлену життя. Крім того, той факт, що їх розміри постійно стають менше, означає, що вони все менш помітні. Більш того, сучасна тенденція полягає в прагненні "заховати" датчики в блоках, в результаті чого технічне значення останніх зростає, а загальна вартість зменшується. Хорошими прикладами таких блоків є педаль акселератора з вбудованим датчиком положення педалі, композитний сальник колінчастого вала з датчиком частоти обертання і модульний блок масового витратоміра повітря з ниткою термоанемометра.

З іншого боку, датчики повинні задовольняти всі підвищується вимогам, що стосуються як їх вартості, так і функцій. Чим більший вплив вихідний сигнал датчика надає на потужність двигуна і крутний момент, одночасно з впливом на емісію шкідливих речовин з ОГ, керованість автомобіля, безпеку і надійність, тим вони повинні бути більш точними.

Відповідно до цих жорсткими вимогами датчики майбутнього будуть "думаючими". Це означає, що електронна схема датчика буде об'єднуватися з оціночними алгоритмами (обчислювальною обробкою), складними регулювальними функціями і там, де це можливо, функціями самокалібрування.

Мал. 42 Крива характеристики датчика з негативним температурним коефіцієнтом (NTC).

Датчики електронної системи управління дизелів

У наступних нижче параграфах представлені датчики, що застосовуються в даний час в системах управління дизелів.

Майбутнє, таким чином, бачиться в інтегруванні в системи управління нових датчиків, які дозволять забезпечити відповідність з більш строгими правилами по емісії шкідливих речовин з ОГ і постійне діагностування (бортова діагностика OBD - On-Board Diagnostics) з виведенням інформації.

Це будуть датчики складу ОГ і будуть включати не тільки вже відомі кисневі датчики (у- зонди), що застосовуються в бензинових двигунах, але також і датчики тиску і температури ОГ.

Температурні датчики з позитивним (РТС) і негативним (NTC) температурними коефіцієнтами

застосування

Такі температурні датчики встановлюються в різних місцях автомобіля, в залежності від їх призначення.

Мал. 43 Мікросхема мікрометричного датчика тиску DS-LDF4 (схема опорів). 1 - діафрагма, 2 - кремнієвий чіп, 3 - зона розрідження, 4 - скло (пирекс - боросиликатное скло), 5 - міст Уитстона; р - вимірюваний тиск, U "напруга живлення, Uм- вимірюється напруга, R1 - вимірюють резистори (працюють на стиск), R2- вимірюють резистори (працюють на розтягнення).

Датчик температури охолоджуючої рідини двигуна

Цей датчик встановлюється в контурі системи охолодження двигуна і вимірює роль індикатора теплового стану двигуна (рис 41). Інформація датчика дозволяє системі управління адаптуватися до температури двигуна. Діапазон вимірюваних температур датчиком становить -40 - +130 "С.

Датчик температури повітря

Цей датчик встановлюється у впускному тракті двигуна і вимірює температуру повітря на впуску. У координації сдатчиком тиску наддуву датчик температури повітря може бути використаний для точного вимірювання масової витрати повітря, що надходить у двигун. Крім того, установче значення для контуру зворотного зв'язку (наприклад, в системі рециркуляції ОГ, регулювання тиску наддуву) може бути адаптоване як функція температури. Діапазон вимірюваних температур датчиком знаходиться в межах від -40 до + 120 ° С.

Датчик температури масла в двигуні

Сигнал від датчика температури масла використовується при визначенні інтервалу між технічними обслуговуванням. Діапазон вимірюваних температур датчиком становить -40 - + 170 ° С.

Датчик температури палива

Цей датчик встановлюється в ступені низького тиску паливної системи. Температура палива є важливим фактором для точного визначення величини циклової подачі. Діапазон вимірюваних температур датчиком становить -40 - + 120 ° С.

Мал. 44 Чутливий елемент мікромеханічного датчика тиску DS-LDF4 (конструкція). 1 - провід, 2 - опорна розрідження, 3 - електричні висновки в скляній закладенні, 4 - чутливий елемент (чіп) з електронною схемою, 5 - скляне підставу, 6 - кришка, 7 - з'єднання для вимірюваного тиску (р).

Пристрій і принцип роботи

Залежно від умов застосування температурні датчики існують в різних формах і варіантах. Термозалежні напівпровідниковий вимірює резистор монтується всередині корпусу датчика. Це або тип датчиків з негативним температурним коефіцієнтом (NTC - Negative Temperature Coefficient), або з позитивним температурним коефіцієнтом (РТС - Positive Temperature Coefficient).

Електричний опір резисторів в цих датчиках при збільшенні температури, відповідно, або зменшується (NTC), або збільшується (РТС). Вимірювальний резистор встановлюється в ланцюзі з напругою живлення 5 В, а напруга, що вимірюється в ланцюзі, отже, залежить від температури. Ця напруга через аналого-цифровий перетворювач (АЦП) подається в ЕБУ і є, таким чином, мірою температури даного датчика. У пам'яті ЕБУ двигуна зберігається характеристика, за допомогою якої визначається температура по кожному сигналу напруги (рис. 42).

Мікромеханічні датчики тиску

Мал. 45 Чутливий елемент мікромеханічного датчика тиску наддуву DS-LDF4.

застосування

Датчик тиску у впускному колекторі і / або датчик тиску наддуву

Датчик тиску наддуву зазвичай встановлюється безпосередньо на впускному колекторі між турбокомпресором і двигуном. Він вимірює абсолютний тиск у впускному колекторі (2-400 кПа, або 0,02-4,0 бар). Дійсне вимір здійснюється по відношенню до розрідження в колекторі, а не до тиску навколишнього середовища. Це дозволяє проводити точне вимірювання масової витрати повітря, і тому регулювання турбокомпресора може здійснюватися відповідно до режиму роботи двигуна.

Датчик атмосферного тиску

Датчик атмосферного тиску може бути встановлений в ЕБУ або в іншому місці в моторному відсіку двигуна. Сигнал цього датчика використовується для висотної корекції настановних величин в контурах зі зворотним зв'язком (наприклад, для системи рециркуляції ОГ або регулювання тиску наддуву Це дозволяє компенсувати різницю в атмосферному тиску при роботі на різних висотах. Датчик атмосферного тиску вимірює абсолютний тиск в діапазоні 60-115 кПа (0,6-1,15 бар).

Мал. 46 Конструкція мікромеханічного датчика тиску наддуву DS-LDF4. 1 - датчик температури (NTC), 2 - корпус датчика, 3 - стінка впускного колектора, 4 - кільце ущільнювача, 5 - електричний висновок, 6 - кришка корпусу, 7 - чутливий елемент.

Датчики тиску масла і палива

Датчики тиску масла встановлюються в масляному фільтрі і вимірюють абсолютний тиск. Ця інформація використовується для визначення навантаження двигуна, що потрібно для зображення на екрані монітора. Діапазон вимірюваного тиску від 50 до 1000 кПа (0,5-10,0 бар).

Високий опір чутливого елемента датчика по відношенню до вимірюваної середовищі означає, що він може бути використаний також для вимірювання тиску палива в ступені низького тиску паливної системи. Датчик встановлюється або в паливному фільтрі, або на ньому. Його сигнал використовується для відстеження ступеня забруднення палива. Діапазон вимірюваного тиску 20-400 кПа (0,2-4,0 бар).

Пристрій і конструкція

Вимірює елемент є серцем мікромеханічного датчика тиску (рис. 44) і складається з кремнієвого чіпа (2 на рис. 43), всередині якого мікромеханічним способом вставлена ​​тонка діафрагма (1). На діафрагми розташовані чотири вимірюють резистора (R, і Д.), електричний опір яких змінюється, коли до діафрагми прикладається тиск. Чутливий елемент на стороні електронної схеми закритий і герметично ущільнюється кришкою, яка містить в собі зону опорного розрідження (рис. 44 і 45). У датчик тиску може бути також вмонтований температурний датчик (1 на рис. 46), сигнали якого можуть оцінюватися окремо. Перевага такого пристрою полягає в тому, що потрібно тільки один корпус датчика для вимірювання як температури, так і тиску.

Мал. 47 Характеристика мікромеханічного датчика тиску наддуву.

Принцип роботи

Діафрагма чутливого елемента може вигинатися на кілька мікронів (10 -1000 мкм) в залежності від прикладеного до неї тиску. Що виникає в результаті механічне розтягнення викликає зміна опору чотирьох вимірюють резисторів, закріплених на діафрагму (п'єзорезистивного ефект).

Ці вимірюють резистори встановлені на кремнієвому чіпі, так що коли діафрагма деформується через додатки тиску, електричний опір двох резисторів збільшується, а опір двох інших резисторів зменшується. Оскільки резистори є частиною моста Уитстона (5 на рис. 43), то при зміні величини опору змінюється напруга на кінцях вимірювальних резисторів і разом з цим вимірюється напруга UA, яке, таким чином, стає мірою величини тиску, прикладеного до діафрагми.

Використання мостової схеми дозволяє генерувати більш високу вимірюється напруга, ніж це було б можливо в схемі з одним резистором. Міст Уитстона, отже, дозволяє отримати більш високий рівень чутливості датчика. Сторона діафрагми, на якій встановлені елементи електронної схеми і на яку не діє тиск, знаходиться під впливом опорного розрідження (2 на рис. 2 с. 44) і, таким чином, датчик вимірює абсолютний тиск.

Електронна схема формування сигналу вбудована в чіп і служить для посилення напруги моста, компенсації температурних коливань і лінеаризації кривої характеристики тиску. Вихідна напруга, що становить величину 0-5 В, через електричні висновки датчика (5 на рис. 46) подається на ЕБУ, в якому розраховується величина тиску за допомогою запрограмованої характеристичної кривої (рис. 47).

Мал. 48 Індуктивний датчик частоти обертання. 1 - постійний магніт, 2 - корпус датчика, 3 - блок циліндрів двигуна, 4 - магнітний сердечник, 5 - електромагнітна обмотка, 6 - повітряний зазор, 7 - магнітне поле, 8 - задатчик кутових імпульсів (зубчастий диск) з лічильник - пропуском зубів .

Індуктивні датчики частоти обертання і положення вала

застосування

Датчики частоти обертання використовуються для визначення: кута положення колінчастого вала (положення поршнів двигуна); положення плунжера електромагнітного клапана, керуючого ТНВД розподільного типу.

Частота обертання розраховується за частотою сигналу датчиків. Вихідний сигнал від датчика частоти обертання є одним з найважливіших в системі електронного управління двигуна.

Пристрій і принцип роботи

Датчик встановлюється безпосередньо навпроти феромагнітного зубчастого диска - задатчика кутових імпульсів (8 на рис. 1), від якого його відділяє невеликий повітряний зазор. Датчик має сердечник з магнітомягкого заліза (4), який укладено в електромагнітну обмотку (5). Сердечник з'єднаний також з постійним магнітом (1), і магнітне поле проходить через сердечник і зубчастий диск - задатчик імпульсів (8). Інтенсивність магнітного потоку, що проходить через обмотку, залежить від того, чи знаходиться датчик навпаки зуба на диску або навпаки проміжку (пропуску зубів). Оскільки магнітний потік концентрується зубами диска, що призводить до збільшення магнітного потоку через обмотку, то при підході пропуску зубів він слабшає. Отже, при обертанні зубчастого диска виникають коливання магнітного потоку, які, в свою чергу, генерують синусоїдальні коливання напруги в електромагнітної обмотці, пропорційні швидкості зміни магнітного потоку (рис. 48). Амплітуда коливань змінної напруги збільшується строго паралельно зі збільшенням швидкості обертання зубчастого диска (від декількох мВ до 100 В). Для генерування достатнього рівня сигналу потрібно, принаймні, 30 хв-1.

Мал. 49 Сигнал від індуктивного датчика частоти. 1 - виступ (зуб), 2 - проміжок між виступами, 3 - установча відмітка.

Кількість зубів на задатчике кутових імпульсів залежить від конкретного застосування. Наприклад, в системі автоматичного управління двигуна з електромагнітним клапаном керування подачею палива зазвичай використовується задатчик з числом зубів 60, хоча при цьому два зуба відсутні (8 на рис. 48) і диск, таким чином, має 58 зубів. Дуже великий пропуск зубів (8) встановлюється для визначення положення колінчастого вала і служить як відмітка для синхронізації в ЕБУ.

Існує інший варіант задатчика кутових імпульсів, який має один зуб на циліндр. Отже, в разі чотирициліндрового двигуна задатчик має чотири зуби і, відповідно, генеруються чотири імпульсу на один оборот зубчастого диска.

Геометрія зубів задатчика і магнітного сердечника повинні відповідати один одному. Електронна схема в ЕБУ перетворює синусоїдальну напругу, яке характеризується чітко мінливими амплітудами, в середньоквадратичний сигнал з постійною амплітудою для його оцінки в мікропроцесорі ЕБУ.

Існує інший варіант задатчика кутових імпульсів, який має один зуб на циліндр. Отже, в разі чотирициліндрового двигуна задатчик має чотири зуби і, відповідно, генеруються чотири імпульсу на один оборот зубчастого диска.

Геометрія зубів задатчика і магнітного сердечника повинні відповідати один одному. Електронна схема в ЕБУ перетворює синусоїдальну напругу, яке характеризується чітко мінливими амплітудами, в середньоквадратичний сигнал з постійною амплітудою для його оцінки в мікропроцесорі ЕБУ.

Мал. 50 Чутливий елемент датчика Холла. UH - напруга Холла, UR- напруга на чутливому елементі, B- магнітна індукція, a - відхилення електронів магнітним полем.

датчики Холла

застосування

Розподільчий вал двигуна обертається в два рази повільніше колінчастого вала. При русі даного поршня до ВМТ кутове положення розподільного валу є індикатором того, чи є це тактом стиснення або тактом випуску. Датчик фази положення розподільного валу забезпечує цією інформацією ЕБУ.

Пристрій і принцип роботи

У датчику кутового положення вала використовується ефект Холла. На задатчике кутових імпульсів, закріпленому на розподільному валу, є виступи (зуби) з феромагнітного матеріалу і, коли один з цих виступів проходить повз токоведущего чутливого елемента (чіпа) датчика, його магнітне поле направляє електрони чіпа в вертикальному напрямку, як це показано на рис . 50. У результаті з'являється сигнал напруги (напруга Холла), який направляється в ЕБУ як інформація про робочому циклі в циліндрі №1. Вихідна напруга датчика знаходиться в діапазоні мілівольт і не залежить від відносної швидкості між датчиком і зубчастим диском. Перед відправленням сигналу він оцінюється обчислювальним контуром, вбудованим в датчик.

Мал. 51 Характеристика чутливого елемента датчика Холла.

Диференціює принцип Холла

Крім звичайних датчиків Холла застосовуються також так звані диференційні чутливі елементи Холла. Вони складаються з двох чутливих елементів Холла, які просторово зміщені один від іншого, і вихідний сигнал в цьому випадку пропорційний різниці в щільності магнітних потоків в вимірюваних точках. Переваги дифференцирующего принципу лежать в більш широкому діапазоні значень повітряного зазору і в хорошій якості температурної компенсації. Одна обставина, яке слід брати до уваги для таких датчиків Холла, полягає в необхідності забезпечення більш високої точності при їх установці в точці вимірювання, а також необхідність застосування дворядного зубчастого диска для генерування сигналу в кожному датчику Холла.

Датчик Холла стрижневого типу

Чутливий елемент такого датчика Холла розташований безпосередньо на полюсі постійного магніту. При проходженні феромагнітного елемента магнітний потік в датчику змінюється, а разом з ним і вихідна напруга датчика.

Мал. 52 Варіанти датчиків положення педалі акселератора. а - датчик PWG3 положення педалі акселератора, b -модуль FMP1 педалі акселератора підвісного типу, з -модуль FMP1 педалі акселератора вертикального типу. 1 - датчик, 2 - педаль акселератора, 3 - кронштейн педалі.

Цифрові вихідні сигнали

Цифрові вихідні сигнали також можуть бути отримані в датчиках Холу.

Датчики положення педалі акселератора

застосування

У сучасних системах електронного управління двигунів бажання водія (наприклад, для прискорення або підтримки постійної швидкості руху) не передаються системі управління двигуна тросом Боудена або інший механічною передачею. Замість цього датчик положення педалі акселератора (також називається датчиком ходу педалі PWG) реєструє дане положення педалі і передає цю інформацію в ЕБУ.

Мал. 53 Характеристика датчика положення педалі акселератора з додатковим потенціометром. 1 - потенціометр 1 (головний потенціометр), 2 - потенціометр 2 (50% напруги).

Пристрій і робота

Серцем датчика положення педалі акселератора є потенціометр, напруга на кінцях якого є функцією положення педалі. Розрахунок положення педалі в ЕБУ здійснюється за допомогою запрограмованої в ЕБУ характеристики. Другий (резервний) датчик використовується в діагностичних цілях і, в разі необхідності, для виконання деяких рівнозначних функцій. Існують два варіанти датчиків:

1. Вимикач мінімальної частоти обертання холостого ходу і включення зниженої передачі при розгоні (kick-down). Навіть при дуже малих переміщеннях педалі акселератора вимикач мінімальної частоти обертання холостого ходу змінює свій робочий стан від "сигналу мінімальної частоти обертання холостого ходу" до "сигналу повного навантаження". У разі автомобілів з автоматичною коробкою перемикання передач використовується другий вимикач, який може видавати сигнал "kick-down".
2. Другий потенціометр. На всіх робочих режимах другий, додатковий, потенціометр використовується, щоб забезпечити половину напруги першого потенціометра ( "Здвоєний фактор потенціометра 2") (Рис. 53).

Датчики педалі акселератора встановлюються або індивідуально (а на рис. 52), або як повний модуль (Ь і з на рис. 52), де ніяких регулювань між установкою педалі акселератора і датчиком не потрібно.

Мал. 54 Схема масового витратоміра повітря HFM5 з плівковим термоанемометром. 1 - висновки електричного роз'єму, 2 - вимірювальний патрубок або корпус повітряного фільтра, 3 - обчислювальний контур (гібридна схема), 4 - вхід повітря, 5 - чутливий елемент датчика, 6 - вихід повітря, 7 - обвідний канал, 8 - корпус датчика.

Масовий витратомір повітря HFM5 з плівковим термоанемометром

застосування

Для забезпечення оптимального процесу згоряння, яке необхідно для виконання норм викиду шкідливих речовин, що визначаються законодавством, потрібен точний масовий витрата повітря в залежності від режиму роботи двигуна.

Особливо це стосується легкових автомобілів, де потрібна установка датчика, який може точно вимірювати величину масової витрати повітря, що подається в циліндри двигуна. Така висока точність необхідна для визначення величини пульсацій і зворотних струмів повітря, що виникають в результаті відкриття і закриття впускних і випускних клапанів. Точність вимірювання не повинна при цьому залежати від змін температури повітря на впуску. Всі ці умови виконуються масовим витратоміром повітря HFM5 з плівковим термоанемометром.

Пристрій і конструкція

Патрубок вмонтований в масовий витратомір повітря HFM5 з плівковим термоанемометром (2 на рис. 54), який в залежності від необхідного двигуном витрати повітря має різні діаметри (діапазон витрати повітря 370-970 кг / год). Він встановлюється у впускному каналі за повітряним фільтром. Можливий також варіант вбудованого патрубку для вимірювання, який встановлюється всередині повітряного фільтра.

Повітря, що входить у впускний колектор, обтікає чутливий елемент датчика (5), який разом з обчислювальним контуром (3) є основним компонентом датчика HFM5.

Для нанесення компонентів чутливого елемента на підставу напівпровідникової друкованої плати і компонентів обчислювального контуру на керамічне підставу застосовується метод осадження з парової фази. Ця технологія дозволяє отримати дуже компактну конструкцію датчика. Вхідне повітря проходить через обвідний канал (7) за чутливим елементом датчика. Чутливість датчика при наявності сильних пульсацій потоку може бути поліпшена застосуванням відповідної конструкції обвідного каналу, при цьому визначаються також і зворотні струми повітря. Датчик HFM5 з'єднується з ЕБУ через висновки (1).

Мал. 55 Сигнал напруги датчика HFM5 як функція масової витрати повітря, що обтікає датчик.

Мал. 56 Принцип вимірювання масової витрати повітря плівковим термоанемометром.
1 - профіль температури при відсутності потоку повітря, 2 - профіль температури
при наявності потоку повітря, 3 - чутливий елемент датчика, 4 - зона нагріву,
5 - діафрагма датчика, 6 - датчик HFM5 з вимірювальним патрубком, 7 - потік повітря.
М1, М2 - точки вимірювання, Т1, Т2 значення температури в точках вимірювання М1, і М2,
ДТ - перепад температур.

Принцип роботи

Масовий витратомір повітря HFM5 з плівковим термоанемометром є "тепловим датчиком". Нижче дається опис принципу його роботи.

Мікромеханічними діафрагма датчика (5 на рис. 56) на чутливому елементі (3) нагрівається центральним нагріваючим резистором. При цьому має місце різке падіння температури на кожній стороні зони нагріву (4).

Розподіл температури по діафрагмі реєструється двома температурозависимого резисторами, які встановлюються симетрично до і після нагріває резистора (точки вимірювання М1 і М2). При відсутності потоку повітря на впуску температурна характеристика 1 (рис. 56) однакова на кожній стороні вимірювальної зони (Т1 = Т2). Як тільки потік повітря починає обтікати чутливий елемент датчика, розподіл температури по діафрагмі змінюється (характеристика 2).

На стороні входу повітря температурна характеристика є більш крутий, оскільки вхідне повітря, що обтікає цю поверхню, охолоджує її. Спочатку на протилежному боці (сторона, найближче розташована до двигуна) чутливий елемент датчика охолоджується, але потім повітря, що підігрівається нагрівальним елементом, нагріває його. Зміна в температурному розподілі (дельта Т) призводить до перепаду температур між точками вимірювання М1 і М2.

Тепло розсіюється в повітрі і, отже, температурна характеристика чутливого елемента датчика є функцією масової витрати повітря. Різниця температур, таким чином, є міра масової витрати повітря і при цьому вона не залежить від абсолютної температури протікає потоку повітря. Крім цього, різниця температур є спрямованою. Це означає що масовий витратомір не тільки реєструє кількість вхідного повітря, але також і його напрямок.

Завдяки дуже тонкої мікромеханічними діафрагми датчик має дуже високу динамічну чутливість (<15 мс), фактор виняткової важливості, особливо якщо мають місце великі пульсації вхідного повітря.

Різниця опорів в точках вимірювання М1 і М2 перетворюється вбудованим в датчик обчислювальним (гібридної схемою) контуром в аналоговий сигнал напругою 0-5 В. Такий рівень напруги підходить для обробки сигналів в ЕБУ. Використовуючи характеристику датчика (рис. 55), запрограмовану в ЕБУ, виміряна напруга перетвориться в розмір, що подає масова витрата повітря (кг / год). Форма кривої характеристики є такий, що діагностичні пристрої, вбудовані в ЕБУ, можуть визначати такі порушення, як обрив ланцюга.

У датчик HFM5 може також бути вмонтований температурний датчик для виконання допоміжних функцій. Він розташовується в пластмасовому корпусі і не є обов'язковим для вимірювання масової витрати повітря.