Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Давачі новітніх автомобільних електронних систем

Давачі тиску

На сучасних автомобілях використовується велика кількість давачів тиску (від тиску масла до диференціального тиску повітря по різні боки кузова), і їх кількість постійно зростає.

Вимірювання тиску в різних рідинних і газоподібних текучих середовищах проводиться на автомобілі в процесі розробки, виробництва та експлуатації. Результати цих вимірювань необхідні для проведення експериментальних досліджень, забезпечення нормальної безпечної експлуатації автомобіля, видачі інформації водієві, для діагностики.

В залежності від вимірюваного параметра можуть застосовуватися різні одиниці вимірювання тиску. В системі СІ це паскаль (Па) або кілопаскаль (кПа). Незалежно від методу вимірювання в технічних системах визначається надлишковий, абсолютний або диференціальний тиск.

Таблиця 1

[psi]

[мм.рт.ст]

[кПа]

[psi]

1,0

51,715

6,8947

[мм.рт.ст]

0,0193

1,0

0,133332

[кПа]

0,1450

7,5006

1,0

У табл. 1 наведені співвідношення між різними одиницями виміру тиску, які використовуються при маркуванні давачів в автомобільній промисловості. Тут psi - це фунт на квадратний дюйм, одиниця, яка застосовується в англомовних країнах.

Сучасний серійний автомобіль має декілька давачів для вимірювання тиску,наприклад, розрідження у впускному колекторі, тиску масла в двигуні і т.д.

У табл. 2 наведені деякі вузли автомобіля, де є необхідність вимірювання тиску з метою отримання керуючих сигналів для ЕСАУ.

Таблиця 2

Система

Параметр

Діапазон

Керування двигуном

Абсолютний тиск у впускному колекторі [кПа]

100

Абсолютний тиск у впускному колекторі двигуна з наддувом [кПа]

200

Барометричний тиск [кПа]

100

Тиск в системі рециркуляції вихлопних газів [кПа]

51,7

Тиск палива [кПа]

450

Коробка перемикання передач

Тиск масла [кПа]

550

Антиблокувальна система гальм

Тиск масла [кПа]

3447

Повітряні подушки безпеки

Тиск газу [кПа]

51,7

Підвіска

Тиск в пневматичному амортизаторі [мПа]

1,0

Водієві зазвичай видається інформація з наступних давачів: тиску масла в двигуні, рівня палива, рівня масла, тиску охолоджувальної рідини, рівня охолоджувальної рідини, рівня рідини в омивачі, рівня рідини в коробці перемикання передач, тиску в шинах.

Давачі барометричного тиску і абсолютного тиску у впускному колекторі.

Такі давачі використовуються в системах управління двигуном при визначенні маси палива по об'ємній витраті повітря. Цей спосіб дешевший в реалізації в порівнянні з безпосереднім вимірюванням масової витрати повітря, але менш точний. Можуть використовуватися тільки для діагностики в бортових діагностичних системах другого покоління OBD-II.

Давачі барометричного (атмосферного) тиску потрібні для адаптації ЕБУ до перепадів висоти і змін погоди. Вони застосовуються спільно з витратоміром повітря за обсягом. Часто це один і той самий давач, тоді вимір атмосферного тиску проводиться, коли запалювання включене, а двигун ще не працює. При їзді в горах іноді доводиться спеціально зупинятися і перезапускати двигун для адаптації системи управління подачі палива до нової висоти.

Випускаються і здвоєні давачі (рис. 3). Вхід барометричного давача залишається відкритим і на нього подається атмосферний тиск, вхід давача розрідження з'єднується вакуумним шлангом з впускним колектором.

Комбінований барометричний давач тиску та розрідження (Ford)

Рис. 3. Комбінований барометричний давач тиску та розрідження (Ford): 1 - вакуумний шланг; 2 - шланг в атмосферу

Сучасний інтегральний давач тиску в захисному корпусі

Рис. 4. Сучасний інтегральний давач тиску в захисному корпусі

Барометричні давачі і давачі тиску, що застосовуються для вимірювання розрідження у впускному трубопроводі, можуть бути різних конструкцій. Давачі тиску дискретної дії являють собою пристрій, де замикання і розмикання контактів відбувається під дією пружної мембрани, що реагує на вимірюваний тиск.

Давачі тиску неперервної дії являють собою або потенціометр, повзунок якого пов'язаний з мембраною, або котушку індуктивності, в яку мембрана під дією тиску всуває магнітний сердечник.

Сучасні інтегральні давачі (рис. 2.3) підключаються до мікропроцесора ЕБУ через комутатор і аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Для 8-розрядного контролера крок дискретизації може становити до 4 мс, для 16-розрядного - до 2 мс.

Похибка давача абсолютного тиску у впускному колекторі звичайно близько 1%.

Давач барометричного тиску працює в діапазоні 60 ... 115 кПа, має похибку близько 1,5%. По краях робочого діапазону, як по температурі, так і по тиску, похибка зростає.

Давачі абсолютного тиску в двигунах з надувом працюють в діапазоні тиску 20 ... 200 кПа.

Спрощена електрична схема давача абсолютного (атмосферного) тиску з колами компенсації

Рис. 5. Спрощена електрична схема давача абсолютного (атмосферного) тиску з колами компенсації: А - коло температурної компенсації; B - вимірювальний міст; С - підналаштування нуля; D - коефіцієнт підсилення; E - термокомпенсація підсилювача

Розглянуті давачі мають, як правило, інтегральне виконання і кріпляться до стінок відповідних трубопроводів.

Широкого поширення набули напівпровідникові давачі з перетворювачем тиску на кремнієвому кристалі, в роботі якого використовується п'єзорезистивний ефект (рис. 5, 6). На поверхні кристала сформований місток опорів, струм через які змінюється під дією деформації. Потім струм підсилюється і вводиться температурна компенсація. Ці давачі відрізняються невеликими розмірами і високою надійністю. Інтегральні давачі дуже технологічні, їх вихідний сигнал уніфікований для підключення до аналогових або імпульсних входів мікроконтролера.

Давач розрідження у впускному трубопроводі

Рис. 6. Давач розрідження у впускному трубопроводі

Інформацію про тиск залежно від конструкції давача несе величина вихідної напруги або його частота.

У табл. 3 наведені характеристики деяких давачів абсолютного тиску.

Таблиця 3

Розрідження, мм.рт.ст.

GM, Вольти

Ford, Гц

Розрідження, мм.рт.ст.

GM, Вольти

Ford, Гц

0

4,8

156…159

308,4

2,54

25,7

4,52

334,1

2,36

51,4

4,46

359,8

2,20

77,1

4,26

385,5

2,00

114…117

102,8

4,06

411,2

1,80

128,5

3,88

141…143

436,9

1,62

154,2

3,66

462,6

1,42

108…109

179,9

3,50

488,3

1,20

205,6

3,30

514

1,10

102…104

231,3

3,10

539,7

0,88

257

2,94

127…130

565,4

0,66

282,7

2,76

Давачі тиску в рідинних середовищах.

На автомобілях вони традиційно засновані па перетворенні переміщення пружної діафрагми в положення перемикача або движка потенціометра. За таким принципом працюють усі давачі тиску масла в ДВЗ колишніх конструкцій. Сьогодні електромеханічні давачі заміняються па кремнієві або інтегральні керамічні. Безпосередньо в корпусі давача розміщують уніфікуючі перетворювачі. Є захист від електромагнітних перешкод, мікросхеми працюють при температурі -40 ... + 150 °С в умовах вібрацій, при тиску до 500 psi (3440 кПа), в агресивних хімічних середовищах. З міркувань вартості корпуси давачів виготовляються з пластмаси, стійкої до перерахованих впливів.

Інформація про тиск масла в коробці перемикання передач використовується контролером, що керує перемиканням швидкостей. Вимоги до давачів тут такі ж, як і при вимірюванні тиску масла в двигуні.

Тиск рідини в гальмівній гідравлічній системі набагато вищий, ніж в коробці перемикання передач. Наприклад, в ABS він може досягати 500 psi (3440 кПа). Тиск рідини в гальмівній системі автомобіля близько 150 psi (1030 кПа), він вимірюється давачами на легкових автомобілях на етапі випробувань і на важких вантажівках при експлуатації. На пасажирському автомобілі достатньо мати один давач тиску для контролю за гідравлічною системою. Наприклад, в системі ABS-VI фірми GM тиск оцінюється по струму електродвигунів насосів.

Нові застосування давачів тиску.

Давачі, що описуються нижче, використовуються на стадії розробки нових автомобільних систем. Їх застосування на серійних автомобілях визначається ціною, запитами споживача, вимогами законодавства, необхідністю при діагностиці.

Система контролю тиску повітря в шинах

Система дозволяє стежити за тиском в шинах і при його зменшенні нижче заданого рівня на панелі приладів автомобіля загоряється ламповий або світлодіодний індикатор.

Кожному колесу відповідає окремий індикатор. Знижений тиск у шинах підвищує їх знос, а також витрату палива, може призвести до втрати керування автомобілем, підвищений - призводить до вібрацій. На рис. 7 показані блок-схема системи контролю тиску в шинах і розміщення давача в колесі автомобіля.

Система складається з трьох основних елементів. На ободі колеса встановлений мембранний мініатюрний давач тиску (перший елемент), що замикає контакти при зниженні тиску в шині і тим самим створює вторинне коло для високочастотного випромінювача (другий елемент), який розміщений на вузлі кріплення гальмівних колодок (на супорті). Давач тиску постійно проходить в безпосередній близькості від випромінювача при обертанні колеса. Факт появи вторинного кола для випромінювача фіксується ЕБУ. На панелі приладів загоряється контрольний індикатор (третій елемент), що відповідає колесу зі зниженим тиском в шині. Система вимірює тиск з точністю до ± 50 мілібар. При нагріванні на 10 °С тиск в шині підвищується на 1,5 psi (10,33 кПа). Підвищення температури повітря в шині не позначається на точності давача тиску і не викликає помилкових спрацьовувань системи.

Система контролю тиску в шинах

Рис. 7. Система контролю тиску в шинах: а - розміщення на колесі; б - блок схема

В іншому варіанті система контролю тиску повітря в шинах містить аналогові давачі тиску і температури. Ці давачі розміщуються в шинах і передають безконтактним способом інформацію в ЕБУ про тиск і температуру, навіть якщо автомобіль нерухомий. Враховуються також швидкість і завантаження автомобіля.

Тиск у системі рециркуляції вихлопних газів.

Система рециркуляції вихлопних газів (exhaust gas recirculation - EGR) призначена для зменшення вмісту оксидів азоту (NOx) у вихлопних газах. При наявності сонячного світла NOx вступає в реакцію з вуглеводнем, утворюючи канцерогенний фотохімічний смог.

Вперше система EGR була застосована в автомобілях Chrysler в 1972 році. Оксиди азоту виникають при температурі в камері згоряння вище 1370 °С (2500 °F). При деяких режимах роботи двигуна, коли не використовується повна потужність, наприклад, при рівномірному русі по шосе, можна зменшити температуру згоряння робочої суміші, тобто піти на зменшення потужності. Це досягається введенням невеликої кількості (6 ... 10%) вихлопних газів з випускного у впускний колектор. Так як вихлопні гази інертні, то вони розбавляють ПП-суміш, не змінюючи співвідношення повітря / паливо.

З 80-х років EGR стала частиною електронної системи управління двигуном. У відповідності з вимогами до бортових діагностичних систем другого покоління OBD-II, система управління двигуном постійно контролює справність клапана EGR, так як вихід його з ладу призводить до збільшення забруднення навколишнього середовища вихлопними газами автомобіля.

Наприклад, на автомобілях Ford в трубі між EGR і впускним колектором робиться вставка з отвором, що калібрується і вимірюється диференціальний тиск по обидві її сторони. Коли клапан EGR відкривається, цей тиск зменшується, що фіксується комп'ютером за допомогою давача диференціального тиску. Коли клапан EGR закритий, тиск по обидва боки вставки стає однаковим. На серійних автомобілях можуть також застосовуватися давачі положення клапана EGR. Положення клапана модулюється в залежності від розрідження у впускному колекторі за принципом широтно-імпульсної модуляції або 3-розрядного цифроаналогового перетворювача, коли в різній комбінації відкриваються 3 електроклапана з перерізами в співвідношенні 1-2-4. Зміни тиску на 50 мм рт. ст. достатньо для відкривання клапана. Диференціальний тиск зазвичай дорівнює 200 мм рт. ст. Тиск парів палива в баку.

Автомобіль виробляє токсичні відходи при експлуатації, які потрапляють у навколишнє середовище: 60% у вигляді вихлопних газів під час руху, 20% у вигляді картерних газів і 20% за рахунок випаровування пального. Для зменшення шкідливого впливу випаровувань пального, останні надходить з баку в адсорбер з активованим вугіллям, об'ємом 850 ... 1000 см3, де накопичуються і спалюються в двигуні у потрібний час. На рис. 2.7 показана система уловлювання парів бензину з паливного бака, в якій для управління продувкою адсорбера використовується клапан з диференціальним давачем тиску між тиском в задросельній зоні впускного колектора і тиском парів палива в баку. Робочий діапазон ± 0,5 psi (3,5 кПа).

Система уловлювання парів бензину

Рис. 8. Система уловлювання парів бензину

Тиск бензину в рампі.

Регулятори тиску палива в рампі форсунок зазвичай виконують механічними і розташовують безпосередньо на рампі. У деяких моделях (наприклад, 5,9-літровий Dodge Magnum) паливний фільтр і регулятор тиску розташовані безпосередньо в баку, що виключає повернення нагрітого палива, зменшує його випаровування. Є системи подачі палива зі стабілізацією тиску в рампі без зворотної лінії, де паливний електронасос включається системою стабілізації періодично.

Стрибки тиску.

Такі явища можуть виникати в різних автомобільних системах. Наприклад, в системі подачі палива нормальний тиск менше 75 psi (520 кПа), але під час роботи форсунок можуть бути стрибки до 300 psi (2070 кПа).

Під час зворотного спалаху у впускному колекторі тиск піднімається до 75 psi (520 кПа).

Традиційні методи боротьби із стрибками тиску: механічні стопори і фільтри, раціональна (ударостійка) конструкція давачів. У сучасних інтегральних давачах тиску використовуються кремнієві чутливі елементи. Їх модуль пружності 30*106 psi (не гірше, ніж у сталі), а напруга текучості навіть вища (180 ... 300 psi). У міцному корпусі такі давачі зазвичай витримують стрибки тиску.

Нові конструкції давачів тиску.

Мембранні потенціометричні давачі.

Чутливим елементом тут є гнучка діафрагма або мембрана. При зміні тиску її переміщення перетворюється в положення движка потенціометра. Для потенціометричних давачів характерні підвищений рівень шуму, знос, статичне тертя ускладнює регулювання в діапазоні менше 0,5% від номіналу.

Резистивний дротяний потенціометр з ковзаючим контактом - один з найбільш простих і ефективних перетворювачів переміщення. Для його використання потрібно лише з'єднати ковзний контакт (движок) з рухомим об'єктом, а іншу частину потенціометра закріпити нерухомо. Але движок потенціометра контактує з окремими витками на котушці, тому вихідний сигнал (напруга) перетворювача змінюється не безперервно, а у вигляді перемежованих малих і великих стрибків. Малий стрибок має місце, коли движок замикає два сусідніх витка, великий стрибок відповідає моменту переміщення движка до наступного витка і розмикання контакту з попереднім витком. Таким чином, роздільна здатність цього перетворювача залежить від діаметра намотаного дроту і може бути покращена шляхом використання більш тонкого дроту. Для потенціометра з щільністю намотування 50 витків на міліметр, що близько до практичної межі, гранична роздільна здатність складає 20 мкм.

Сьогодні в потенціометричних давачах використовується плівкове покриття резистивної доріжки. Більш докладно про потенціометричні та інші традиційні давачі ЕСАУ див.

Давачі тиску на основі лінійних диференціальних трансформаторів (ЛДТ).

У цих давачах зміщення діафрагми перетворюється в переміщення сердечника ЛДТ. Такі давачі раніше на автомобілях не застосовувалися.

Лінійний диференціальний трансформатор - це електромеханічний пристрій, що виробляє вихідний електричний сигнал, пропорційний переміщенню феромагнітного сердечника. ЛДТ складається з первинної і двох вторинних обмоток, симетрично розташованих на циліндричному каркасі. Феромагнітний сердечник у формі стрижня, що вільно рухається всередині обмоток, забезпечує зв'язок цих обмоток через магнітний потік. На рис. 9 показана конструкція ЛДТ і наведена його принципова електрична схема.

При збудженні первинної обмотки за допомогою зовнішнього джерела змінної напруги в двох вторинних обмотках наводяться ЕРС взаємоіндукції. Вторинні обмотки включені послідовно і зустрічно, тому результуючий вихідний сигнал перетворювача являє собою різницю цих напруг і дорівнює нулю, коли сердечник знаходиться в центральній (або в нульовий) позиції.

Коли сердечник покидає цю позицію то напруга, індукована в тій вторинній обмотці, до якої рухається сердечник, зростає, а напруга, індукована в інший вторинній обмотці, зменшується. В результаті виробляється диференційний вихідний сигнал, величина якого лінійно залежить від положення сердечника. Фаза вихідної напруги змінюється стрибком на 180° при переході через нульову позицію.

Корисну інформацію про переміщення несуть амплітуда і фаза вихідного сигналу. Доводиться використовувати фазочутливі демодулятори, які існують в інтегральному виконанні.

На автомобілях ЛДТ можуть застосовуватися в давачах абсолютного тиску впускного колектора, де вони перетворюють переміщення мембрани в електричний сигнал.

Лінійний диференціальний трансформатор і його принципова схема

Рис. 9. Лінійний диференціальний трансформатор і його принципова схема

ЛДТ забезпечує похибку перетворення переміщення сердечника в напругу порядку 0,25%.

Первинна обмотка живиться синусоїдальною напругою 3 ... 15 В з частотою 2 ... 5 кГц. Коефіцієнт трансформації диференціального трансформатора 10:1 ... 2:1.

ЛДТ характеризується відсутністю тертя, стабільністю нуля, гальванічною розв'язкою входу і виходу, може працювати в агресивних середовищах.

Ємнісні давачі тиску.

У таких давачах одна з обкладок конденсатора є діафрагмою, яка прогинається при зміні тиску. Номінальна ємність конденсатора визначається залежністю С = А•k•е/d, де А - площа обкладки, е - діелектрична стала, d - відстань між обкладками, k - коефіцієнт, що залежить від конструкції давача. В якості чутливих елементів використовуються кремнієві або керамічні діафрагми.

На рис. 10 показаний ємнісний давач з кремнієвим чутливим елементом для вимірювання розрідження (Ford).

Ємнісний давач

Рис. 10. Ємнісний давач

Кремнієва діафрагма закріплена на корпусі зі скла Pyrex, поверхня скла металізована для створення обкладки конденсатора методом фотолітографії. Після закріплення кремнієвої діафрагми на скляній основі спеціальним герметиком в порожнині створюється вакуум, отвори запаюються припоєм, який утворює виводи конденсатора для монтажу на друковану плату або керамічну підкладку. Ємність конденсатора змінюється лінійно приблизно від 32 до 39 пФ при зміні тиску від 17 до 105 кПа. Розміри давача 6,7 х 6,7 мм, коефіцієнт ТКЕ - (30 ... 80) • 10-6 на °С, нелінійність менше 1,4%, час встановлення показів менше 1 мс. Вихідний сигнал давача для підключення до ЕБУ зазвичай перетворюють в частоту.

Аналогічно влаштовані і керамічні давачі.

Скловолоконний давач тиску.

Для вимірювань великих тисків або при високих температурах застосовуються спеціальні методи. Цілком можливо, що для безпосереднього вимірювання тиску в камері згорання на серійних автомобілях буде використовуватися скловолоконний давач. Це потрібно для керування двигуном і контролю процесу запалювання робочої суміші.

Скловолоконний, іноді говорять волоконно-оптичний, давач (рис. 11) витримує температури до 550 °С (більше, ніж п'єзоелектричний), робочий діапазон тисків 0 ... 1000 psi (7000 кПа) з перевантаженнями до 3000 psi.

Скловолоконний давач тиску

Рис. 11. Скловолоконний давач тиску

Світлове випромінювання від джерела проходить через оптичне волокно і потрапляє на діафрагму розбіжним пучком. Відбите від діафрагми випромінювання проходить по іншому каналу кабеля. Інтенсивність зворотного світлового випромінювання залежить зазору D та положення діафрагми. Дослідні зразки давачів монтувалися безпосередньо в свічу запалювання і мали похибку менше 5%.

В якості давачів аварійного тиску і для виконання інших нескладних функцій у сучасних автомобільних системах, поряд з описаними вище, як і раніше застосовуються найпростіші контактні давачі.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Право
Психология
Религиоведение
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее