Датчики расхода

Датчики расхода необходимы для оптимальной реализации основных функций управления двигателем. Например, в системах управления впрыском количество подаваемого в двигатель топлива рассчитывается по массе воздуха, подаваемого в цилиндры. Масса воздуха М_А измеряется непосредственно или косвенно, по объемному расходу:

n – число оборотов; V – объем двигателя (литраж), η – коэффициент использования объема двигателя (η = f (n)), Р – разрежение во впускном коллекторе, R_А – конструктивная постоянная, Т_А – температура воздуха во впускном коллекторе.

При косвенном измерении массы М_А воздуха следует учитывать зависимость объема V от коксования, а также запаздывание изменений Р по отношению к изменениям М_А. Такой способ получается более дешевым по отношению к непосредственному измерению массы воздуха, но менее точным.

Современные автомобили оснащаются в основном датчиками для непосредственного измерения массы М_А всасываемого в цилиндры воздуха. Выходной сигнал таких датчиков аналоговый (0...4 В) или частотный.

Помимо измерения массы поступающего в двигатель воздуха датчики расхода уже сегодня находят применение на автомобиле в следующих случаях:

- при определении расхода топлива для информационной системы водителя. Расход определяется по разности между количеством топлива, поступившим в рампу форсунок и возвращенным в бак;

- при определении расхода газа через клапан рециркуляции выхлопных газов (EGR). При определенных условиях выхлопные газы через клапан EGR охлаждают камеру сгорания, что понижает содержание NO_x в выхлопе. Контроль за расходом газа через клапан – один из способов проверки правильности его функционирования;

- при определении расхода дополнительного воздуха в каталитическом нейтрализаторе. В некоторых типах нейтрализаторов для минимизации токсичных веществ СО и СН применяется подача дополнительного воздуха при прогреве двигателя, когда рабочая смесь богатая. Исправность насоса контролируется по расходу воздуха. Непосредственный контроль за составом выхлопных газов не применяется из-за высокой стоимости измерительного оборудования.

Датчики расхода имеют принцип действия, основанный на измерении одного из следующих параметров: угла отклонения парусной заслонки или скорости вращения турбины, находящихся в потоке среды (жидкости или газа); частоты вращения вихревых потоков за рассекателем; падения давления среды после прохождения ею препятствия (дросселя); изменения температуры находящегося в потоке среды нагретого тела.

По виду выдаваемой информации датчики расхода жидкостей и газов подразделяют на две группы – на расходомеры и массметры.

Если расход жидкости или газа (например, воздуха) определяется по объему пропущенной среды, то датчик называется объемным расходомером. К таким датчикам относятся расходомеры воздуха для автомобильных систем впрыска бензина.

В свою очередь расходомеры воздуха подразделяются на механические – с круглым плавающим ротаметром; потенциометрические – с парусной измерительной заслонкой; вихревые (датчики Кармана) – с рассекателем воздушного потока, выполняющего функцию генератора воздушных завихрений, частота или вариации давления в которых несут информацию об объеме пропущенного воздуха.

При измерении расхода жидкости (например, бензина) чаще применяются более простые расходомеры с вращающейся турбиной в подвижном потоке, по частоте вращения турбины определяется объем пропущенной жидкости. Так как объем жидкостей под действием температуры изменяется незначительно, то с небольшой погрешностью можно считать, что значению этого параметра соответствует и масса (вес) жидкости.

Если расход текучей среды (жидкости или газа) определяется непосредственно по массе, то измерительный датчик называется массметром.

Массметры, в отличие от расходомеров, выдают более качественную метрологическую информацию. Особенно это касается воздушных массметров, т. к. объем газообразных сред, в отличие от жидкостей, в значительной степени зависит от температуры и давления. Так, в расходомерах воздуха, работающих в системах впрыска бензина, приходится устанавливать дополнительные (корректирующие) датчики температуры и давления в атмосферном воздухе. Массметры в системах впрыска работают без таких датчиков.

Основной принцип действия воздушных массметров основан на применении платиновой нити, разогретой электрическим током, в качестве датчика информации о массе проходящего воздушного потока, охлаждающего разогретую нить. Такой принцип измерения массы воздуха пришел в технику из метеорологии и называется термоанемометрическим.

Масса подаваемого в двигатель топлива F_M связана с массой воздуха А_М и требуемым значением коэффициента избытка воздуха λ соотношением:

Масса воздуха может быть выражена через его объем A_V и плотность А_D.

Плотность воздуха A_D определяется по его давлению и температуре во впуск-ном коллекторе с помощью соответствующих датчиков. В простейшем случае объем воздуха A_VRPM рассчитывается по числу оборотов двигателя в минуту N:

где D – объем двигателя, V_Е – коэффициент использования объема, зависящий от оборотов.

Если в двигателе применяется рециркуляция выхлопных газов, их объем A_VEGR также учитывается:

Объем A_VEGR зависит от положения клапана системы рециркуляции выхлопных газов.

В датчиках расхода воздуха с измерительной заслонкой по отклонениям заслонки определяют непосредственно объем воздуха A_V. Объем выхлопных газов A_VEGR, если они подаются в камеру сгорания, системой рециркуляции учитывать не требуется. Для определения плотности воздуха во впускном коллекторе устанавливаются датчики температуры и давления.

В современных системах управления двигателями устанавливаются, как правило, датчики массового расхода воздуха.

В измерителе расхода воздуха воздушный поток воздействует на заслонку, закрепленную на оси в специальном канале. Поворот заслонки потенциометром преобразуется в напряжение, пропорциональное расходу воздуха. Воздействие воздушного потока на заслонку уравновешивается пружиной. Демпфер с пластиной, выполненной как одно целое с измерительной заслонкой, служит для гашения колебаний, вызванных пульсациями воздушного потока и динамическими воздействиями, характерными для движущегося автомобиля. На входе в измеритель расхода воздуха встроен датчик температуры поступающего в двигатель воздуха. Недостатком измерителя расхода является наличие подвижных деталей и скользящего контакта.

Подвижных деталей не имеют измерители расхода воздуха ионизационного, ультразвукового, вихревого и термоанемометрического типов.

Термоанемометрический измеритель расхода воздуха для системы впрыскивания топлива «LH-Jetronic» представляет собой автономный блок, устанавливаемый во впускной тракт двигателя. Наиболее ответственной частью термоанемометра является внутренний измерительный канал 6 (рисунок 3), состоящий из пластмассовых обойм, которые окружают несущие кольца нагреваемой платиновой нити 2 диаметром 100 мкм и термокомпенсационного пленочного резистора 3. Корпус 5 имеет камеру для размещения электронного блока, который поддерживает постоянным перегрев нити относительно потока на уровне 150 °С путем регулирования силы тока измерительного моста. Выходным параметром измерителя расхода воздуха служит падение напряжения на прецизионном резисторе 1. На входе и выходе основного канала измерителя расхода воздуха установлены защитные сетки, которые одновременно выполняют функции стабилизирующих элементов.

Рисунок 3 – Термоанемометрический измеритель расхода воздуха системы «LH-Jetronic»

1 – прецизионный резистор; 2 – измерительный элемент; 3 – термокомпенсационный элемент; 4 – стабилизирующие решетки; 5 – пластмассовый корпус; 6 – внутренний измерительный канал, в котором располагаются элементы. Поз. 1, 2, 3 (на схеме показаны в увеличенном виде)

На рисунке 4 показан автомобильный термоанемометрический измеритель расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом на твердых керамических подложках. Основой конструкции является чувствительный элемент, включающий измерительный и термокомпенсационный резисторы. Пластмассовая рамка с чувствительным элементом размещается в измерительном патрубке измерителя расхода воздуха. Температура перегрева измерительного терморезистора – 70 °С. Она поддерживается с помощью электронной схемы управления.

Рисунок 4 – Термоанемометрический расходомер с пленочным чувствительным элементом

1 – корпус; 2 – датчик температуры воздуха; 3 – стабилизирующая решетка; 4 – внутренний измерительный канал; 5 – чувствительный элемент; 6 – электронная схема

Термоанемометр на основе металлополимерных чувствительных элементов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Металлополимерный чувствительный элемент:

1 – измерительный терморезистор; 2 – термокомпенсационный резистор; 3 – полиамидный изоляционный материал

Датчики Кармана относятся к вихревым расходомерам воздуха. Если узкий стержень (рассекатель) разместить поперек равномерного воздушного потока, то за стержнем начнут образовываться завихрения. Принцип работы датчика Кармана основан на измерении частоты вращения вихревых потоков, которые образуются за поперечным стержнем в потоке всасываемого воздуха. Скорость V потока воздуха определяется уравнением:

где d – константа, зависящая от геометрии стержня; S_t – критерий подобия неустановившихся движений текучих сред (число Струхаля), для конструкций автомобильных датчиков расхода воздуха S_t= 0,23; f – частота вращения вихревых потоков (генерации вихрей).

По частоте f определяют скорость V, затем по известному поперечному сечению входного канала датчика – объем воздуха.

Частоту генерации вихрей определяют ультразвуковым методом или по вариациям давления.

В ультразвуковых датчиках (рисунок 6) частоту генерации вихрей определяют по доплеровскому сдвигу частоты ультразвуковой волны (обычно 50 кГц) при ее рассеянии движущейся средой (потоком воздуха).

Рисунок 6 – Ультразвуковой датчик Кармана

Рисунок 7 – Датчик Кармана с измерением вариаций давления

Датчики Кармана на основе подсчета числа вихрей по вариациям давления гораздо дешевле. В них полупроводниковый, чувствительный к изменениям давления элемент расположен непосредственно за вихреобразующим стержнем (рассекателем). Вихрь, появляющийся за стержнем, вызывает изменение давления, которое преобразуется в электрический сигнал, поступающий в ЭБУ двигателя. Конструкция такого датчика показана на рисунке 7. Он состоит из формирователя ламинарного потока (ламинатора) на входе, треугольного поперечного стержня (рассекателя) – генератора вихрей и емкостного датчика давления. В корпусе также размещены датчики температуры и барометрического давления для определения массы поступающего воздуха по его объему. На холостом ходу датчик выдает сигнал с частотой около 100 Гц, при полной загрузке двигателя – около 2000 Гц.

Информация о расходе топлива на автомобиле необходима как для бортовых систем контроля, так и для адаптивных систем управления двигателем. В электромеханических измерителях расхода топлива турбинного типа (тахометрических) считывающим элементом при определении частоты вращения турбин является светодиод инфракрасного излучения и фоторезистор. В расходомере предусмотрены демпфирующее устройство для гашения пульсаций потока, системы для удаления воздушных пробок из потока топлива, а также система термокомпенсации.

В одном из вариантов теплового измерителя расхода топлива датчик представляет собой четыре терморезистора, соединенных в мостовую схему и размещенных по периферии на тонкой квадратной подложке. Поток жидкости омывает терморезисторы и в большей степени охлаждает те из них, которые расположены перпендикулярно потоку. В диагонали моста возникает разностный сигнал, фиксирующий расход топлива.

В системах впрыскивания следует учитывать количество топлива, поступающего от форсунок или стабилизатора давления обратно в бак, и компенсировать влияние пульсаций потока топлива и вибрации двигателя на показания измерителей расхода топлива.

Дата добавления: 2015-08-13