Устройство датчиков электронных систем управления двигателя

Д.Соснин
Любая электронная система автоматического управления (ЭСАУ) включает в свой состав множество различных преобразователей неэлектрических воздействий в электрические сигналы. Такие устройства принято называть датчиками, так как они задают необходимую входную информацию для работы ЭСАУ. При этом одна группа датчиков реагирует на внешние управляющие сигналы и случайные возмущения, а другая воспринимает сигналы от самой системы управления и возвращает их обратно в систему. Первая группа непосредственно управляет работой системы и адаптирует ее к случайным внешним воздействиям (возмущениям). Вторая — образует обратные связи, чем способствует улучшению параметров и характеристик системы, повышает эффективность ее работы. В данной статье описываются датчики, которые наиболее часто используются в электронных системах автоматического управления автомобильным двигателем

1. Предварительные замечания

Датчик (Д), как преобразователь неэлектрического воздействия (НВ) в электрический сигнал (ЭС), всегда состоит, как минимум, из двух частей (рис. 1а) — чувствительного элемента (ЧЭ), который обладает способностью воспринимать входное неэлектрическое воздействие, и преобразователя (П) неэлектрического сигнала (НС) от чувствительного элемента в электрический сигнал (ЭС).

Датчики бывают активными устройствами, в которых электрический сигнал возникает за счет внутреннего энергетического преобразования без использования внешней электрической энер гии (рис. 1 б), и пассивными, в которых электрический сигнал есть следствие модуляции внешней (ВЭ) электрической энергии (рис. 1 в). Например, обычное переменное сопротивление с ползунковым контактом (потенциометр) может выполнять функции пассивного датчика угла поворота.

2. Датчики угла поворота

Модель потенциометрического датчика угла поворота показана на рис. 1г. В таком пассивном датчике чувствительным элементом (ЧЭ) является ось вращения, на которую установлен ползунковый контакт, а резистивная дорожка П — это преобразователь углового положения оси (которое является неэлектрическим сигналом (НС) на выходе чувствительного элемента) в выходную резистивную величину (рис. 1д). Электрический сигнал (ЭС) на выходе потенциометрического датчика появится только после того, как на резистивную дорожку будет подана внешняя электрическая энергия (ВЭ) в виде постоянного напряжения. Тогда электрический потенциал на ползунковом контакте относительно одного из выводов резистивной дорожки и будет выходным электрическим сигналом (ЭС) датчика.
На рис. 1е показана линейная характеристика преобразования потенциометрического датчика. Характеристику можно легко изменить и сделать нелинейной, ступенчатой, с разной крутизной на участках, чем широко пользуются при изготовлении датчиков с требуемой характеристикой преобразования. Достигается это как изменением ширины резистивной дорожки на участках, так и распределением толщины резистивного слоя на ней. Иногда применяются многодорожечные двухползунковые потенциометры.

Следует заметить, что погрешность преобразования пассивного потенциометрического датчика зависит как от точности изготовления чувствительного элемента ЧЭ и преобразователя П, так и от стабильности постоянного напряжения внешней энергии ВЭ. Поэтому там, где требуется высокая точность, применяются специальные конструктивные меры [1], а постоянное напряжение ВЭ стабилизируется.

К потенциометрическим датчикам ЭСАУ-Д относятся: датчик углового положения дроссельной заслонки — ДПД (см. Ремонт & Сервис, 2000, № 2, с. 52, рис. 7); датчик углового положения ротаметра расходомера воздуха — ДРВ (см. Ремонт & Сервис, 2000, № 7, с. 46, рис. 2); датчик положения педали акселератора (ДПА); датчики положения различных поворотных устройств (например, поворотного барабана в узле дроссельной заслонки системы «Motronic», — см. Ремонт & Сервис, 2000, № 7, с. 49, рис. 5).

Классические датчики уровня топлива в бензобаке и давления масла в ДВС — также потенциометрические. Все потенциометрические датчики имеют на выходе аналоговый электрическийческий сигнал и при работе в составе цифровой ЭСАУ требуют применения аналого-цифровых преобразователей. Стандартная (образцовая) форма сигнала для потенциометрических датчиков угла поворота (на примере ДПД) показана на рис. 2 в*.

3. Контактные датчики ЭСАУ-Д

На современном автомобиле помимо потенциометрических достаточно большое количество контактных датчиков, состоящих из электрической контактной пары (преобразователь датчика) и механического толкателя (чувствительный элемент). Такие датчики являются пассивными и работают по принципу разрыва или замыкания элек трической цепи и поэтому на выходе имеют дискретный сигнал «да-нет», который легко преобразуется в цифровой.

В современных ЭСАУ-Д контактные датчики применяются в основном как датчики краевых положений дроссельной заслонки в составе датчика ее положения, или как отдельные устройства. В некоторых случаях контактный датчик используется как микровыключатель электробензонасоса при неработающем двигателе, но включенном зажигании. Такой датчик устанавливается в расходомере воздуха (см. Ремонт & Сервис, 2000, №2, с. 52, рис. 7).

4. Датчики Холла

Суть эффекта Холла состоит в том, что если прямоугольный токопроводящий брусок К, по которому протекает постоянный электрический ток Iв, поместить в поперечное постоянное магнитное поле В, то в третьем декартовом направлении на боковых гранях бруска будет наводиться электродвижущая сила Ех, которая по имени ее открывателя названа ЭДС-Холла. Направление этой ЭДС, как и в классическом индукционном трезубце (ILBLF), определяется по правилу левой руки. На рис. 3 а показана модель элемента Холла. Если магнитные силовые линии поля В в зазоре Р перекрыть магнитонепроницаемой шторкой, ЭДС-Холла исчезнет. Если шторку, которую часто называют магнитным аттенюатором, убрать, то ЭДС-Холла появится вновь. Таким образом элемент Холла совместно с магнитным аттенюатором образуют датчик, в котором чувствительным элементом является аттенюатор, а преобразователем — элемент Холла. Ясно, что для работы датчика Холла требуется внешний источник постоянного тока, т. е. этот датчик, как и вышеописанные, является пассивным. Для устойчивой работы и стабилизации выходного сигнала датчика элемент Холла собирается на полупроводниковой микроплате вместе с электронной схемой (рис. 3 б). В микроэлектронную схему входят усилительограничитель W, формирователь на триггере Шмидта Т, эммитерный повторитель VT и стабилизатор St напряжения питания.

В реальном датчике Холла (рис. 3 в) микроплата 1 и постоянный магнит 2,3 установлены неподвижно и разделены вращающимся аттенюатором 4, который выполнен в виде полого цилиндра с магнитопрозрачными окнами 5. Выходной сигнал такого датчика представляет собой последовательность прямоугольных импульсов со стабильными амплитудой и формой (см. рис. 2з), которые не зависят от скорости переключения датчика. Число импульсов в единицу времени и их длительность определяются частотой вращения магнитного аттенюатора и числом окон на нем.
Число окон на аттенюаторе ровно числу цилиндров ДВС.

Длительность каждого импульса при конкретной частоте следования определяется размером окна аттенюатора по периметру его окружности. Окно для первого цилиндра шире остальных, благодаря чему может быть зафиксирована точка начала отсчета.

Таким образом, с помощью датчика Холла и электронной схемы обработки его выходного сигнала могут быть определены три главных входных параметра для системы зажигания: частота вращения коленвала ДВС, его положение относительно верхней мертвой точки для любого цилиндра в любой момент времени, а также положение точки начала отсчета. Безынерционность датчика и стабильность параметров сигнала позволяют реализовать управление углом опережения зажигания в каждом такте, т. е. для каждого цилиндра в отдельности.

5. Пьезоэлектрические датчики

В современных ЭСАУ-Д помимо вышеописанных пассивных датчиков достаточно широко используются и активные. В активных датчиках реализуются самые разнообразные физические эффекты, при которых имеет место внутреннее энергетическое преобразование внешнего неэлектрического воздействия в выходной электрический отклик.

Примером к сказанному может служить пьезоэлектрический эффект. Устройство, реализующее этот эффект, показано на рис. 4 а и называется пьезоэлементом.

Суть пьезоэлектрического эффекта в том, что при механическом воздействии НВ на пластинку ПК пьезокристалла, которая с обеих сторон покрыта токопроводящей пленкой ТК и одним концом жестко закреплена в фиксирующем держателе ФД, на токопроводящих покрытиях ТК появляется разность электрических потенциалов (электрический сигнал ЭС), величина и форма которой пропорциональна степени прогиба пластинки под воздействием входного механического усилия НВ. Пьезокристаллический элемент может быть любой формы — прямоугольным бруском, плоской пластиной, круглой шайбой, трубчатым цилиндром, что определяется конструкцией опоры и местом приложения внешнего усилия к пьезоэлементу. Пьезоэлемент способен реагировать на самые разнообразные механические воздействия, начиная от одиночного удара и до высокочастотных ультразвуковых колебаний. Пьезоэлемент (преобразователь) совместно с конструктивным устройством для восприятия и передачи входного механического усилия (чувствительный элемент) образуют пьезоэлектрический датчик. Достоинствами такого датчика являются малые размеры, безынерционность и активный принцип действия (не требуется внешний источник электрической энергии).

На автомобиле пьезоэлектрические датчики применяются в ультразвуковых системах защиты стекол дверей от несанкционированного вскрытия, в системе предотвращения от соударений автомобиля с препятствием, но главное использование пьезоэлектрического датчика — в качестве датчиков ЭСАУ-Д. Таких датчиков два: измеритель абсолютного давления (разрежения) во впускном коллекторе двигателя (тензометрический датчик МАР нагрузки двигателя) и детонационный датчик.
• Пьезоэлектрический преобразователь детонационного датчика (ДД) выполняется в виде шайбы, которая посредством стяжного болта и инерционной массы прижимается к полированной площадке на блоке цилиндров (рис. 4 б). Точка установки датчика определяется экспериментально на этапе конструктивной разработки двигателя (в жидкостной ванне определяются узлы ультразвуковых волн на блоке цилиндров и выбирается тот, который поближе к камере сгорания). Для отработанной модели блока место установки датчика детонации остается постоянным. Стандартная форма сигнала детонационного датчика показана на рис. 2 д. В электронном блоке такой сигнал сначала фильтруется, а затем амплитуда огибающей функции сравнивается с допустимым уровнем для сигнала детонации. При превышении заданного уровня авторегулятор зажигания корректирует угол опережения зажигания соответствующим образом.
• Тензометрический датчик (МАП) абсолютного давления в отличие от детонационного является пассивным преобразователем. Под воздействием внешнего усилия в тензодатчике изменяется его внутреннее омическое сопротивление. Конструктивно тензодатчик представляет собой полупроводниковую микроструктуру, пьезоэлементом в которой является тонкая (около 0,2 мм) силиконовая пластина (рис. 4 в). На этой пластине технологически сформированы четыре резистивных зоны (омические сопротивления), которые соединены между собой по мостовой схеме. В одну диагональ моста подается стабилизирован ное напряжение +5 В, а напряжение, снимаемое с другой диагонали есть линейная функция от абсолютного давления (разрежения) над силиконовой пластиной. Для того, чтобы тензодатчик имел требуемую характеристику преобразования, под силиконовой пластиной создается герметизированная вакуумная полость (между пластиной и стеклянной подложкой). Остаточное давление в полости не превышает 0,1 бар, благодаря чему силиконовая пластина, как упругая диафрагма, прогибается в сторону вакуумной полости — при нормальном атмосферном давлении над пластиной, или полностью прогибается вверх при разрежении над пластиной — диафрагмой. Линейные размеры чувствительного элемента тензодатчика не превышают 2. 3 мм. Если тензодатчик предназначен для работы с цифровой ЭСАУ-Д, то его аналоговый сигнал преобразуется в форму, показанную на рис. 2и. Подобно датчику Холла, тензодатчик выполняется на общей подложке с микросхемой для формирования сигнала. Такой датчик обычно устанавливается непосредственно в электронном блоке ЭСАУ-Д и соединяется с задроссельной зоной впускного коллектора с помощью тонкого вакуумного шланга. Но возможны и другие варианты установки датчика МАР. Окончание следует

6. Индуктивные датчики

Как видно из рисунка, основными составными частями такого датчика являются катушка индуктивности L с постоянным магнитом NS (преобразователь) и зубчатый диск ФД, зубцы Z которого выполнены из ферромагнитного материала (чувствительный элемент). Спецификой индуктивного датчика является конструктивная разобщенность его элементов (диска и индуктивного преобразователя). Таким образом, индуктивный датчик ИД представляет собой только половину преобразователя неэлектрической величины (круговой частоты Wд коленвала) в электрический сигнал (в частоту F,- следования электрических импульсов). Другая половина — зубчатый диск ФД.

Принцип действия индуктивного датчика основан на первом законе электромагнитной индукции и заключается в том, что увеличение или уменьшение (изменение) магнитного потока Ф через витки Wд катушки индуктивности L вызывает возникновение в них (в витках) электродвижущей силы (ЭДС) Ed=WdФ/dt. Согласно приведенной модели (см. рис. 5а) для реализации описанного принципа в реальном индуктивном датчике его катушка L насажена на постоянный стержневой магнит NS. Один полюс магнита (например, северный N) выступает в сторону зубцов Z ферромагнитного диска ФД, а другой (южный S) упирается в цилиндрический магнитопровод МП. Магнитопровод МП и выступающий торец (магнитный щуп N) постоянного магнита совместно с зубцами Z ферромагнитного диска ФД образуют рабочий воздушный зазор датчика. При вращении диска ФД (коленвала ДВС) величина рабочего воздушного зазора постоянно изменяется от минимума, когда зубец находится под магнитным щупом датчика (соответствует чертежу рисунка), до максимума, когда под щуп попадает впадина между зубцами. Изменение рабочего зазора вызывает изменение его магнитного сопротивления, а значит и магнитного потока Ф через витки Wд катушки L. Это и приводит к появлению знакопеременной ЭДС, точка перемены знака (нулевая точка) которой соответствует середине вершины (центру) зубца. Нулевая точка может быть легко зафиксирована с помощью несложной обработки ЭДС E в электронной схеме. Это позволяет достаточно точно определять угловое положение каждого зубца диска (а значит и коленвала) относительно точки начала отсчета. Стандартная форма сигнала индуктивного датчика показана на рис. 2е.

Индуктивный датчик устанавливается так, чтобы его магнитный щуп находился в непосредственной близости (0,5. 1,5 мм) к ферромагнитным зубцам диска, а сам диск располагается либо на переднем, либо на заднем торце коленвала. Такой индуктивный датчик иногда называется датчиком оборотов двигателя (ДОД), так как он позволяет определять частоту Wд вращения коленвала двигателя по частоте F,- следования генерируемых им импульсов. Кроме того, с его помощью можно измерять угол поворота коленвала между двумя характерными событиями, сосчитав между ними число импульсов датчика. В последнем случае индуктивный датчик называется датчиком угловых импульсов (ДУИ).

Так как зубчатая (стартерная) венечная шестерня маховика дви гателя выполняется их ферромагнитного материала, то ее (шестерню) часто используют в качестве зубчатого диска индуктивного датчика. В таком случае для определения точки начала отсчета устанавливается второй (дополнительный) индуктивный датчик, генерирующий один импульс за один оборот коленвала. Ферромагнитным возбудителем дополнительного датчика является стальной штырь, ввернутый в маховик сбоку в определенном месте (рис. 5 б). Это место соответствует точке положения коленвала, от которой до верхней мертвой точки (ВМТ) первого поршня остается столько угловых градусов, сколько предусмотрено микропроцессором в данной цифровой ЭСАУ-Д для проведения вычислений угла опережения зажигания (обычно 45. 60°). Такое устройство называется датчиком начала отсчета (ДНО) и используется совместно с датчиком угловых импульсов (ДУИ).

Но функции датчика начала отсчета может выполнять и сам датчик угловых импульсов, если его возбудителем является зубчатый диск с пропуском одного или двух зубцов в том месте, где устанавливается стальной штырь для ДНО (рис. 5, в). Такой датчик называется индуктивным датчиком коленчатого вала (ДКВ). Образцовая осциллографическая форма сигнала ДКВ показана на рис. 2ж.

7. Датчики концентрации кислорода

Кислородный датчик* вырабатывает сигнал обратной связи Uд для электронного блока управления впрыском (ЭБУ-В), который (ЭБУ) корректирует состав ТВ-смеси по коэффициенту избытка воздуха а на входе системы. Корректировка реализуется изменением продолжительности впрыска бензина форсункой ФВ (изменяется длительность управляющего импульса St).

Датчик кислорода для ЭСАУ-Д может быть выполнен в трех вариантах: как химический источник тока (ХИТ) с управляемой по концентрации кислорода электродвижущей силой; как хеморезистор**, у которого величина электрического сопротивления зависит от парциального давления кислорода в омываемых датчик выхлопных отработавших газах; как термопара с термоЭДС, зависящей от концентрации кислорода.
• Датчик кислорода как ХИТ (рис. 6 б) состоит из двух платиновых элетродов Pt и твердого электролита из диоксида циркония ZrO2 между ними. Диоксид циркония имеет пористую структуру и нанесенные с обеих сторон (в вакууме) на его поверхность тонкие пленки платины (электроды), также пористые с микроскопическими отверстиями. По газовым потокам электроды разобщены так, что один из них находится во внешней окружающей среде (ВАС), а другой — омывается выходными отработавшими газами (ВОГ).

Таким образом, создается электрохимическая система [(O’2)Ptj [ZrO2] [Pt(O»2)], которая становится активной при нагреве до температуры выше 350°С. Природа возникающей активности указанной системы связана с высокотемпературным разложением молекул кислорода О2 на положительные ионы и свободные электроны (О2 > 2О+ + 2е). Такая реакция имеет место в порах твердого электролита за платиновыми пористыми электродами, где в присутствии платинового катализатора и при температуре выше 350°С кислород переходит в ионизированное состояние. Если концентрация кислорода с обеих сторон твердого циркониевого электролита одинаковая (О’2 = О»2), то разность электрических потенциалов на платиновых электродах равна нулю (количество носителей электрических зарядов в противоположных зонах одинаковое). С уменьшением концентрации кислорода в отработавших газах (О2′ > О’2) по сравнению с окружающей атмосферой (за счет выгорания О’ в цилиндрах ДВС) равновесие электрических зарядов нарушается, образуется движение ионов кислорода в электролите и на электродах возникает электродвижущая сила (ЭДС) Ед датчика. Полярность Ед относительно наружного электрода, соединенного с «массой» (с корпусом) датчика, — положительная.

На рис. 6г показан чертеж датчика концентрации кислорода в разрезе, который ввернут в трубу 1 выпускного коллектора. Атмосферный воздух (ВАС) попадает внутрь активного элемента 4 датчика через воздушные каналы 6, просверленные в крепежном корпусе 8. Выхлопные отработавшие газы (ВОГ) «омывают» наружную поверхность активного элемента 4, к которому они проникают через прорези 16 в защитном колпачке 2. Наружный контактный платиновый слой 3 активного элемента 4 электрически соединен с корпусом 8 и далее через уплотнительную шайбу 14 — с «массой» двигателя. Внутренний платиновый слой 5 (положительный электрод) соединен с клеммой 11 выходного сигнального контакта посредством прижимного контактного соединения 7 и соединительного штыря 12 с контактной шайбой 15. Внутренняя полость 13 — керамический изолятор. Назначение других деталей датчика концентрации кислорода (ДКК) очевидно из чертежа.

Характеристика преобразования кислородного датчика показана на рис. 6 в, а образцовая форма текущего значения сигнала ДКК — на рис. 2г. При коэффициенте а > 1 величина Ед

Термистор 3 помещается в защитный теплопроводный корпус 2 с крепежной резьбой для установ ки датчика в нужном месте и с электрическими контактами 1. По мере прогрева двигателя омическое сопротивление чувствительного элемента такого датчика (с NTC) уменьшается, а следовательно уменьшается и падение напряжения на ДТД. При этом образцовая форма сигнала датчика соответствует осциллограмме, показанной на рис. 2б.

В заключение следует отметить, что известен также целый ряд «экзотических» датчиков для ЭСАУ-Д (см., например, [2]). Но их применение на современных легковых автомобилях крайне ограничено.