Датчики управления двигателем автомобиля (стр. 2 из 12)
1. датчики концентрации кислорода oxygen sensors, или λ-зонды,
2. датчики оксида азота (NOx или nitrogen oxide sensors).
Основная задача датчика концентрации кислорода — контролировать ТВС двигателя по содержанию O2 в отработавших газах, чтобы при коэффициенте избытка воздуха λ = 1 достичь стехиометрического соотношения воздух/топливо, соответствующего смеси, в которой все топливо расходуется в процессе горения. Для бензиновых двигателей это соотношение составляет по весу примерно 14,7:1. Если воздуха меньше, топливо будет оставаться после сгорания — такая смесь является богатой. Недостаток богатой смеси — несгоревшее топливо в выхлопных газах, которое становится источником загрязнений. Если в ТВС в избытке воздух, наблюдается выброс кислорода (бедная смесь). Это способствует образованию загрязнений в виде оксида азота, и в некоторых случаях вызывает нарушение работы двигателя.
Активная керамическая часть (ZrO2) Thimble-датчика представляет собой твердый электролит в форме трубки, закрытой на одном конце, который нагревается изнутри электрически (рис. 2а–б). Электрически подогреваемые (а не нагреваемые выхлопным газом) датчики особенно удобны для измерения параметров двигателя, действующего на обедненной топливной смеси; они работоспособны и во время прогрева двигателя.
При высокой температуре (свыше 350 °C) электролит становится проводящим и реагирует на содержание кислорода в выхлопном газе, образуя характерный гальванический заряд, который снимается с электродов, покрывающих внутреннюю и верхнюю поверхности керамики, — слоев платины с микропорами. Максимальное значение заряда соответствует λ = 1. Заряд преобразуется в выходное ступенчатое напряжение датчика (рис. 2в) обычно от 0,1 до 0,9 В с 0,45 В при достижении стехиометрического соотношения. Типичное сопротивление составляет 2–6,5 Ом. Данный тип датчика функционирует, сравнивая чистый атмосферный воздух с выхлопами, поэтому очень чувствителен к различным загрязнениям — грязи, маслу, от которых датчик необходимо защищать.
Для того чтобы получить аналоговый сигнал, пропорциональный соотношению воздух/топливо, конструкция датчика широкого диапазона использует дуальный сенсорный элемент, включающий ячейку Нернста в планарном исполнении, как в датчике narrow range, но с дополнительным слоем кислородного насоса и диффузионным зазором. Корпус имеет также опорную камеру и нагревательный элемент. Если существует разница в уровнях концентрации кислорода через элемент ZrO2, в сенсорном элементе протекает ток, на основе которого формируется сигнал напряжения.
Датчики концентрации кислорода на основе оксида титана TiO2 (рис. 2и), выпускаемые, например, компанией NGK Spark Plugs, не способны вырабатывать напряжение самостоятельно. Вместо этого варьируется сопротивление элемента — в диапазоне 1–20 кОм. Это значительное изменение может прочитываться ECU, который генерирует выходное напряжение, питая датчик TiO2 опорным напряжением приблизительно в 1 В. При богатой смеси сопротивление датчика быстро падает, и уровень сигнала напряжения в ECU становится высоким; при бедной смеси сопротивление быстро увеличивается, а напряжение в ECU переключается к низкому уровню. Существуют и нагреваемые версии датчика на основе диоксида титана, что позволяет понизить сопротивление датчика до 4–7 Ом.
Необходимо учитывать, что автомобили оборудуются ECU, рассчитанным либо на использование датчика на основе диоксида титана, либо датчика на основе диоксида циркония. Эти датчики не взаимозаменяемы. Датчики на основе TiO2 более надежны, поскольку способны функционировать в условиях сильных загрязнений и не зависят от состояния окружающего воздуха в опорной камере и прочих факторов, важных для датчиков на основе диоксида циркония, поэтому актуальны для автомобилей, эксплуатируемых в жестких окружающих условиях.
Влиянием выхлопных газов (прежде всего NOx), которые вызывают смог и кислотные дожди, обусловлена разработка новых датчиков газа. Правительства многих стран требуют от автопроизводителей не только снижения эмиссии этих газов, но и ограничения в выхлопных газах других продуктов горения — например, CO, SOx, и CO2. Датчики газа детектируют содержание выхлопных газов и подают сигналы в управляющий блок для контроля ТВС и систему рециркуляции отработавших газов Exhaust Gas Recirculation (EGR).
Для того чтобы выяснить величину концентрации NOx, обычно используются две измерительные камеры. Первая камера за счет прикладывания напряжения к насосной ячейке заполняется кислородом, концентрация которого определяется измерительной ячейкой и поддерживается постоянной. Вторая сенсорная ячейка измеряет ионы кислорода, выделенные из NOx при диссоциации во второй камере, и вырабатывает сигнал (ионный ток кислорода), пропорциональный концентрации NOx. Уточненные методы позволяют детектировать нулевую концентрацию.
В качестве примера можно привести интеллектуальный датчик с многослойным сенсорным элементом ZrO2, который разработан совместно с NGK и выпускается Siemens VDO (рис. 2к). Датчик допускает как прямое измерение NOx, так и соотношения воздух/топливо. Интеллектуальный датчик включает газовый сенсорный элемент и электронный блок, генерирующий три сигнала: NOx, двоичный, линейный. Данные передаются к ECU двигателя посредством шины CAN. Датчик характеризуется независимостью от системных поставщиков и системы управления двигателем.
Датчик массового расхода воздуха Mass Air Flow Sensors
Растущая потребность в снижении эмиссии CO2 увеличивает полезную роль датчика массового расхода воздуха (рис. 3) в регулировании соотношения воздух/топливо для оптимизации процесса сгорания. Двигатели с искровым зажиганием и электронным дозированием подачи топлива в качестве основного управляющего параметра используют именно расход воздуха.
Рис. 3. Современные автомобильные датчики массового расхода воздуха: а — микромеханический датчик массового расхода воздуха Bosch; б — эволюция измерительных технологий Bosch; в — измерительный принцип микромеханического сенсорного элемента Bosch; г — датчики массового расхода воздуха Hitachi; д — датчики массового расхода воздуха Visteon; е — датчик массового расхода природного газа Hitachi; ж, з, и — датчики массового расхода воздуха SiemensVDO Integrated Mass Airflow (SIMAF) к — датчик расхода вторичных масс воздуха SiemensVDO.
В бензиновых двигателях сигнал датчика массового расхода воздуха вместе с сигналами других датчиков помогает регулировать подачу топлива в двигатель. В дизельных двигателях датчик помогает контролировать процесс рециркуляции отработавших газов и вычислять максимальное количество инжекции.
Датчики массового расхода воздуха обеспечивают аналоговый, частотный или аналоговый пропорциональный сигнал напряжения, который передается к ECU и соответствует массе воздуха, поданной в двигатель.
Расход воздуха определяется при его прохождении через впускной патрубок двигателя, где устанавливается датчик. Измеряется масса расходуемого воздуха, хотя может определяться объем и динамическое давление. Максимальная масса расходуемого воздуха зависит от эффективной мощности двигателя и находится в диапазоне 400–1000 кг/ч.
В датчике используется три чувствительных элемента, один из которых определяет температуру окружающего воздуха, два других нагреваются до известной температуры, превышающей температуру воздуха. В процессе работы двигателя поступающий к нему воздух охлаждает нагреваемые элементы. Классическая, но несколько устаревшая методика определения массового расхода воздуха основана на измерении электрической мощности или тока, необходимого для поддержания заданного превышения температуры.
Сегодня актуальны микромеханические MEMS-расходомеры массы воздуха, включающие тонкопленочные нагреваемые и управляющие электронные элементы, размещенные на одной подложке (рис. 3а–в). Нагреваемые и измерительные резисторы выполняются в виде тонких платиновых слоев, депонированных на поверхность кристалла кремния, который устанавливается на утонченную подложку (подобная концепция используется и в датчиках давления). Датчик температуры подогревателя и датчик температуры окружающего воздуха помогают поддерживать нагревательный резистор на постоянном уровне превышения температуры.
Более новый метод, разработанный Bosch для получения выходного сигнала, не требует измерять ток подогрева, вместо этого сигнал выводится из разницы температур воздуха, замеряемых двумя датчиками, расположенными по обе стороны от нагревательного резистора — на пути потока по ходу его движения и навстречу ему. Дифференциальный сигнал показывает и направление движения потока. Дополнительная возможность — обеспечивать сигнал с датчика температуры.
Hitachi производит датчики массового расхода воздуха также на основе датчика температуры (рис. 3г). Датчики массового расхода воздуха Visteon имеют камеру оценки воздуха, работающую в широком динамическом диапазоне (рис. 3д).
Датчики давления Pressure Sensors
Два важнейших типа датчиков давления, актуальных сегодня в любом новом автомобиле, — это датчик давления воздуха во впускном патрубке двигателя manifold air pressure sensor (MAP, 1–5 бар), который используется в системах powertrain для регулирования соотношения ТВС, и tire pressure sensor (TPS), предназначенный для проверки оптимального давления в шинах (до 5 бар) для повышения безопасности.
MAP разрешает вывод масс воздуха, поступающих в двигатель, и допускает определение топлива и опережение зажигания, необходимые для оптимальной работы. Каждый автомобиль, использующий прямое измерение массового расхода, включает и датчик барометрического абсолютного давления barometric absolute pressure (BAP) sensor, необходимый для компенсации высоты.