Rola czujników w sterowaniu pracą silnika (cz. 1.)

© Bosch

Udostępnij:

Współczesne silniki spalinowe charakteryzują się znakomitymi osiągami, niskim spalaniem, doskonałą kulturą pracy oraz dużą niezawodnością. Rola czujników w zapewnieniu prawidłowej pracy i optymalnych parametrów silnika wiąże się ściśle z jego układami: wtryskowym i zapłonowym. To głównie one decydują o kulturze pracy silnika. Ale zastosowanie nowoczesnych układów wtryskowych i zapłonowych często stwarza pewne ograniczenia podczas regulacji, obsługi i wykrywania nieprawidłowości w warsztatach samochodowych.

Rozwój silników spalinowych jest ściśle związany z postępem w zakresie elektroniki pokładowej. Dlatego współczesne silniki spalinowe charakteryzują się coraz większą liczbą czujników. Podstawową ich rolą jest analiza i przetwarzanie mierzonych wielkości wejściowych na sygnały elektryczne, które są niezbędne w prawidłowej pracy silnika. By mogły przetwarzać wielkości mierzone przy jednoczesnym uwzględnieniu zakłóceń, czujniki wspomagane są przez coraz bardziej nowoczesne systemy sterowania (kalkulatory). Ich rolą jest interpretacja sygnałów oraz przetwarzanie ich na sygnały binarne, zrozumiałe dla mikroprocesora silnika. Układy elektryczne stosowane we współczesnych samochodach są zazwyczaj układami pojedynczymi, np. odpowiadają za przygotowanie mieszanki czy za zapłon. Oznacza to, że każde urządzenie sterujące ma swoje czujniki, których dane służą do sterowania lub regulacji danego układu. W celu zapewnienia odpowiednich norm emisji oraz coraz lepszych osiągów silniki spalinowe są coraz bardziej uzależnione od elektronizacji układów wtryskowych i zapłonowych.



Zadaniem układu zapłonowego jest wytworzenie iskry zapłonowej o odpowiedniej energii i we właściwej chwili zapłonu w celu prawidłowego zapalenia mieszanki paliwa z powietrzem. Im dokładniej wysterowany jest układ zapłonowy, tym osiągi i sprawność silnika są lepsze. W ten sposób silnik jest oszczędny i ekonomiczny, a emisja szkodliwych składników spalin - coraz mniejsza. W ostatnich latach cele stawiane układom zapłonowym są coraz wyższe, dlatego stykowo sterowane układy zapłonowe nie potrafi ły dłużej sprostać zakładanym im wymaganiom. Układy te wykluczały bowiem dalszy wzrost energii zapłonu, co było niezbędne dla coraz szybciej i oszczędniej pracujących silników o coraz wyższym stopniu sprężania. Postęp elektroniczny umożliwił bezstykowe sterowanie chwilą zapłonu, które charakteryzuje zachowanie precyzyjnego ustawienia tego momentu. Ogólne założenia w stosunku do odpowiedniego sterowania zapłonem uzyskano dzięki sterowaniu indukcyjnemu oraz wyzwoleniu impulsów za pomocą czujnika Halla. Podane wyżej rozwiązania są nadal stosowane w silnikach o małej pojemności. Wymagania w stosunku do tworzenia się mieszanki paliwa z powietrzem stają się z czasem coraz wyższe, dlatego zastosowanie dodatkowych czujników w układach wtryskowych jest już koniecznością. Podstawowym zadaniem układu wtryskowego jest dostarczenie mieszanki paliwowo-powietrznej i jak najlepsze dostosowanie jej składu do zmiany warunków pracy silnika. W celu zapewnienia coraz lepszego napełniania cylindra i równomiernego rozdziału powietrza na poszczególne cylindry stosuje się obecnie najczęściej układy z bezpośrednim wtryskiem benzyny.

Podpisy do rysunków:

Rys. 1. Rodzaje charakterystyk czujników: X – wielkość mierzona, Y – sygnał wyjściowy, 1 – charakterystyka ciągła liniowa, 2 – charakterystyka ciągła nieliniowa, 3 – charakterystyka nieciągła wielostopniowa, 4 – charakterystyka nieciągła dwustopniowa

Rys. 2. Widok czujnika indukcyjnego położenia wału korbowego (Źródło: Bosch)

Rys. 3. Sygnał czujnika indukcyjnego prędkości obrotowej silnika: Y – wartość napięcia wyjściowego [V], X – czas [ms], 1 – sygnał na zębie, 2 – sygnał przejścia przez wrąb międzyzębny, 3 – sygnał znaku odniesienia

Rys. 4. Zmiany napięcia i strumienia pola magnetycznego: w przypadku pojedynczego magnetycznego znakowania co obrót lub o okresowym charakterze przyrostowym. 1 – ząb, 2 – wrąb, 3 – progi przełączania, 4 – rozpoznawane miejsce zerowe, 5 – zbocze przygotowawcze, 6 – zbocze wyłączania i punkt włączania, 7 – punkt włączania, 8 – trzpień biegunowy, a – pojedyncze magnetyczne znakowane co obrót, b – okresowy charakter przyrostowy (Źródło: Bosch) 

Pierwsze kroki
Początki zastosowania systemów sterowania silnikiem z wykorzystaniem podstawowych czujników sięgają późnych lat 80. (pierwszy był system Bosch Motronic w BMW 732i). Ich zadaniem jest sprawdzanie, interpretacja, regulacja, diagnozowanie oraz dostosowywanie warunków pracy poszczególnych elementów w celu osiągnięcia jak najbardziej efektywnej pracy silnika. Większość współcześnie stosowanych systemów ma funkcję samodiagnozy. Ma ona na celu wspomóc użytkownika w zlokalizowaniu usterki dzięki komputerowej pamięci „zamkniętej" w elektronicznym sterowniku. W nowoczesnych systemach samodiagnostyki stosuje się podsystemy zapewniające sygnalizację stanu bądź redundancje w przypadku np. uszkodzenia określonego czujnika lub mikrokomputera. System przełącza się w takiej sytuacji w stan pracy w trybie awaryjnym, zapewniając pobór niezbędnych parametrów z innych źródeł, np. z czujnika identyfikacji cylindrów bądź czujnika położenia wałka rozrządu, by podtrzymać pracę silnika. Należy nadmienić, że jeżeli system pracuje w trybie awaryjnym, a sterowanie wtryskiem i zapłonem przejmują timery, to praca w tym trybie jest bardzo nieekonomiczna pod względem osiągów i spalania.

Powszechnie stosowane czujniki przetwarzają nieelektryczne wielkości (fizyczne lub chemiczne) na wielkości elektryczne. Wielkości elektryczne interpretowane w odniesieniu do parametrów czujników należy rozumieć nie tylko jako napięcie, ale także jako czas trwania impulsu drgań elektrycznych, amplitudę natężenia, częstotliwość próbkowania, indukcyjność, pojemność lub rezystancję. Urządzenie peryferyjne, czyli czujniki wraz z elementami wykonawczymi, tworzą interfejs między pojazdem wraz z jego układami a urządzeniem przetwarzającym, elektronicznym sterownikiem. W celu dostosowania toru pomiarowego czujnika do postaci określonej przez sterownik stosuje się tzw. kondycjonery sygnałów, które są niezbędnym elementem czujników. Ze względu na ich funkcje i zastosowanie czujniki możemy podzielić na trzy podstawowe grupy: nadzorujące parametry pracy pojazdu (np. pokładowy układ diagnostyczny OBD), funkcyjne do zadań sterujących i regulujących oraz bezpieczeństwa i zabezpieczenia (np. ochrona przed kradzieżą). W stosowanych czujnikach wyróżnia się zasadniczo cztery podstawowe charakterystyki sygnałów wyjściowych w stosunku do wielkości mierzonych: ciągłe liniowe, ciągłe nieliniowe, nieciągłe wielostopniowe i nieciągłe dwustopniowe (rys. 1.). Zastosowanie charakterystyk liniowych jest dość powszechne w przypadku pomiarów o dużym zakresie, ponieważ wykazują one łatwość kompensacji i wzorcowania. Charakterystyki nieliniowe przypisywane są pomiarom o małym zakresie wartości, np. w silniku wykorzystuje się je do regulacji stechiometrycznej wartości składu mieszanki bliskiej λ = 1. Nieciągłe charakterystyki dwustopniowe stosuje się głównie do nadzorowania wartości granicznych. W przypadku gdy kompensacja staje się skomplikowana, wykorzystuje się specyfikę charakterystyk nieciągłych wielostopniowych w celu uzyskania właściwych odchyłek wartości granicznych. Rodzaje sygnałów wyjściowych czujników stosowanych do regulacji parametrów pracy silnika dzieli się na dwie zasadnicze grupy: analogowe (częstotliwość, napięcie itd.) oraz dyskretne (kodowanie binarne, kodowanie analogowe, kodowanie analogowo-cyfrowe). Zwiększająca się liczba stosowanych czujników w silniku ogranicza ich bezpieczną lokalizację, dlatego czujniki wystawiane są na coraz bardziej ekstremalne obciążenia. W celu zapewnienia odpowiedniej ochrony stosuje się zaawansowane metody zwiększające bezpieczeństwo, które wymagają wysokiego poziomu wiedzy dotyczącej techniki wykonywania osłon. Wymagania, jakie stawiane są współczesnym czujnikom, to przede wszystkim: duża dokładność, maksymalna niezawodność, miniaturyzacja z wykorzystaniem nanotechnologii i MEMS oraz niskie koszty wytwarzania.

Nano znaczy jednak wielki
Dzięki zastosowaniu nanotechnologii i systemów mikroelektronicznych współczesne czujniki są miniaturowych rozmiarów, ale jednocześnie są bardzo dokładne. Technologia MEMS pozwala umieścić w miniaturowej strukturze krzemowej urządzenia o niezwykle dużej funkcjonalności i niezawodności. Nanotechnologia pozwala stworzyć urządzenie pomiarowe (czujnik) z atomów i cząsteczek o wymiarach rzędu nanometrów [μm]. Technologia pozwoliła na to, że od niedawna pojawiają się na rynku czujniki agnorezystacyjne GMR (ang. Giant Magneto Resistive). Ich zaletą jest pomiar kąta obrotu powyżej 360° dzięki uporządkowaniu pseudohallotronowemu, gdzie rezystancja zależy wyłącznie od rzeczywistego kąta wychylenia. Czujniki wytwarzane w tych technologiach mają lepsze możliwości pomiarów. W celu ich miniaturyzacji stosuje następujące techniki: mikroukładowe, mikromechanikę powierzchniową i masową (krzemowe czujniki ciśnienia przyspieszenia), technikę półprzewodnikową (czujniki temperatury i hallotronowe), technikę warstwową i hybrydową. Zasadniczym czujnikiem systemu jest czujnik wytwarzający sygnał wyzwalający pracę pierwotnego obwodu zapłonu. Dopóki sterownik silnika nie otrzyma sygnału z czujnika wyzwalającego, układ wtrysku paliwa i zapłonu oraz przekaźnik pompy paliwa nie będą działały. W przypadku uszkodzenia czujnika sygnału wyzwalającego silnika nie da się uruchomić lub silnik będzie pracował nieregularnie. W zależności od stopnia uszkodzenia praca układu zasilającego i zapłonu zostanie zakłócona. Za prawidłową pracę silnika spalinowego odpowiadają m.in. następujące czujniki: czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego (indukcyjny, hallotronowy, optyczny itd.); czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (0,1-0,5 MPa), ciśnienia w komorze spalania (10 MPa dynamiczne), ciśnienia wtrysku w pompie wtryskowej (100 MPa dynamiczne), ciśnienia paliwa w zasobniku układu zasilania paliwem silnika ZS typu common rail (150-180 MPa) i ciśnienia paliwa w układzie bezpośredniego wtrysku paliwa silnia ZI (10 MPa); czujnik temperatury powietrza NTC i PTC, płynu chłodzącego NTC i PTC, temperatury oleju NTC, temperatury paliwa NTC; czujnik położenia przepustnicy; czujnik pedału przyspieszania; przepływomierz powietrza, przepływomierz LMM (przepływomierz mierzący ciśnienie spiętrzenia), LFM (przepływomierz z termoanemometrem drutowym), HLM (przepływomierz z termoanemometrem warstwowym); czujnik identyfikacji cylindrów (czujnik hallotronowy, indukcyjny czujnik fazy itd.); czujnik spalania stukowego; czujnik zapłonu tranzystorowego (indukcyjny lub hallotronowy itd.); czujnik gazów i stężenia oraz jakości powietrza, sonda lambda.

Podana wyżej lista czujników to podział podstawowy. We współczesnych silnikach ich liczba w poszczególnych układach może być bowiem znacznie większa, np. silniki z turbodoładowaniem. By przeprowadzić analizę poszczególnych czujników stosowanych w silnikach spalinowych, scharakteryzowano je poniżej pod względem: konstrukcji, zastosowania, otrzymywanych charakterystyk oraz diagnostyki, odpowiadające większości stosowanych układów wtryskowych i zapłonowych. Należy pamiętać, że wszystkie parametry są ściśle uzależnione od rodzaju zastosowanego układu wtrysku paliwa i zapłonu, wartości parametrów wyjściowych czujników, sposobu przetwarzania danych oraz uzyskiwanych charakterystyk. Dlatego też przed przystąpieniem do diagnozowania należy zapoznać się ze specyfikacją czujników (wartościami kontrolnymi i schematami połączeń elektrycznych) dla danego pojazdu. Przed każdorazowym rozpoczęciem diagnostyki elementów systemu sterowania silnikiem na początku należy sprawdzić je najpierw organoleptycznie, by wykluczyć ewentualne usterki mechaniczne układów elektronicznych.

Czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego Pomiar prędkości obrotowej i punktu odniesienia są najważniejszymi informacjami dla urządzenia sterującego. Zazwyczaj jest on przeprowadzany za pomocą czujnika indukcyjnego albo czujnika Halla (rys. 2.). Czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego silnika jest elektromagnetycznym czujnikiem reluktancyjnym. Czujniki indukcyjne są zazwyczaj stosowane w postaci przetworników cewkowych, obecnie stosuje się czujniki wytwarzane na zasadzie mikrostruktur, np. hallotronowe, gradientowe, styczne (AMR) czy magnetorezystacyjne elementy Giant (GMR). Najpopularniejsze czujniki indukcyjne do pomiarów prędkości wykorzystują prawo indukcji elektromagnetycznej, wytwarzając na swoim dwubiegunowym wyjściu napięcie, które zmienia się proporcjonalnie do strumienia magnetycznego. Zależność tę można zapisać za pomocą równań:

U = Uind = Z * dФ/dt,

gdzie: Z - liczba zwojów cewki, U - napięcie, Ф - strumień magnetyczny.

Analizując powyższe równania, można zauważyć podstawową wadę czujników indukcyjnych. Mianowicie w przypadku niezachowania stałej grubości szczeliny powietrznej, np. wskutek wystąpienia drgań, mają miejsce takie same zmiany strumienia jak w przypadku zmiany prędkości. Efektem tego procesu jest wytworzenie się niepożądanych napięć, które trudno odróżnić od rzeczywistego sygnału prędkości. Wada ta wyklucza czujniki indukcyjne (dynamiczne) do pomiarów małych prędkości np. quasi-statycznych bądź statycznych, gdyż ich sygnał wyjściowy dąży do wartości równej 0. Indukcyjne czujniki prędkości obrotowej składają się z trzech podstawowych elementów: stałej cewki, elementu wykonanego z miękkiego żelaza i magnesu trwałego. Jednym z rozwiązań pozwalającym obliczać kąt wyprzedzenia zapłonu jest stosowanie tarczy zębatej z poszerzonym wrębem (a więc z brakującym jednym zębem) umieszczonej na tłumiku drgań lub kole pasowym wału korbowego (rys. 3.). Czujnik indukcyjny z płaskim rdzeniem w tym przypadku mierzy zarówno prędkość obrotową, jak i punkt odniesienia (szerszy wrąb uzębienia na kole zamachowym określa położenia wału korbowego). Sygnały wysyłane z czujnika przetwarzane są w urządzeniu sterującym. Powszechnie stosowane czujniki magnetyczne składają się z magnesu prętowego z magnetycznie miękkim trzpieniem biegunowym i cewki indukcyjnej z dwoma przyłączami. Obrót ferromagnetycznego koła impulsowego lub wirnika wskutek zmian strumienia magnetycznego powoduje indukowanie w cewce napięcia o przebiegu zbliżonym do sinusoidy. Do elektrycznego wykrywania strefy oznakowanej stromym przejściem przez „0" wykorzystuje się maksymalną wartość strumienia magnetycznego.

Zgodnie z prawami indukcji magnetycznej amplituda sygnału we wszystkich fazach jest wprost proporcjonalna do prędkości obrotowej. Zasadniczą wadą czujników indukcyjnych jest duża wartość napięcia sygnału prądu przemiennego powinna sięgać około 4-5 V. Odczytany sygnał należy przeanalizować i sprawdzić pod kątem tego, czy wszystkie wartości szczytowe są równe (w przypadku wykrycia nawet kilku niższych wartości szczytowych może to świadczyć o braku lub uszkodzeniu występu w czujniku). Następnie rozłączamy złącze czujnika położenia wału korbowego lub złącze sterownika. Podłączamy woltomierz prądu przemiennego między dwa styki prowadzące do czujnika (w przypadku trzech styków jeden jest ekranem). Włączamy rozrusznik. Wartość napięcia prądu przemiennego nie powinna być mniejsza niż 0,7 V. W przypadku sprawnych czujników wartość wytwarzanego skutecznego napięcia prądu przemiennego jest dwukrotnie wyższa. Odczytana wartość skutecznego napięcia prądu przemiennego przy użyciu woltomierza informuje nas jedynie o tym, że czujnik wytwarza sygnał - dlatego nie możemy stwierdzić jednoznacznie, czy nie nastąpiły jakieś deformacje sinusoidy sygnału. Niektóre stosowane czujnik indukcyjne położenia wału korbowego są ekranowane, by można było sprawdzić ekranowanie. Potem dokonuje się następujących czynności: odnajdujemy złącze czujnika lub odłączamy złącze sterownika, podłączamy końcówkę pomiarową omomierza do jednego ze styków czujnika, podłączamy drugą końcówkę pomiarową do styku ekranu - wskazania omomierza powinny wskazywać nieskończoność (w przypadku podłączenia końcówki poprzednio przyłożonej do styku ekranu do masy wskazania omomierza powinny również wskazać nieskończoność). Podczas każdorazowej diagnostyki należy korzystać ze schematów elektrycznych w celu sprawdzenia sposobu podłączania czujnika. W niektórych systemach ekran czujnika położenia wału korbowego może być podłączony do masowego przewodu powtórnego - w takim wypadku omomierz pokaże ciągłość obwodu. Będzie to wynik prawidłowy.

W przypadku diagnostyki czujnika hallotronowego położenia wału korbowego i prędkości obrotowej czynności sprawdzające wykonuje się w przypadku, gdy silnik nie daje się uruchomić z powodu braku iskry, bądź nie pojawił się sygnał lub współczynnik wypełniania impulsu. Większość czujników hallotronowych znajduje się w rozdzielaczu, ale czujniki hallotronowe mogą być też zlokalizowane na kole zamachowym. W przypadku braku iskry należy dokonać podstawowych czynności sprawdzających: odłączyć środkowy przewód wysokiego napięcia od półki rozdzielacza i podłączyć go do głowicy cylindrów poprzez iskrownik, odłączyć złącze czujnika od rozdzielacza, odnaleźć zaciski sygnału, zasilania i masy, a następnie przez chwilę mostkujemy styki „0" i „-" w złączu czujnika hallotronowego. Jeśli wystąpi przeskok iskry pomiędzy iskrownikiem i głowicą, będzie to oznaczać, że cewka i wzmacniacz działają prawidłowo, a uszkodzeniu uległ czujnik hallotronowy w rozdzielaczu. W celu sprawdzenia czujnika hallotronowego należy podłączyć ujemną końcówkę pomiarową woltomierza do masy, odnaleźć zaciski, sygnału, zasilania i masy, podłączyć dodatnią końcówkę woltomierza do przewodu sygnału czujnika hallotronowego, uruchomić silnik i zmierzyć napięcie skuteczne, które powinno wynosić 7-8 V. W przypadku braku napięcia należy wyłączyć silnik i zdjąć kopułkę rozdzielacza. Gdy złącze czujnika jest podłączone i jest włączony zapłon, podłączyć trzeba dodatnią końcówkę pomiarową woltomierza do zacisku sygnału. Następnie powoli obracamy wałek korbowy silnika - napięcie powinno zmieniać wartość 10-12 V oraz 0 V (na skutek przemieszania się skrzydełka czujnika w szczelinie powietrznej). W przypadku braku sygnału napięcia należy: odłączyć złącze czujnika hallotronowego od rozdzielacza, sprawdzić dodatnią końcówkę pomiarową woltomierza na zacisku wyjściowym „2", a w przypadku braku napięcia należy sprawdzić ciągłość połączeń elektrycznych między zaciskiem sygnału czujnika a zaciskiem sterownika. Sprawdzić też trzeba napięcie na styku sterownika - jego brak po uprzednim sprawdzeniu masy i przewodów zasilających sterownik oznacza awarię sterownika. Kolejnym krokiem jest sprawdzenie wartości napięcia zasilającego na zacisku „1" (+) czujnika hallotronowego. Jeśli jest nieprawidłowe (nie mieści się w przedziale 10-12 V), należy ponownie sprawdzić ciągłość połączeń elektrycznych między czujnikiem hallotronowym a sternikiem (gdy sterownik jest wymieniony) i sprawdzić połączenie zacisku „3" (-) czujnika hallotronowego do masy. Jeśli napięcie zasilające i masa są prawidłowe, z pewnością uszkodzeniu uległ czujnik hallotronowy w rozdzielaczu. Powyższe czynności sprawdzające odwołują się głównie do sprawdzenia sygnału wyzwalającego pracę pierwotnego obwodu zapłonu.

inż. Piotr Wróblewski

Udostępnij:

Drukuj




Piotr Wróblewski

Pracownik naukowy WSKM Konin




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również