Rola czujników w sterowaniu pracą silnika (cz. 4.)
Sterowanie układem zasilania silników spalinowych opiera się na analizie wielu sygnałów płynących z czujników. Szczególnie ważną rolę odgrywają tutaj informacje uzyskiwane przez czujniki, których analiza wpływa na sterowanie chwilą zapłonu oraz regulację składu mieszanki paliwowo-powietrznej.
W artykule zostaną opisane czujniki wykorzystywane w systemie zapłonu tranzystorowego (indukcyjne i hallotronowe) oraz czujniki stężenia i gazów.
Bezstykowe sterowanie zapłonu
Wprowadzenie bezstykowego sterowania chwilą zapłonu pozwoliło na dokładniejsze jej ustawienie. Wyróżniamy dwie grupy bezstykowego starowania chwilą zapłonu: sterowanie indukcyjne - zapłon tranzystorowo-cewkowy z wyzwoleniem indukcyjnym (TSZ-i), oraz sterowanie poprzez wyzwalanie impulsów za pomocą czujka Halla (TSZ-h). Bezstykowo sterowane układy zapłonowe mają następujące zalety:
· możliwość prawidłowego funkcjonowania przy większych prędkościach obrotowych;
· brak rozregulowania ustawionej chwili zapłonu;
· duża niezawodność i bezobsługowość; duże napięcie zapłonu;
· eliminacja prądu spoczynkowego;
· ograniczenie prądu pierwotnego;
· sterowanie kątem zwarcia;
· prosta konstrukcja;
· niskie koszty wytwarzania.
Indukcyjne wyzwolenie iskry w zapłonie tranzystorowym
Rolą czujnika indukcyjnego jest podanie sygnału dla sterowania wyzwoleniem iskry w tranzystorowym układzie zapłonowym. Czujnik ten stanowi elektryczny generator prądu zmiennego. Odpowiedni kąt zwarcia wyznaczany jest poprzez porównanie sygnału zmiennonapięciowego z czasem regulacji przepływającego prądu przez uzwojenie cewki zapłonowej. Czujnik indukcyjny (reluktancyjny ze zmienną odległością szczeliny powietrznej) jest wbudowany w aparat zapłonowy - w miejsce niegdyś stosowanego przerywacza (rys. 1.). Zespół tzw. statora tworzą następujące elementy: magnes stały, rdzeń czujnika (magnetycznie miękki zwany tarczą magnetyczną) oraz uzwojenie indukcyjne. Koło impulsowe (wirnik) związane z wałkiem aparatu zapłonowego obraca się wokół wewnątrz rozmieszonych promieniowo statorów. Rdzeń i wirnik mają końcówki uformowane w kształcie zębów wykonanych ze stali magnetycznie miękkiej. Zazwyczaj liczba zębów koła impulsowego, statorów i tarczy magnetycznej jest taka sama jak liczba cylindrów silnika. Wirnik obraca się o połowę wolniej od wału korbowego, co wiąże się z osiąganą częstotliwością liczby wyładowań iskrowych:
f = z*n/2,
gdzie: f - liczba wyładowań iskrowych, n - prędkość obrotowa silnika [obr./min], z - liczba cylindrów.
Szczelina powietrzna, czyli odległość między ruchomymi zębami znajdującymi się naprzeciw siebie, wynosi 0,5 mm. Przy niskich prędkościach obrotowych wartość napięcia wynosi około 0,5 V, a w przypadku dużych prędkości obrotowych - około 100 V. Indukcyjne wyzwolenie sygnału w zapłonie tranzystorowym odbywa się następująco: na skutek zmiany pola magnetycznego w wyniku obracającej się tarczy impulsowej w uzwojeniu indukcyjnym wytwarzane jest napięcie przemienne. Wartość napięcia wzrasta wraz z malejącą odległością garbów wirnika do biegunów stojana. Dodatnia półfala napięcia przyjmuje największą wartość wówczas, gdy odstęp pomiędzy biegunami stojana a garbami wirnika jest najmniejszy. Wraz ze wzrostem odstępu pomiędzy tymi elementami pole magnetyczne gwałtownie zmienia swój kierunek i napięcie staje się przeciwne. W momencie przerwania przez sterownik prądu pierwotnego jest wyzwalany zapłon. Zasada działania wszystkich czujników magnetoindukcyjnych jest taka sama, a podstawowe różnice wynikają jedynie z konstrukcji. Działanie regulatora odśrodkowego jest identyczne jak w przypadku rozdzielacza stykowego: przy zmianie prędkości obrotowej regulator powoduje zmianę położenia kątowego wirnika z nabiegunnikami.
Podobna sytuacja dotyczy regulatora podciśnieniowego, gdzie przy zmianie podciśnienia regulator zmienia położenie kątowe czujnika. Należy pamiętać, że sprawdzenia chwili zapłonu możemy dokonać tylko wtedy, gdy silnik pracuje. Sytuacja taka wynika z faktu, iż bez obracającego się wirnika nie zdiagnozujemy zmian pola magnetycznego, a tym samym nie określimy wartości sygnału.
Emitowanie sygnału przez czujnik hallotronowy zapłonu tranzystorowego
Czujnik Halla podobnie jak czujnik magnetoindukcyjny wbudowany jest w aparat zapłonowy. Jego bramka magnetyczna zamontowana jest na ruchomej płytce nośnej (rys. 2.). W celu ochrony przez wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi układ Halla umieszczony jest na nośniku ceramicznym i wraz z magnetycznym prowadnikiem jest zatopiony w tworzywie sztucznym. Wirnik przesłonowy i prowadnik wykonano z magnetycznie miękkiego materiału. Szerokość poszczególnych przesłon musi być dopasowana do maksymalnego kąta zwarcia danego aparatu zapłonowego. Kąt zwarcia pozostaje niezmienny podczas całego okresu eksploatacji.
Czujnik Halla dość często stosuje się do wyzwalania zapłonu po wymianie aparatu zapłonowego ze stykowego na bezstykowy. Czujnik ten można zamontować zamiast przerywacza zapłonu na tej samej płytce nośnej, dzięki czemu można ponownie wykorzystać ten sam rozdzielacz zapłonowy. Do wzmocnienia sygnału emitowanego przez czujnik Halla często stosuje się układ scalony zwany (integratedcircuit IC).
Generowanie sygnału poprzez czujnik opiera się na zjawisku Halla. Polega ono na tym, że w przewodzie, przez który płynie prąd elektryczny, strumień elektronów zostaje odchylony przez zewnętrzne pole magnetyczne prostopadłe do kierunku przepływu prądu i prostopadłe do kierunku pola magnetycznego. Wirująca przesłona ze szczelinami przecina strumień pola magnetycznego oddziałującego na czujnik Halla. W momencie gdy szczelina znajduje się między magnesami, wytwarzane jest napięcie Halla. Jeżeli w szczelinie powietrznej (oknie) pomiędzy magnesami znajdzie się przesłona, wówczas napięcie na czujniku Halla przyjmie wartość bliską 0 V. Mimo iż pozostaje niewielkie pole rozproszenia, to zmieniające się napięcie Halla stanowi
precyzyjny sygnał dla sterowania zapłonem. Zazwyczaj liczba szczelin powietrznych odpowiada liczbie cylindrów silnika. Przesłona osadzona jest na wałku rozdzielacza zapłonu i wykonuje ruch obrotowy z prędkością o połowię mniejszą od wału korbowego. Regulacji zapłonu można dokonać przy wyłączonym silniku zgodnie z obowiązującymi zasadami podanymi przez producenta. W przypadku gdy chcemy przestawić kąt wyprzedzenia zapłonu, należy przestawić mechanicznie płytkę, na której znajduje się czujnik Halla.
inż. Piotr Wróblewski
Podpisy do rysunków:
Rys. 1. Indukcyjny czujnik sterowania zapłonu. 1 - magnes trwały, 2 - uzwojenie indukcyjne z rdzeniem, 3 - zmieniająca się szczelina powietrzna, 4 - tarcza impulsowa
