Датчик ДВС что это?

Датчик давления в цилиндре

Для анализа процессов, происходящих в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, требуются датчики давления с высокими техническими характеристиками по линейности, частотной характеристике, стойкости к тепловому воздействию.

Сравнительные исследования датчиков давления в цилиндре, доступные в конце 60-х годов ХХ века, показали, что те из них, в которых в качестве измерительных элементов использовались пьезоэлектрические кристаллы, обеспечивали лучшую стойкость к тепловым воздействиям, чем те, в которых использовались тензодатчики.

В итоге, пьезоэлектрические датчики стали использоваться для измерения давления внутри цилиндров, а тензодатчики (с металлическими или пьезорезистивными элементами) — по большей части при измерениях с умеренными требованиями по стойкости к тепловому воздействию, например, в топливопроводах высокого давления и во впускных коллекторах.

Пьезоэлектрические датчики способны удовлетворить высокие требования по частотной характеристике и линейности в широком диапазоне давлений. В то же время, основным недостатком их использования является нестабильность точки отсчета и малый уровень выходного сигнала.

Принцип работы пьезоэлектрического датчика давления в цилиндре

Принцип работы пьезоэлектрического датчика давления в цилиндре показан на рисунке 1. Скорость изменения давления (dP/dt) на диафрагме датчика через промежуточные элементы передается на пьезоэлектрический кристалл, вызывая его деформацию со скоростью dε/dt. Вследствие пьезоэлектрического эффекта, эта деформация поляризует заряд q в электроде датчика, что приводит к возникновению электрического тока i, создающего выходной сигнал датчика:

где Gs — чувствительность датчика (усиление).

При измерениях давления внутри цилиндра, датчик подвергается воздействию нестационарных тепловых потоков, обуславливающих непрерывное изменение температуры. Эти изменения температуры изменяют чувствительность пьезоэлектрического элемента и приводят к тепловым ударам (термошокам), воздействующим на диафрагму и корпус датчика. Термошоки создают импульсы силы, воздействующие на элемент датчика и вносят дополнительные искажения в сигнал, обеспечиваемый датчиком. Погрешность, обусловленная этими эффектами, получила название дрейфа температуры.

Обычно дрейф температуры разделяют на две компоненты. Первая компонента, соответствующая изменениям теплового потока, происходящим в каждом цикле, получила название кратковременного дрейфа или термошока. Вторая компонента, соответствующая медленным изменениям температуры датчика вследствие изменения условий работы двигателя, получила название дрейфа изменения нагрузки или долговременного дрейфа.

Рисунок 1. Пьезоэлектрический датчик давления в цилиндре.

Влияние кратковременного дрейфа, в свою очередь, определяется частотой возникновения соответствующего явления. Резкие кратковременные дрейфы, возникающие, например, в условиях работы, в которых датчик может получить неустранимые повреждения, могут создавать значения давления ниже атмосферного в конце процесса расширения. При более умеренных уровнях, однако, присутствие кратковременного дрейфа не может быть идентифицировано по показаниям. Это приводит к тому, что показания давления будут выше реального давления в цилиндре в течение сгорания, и ниже реального давления на протяжении остальной фазы расширения.

Хотя современные пьезоэлектрические датчики давления в цилиндре сконструированы так, что эффекты кратковременного дрейфа сведены к минимуму, необходимо учитывать, что их интенсивность сильно зависит от тепловой нагрузки в месте расположения датчика. На эту тепловую нагрузку оказывает влияние интенсивность потоков в течение процесса газообмена, характеризуемая аппроксимацией струи топлива (жиклера) в дизельном двигателе или аппроксимацией передней границы пламени в двигателе с искровым зажиганием.

Итак, оценка частоты появления термошоков в месте расположения датчика в каждом конкретном случае – это хороший метод получения точных измерений.

Выбор места монтажа датчика давления в цилиндре

При выборе места, в котором будет смонтирован датчик, приоритет следует отдать хорошо охлаждаемым областям головки и избегать термошоков, которые могут привести к деформации корпуса датчика. Диафрагма датчика должна быть позиционирована в соответствии с рекомендациями изготовителя (обычно с зазором от 1,5 до 3,0 мм от внутренней поверхности головки).

Датчик давления в цилиндре с функцией водяного охлаждения обеспечивают великолепное усиление (повышенное отношение сигнал/шум), линейность и термостойкость (в сравнении с неохлаждаемыми малогабаритными датчиками) и должны выбираться в первую очередь, когда в головке достаточно места для их размещения.

Каналы, соединяющие камеру сгорания с полостью, в которой находится диафрагма датчика, могут переходить в режим акустического резонанса, генерируя колебания давления, приводящие к погрешностям измерения, которые, в свою очередь, делают неверными индицируемые оценки термодинамических параметров и энергии, освобождаемой при сгорании. Поэтому использование этих параметров (в типичном случае, когда датчик встроен в свечу зажигания) рекомендуется только для идентификации аномального сгорания в двигателях с искровым зажиганием.

Измерения давления внутри цилиндра дизельных двигателей с прямым впрыском топлива (direct injection, DI) требуют более тщательного подхода вследствие большего коэффициента сжатия и особой формы камеры сгорания. В таких двигателях, когда поршень находится вблизи ВМТ, приблизительно 90% массы рабочей жидкости находится внутри чашки цилиндра, в области над полостью. Давление этой порции массы определяется средним давлением цилиндра.

Остальная часть массы заполняет зазоры между поршнем и головкой, а также между поршнем и гильзой цилиндра; ее давление может создавать колебания амплитудой до 10 бар, обусловленные турбулентностью потока внутри цилиндра и акустическими явлениями при сгорании. Итак, датчик должен быть размещен в точке, из которой может быть доступно давление массы над чашкой цилиндра.

И наконец, важно отметить, что при выборе точки монтажа датчика, необходимо избегать ударов струи топлива в диафрагму датчика.

Подтверждение правильности выбора места монтажа датчика давления в цилиндре

Чтобы проиллюстрировать процедуру подтверждения правильности выбора места монтажа датчика, рассмотрим в качестве примера случай быстрого прямого впрыска топлива в дизельном двигателе с тремя клапанами в каждом цилиндре, в котором индицируемые измерения проводились с помощью неохлаждаемого датчика, смонтированного выше чашки цилиндра в месте расположения свечи зажигания (см. рисунок 2).

Метод позволяет проверить наличие кратковременного дрейфа путем поциклового сравнения изменений показаний давления внутри цилиндра в заданные моменты рабочего цикла. Наличие некоторого количества изменений является нормальным явлением и обусловлено случайной природой процесса сгорания, при котором все циклы немного отличаются друг от друга (в одних и тех же условиях работы). Эти изменения от цикла к циклу приводят к изменениям тепловой нагрузки, действующей на датчик и, когда случается кратковременный дрейф, то он также приводит к изменениям чувствительности датчика, увеличивающим разброс показаний давления.

Чтобы применить метод рассмотрим две точки на протяжении цикла, обозначенные как C1 и B2. Первая точка находится в начале процесса всасывания, она характеризует момент, когда датчик давления в цилиндре находится под влиянием тепловых нагрузок сгорания. Вторая точка находится на ходе сжатия, то есть выбрана сразу после газообмена, в течение которого датчик охлаждается. Таким образом, если происходит кратковременный дрейф, он создает в точке C1 больший разброс показаний, чем в точке B2.

На рисунке 4 показаны девиации давления от среднего значения выборки для 56 последовательных циклов. В соответствии с описанным выше, кратковременные дрейфы приведут к большему разбросу точек вдоль оси х, чем вдоль оси у. Однако, точки на этом рисунке распределены равномерно относительно осей; это свидетельствует о том, что кратковременный дрейф в данном примере тривиален. Разброс точек относительно диагонали графика позволяет судить о повторяемости эксперимента.

Режим, показанный на рисунке 4, характеризуется хорошей повторяемостью.

Рисунок 2. Место монтажа датчика давления 

Рисунок 3. Девиация показаний давления относительно среднего значения выборки. Точка C1: 145 градусов c.a. после компрессии TDC. Точка B2: 80 градусов c.a. перед компрессией TDC.

В случаях с большим кратковременным дрейфом рекомендуется монтировать датчик через адаптер, устраняющий прямой контакт датчика с газами цилиндра во избежание локального нагрева компонентов датчика, главным образом, его диафрагмы. Другое решение состоит в установке датчика в углублении с помощью измерительного канала. Однако, использование такой процедуры монтажа может привести к погрешностям, обусловленным колебаниями потока в канале. 

Специалисты БЛМ Синержи имеют большой опыт в подборе датчиков давления в цилиндре под различные виды двигателей и измерений, и всегда будут рады провести консультацию и подбор датчиков под задачи Заказчика.

Источник: https://blms.ru/datchik-davleniya-v-tsilindre

ДМРВ: что это такое в машине и где находится — принцип работы и устройство датчика

Двигатель внутреннего сгорания не может работать без подачи воздуха в цилиндры. Это связано с тем, что сам процесс горения топлива невозможен без кислорода. В современных моторах работой ДВС управляет электроника, в её состав входит ДМРВ. Что это такое, проще объяснить так: один из ключевых датчиков электронной управляющей системы автомобиля, предназначенных для обеспечения экономичной и безопасной работы двигателя. Подробности далее.

До появления сложных электронных систем на автомобилях устанавливали либо простые топливные насосы на дизельные моторы, либо карбюраторы – на бензиновые. В обоих случаях настройка подачи топлива в цилиндры производилась один раз – во время работы ДВС на холостых оборотах. Устанавливалось среднее значение, при котором мотор мог работать стабильно. Но именно поэтому старые автомобили не экономичны.

Общий вид ДМРВ

Во время поездки на разных режимах двигателю требуется разные по объёму порции топлива. Расход зависит от скорости движения, степени загрузки автомобиля, его массы и многих других второстепенных факторов (даже от вязкости моторного масла и качества шин).

Именно для оптимизации потребления топлива инженеры создавали электронные системы управления, которые при помощи датчиков оценивали состояние мотора и давали команду на впрыск строго необходимой порции бензина или солярки. В результате расход был значительно снижен даже для крупных и мощных двигателей.

Как расшифровывается

ДМРВ – датчик массового расхода воздуха, иногда устройство называют MAF-сенсором. Его назначение – определение объёма воздуха, которое двигатель потребляет во время работы. Этот параметр важен при вычислении электронной системой размера порции топливной смеси, которая должна быть подана в камеры сгорания мотора автомобиля.

Для чего нужен и где находится

Датчик расположен в патрубке воздуховода – между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой. ДМРВ – электронное устройство, поэтому должен быть подключён к бортовому компьютеру автомобиля. Необходим электронному блоку управления (ЭБУ) для точного дозирования впрыскиваемого топлива.

На разных моделях автомобилей датчики могут отличаться по внешнему виду, но общее устройство и принципы работы одинаковы для всех. Есть два типа ДМРВ: нитевые и плёночные.

Нитевые датчики состоят из:

• Корпуса (пластик);
• Платиновых ниток;
• Терморезистора;
• Измерительной трубки;
• Преобразователя напряжения;
• Клеммы для подключения к бортовому компьютеру.

Устройство нитевого датчика

В плёночных датчиках нет нитей из платины, но вместо неё устанавливают кремниевый кристалл. На кристалл напылены несколько слоёв платины. Каждый слой обладает определённым сопротивлением. Элемент находится в специальном корпусе, который также расположен в канале заборного воздуховода. Во время рабочего цикла ДВС датчик обдувается и охлаждается. Компьютер вычисляет объём потреблённого воздуха.

Замена нитевых датчиков на плёночные произошла из-за более примитивной технологии изготовления последних. Цель производителей – удешевление стоимости производства. Кристаллы не требуют такой точности изготовления и сложности при монтаже внутри изделия. Платиновые нити вывешивали внутри корпуса на особых подвесах или приваривали лазерной сваркой, что сильно осложняло производство. А процесс создания плёночных датчиков удалось максимально автоматизировать. При этом плёночные датчики отстают по точности показаний от нитевых примерно на 3%.

Ранее широко применялись объёмные датчики. Сейчас практически не используются из-за низкой точности и сложности производства.

Принцип работы

Платиновые нитки нагреваются током из бортовой сети, одна из них обдувается входящим потоком воздуха, а вторая – контрольная.

Когда двигатель забирает очередную порцию воздуха, прогретая током нитка охлаждается, вследствие чего её сопротивление снижается. Показания датчика в реальном времени оцениваются бортовой компьютерной системой и учитываются при расчёте очередной порции топливной смеси.

Причина выхода из строя – перегорание нитей вследствие загрязнений. Но была придумана система самоочистки, которая продлевает срок службы датчиков – нить на короткий промежуток времени нагревается до предельно высокой температуры, а грязь, накопившаяся на ней, сгорает.

Это важно! При поломке датчика значение потребляемого мотором воздуха ЭБУ машины определяет при помощи дроссельной заслонки – исходя из её положения. Но экономичность двигателя при этом будет ниже, чем при исправном датчике.

Если ДМРВ выходит из строя, то блок управления мотором не сможет точно вычислить нужную порцию топлива. ДВС при этом не заглохнет, но на приборной панели появится предупреждение об ошибке двигателя. При наличии контрольной лампы – загорится и она.

Как проявится выход из строя датчика при движении автомобиля:

• Увеличится расход топлива – ведь ЭБУ сможет вычислить состояние мотора лишь на основании приблизительных данных;
• Скорость разгона уменьшится;
• Иногда возникают проблемы с запуском ДВС, мотор может глохнуть время от времени.

Чтобы точно определить, что проблемой стал сломанный датчик, владельцу автомобиля следует полностью отключить его. То есть вытащить провод из гнезда ДМРВ. Если работа мотора улучшилась, и мощность возросла, то стоит попробовать промыть датчик в керосине, продуть его и попробовать установить обратно. Если ничего не помогло, то следует приобрести новое устройство.

Проводить диагностику датчика следует после его отключения

Датчик массового расхода топлива помогает двигателю эффективно использовать топливо. В результате владелец автомобиля меньше посещает АЗС, а природе при этом наносится меньший ущерб.

Следует устанавливать только датчики, рекомендованные производителем автомобиля. Это позволит быть уверенным, что ЭБУ корректно вычисляет объём поглощённого мотором воздуха.

Это важно! ДМРВ требуют своевременной замены загрязнённого воздушного фильтра автомобиля. Это делается во время штатного технического обслуживания машины.

Но при эксплуатации в условиях сильной запылённости (например, во время езды по стройке) рекомендуется менять фильтр чаще или периодически продувать его сжатым воздухом.

Источник: https://carnovato.ru/chto-takoe-dmrv-v-avtomobile/