Датчики системы управления работы двигателя

Датчик положения коленвала: основа работы современного двигателя

В любом современном силовом агрегате обязательно присутствует датчик положения коленчатого вала, на основе которого строятся системы зажигания и впрыска топлива. Все о датчиках положения коленвала, их типах, конструкции и работе, а также о верном выборе и замене данных устройств — читайте в статье.

Система управления впрыскового двигателя

Схема расположения элементов систем питания и управления двигателя

1 – реле зажигания; 2 – аккумуляторная батарея; 3 – выключатель зажигания; 4– нейтрализатор; 5 – датчик концентрации кислорода; 6 – форсунка; 7 – топливная рампа; 8 – регулятор давления топлива; 9 – регулятор холостого хода; 10 – воздушный фильтр; 11 – диагностический разъем; 12 – датчик массового расхода воздуха; 13 – тахометр; 14 – датчик положения дроссельной заслонки; 15 – лампа контроля работы системы управления двигателем; 16 – дроссельный узел; 17 – блок управления иммобилайзером (АПС); 18 – модуль зажигания; 19 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 20 – контроллер; 21 – свеча зажигания; 22 – датчик детонации; 23 – топливный фильтр; 24 – реле включения вентиляторов; 25 – электровентиляторы системы охлаждения; 26 – реле включения электробензонасоса; 27 – топливный бак; 28 – электробензонасос с датчиком указателя уровня топлива; 29 – сепаратор паров бензина; 30 – гравитационный клапан; 31 – предохранительный клапан; 32 – датчик скорости; 33 – датчик положения коленчатого вала; 34 – двухходовой клапан; 35 – адсорбер.

Расположение элементов систем питания и управления двигателя

1 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 2 – регулятор холостого хода; 3 – датчик положения дроссельной заслонки; 4 – дроссельный узел; 5 – топливная рампа с форсунками и регулятором давления топлива; 6 – датчик детонации (расположен на блоке цилиндров под выпускным коллектором – на фото не виден); 7 – ресивер; 8 – датчик массового расхода воздуха; 9 -корпус воздушного фильтра; 10 – датчик концентрации кислорода (расположен на приемной трубе – на фото не виден); 11 – датчик скорости (расположен на раздаточной коробке – на фото не виден); 12 – контроллер, диагностический разъем и предохранители системы впрыска топлива (расположены в салоне автомобиля – на фото не видны); 13 – топливный фильтр; 14 – модуль зажигания; 15 – адсорбер системы улавливания паров топлива; 16 – датчик положения коленчатого вала.

Двигатель ВАЗ-21214 оснащен системой распределенного впрыска топлива (на каждый цилиндр отдельная форсунка) с электронным управлением.

При обслуживании и ремонте системы управления двигателем всегда отключайте зажигание. При проведении сварочных работ отсоединяйте контроллер от жгута проводов. Контроллер содержит электронные компоненты, которые могут быть повреждены статическим электричеством, поэтому не прикасайтесь руками к его выводам. Перед сушкой автомобиля в сушильной камере (после покраски) снимите контроллер. На работающем двигателе не отсоединяйте и не поправляйте электрические разъемы (в том числе клеммы аккумулятора). Не запускайте двигатель, если клеммы аккумулятора и «массы» на двигателе и кузове незатянуты или загрязнены.

Контроллер системы впрыска (блок управления) представляет собой миникомпьютер специального назначения. Он содержит три вида памяти – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) и электрически программируемое запоминающее устройство (ЭПЗУ).

ОЗУ используется компьютером для хранения текущей информации о работе двигателя и ее обработки. Также в ОЗУ записываются коды возникающих неисправностей. Эта память энергозависима, т.е. при отключении питания ее содержимое стирается.

ППЗУ содержит собственно программу (алгоритм) работы компьютера и калибровочные данные (настройки). Таким образом, ППЗУ определяет важнейшие параметры работы двигателя: характер кривых момента и мощности, расход топлива, и т.п. ППЗУ энергонезависима, т.е. ее содержимое не изменяется при отключении питания. ППЗУ устанавливается в разъем на плате контроллера и может быть заменено отдельно (при выходе из строя контроллера исправное ППЗУ можно переставить на новый контроллер). В ЭПЗУ записываются коды иммобилайзера при «обучении» ключей (см. сервисную книжку автомобиля). Эта память также энергонезависима.

Контроллер расположен в салоне, на боковой панели в зоне ног водителя.

Датчики системы впрыска выдают контроллеру информацию о параметрах работы двигателя (кроме датчика скорости автомобиля), на основании которых он рассчитывает момент, длительность и порядок открытия форсунок, момент и порядок искрообразования. При выходе из строя отдельных датчиков контроллер переходит на обходные алгоритмы работы; при этом могут ухудшиться некоторые параметры двигателя (мощность, приемистость, экономичность), но движение с такими неисправностями возможно. Единственным исключением является датчик положения коленчатого вала, при его неисправности двигатель работать не может. Также двигатель не будет работать при одновременном выходе из строя нескольких датчиков. Датчики неремонтопригодны, при выходе из строя их заменяют.

Датчик положения коленчатого вала установлен в отверстии кронштейна крышки привода распределительного вала. Он выдает контроллеру информацию об угловом положении и частоте вращения коленчатого вала. Датчик представляет собой катушку индуктивности; она реагирует на прохождение зубьев задающего диска вблизи сердечника датчика. Два соседних зуба на диске срезаны, образуя впадину. При ее прохождении датчик генерирует так называемый «опорный» импульс синхронизации при каждом обороте коленчатого вала. Установочный зазор между сердечником и зубьями – 1,0±0,2 мм.

Датчик температуры охлаждающей жидкости ввернут в выпускной патрубок на головке цилиндров. Он представляет собой терморезистор, при температуре –40°С его сопротивление должно составлять 100 кОм, при 100°С – 177 Ом. Контроллер подает на датчик стабилизированное напряжение +5 В через резистор и по падению напряжения рассчитывает состав смеси. При выходе датчика из строя контроллер переводит электровентиляторы системы охлаждения на постоянный режим работы.

Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) установлен на оси дроссельной заслонки и представляет собой потенциометр. На один конец его обмотки подается стабилизированное напряжение +5 В, а другой соединен с «массой». С третьего вывода потенциометра (ползунка) снимается сигнал для контроллера. Для проверки датчика включите зажигание и, не отключая разъем (провода можно проколоть тонкими иглами, подключенными к выводам вольтметра), измерьте напряжение между «массой» и выводом ползунка – оно должно быть не более 0,7 В. Поворачивая рукой пластмассовый сектор, полностью откройте дроссельную заслонку и вновь измерьте напряжение – оно должно быть более 4 В. Выключите зажигание, отсоедините разъем, подключите омметр между выводом ползунка и любым из двух оставшихся. Медленно поворачивайте сектор рукой, следя за показаниями стрелки. Во всем диапазоне рабочего хода скачков быть не должно. При выходе из строя ДПДЗ его функции берет на себя датчик массового расхода воздуха. При этом обороты холостого хода не опускаются ниже 1200 мин -1 . Датчик массового расхода воздуха расположен между воздушным фильтром и впускным шлангом. Он состоит из двух датчиков (рабочего и контрольного) и нагревательного резистора. Проходящий воздух охлаждает один из датчиков, а электронный модуль преобразует разность температур датчиков в выходной сигнал для контроллера. При выходе из строя датчика массового расхода воздуха его функции берет на себя ДПДЗ.

Датчик детонации закреплен болтом в верхней части блока цилиндров с правой стороны. Действие датчика основано на пьезоэффекте: при сжатии пьезоэлектрической пластинки на ее концах возникает разность потенциалов. При детонации в датчике возникают импульсы напряжения, по которым контроллер регулирует опережение зажигания. Для правильной работы датчика болт крепления должен быть затянут рекомендуемым моментом.

Датчик концентрации кислорода (кислородный датчик, лямбда-зонд) установлен в приемной трубе системы выпуска (см. Система выпуска отработавших газов). Кислород, содержащийся в отработавших газах, создает разность потенциалов на выходе датчика, изменяющуюся приблизительно от 0,1 (много кислорода – бедная смесь) до 0,9 В (мало кислорода – богатая смесь). По сигналу от датчика кислорода контроллер корректирует подачу топлива форсунками в цилиндры, так чтобы состав отработавших газов был оптимальным для эффективной работы нейтрализатора (напряжение кислородного датчика около 0,5 В). Для нормальной работы датчик кислорода должен иметь температуру не ниже 360°С, поэтому для быстрого прогрева после запуска двигателя в датчик встроен нагревательный элемент.

Контроллер постоянно выдает в цепь датчика кислорода стабилизированное опорное напряжение 0,45±0,10 В. Пока датчик не прогрет, опорное напряжение остается неизменным. При этом контроллер управляет системой впрыска, не учитывая напряжение на датчике. Как только датчик прогреется, он начинает изменять опорное напряжение. Тогда контроллер отключает нагрев датчика и начинает учитывать сигнал датчика кислорода.

Датчик скорости автомобиля установлен в раздаточной коробке рядом с приводом спидометра. Принцип его действия основан на эффекте Холла. Датчик выдает на контроллер прямоугольные импульсы напряжения (нижний уровень – не более 1 В, верхний – не менее 5 В) с частотой, пропорциональной скорости вращения ведущих колес.

Регулятор холостого хода поддерживает обороты холостого хода в пределах 820–880 мин –1 независимо от нагрузки на двигатель (в частности, при включении и выключении мощных потребителей электроэнергии). Он представляет собой шаговый электродвигатель с микрометрическим винтом. При движении винта изменяется сечение перепускного воздушного канала между впускным патрубком и ресивером (в обход дроссельной заслонки). Неисправный регулятор рекомендуется заменять на станции технического обслуживания, где есть прибор, позволяющий управлять им (иногда при монтаже выступание винта регулятора требуется уменьшить).

Система зажигания входит в систему управления двигателем. Она состоит из модуля зажигания, высоковольтных проводов и свечей зажигания. При эксплуатации система не требует обслуживания и регулировки. Модуль зажигания установлен на кронштейне, закрепленном на трех шпильках в левой передней части двигателя. Он включает в себя два управляющих электронных блока и два высоковольтных трансформатора (катушки зажигания). К выводам высоковольтных обмоток трансформаторов подключены свечные провода – к одному 1-го и 4-го цилиндров, к другому – 2-го и 3-го. Таким образом, искра одновременно проскакивает в двух цилиндрах (1–4 или 2–3) – в одном во время такта сжатия (рабочая искра), в другом – во время выпуска (холостая). Модуль зажигания – неразборный, при выходе из строя его заменяют.

Свечи зажигания – А17ДВРМ или их аналоги, с помехоподавительным резистором сопротивлением 4–10 кОм и медным сердечником. Зазор между электродами – 1,00–1,13 мм.

Четыре предохранителя и три реле системы управления двигателем (главное, электробензонасоса и электровентиляторов системы охлаждения двигателя) находятся в салоне под панелью приборов с левой стороны. Силовые контакты всех реле замыкаются по командам контроллера. Три предохранителя на 15 А защищают цепь постоянного питания блока управления, главное реле и его цепи, силовые контакты реле электробензонасоса и его цепь. Предохранитель на 30 А защищает силовые контакты реле и цепь питания электровентиляторов системы охлаждения двигателя. Кроме предохранителей, предусмотрена плавкая вставка в цепи питания системы управления двигателем (от клеммы «плюс» аккумуляторной батареи до блока предохранителей системы управления). Она находится в моторном отсеке и выполнена в виде отрезка черного провода сечением 1 мм 2 (сечение основного провода – 6 мм 2 ).

Датчик положения дроссельной заслонки

Датчик положения дроссельной заслонки – это датчик, который измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

По сигналу датчика блок управления определяет, находится ли дроссельная заслонка в нужном положении и какое количество воздуха попал во впускной коллектор.

Положение датчика. Датчик устанавливается на оси дроссельной заслонки так, чтобы можно было измерять его вращение.

Компоненты датчика. Датчик представляет собой потенциометр, в корпусе которого находятся различные компоненты. Когда корпус закрыт, пружина прижимает ползунок с помощью контактов, прикреплённым к резистивным дорожкам и проводникам.

Многие датчики положения дроссельной заслонки имеют двойную конструкцию. В зависимости от конструкции датчик имеет от 3 (одиночная версия) до 6 (двойная версия) подключений

Принцип работы

Когда дроссельная заслонка вращается, ползунок и прикреплённые к нему контакты тоже вращаются. И из-за этого на подключениях возникает другое сопротивление, и блок управления может определить положение дроссельной заслонки.

Наличие двух потенциометров в датчике положения заслонки служит для повышения точности измерения текущего положения заслонки, для точного распознавания блоком управления неисправностей датчика, а также для повышения надёжности узла заслонки.

Если заслонка не вращается, сопротивление на всех подключениях будет одинаковым.

Управление работой двигателя

Из-за того, что блок управления не может измерить сопротивление, он подаёт постоянное напряжение на резистивные дорожки через точки подключения А и В. Один из контактов ползунка подключается к контакту С. Через контакт С блок управления измеряет выходное напряжение датчика положения дроссельной заслонки.

Напряжение на контактах ползунка зависит от положения, в котором они касаются резистивных дорожек. При открытии дроссельной заслонки контакты перемещаются по резистивным дорожкам. Пока дроссельная заслонка закрыты, контакты находятся близко к отрицательному концу резистивной дорожки. В этом случае напряжение составляет приблизительно 0,5 В.

При дальнейшем открытии заслонки напряжение на контактах увеличивается. Когда дроссельная заслонка полностью открыта, напряжение составляет приблизительно 4,5В.

Неисправности

Соединения и разъёмы проводов могут быть повреждены. Кроме того, датчик положения дроссельной заслонки иногда выходит из строя из-за износа резистивных дорожек. В модуле предлагается несколько тестов для проверки знаний, которые помогут выявить неисправности.

Контроллер СУД использует сигнал датчика положения дроссельной заслонки для расчета ее углового положения. ДПДЗ находится на дроссельном патрубке. Когда дроссельная заслонка поворачивается, то ее ось передает движение на сам датчик. Он представляет собой резистор потенциометрического типа. На одну его часть идет опорное напряжение с контроллера, а на другое – напряжение с массы. Подвижный контакт механизма соединен с третьим контактом датчика. Выходной сигнал ДПДЗ изменяется после поворота дроссельной заслонки. Когда она закрыта, датчик показывает напряжение в 0,3—0,7 В, когда открыта — 4—4,7 В. Когда контроллер работает на режиме холостого хода, то открытие дроссельной заслонки составляет 0% — это является минимальным значением напряжения датчика. В момент подачи ДПДЗ сигнала контроллером определяется текущий режим работы двигателя. Стоит отметить, что холостому ходу полностью соответствует закрытая дроссельная заслонка. Когда заслонка открывается при большом угле, то двигатель переходит на более мощный режим работы. В этот момент двигатель вырабатывает максимальную мощность и максимальный момент. Нагрузка двигателя определяется контроллером по сигналам ДПДЗ и ДПКВ. Такие параметры помогают рассчитать не только нужное количество топлива, но и УОЗ в случаях, когда ДМРВ вышел из строя. Если обедненную топливовоздушную смесь нужно компенсировать, то контроллер начинает рассчитывать добавку к базовой топливоподаче при помощи использования информации о приращении сигнала ДПДЗ.

Как работает датчик детонации?

Известно, что в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием могут возникать аномальные явления, которые приводят к понижению эффективности двигателя, а также снижению его мощности. Такие явления называются детонацией. Обычно она происходит из-за самовоспламенения еще не охваченной пламенем свежей топливовоздушной смеси.

В момент начала сгорания топливовоздушной смеси поршень начинает ее сжимать, что приводит к повышению температуры и давления в камере сгорания. Это может привести к самовоспламенению оставшихся газов. Пламя может распространяться на высокой скорости, которая составляет в среднем 2 000 метров в секунду, хотя его нормальная скорость должна не превышать 30 метров в секунду. Из-за такого скоростного процесса сгорания в камере заметно увеличивается давление. Если повышенное давление будет стабильным, то это может отрицательно сказаться на работе поршня, прокладки головки блока цилиндров, головки в зоне клапанов, повредить их.

Обычно такие изменения, колебания, фиксируются специальным датчиком детонации, а затем передаются контроллеру СУД. Такой датчик напоминает по своей конструкции акселерометр, или пьезокерамический прибор. Он преобразует энергию механических колебаний блока цилиндров в определенный электрический сигнал, который передается контроллеру.

Так, инерционная масса, когда возникает вибрация, начинает воздействовать на пьезоэлемент с определенными усилиями и частотой, после чего появляется электрический эффект на контактах. В контроллере сигнал датчика детонации начинает обрабатываться и анализиролваться, после чего обнаруживается момент возникновения сгорания топливовоздушной смеси, который отклонен от нормы.

Датчик детонации должен быть обязательно установлен на двигателе. К его выбору нужно отнестись серьезно. Обычно его выбирают по следующим критериям:

• В хорошем датчике сигналы детонации, исходящие от каждого цилиндра, не отличаются существенно по уровню
• Уровень сигнала должен быть достаточным, что позволит обработать его величину.
• Помехи, которые обычно возникают из-за работающего двигателя, должны быть не сильными.

К характеристикам датчика детонации относятся:

1. Температурный диапазон должен составлять максиму до 200 градусов, только в этом случае датчик является работоспособным.
2. Датчик детонации может быть с резонансной или широкополосной системой. В зависимости от типа системы резонансная частота датчика будет разной. При резонансном типе эта частота будет аналогичной с частотой детонационных колебаний в цилиндрах. В широкополосном типе эта частота будет намного выше. Стоит отметить, что во втором варианте системы на частотной характеристике есть равномерный участок, который лежит в диапазоне частот детонационных колебаний.
3. Такой тип датчика также характеризуется по коэффициенту преобразования. Обычно он показывает соотношение амплитуды выходного сигнала и детонационных колебаний, которые происходят в месте, где установлен этот датчик.

Как работает датчик фаз?

Известно, что впускные и выпускные клапаны двигателя управляются распределительным валом, частота вращения которого в два раза ниже, чем у коленчатого вала. В момент приближения коленчатого вала к верхней мертвой точке тяжело определить такт работы двигателя. Вообще различают такт выпуска уже отработавших газов и такт сжатия с последующим воспламенением топливовоздушной смеси. Обычно такими тактами работы двигателя характеризуются системы фазированного впрыска. При такой системе подача топлива происходит только через одну форсунку в цилиндр, в котором уже происходит такт сжатия именно перед открытием впускного клапана.

Датчик распределительного вала, или датчик фаз, помогает контроллеру точно определять форсунку, которой ему необходимо управлять в определенный промежуток времени.

В отечественных автомобилях часто устанавливают датчик, действующий на основе Холла. Наверняка, все знакомы с принципом работы бесконтактной системы зажигания карбюраторных агрегатов ВАЗ-21083. Обычно в таких двигателях установлен в распределители зажигания специальный датчик, который управляет коммутатором. Этот датчик работает как раз на основе Холла. Он фиксирует прохождение металлической шторки с прорезями, связанной с распределительным валом, а затем направляет сигналы самому коммутатору. Шторка всегда идет между датчиком и постоянным магнитом, тем самым прерывая магнитные линии, которые создает постоянный магнит. Когда между ними получается прорезь, то датчиком вырабатывается определенный сигнал, или импульс, который в последствие обрабатывается и передается коммутатору.

Датчик фаз работает аналогично. Единственное отличие состоит в том, что шторка в этом случае установлена на шкиве привода распределительного вала, и у нее всего лишь одна прорезь. Датчик начинает создавать импульс только в тот момент, когда такт сжатия создается в первом цилиндре. В случае, когда прорезь находится перед датчиком, то напряжение будет низким, а когда дальше, то, наоборот, высоким. Известно, что такую конструкцию датчика фаз имеет автомобиль ВАЗ-2112 с 16 клапанами. Такой датчик еще принято называть щелевым. Двигатели машин ВАЗ-21214 и ВАЗ-2111 установлен датчик распределительного вала торцевого типа. Для него также характерен эффект Холла, только в этом случае механизм отвечает не на прорезь в шторке, а на специальную метку, которая находится на шкиве привода распределительного вала, например, у ВАЗ-21214, или на самом распределительном вале, как у ВАЗ-2111. Обычно расстояние между датчиком и распределительном валом больше, чем перед датчиком и меткой. Когда метка подходит все ближе к датчику, то начинает образовываться импульс. У ВАЗ-21214 этот импульс получается в том случае, когда четвертый цилиндр находится в верхней мертвой точке на такте сжатия.

Как работает датчик скорости?

Для нормальной работы системы управления двигателем всегда необходима информация о движении машины. Обычно такой информацией располагает датчик скорости. Он посылает контроллеру все данные о движении и скорости движущегося автомобиля. Обычно такой датчик находится на коробке передач. Датчик скорости выдает 6 импульсов на 1 пройденный метр автомобиля. Стоит отметить, что эффект Холла характерен и для этого типа датчика. Кроме того, выходные параметры этой системы аналогичны с параметрами датчика фаз. Диск с закрепленным многоплюсным магнитом, установленный на внутренней оси системы, или шторка с 6-ю прорезями являются задающими элементами.

Датчики скорости бывают двух типов: проходные и непроходные. Первый тип устанавливается в разрыв крепления троса привода спидометра. Второй тип датчика можно найти в автомобилях, которые имеют электронную комбинацию приборов. В таких датчиках импульс подается и на контроллер СУД, и на электронную комбинацию.

Виды датчиков

Существует три вида ДПКВ, которые отличаются по принципу действия.

1. Индуктивный (магнитный). Его принцип действия мы уже рассмотрели выше. Он основан на электромагнитной индукции. Данный вид датчиков нашел наибольшее распространение ввиду своей эффективности и надежности. Стоит отметить, что для его работы и формирования стабильного сигнала необходимы высокие обороты задающего диска и отсутствие препятствий между ним и датчиком (загрязнений).
2. Датчик Холла. Данный тип ДПКВ работает на основе эффекта Холла. Когда зубцы диска проходят через датчик, он вырабатывает небольшое сигнальное напряжение. Данные фиксируются и передаются в блок управления в виде дискретного сигнала. Такие сенсоры используют опорное напряжение, отличаются высокой точностью, но довольно редко применяются в качестве ДПКВ.
3. Оптические. Работа основана на источнике и приемнике света (светодиод и фотодиод). Между ними в зазоре проходят зубцы диска. При разной частоте вращения зубцы диска затмевают светодиод, в результате на фотодиоде образуются импульсные сигналы, которые и подаются на блок управления. Ввиду своей непрактичности такие датчики сейчас почти не встречаются в автомобилях.

Сферы применения

Области использования миниатюрных устройств обширны:

• Используют в машиностроении для сборки, тестирования, упаковки, сварки, заклепки.
• В лабораториях применяют для контроля, измерения.
• Автомобильной технике, в транспортной промышленности, подвижной технике. Наиболее популярен датчик нейтральной передачи для МКПП. Во многих системах управления автомобилей присутствуют датчики. Они есть в механизме рулевого управления, клапана, педали, в подкапотных системах, в системах управления зеркалами, креслами, откидными крышами.
• Применяют их в конструкциях роботов, в научной сфере и сфере образования.
• Медицинской технике.
• Сельском хозяйстве и спецтехнике.
• Деревообрабатывающей промышленности.
• Металлообрабатывающей области, в станках металлорежущих.
• Проволочном производстве.
• Конструкциях прокатных станов, в станках с программным управлением.
• Системы слежения.
• В охранных системах.
• Гидравлических и пневматических системах.