Датчики двигателя современного автомобиля

Датчики двигателя современного автомобиля

Конструкции современных транспортных средств, куда, в первую очередь обществом естественно причисляется легковой автомобиль, имеют обширный набор сенсорных элементов. Что такое сенсорные элементы? Для автомобилей это датчики двигателя, благодаря которым контролируется целый ряд технических параметров, определяющих ход техники, а также многое другое. Сенсорные элементы контроля связаны с продвинутой электроникой (бортовым компьютером), схемы которой фактически обеспечивают управление транспортным средством, оставляя водителю лишь чисто базовые рули, рычаги, педали. Ниже представлен обзор актуальных на сегодня сенсоров с учётом назначения. Так сказать – электронный расклад на автомобиль.

Датчик положения коленчатого вала (ПКВ)

Датчик положения коленчатого вала — компонент электронной системы контроля двигателя. Система контролирует число оборотов коленчатого вала и положение относительно верхней мёртвой точки поршня. Значения этого датчика двигателя используется для определения момента зажигания и впрыска топлива.

Датчик коленчатого вала двигателя автомобиля обычно используется в сочетании с аналогичным сенсором распределительного вала. Комбинация определяет правильное соотношение поршней и клапанов мотора. Подобное комбинирование считается крайне важным для двигателей с регулируемым распределительным валом.

Однако на автомобилях среднего класса достаточно иметь только датчик коленвала двигателя. Сенсоры коленвала и распредвала содержат сердечник – постоянный магнит, а также индукционную катушку. Прибор, как правило, расположен на передней части коленчатого вала или на кожухе маховика двигателя автомобиля.

Датчики двигателя современного автомобиля + на коленчатый вал
Примерно таким видится размещение внутри конструкции автомобильного мотора сенсорного элемента, определяющего положение коленчатого вала

Как показано на картинке выше, эти датчики двигателя традиционно расположены «на контакт» перфорированному (зубчатому) ободу маховика. Такая же ситуация отмечается и с размещением датчиков на передней части коленчатого вала. В этом случае сенсорный элемент расположен вдоль шкива зубчатого ремня ГРМ. В базовом варианте кольцевая часть шкива коленчатого вала (маховика) имеет 36 зубьев, минус один зуб. Тридцать шесть зубцов — это измерительное поле цикла поворота коленчатого вала на 360°.

Отсутствие одного зуба определяет положение коленчатого вала. Конечно, в зависимости от модели автомобиля отмечается разное расположение зубьев. По сути, датчик ПКВ является генератором. Так, при повороте стартером двигателя, прибор фиксирует зубья шкива и генерирует напряжение порядка десяти вольт.

Прохождение шкива меняет импульс напряжения. Информацию получает ЭБУ (Электронный Блок Управления) машины и определяет положение коленчатого вала. Важен фактор зазора между датчиком и вершиной зубьев. Здесь настройку производит изготовитель транспортного средства. Зазор и канавки между зубьями маховика не допускают наличия металлических частиц.

Как проверяется датчик положения коленчатого вала?

Здесь необходимо отсоединить разъём сенсора и выполнить следующие операции (пример VW Golf 1.4).

  1. Проверить подключение клемм 1 и 3 к бортовому компьютеру.
  2. Проверить соединение клеммы 2 с корпусом двигателя.
  3. Подключить вольтметр на клеммы 1 и 3.
  4. Включить стартер двигателя.

Вольтметр должен показать величину напряжения 4,5 вольта.

Проводник клеммы 2 имеет исполнение в виде оплётки, под которой скрыты проводники клемм 1 и 3. Такой экран стабилизирует напряжение, генерируемое датчиками. Однако нестабильность напряжения может иметь место по причине плохого заземления. Проверка самого датчика выполняется измерением  сопротивления между выводами 1 и 3, для чего следует узнать значение сопротивления сенсорного элемента.

На современных автомобилях датчики положения коленчатого вала традиционно аналоговые. Сигнал преобразуется в цифровое значение через ЭБУ. Однако есть также приборы с выходом цифрового сигнала. Таковые комплектуются встроенными преобразователями, чем снимают нагрузку с ЭБУ.

Датчик двигателя на положение распредвала

Этот тип сенсора работает аналогично прибору, рассмотренному выше. На основании полученных импульсов ЭБУ машины контролирует момент зажигания и синхронизирует впрыск топлива в камеру сгорания. Этот датчик, также нередко именуют как сенсор идентификации цилиндра.

Учитывая генерируемую информацию, которую электронный блок управления использует для управления работой двигателя, выход из строя этого прибора не приводит к отказу двигателя, как в случае с ПКВ. Тем не менее, в такой ситуации нарушается корректность впрыска топлива, что приводит к снижению работоспособности мотора.

Когда ПКВ выходит из строя, сигнальная лампа на приборной панели показывает тревогу. В отличие от зубцов шкива коленчатого вала, кулачковый вал имеет только одну вершину, отмечающую первый цилиндр. Однако рабочий режим зависит полностью от концепции электронного управления двигателем конкретного автомобиля.

Датчик двигателя на массовый расход воздуха

Такого вида сенсор крайне необходим для двигателей, где используется электронный впрыск топлива. Сенсором измеряется масса воздуха, поступающего в камеры сгорания двигателя. Эта информация необходима бортовому компьютеру для расчёта смеси в процессе подготовки к сгоранию.

Очевидный момент — воздух меняет плотность, расширяется, сжимается при разных температурах. При этом двигатели транспортных средств работают в разных условиях и температурных диапазонах, где масса воздуха неодинакова.

Здесь нужен идеальный датчик двигателя, позволяющий ЭБУ рассчитать правильное соотношение топливно-воздушной смеси. Два наиболее распространённых типа сенсоров массового расхода воздуха:

  1. Расходомер воздуха «VANE METER» с крыльчаткой (лопастями).
  2. Расходомер воздуха «HOT WIRE»,

Второй экземпляр работает по принципу нагреваемого проводника. Ни один из отмеченных приборов, между тем, не предназначен для полного измерения воздушной массы.

 

Датчики двигателя современного автомобиля + тип Vane
Сенсорный элемент тип «VANE METER»: 1 — измерительная пластина; 2 — компенсационная пластина; 3 — камера демпфирования; 4 — возвратная пружина

Тем не менее, в сочетании с датчиками температуры и давления воздуха, массу воздуха допустимо рассчитать с большой точностью. Оба сенсора посылают аналоговые сигналы напряжения 0-5 вольт пропорционально массовому расходу. Отмеченные выше приборы  характерны для автомобилей 2000-х годов выпуска. На текущий момент используются более совершенные конструкции.

Так, в конструкциях приборов «HOT WIRE» вместо проводов включена мембранная фольга, а также имеют место другие различные модификации. Но принцип работы практически не изменился. Конструкции новых автомобилей комплектуются аналоговыми устройствами, но с встроенным преобразователем.

Принцип действия сенсоров класса «VANE MAF»

Устройства типа «VANE MAF» работают по принципу движущейся основы (заслонки), которая связана с потенциометром (проволочным переменным резистором). При воздействии потока воздуха степень раскрытия заслонки зависит от величины воздушного потока. Заслонка механически связана с ползунком резистора, который изменяет значение напряжения в зависимости от положения ползуна.

На потенциометр подведено питание. Ползунок потенциометра в любом положении замыкает электрическую цепь между частью проволочного резистора и источником питания. Соответственно, уменьшает или увеличивает выходное напряжение. Проволочный резистор откалиброван таким образом, когда от нуля до полного отклонения даёт напряжение в диапазоне 0-5 вольт.

Напряжение считывания через ЭБУ пересчитывается в значение массы воздуха «грамм за секунду». Такого типа датчики оказались непрактичными по нескольким причинам:

  • большое количество механических частей,
  • нарушение отклонения заслонки из-за отложений грязи на цапфе,
  • размер заслонки препятствует максимальному потоку воздуха.

Кроме того, механические части (например, пружины) со временем изменяют калиброванное значение. Поэтому датчики двигателя такого рода имеют механизм регулировки натяжения пружины.

Если со временем пружина слабеет, отклонение потенциометра увеличивается, по сравнению с тем, которое предусмотрено для набегающей воздушной массы. Другими словами, электронный блок управления получит меньшее количество массы с более высоким значением в вольтах. Такой расклад приведёт к увеличению расхода топлива. Сегодня всё чаще применяются усовершенствованные конструкции сенсоров.

Принцип действия сенсоров класса «HOT WIRE»

Датчики двигателя массового расхода воздуха работают по принципу нагреваемого проводника, охлаждаемого потоком воздуха. Разница сопротивления проводника при разных температурах меняет аналоговый сигнал, значение которого варьируется в диапазоне 0-5 вольт.

Воздушный поток поступает на впускной коллектор двигателя через корпус датчика «HOT WIRE». Судя по схеме, через отдельный канал корпуса проходит относительно небольшое количество воздуха. В этом сечении находится проводник, по которому течёт ток нагрева. Потоком воздуха провод охлаждается. Повышение температуры провода увеличивает сопротивление, снижение уменьшает.

Датчики двигателя современного автомобиля + класс Hot Wire
Датчики двигателя автомобиля, представляющие класс «Hot Wire»: 1 — заслонка; 2 — сенсорный элемент «Hot Wire»; 3 — контакт «Т»; 4 — контакт входящего «MAF» сигнала; 5 — контакт возвратного «MAF» сигнала; 6 — сенсор температуры

В отличие от датчиков класса «VANE», этот прибор измеряет плотность воздуха. Более плотный воздух охлаждает проволоку сильнее, чем разреженный. В случае более плотного воздуха датчик двигателя формирует усиленный сигнал, так как имеет место больший объём воздуха.

В современных усовершенствованных конструкциях (например, «холодный проводник») вместо проводника используются пластины из сплава металла. Встроенные модули мгновенно преобразуют аналоговые сигналы в сигналы цифровые.

На картинке выше показан типичный прибор с электронным интерфейсом. Подобного рода устройство работает по принципу термической мембраны. На пластиковой пластине, расположенной посередине корпуса, мембрана отпечатана металлической фольгой снизу и сверху. Мембрана нагревает пластины из фольги, которые реагируют так же, как проводник, но более чувствительно.

Датчик двигателя на абсолютное давление в коллекторе

Простой пример работы так называемого MAP-сенсора (Manifold Absolute Pressure) можно наблюдать при движении автомобиля на уровне моря с определённой скоростью. Здесь сенсор отправляет информацию о давлении воздуха, которое зависит от плотности воздушной массы. Далее расчёт топливовоздушной смеси. При движении с той же скорости, но уже на большой высоте, показания  будут отличаться.

Благодаря этой модели датчика воздуха, ЭБУ машины распознаёт разницу плотности воздуха в разных случаях и точно определяет необходимое количество топлива для достижения идеальной смеси (соотношение 14,7:1). Как и в предыдущих вариантах, MAP-сенсор работает аналогичным образом.

Изменение сопротивления меняет выходное напряжение. Сигнал может быть аналоговым или цифровым, в зависимости от типа прибора. Некоторые устройства в корпусе имеют отверстие для измерения разрежения во впускном коллекторе. Чем ниже вакуум, тем выше давление воздуха. В этой ситуации сопротивление падает, а сигнал выходного напряжения увеличивается, и наоборот.

Типичное значение сигнала находится в диапазоне 0,5-4,5 вольта. На холостом ходу дроссельной заслонки, при сильном вакууме и низком давлении, сигнал датчика меняется от 0,5 до 1,5 вольта. В среднем положении дроссельной заслонки и среднем значении вакуума и давления, напряжение сигнала меняется от 1,5 до 3 вольт. При полном дросселе, низком вакууме и высоком давлении, сигнал достигает уровня 4,5 вольта.

Датчик двигателя на детонацию

Датчики двигателя класса «KNOCK» (kick «удар», стук «knocking», tapping «постукивание») — приборы, чувствительные к внутренним вибрациям автомобильного мотора. Конструкция устройства содержит:

  • керамические элементы,
  • магниты,
  • катушки.

Вибрирующие керамические пластины узурпируют магнитное поле, генерируют напряжение. Полученное напряжение поступает на модуль ЭБУ. Величина напряжения зависит от интенсивности вибрации керамических элементов или величины стука. На картинке ниже показаны керамические элементы, воздействующие на сейсмическую массу.

Датчики двигателя современного автомобиля + сенсор детонации
Так выглядит (в нижней части картинки) сенсор, способный обнаруживать детонации мотора автомобиля с последующей передачей сигнала бортовому компьютеру

Вибрации двигателя автомобиля передаются на датчик через центральный болт, которым прибор крепится к мотору. Колебания напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт передаются на контакты модуля ЭБУ. Этот сенсор устанавливается на блоке цилиндров для предотвращения повреждений из-за использования топлива с неподходящим октановым числом. Способствует достижению пропорциональной производительности мотора по отношению к используемому топливу.

Применение бензина с более низким октановым числом приводит к детонации в цилиндрах мотора. Такие детонации, как правило, проявляются металлически-дребезжащим звуком. Датчик двигателя на детонацию предназначен, в первую очередь, для улавливания звука детонации с последующей отправкой сигнала на бортовой компьютер.

Сила сигнала зависит от силы звуков, издаваемых в результате детонаций внутри мотора. На основе информации, полученной от этого вида устройства контроля детонации, бортовой компьютер регулирует угол опережения зажигания в соответствии с октановым числом топлива.

Датчики двигателя Лямбда-зонд на кислород

Лямбда-зонд (датчик кислорода) — один из самых важных и неотъемлемых элементов электронных систем конструкций двигателей машин. Лямбда-зонд (кислородный датчик) впервые начали применять на практике в середине семидесятых годов. Разработка принадлежит инженерам-конструкторам автомобилей «Volvo».

Прибор изготовлен на основе циркониевой керамики, покрытой тонким слоем платины. Целью устройства является измерение доли кислорода в газах и жидкостях. Соответственно, применение прибора не ограничивается только автомобильной средой.

Для автомобильных моторов кислородный датчик устанавливается на выпускном коллекторе или непосредственно перед катализатором. Прямая функция прибора здесь заключается в измерении концентрации кислорода выхлопных газов.

Измерением концентрации кислорода в составе выхлопных газов получают данные о насыщении топливно-воздушной смеси. То есть насколько богата или бедна топливовоздушная смесь. Информация о концентрации кислорода также поступает на ЭБУ двигателя, где и регулируется дозировка топлива.

На картинке ниже показано наиболее распространённое положение кислородного сенсора. Конструкция представляет собой химический генератор. Чувствительный элемент изготовлен из керамики и покрыт тонкой пористой плёнкой платины изнутри и снаружи. Одна (ввинчиваемая) часть прибора помещается в выхлопной трубе. Другая часть подвергается воздействию атмосферного воздуха.

Принцип действия устройства Лямбда-зонд

Лямбда-зонд реагирует на разницу концентрации кислорода в выхлопных газах и атмосферном воздухе, генерирует напряжение. Чем больше разница между концентрацией кислорода в выхлопных газах и атмосферном воздухе, тем выше генерируемое напряжение. Например, обеднённая топливная смесь даёт высокую концентрацию кислорода в выхлопных газах. Генерируемое напряжение здесь, примерно, 0,2 вольта.

Когда смесь слишком обогащённая, концентрация кислорода мала, генерируемое напряжение составляет  0,8 вольт. Такие колебания напряжения варьируются в миллисекундах. Бортовой компьютер на основании полученной информации о разнице в напряжении регулирует правильную дозировку топливной смеси.

Датчики двигателя современного автомобиля + лямбда сенсор
Здесь представлена одна из современных разработок на датчики двигателя, фактически представляющая контрольный зонд содержания кислорода

При точной дозировке топлива модулем ЭБУ поддерживается среднее напряжение 0,45 вольта, что соответствует идеальному соотношению воздух/топливо (14,7:1). Кислородный датчик не работает, когда двигатель холодный. В течение этого времени ЭБУ дозирует топливо по установленной программе и учитывает показания датчиков:

  • температуры охлаждающей жидкости,
  • массы воздуха,
  • другие.

Лямбда-зонд не генерирует напряжение, пока мотор не прогрет примерно до 200°C. Правильное функционирование обеспечивается только после прогрева мотора до уровня — 350°С. Именно по этой причине Лямбда-зонд размещают на верхней части выпускного коллектора.

При таком расположении Лямбда-зонд быстро нагревается и содержит только один выходной провод. Так как выпускной коллектор жёстко привязан к мотору, обеспечивается качественное заземление. Однако разные варианты размещения датчика кислорода на выхлопной системе, заставляют создавать конструкции на 1-4 проводников.

Так, если прибор размещён на выхлопных трубах дальше от двигателя, устройство оснащается дополнительным подогревателем. Подогреватель ускоряет прогрев и быстрее активирует Лямбда-зонд, правда требует использования дополнительных проводников.

Датчик температуры охлаждающей жидкости

Сенсор CTS (Coolant Temperature Sensor) призван измерять температуру охлаждающей жидкости мотора автомобиля. Датчик температуры охлаждающей жидкости традиционно монтируется перед термостатом. Прибор информирует ЭБУ автомобиля по температуре двигателя. Температурой мотора, в свою очередь, определяется количество топлива, которое форсунки впрыскивают в двигатель.

Бортовой компьютер запрограммирован данными по рабочей температуре автомобильного мотора. Компьютером автоматически рассчитывается соотношение топлива и воздуха в камерах сгорания при разных температурах. Делается это с целью обеспечения правильной работы автомобильного мотора.

Датчик ввинчивается в головку блока цилиндров двигателя нижней частью конструкции, которая погружается в охлаждающую жидкость, чем достигается точный контроль температуры. Как и в случае с другими автомобильными сенсорами, через этот прибор проходит напряжение 5 вольт.

Чувствительный элемент, погруженный в жидкость, действует подобно резистору. При низких температурах сопротивление чувствительного элемента высокое, то есть сигнал напряжения для ЭБУ имеет низкий уровень. Повышением температуры снижается сопротивление, уровень напряжения на входе ЭБУ увеличивается.

Датчики положения дроссельной заслонки двигателя

Датчик положения дроссельной заслонки (Throttle Position Sensor) является частью конструкции дроссельной заслонки. Центральная подвижная часть прибора находится на зубчатом конце вала. Датчик выполнен в виде ползункового потенциометра переменного сопротивления. Соответственно, в различных положениях уменьшает или увеличивает напряжение сигнала на ЭБУ.

В закрытом положении сопротивление датчика максимально, тогда как напряжение сигнала на ЭБУ максимально низкое. На практике встречаются разные типы такого рода устройств, имеющие два контакта или более того. Однако принцип работы любых моделей фактически одинаков. Центральная вращающаяся часть датчика соединяется с поворотным валом.

Процесс открывания заслонки сопровождается поворотом центральной части датчика. Щётка, прикрепленная к подвижной части прибора, скользит по контактным поверхностям неподвижной части, увеличивает или уменьшает сопротивление. Сенсор TPS, по сути, является одним из индикаторов ЭБУ для регулировки дозировки топлива и угла опережения зажигания.


При помощи информации: Auto-Mart