Новейшие автомобильные электронные системы. Страница 1

Д. А. Соснин, В. Ф. Яковлев
Новейшие автомобильные электронные системы
Датчики ЭСАУ
Электронное управление ДВС Бортовые функциональные преобразователи Спутниковая навигация и круиз-контроль Электромагнитные клапаны ДВС Электромобили
УДК 629.113.066 ББК 39.33-04 С66
Соснин Д. А., Яковлев В. Ф.
С66 Новейшие автомобильные электронные системы. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005. — 240 с.: ил. — (Серия «Библиотека студента»). Учебное пособие для специалистов по ремонту автомобилей, студентов и преподавателей вузов и колледжей.
ISBN 5-98003-201-0
Рецензенты:
действительный член ДЭН РФ, заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. Ютт В. Е.
действительный член ДЭН РФ, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. Реку с Г. Г.
В книге описаны основные принципы построения и функциональные особенности новейших электронных систем, которые находят все более цгмрокое применение в бортовом оборудовании концептуальных автомобилей и, надо полагать, уже скоро будут использоваться на серийных автомобилях. Это системы электронной автоматики для управления механическими узлами и агрегатами, а также системы с нетрадиционными для автомобиля рабочими функциями. Описаны также входные преобразователи (датчики) и некоторые выходные исполнительные устройства принципиально нового назначения.
Книга является учебным пособием для специалистов по ремонту автомобилей, студентов и преподавателей вузов и колледжей и является дополнением к ранее опубликованным книгам авторов (см.: Д. А. Соснин. Автотроника, М.: Солон-Р. 2001 г. и В. Ф. Яковлев. Диагностика электронных систем автомобиля, М.: СОЛОН-Пресс, 2003 г.).
КНИГА - ПОЧТОЙ
Книги издательства «СОЛОН-Ilpecc» можно заказать наложенным платежам (оплата при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из двух способов:
1.    Послать открытку или письмо по адресу: 123242, Москва, а/я 20.
2.    Передать заказ по электронной почте на адрес: magazin@solon~r.ru.
Бесплатно высылается каталог издательства по почте.
При-,оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя. Желательно дополнительно указать свой телефон и адрес электронной почты.
Через Интернет вы можете в любое время получить свежий каталог издательства «СОЛОН-Пресс». Для отого надо послать пустое письмо на робот-автоответчик по адресу: katalog@solon-r.ru.
Получать информацию о новых книгах нашего издательства вы сможете, подписавшись на рассылку новостей по электронной почте. Для этого пошлите письмо по адресу: news@solon-r.ru. В теле письма должно быть написано слово SUBSCRIBE.
ISBN 5-98003-201-0
© Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2005 © Соснин Д. А., Яковлев В. Ф., 2005 Предисловие Успешное развитие автомобильной бортовой электроники каждые 8—10 лет значительно повышает качественные показатели вновь выпускаемых автомобилей. Интерес к автомобильным электронным системам постоянно растет. В настоящей книге описаны основные принципы построения и функциональные особенности новейших электронных систем автоматического контроля, управления и регулирования, которые в последние годы находят все более широкое распространение в бортовом оборудовании концептуальных автомобилей и, надо полагать, в недалеком будущем будут широко применяться и па серийных. Это прежде всего системы автоматического управления механическими узлами и агрегатами, в которых ранее средства электронной автоматики не применялись (газораспределительный механизм ДВС, гидравлические тормоза, коробка переключения передач, рулевое и педальное управление, ходовая часть, подвеска). Это и системы с нетрадиционными для автомобиля функциями, с помощью которых реализуются: круиз-контроль, спутниковая навигация, автопоиск, защита автомобиля от соударений, а пассажиров от увечий, стабилизация устойчивости движения, защита экологии окружающей среды, мультиплексная электропроводка, компьютеризация контрольно-измерительных приборов, управление электромобилем и другие новации. Описаны также входные преобразователи (датчики) и некоторые выходные исполнительные устройства нетрадиционного назначения. Книга написана в дополнение к ранее опубликованным монографиям авторов (см.: Д. А. Сосни п. Автотропика, М.: Солон-Р, 2001 г. и В. Ф. Яковлев. Диагностика электронных систем автомобиля, М.: СОЛОН-Пресс, 2003 г.). В совокупности три книги образуют достаточно полное учебное пособие для студентов технических университетов, углубленно изучающих устройства, принципы действия, диагностику, параметры и характеристики автомобильного электрического, электронного и автотронного оборудования. Как дополнительная литература будут полезны специалистам в области апнарато- и приборостроения. Работа по написанию книги была распределена следующим образом. Главы 3—7 написаны В. Ф. Яковлевым. Д. А. Соснин написал Предисловие, Главы 1, 8, 9, составил список литературы и выполнил научное редактирование всего материала книги. Главы 2 и 10 написаны совместно. Авторы считают своим долгом выразить глубокую признательность заведующему кафедрой «Электротехника и электрооборудование» МАДИ-ГТУ, академику АЭН РФ, заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических паук, профессору Ютту Владимиру Евсеевичу и профессору кафедры «Электротехника и электроника» РХТУ им. Менделеева, академику АЭН РФ, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Рекусу Григорию Гавриловичу за рецензирование книги и полезные замечания. Глава 1. Тенденции развития автомобильного бортового электрического и электронного оборудования Современный автомобиль состоит из четырех основных агрегатов: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), кузова, шасси и ходовой части. Эти агрегаты состоят из различных функциональных систем, которые обеспечивают выполнение главной функции автомобиля — перевозку грузов и пассажиров. Для того чтобы перевозки были безопасными, а для пассажиров и комфортными, чтобы агрегаты, узлы, блоки, системы работали безотказно, на автомобиле широко используются электротехнические устройства и средства электронной автоматики. ► В последние годы техническая оснащенность автомобилей электронной бортовой автоматикой значительно возрастает. Совсем недавно микропроцессорные системы зажигания, электронные системы управления гидравлическими тормозами, системы впрыска бензина, бортовая самодиагностика считались последними достижениями в области автомобильного апнарато- и приборостроения. Теперь их относят к классическим системам и устанавливают почти на каждый серийный автомобиль, В наши дни на вновь разрабатываемые модели автомобилей дополнительно начинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические системы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцессорным обеспечением; спутниковая навигационно-поисковая система; радарные и ультразвуковые системы защиты автомобиля от столкновений и угона; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круиз-контроля; система «электронная карта»; мультиплексная электропроводка. Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных технологий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобразователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических переменных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естественном (английском) или искусственном (компьютерном) языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микроЭВМ это позволяет повысить точность и скорость (быстроту) обработки сигналов. Как следствие, значительно усложнился интерфейс и возникла необходимость в ведении CAN-npo-токола в мультиплексную систему. На базе электронных систем автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) и тормозами (ЭСАУ-Т) разработана и уже применяется гироскопическая система VDC для повышения курсовой устойчивости автомобиля на дороге в сложных условиях движения. Система VDC работает по принципу запрограммированного под нештатные условия движения совместного воздействия на крутящий момент ДВС (посредством системы ASR) и на антиблокировочную систему тормозов ABS, чем исключается боковой увод (снос) автомобиля при поворотах на большой скорости или на скользкой дороге. Водителю в таком случае отводится роль активного наблюдателя, контролирующего гг кйг^ектирующего поведение автомобиля. Интенсивно ведутся научные исследования возможности применения электромагнитных клапанов с электронным управлением в газораспределительном механизме (ГРМ) поршневого ДВС. Идею заменить классические механические клапаны электромагнитными еще в 50-х гг. XX в. предложил профессор Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ), доктор технических наук Владимир Митрофанович Архангельский. Что это дает поршневому ДВС, хорошо известно теоретически [24]. Но практическая реализация идеи оказалась исключительно трудоемкой задачей, над решением которой работают специалисты многих зарубежных фирм и отечественные разработчики. Теоретические и экспериментальные исследования уже завершены. Теперь идут разработки конструкторских вариантов исполнения ГРМ с электромагнитными клапанами. Наряду с усовершенствованием автомобильных бензиновых ДВС все более активизируются работы по созданию экологически чистых силовых установок для электромобилей. Полагают, что достойной заменой городскому автомобилю может стать гибридный электромобиль, электронные системы управления которым также относятся к современным новациям в области автомобилестроения. В современных условиях глобальным требованием к новейшим автомобильным электрическим и электронным системам является неукоснительное исполнение международных стандартов OBD-I1 (США) и EOBD-II (EU), которые также продолжают совершенствоваться. ►    Помимо специфики выполняемых функций новейшие системы автомобильной бортовой автоматики кардинально отличаются от классических, чисто электронных систем широким разнообразием принципов действия входящих в них составных подсистем. В зависимости от решаемой задачи в новую систему в качестве основных компонентов могут входить пе только электрические и электронные узлы и блоки, по и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуковые и любые прочие устройства, имеющие неэлектрическую природу функционирования. Их роль в реализации заданной функции управления главная, хотя все информационные процессы в системе реализуются па уровне электронных блоков управления (ЭБУ), а в новейших системах — в бортовых микропроцессорах. Такие крупные составные комплексы управления не могут относиться ни к механическим, ни к электрическим, ни к электронным, ни к любым другим «чистым» по принципу действия системам. В этой связи новейшие системы автомобильной бортовой автоматики, устанавливаемые на концептуальные автомобили, получили повое название — автотронные системы [3J. Автотронная система, управляя пеэлектрическими процессами через пеэлект-рическую периферию на выходе, сама управляется от сигналов, имеющих неэлектрическую природу, которые формируются неэлектрической входной периферией. ►    Например, автотронная система VDC (управления курсовой устойчивостью движения автомобиля), функциональные взаимосвязи которой с водителем и дорогой показаны на рис. 1.1, использует в качестве входной информации скорость движения, углы наклонения кузова, разность частот вращения колес, угол поворота руля, атмосферные условия, а в некоторых вариантах — давление в шинах и состояние дорожного покрытия. Описание условных обозначений, принятых на рис 1.1. I. Географические условия: извилистость дороги, спуски, подъемы, повороты, перекрестки дорог, переезды. \\. Дорожные условия: тип дорожного покрытия (гравий, бетон, асфальт); асфальт сухой, мокрый, обледенелый; освеш ые дороги; даотность транспортного потока. III.    Климатические условия: атмосферные - температура, влажность, давление; температура асфальта. IV.    Техногенные условия: сцепление колес с дорогой по состоянию протекторов шин; скорость вращения колес; скорость рыскания; боковой увод автомобиля, боковой увод колес, боковое ускорение. A.    Блок датчиков: угла поворота руля; угла поворота кузова автомобиля вокруг вертикальной оси (гироскоп); бокового ускорения. B.    УВР — управляющие реакции водителя, являющиеся откликом субъективного мышления на дорожные условия движения; проявляются индивидуально в зависимости от физического и психического состояния человека. C.    Блок датчиков: температуры, давления, влажности в атмосфере, температуры асфальта (по давлению в шинах). D.    Блок колесных датчиков (ДК) ABS и вычисляемых в ЭБУ системы VDC пе-электрических входных параметров — ц, ср, а, р, 5, v (см. далее рис. 8.5). E.    Центральный боковой компьютер (микропроцессор МП), в который интегрированы все логические и вычислительные функции четырех автоматических систем управления VDC, ADS, ASR, ABS. Содержит оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. Г. Блок оконечных преобразователей электрических сигналов в неэлектрические воздействия: а)    ДИС/ВП — драйверы информационной системы водителя (ДИС) и визуальный преобразователь (ВП) электрического сигнала в оптическое изображение; б)    ЗДД/КД — электродвигатель (ЭДД) и клапан (КД) демпфирования активной подвески (системы ADS); в)    ЭДН/НД — электродвигатель (ЭДН) и нагнетатель (НД) высокого давления в системе VDC; г)    ЭДТ/ГК — электродвигатель (ЭДТ) и гидроклапаны (ГК) системы ABS; д)    ШЭД/ДР — шаговый электродвигатель (ШЭД) и дроссельная заслонка (ДР) системы ASR. G. Блок водительских органов управления: ВИ — визуальные индикаторы (стрелочные, электронные, дисплей и пр.); РК — рулевое колесо; ПТ — педаль тормоза; Г1Г — педаль акселератора (газа). Все это неэлектрические проявления условий движения автомобиля, которые с помощью входных неэлектрических преобразователей перерабатываются в неэлектрические информационные сигналы: скорость движения — в круговую частоту вращения колес; углы вертикального наклонения — в механические перемещения инерционных элементов в гироскопическом устройстве; угол поворота руля — в движение (поворот) светомодулирующего (кодирующего) диска; давление в шинах — в прогиб упругой мембраны и т. д. Полученные таким образом неэлектрические информационные сигналы посредством входных датчиков (рис. 1.1, поз. А, С, D) преобразуются в электрические сигналы: поворот кодирующего диска на руле — в цифровой электрический код; круговая частота вращения колес — в последовательность электрических импульсов с изменяющейся частотой следования; перемещение инерционных элементов гироскопа, упругой мембраны датчика давления — в аналоговые электрические сигналы, которые далее с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) перерабатываются в цифровые электрические сигналы, пригодные для подачи на вход микропроцессора МП. Субъективное мышление Ш |
(U    CD О    S X    Ь J3    К ^    5 (U    CL н    с 5    о CL    О СО    Ш
Механические манипуляции водителя

Блок ЦАП
Блок АЦП A i < i \ 7^ Л л л
Го ° J3 Ь _5 ю §
>
<
го
©
о
ш
S , CL • о
2 . О CL § 0) X
а)
2 s ш d
о
со
<
ю
©
<
d
CN
d
d
>
-в- 5 го £ CL СП *г О 2 5
s
d
к
о
о В d
Рис. 1.1. Система VDC — как составная часть системы «дорога — водитель — автомобиль» Микропроцессор — это центральный орган управления (мозг) автотронной системы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических информационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об интенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектрические органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непосредственного управления неэлектрическими органами непригодны. Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой в аналоговую форму. Эту функцию выполняют цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы), которые одновременно являются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов. Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектрические органы управления, вслед за ЦАПами устанавливаются оконечные преобразователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектрические воздействия. Оконечные преобразователи (блок F на рис. 1.1) являются выходными исполнительными устройствами автотрон ной системы, но не являются ее информационным окончанием. В отличие от электронной системы автотронная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, которые и являются оконечными потребителями информации. Применительно к рассматриваемой системе управления устойчивостью движения автомобиля, оконечными потребителями информации яштяются: система подачи топлива в двигатель 4, тормозная система 2 автомобиля и информационная система водителя с визуальными индикаторами (ВИ) и оптическим (зрительным) каналом управления (ОКУ). Эти три системы представляют собой выходную исполнительную периферию автотронпой системы, которая (периферия) под автоматическим управлением микропроцессора, при крайне ограниченном (посредством коррекции положения руля) участии водителя, обеспечивает наиболее оптимальный режим движения автомобиля в сложных дорожных условиях или в аварийной ситуации (более подробно система VDC описана в главе 8). ► Другой пример — автотронное управление насос-форсунками, которые используются в системах впрыска бензина под большим давлением непосредственно в камеру сгорания для реализации внутреннего смесеобразования. Начиная с 2000 года такие форсунки стали устанавливаться в двигателях экспериментальных легковых автомобилей фирмы TOYOTA (Япония). Насос-форсунка (рис. 1.2), являясь гидромеханическим устройством, приводится в действие от кулачка 10 распределительного вала ДВС, а управляется от электронной системы S автотронного управления впрыском (ЭСАУ-В) посредством быстродействующего электрогидравлического клапана 2. Насос-форсунка является ярким примером составного компонента автотрон-ной системы. Входными неэлектрическими сигналами здесь служат: частота вращения и угловое положение распределительного вала; абсолютное давление (разрежение) во впускном коллекторе; температура двигателя и положение водительской педали газа. Эти неэлектрические величины с помощью соответствующих датчиков и АЦП преобразуются в числоимпульсную последовательность электрических сигналов и подаются на вход микропроцессора ЭСАУ-В. В микропроцессоре путем математической обработки входных сигналов происходит формирование последовательности управляющих импульсов для электрогидравлического клапана насос-форсунки. В данном случае ЦАП на выходе микропроцессора не применяется, но управляющие импульсы усиливаются в усилителе мощности и подаются на обмотку электромагнита гидроклапана 2. Гидроклапан представляет собой выходное исполнительное устройство автотронпой системы. Однако объектом управления является не гидроклапан, а точно отмеренная по массе и распределенная по времени струя 21 распыленного бензина, поступающая в объем цилиндра через дисковый запорный клапан 17 форсунки. Управление струей позволяет получить так называемый послойный впрыск бензина, суть которого состоит в строго дозиро- [//,\ Плунжер | | Конструктив | | Бензин Рис. 1.2. Насос-форсунка системы впрыска бензина 1 — фрагмент блока цилиндров в зоне камеры сгорания; 2 — магнитоэлектрический гидроклапан в сливном канале; 3 — главная бензомагистраль; 4 — подающая бензомагистраль; 5 — сливной канал (обратная бензомагистраль); 6 — корпус насос-форсунки; 7 — возвратная пружина плунжера; 8 — опорная тарелочка пружины плунжера; 9 — толкатель плунжера; 10 — кулачок распредвала; 11 — запорное кольцо опорной тарелочки; 12 — поршень плунжерного насоса; 13 — рабочая полость насос-форсунки; 14 — гидромеханическая форсунка закрытого типа высокого давления (100—150 бар); 15 — перепускной канал из полости плунжерного насоса в полость форсунки; 16 — возвратная пружина запорного клапана форсунки; 17 — дисковый запорный клапан форсунки; 18 — свеча зажигания (СЗ); 19 — центральный электрод СЗ; 20 ~ боковой электрод; 21 — конус (струя) распыленного бензина; L — ход плунжера ванной подаче топлива отдельными порциями и в строго определенное время. При этом за один цикл впрыска бензин подается не сплошной однородной струей, как в обычной форсунке с электронным управлением, а несколькими частями, каждая из которых образует «свой» коэффициент избытка воздуха (3. В объеме цилиндра образуется послойная структура ТВ-смеси с разной концентрацией компонентов. Преимущество прямого послойного впрыска бензина состоит в том, что в первый момент воспламенения в зоне центрального электрода 19 свечи зажигания 18 имеет место стехиометрическая (нормальная) ТВ-смесь с коэффициентом (3=1, которая легко возгорается. Далее процесс горения бензина при значительном избытке кислорода ((3 = 2,0) поддерживается за счет «открытого огня», образовавшегося в первый момент воспламенения. Такой процесс сгорания ТВ-смеси позволяет получить значительную экономию бензина (до 35%), понизить выброс в атмосферу угарного газа СО и углеводородов СН, а также увеличить удельную мощность двигателя. ►    Из приведенных примеров очевидно, что автотронная система является совокупностью самых различных по принципу действия устройств, объединенных в единый комплекс с целью выполнения требуемой специфической функции управления, регулирования или текущего контроля на борту автомобиля. Современные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автоматического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подавляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются автотронными, входными воздействиями для которых являются неэлектрические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управления) — неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные отличия автотронных систем от чисто электронных и электрических. ►    Говоря о тенденциях и перспективах развития автомобильных бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершенствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже скоро в бортсеть автомобиля будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных устройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мультиплексная электропроводка и т. п. Ясно, что при повышении напряжения электропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 па 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому — выпуск 12-вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства и, главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили оборудованы 12-вольтовыми потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио-, радио-, видеоаппаратура, бортовая самодиагностика и т. п.). Единой стратегии перевода бортсети автомобиля на более высокое напряжение пока нет. Полагают, что некоторое время на автомобиле будет два напряжения: 12 вольт — для классического электрооборудования, и 42 вольта — для новейших мощных потребителей. Такой подход широко используется па многотонных грузовых автомобилях, где мощные электропотребители 24-вольтовые, а освещение — от 12 вольт. Еще более яркий пример — электромобили. Здесь главная тяговая аккумуляторная батарея, управляющий контроллер и тяговый электродвигатель рассчитаны па напряжение 120...380 В и соединены между собой отдельными цепями. При этом бортсеть остается 12-вольтовой. Из приведенных примеров ясно, что функциональное многообразие бортовых электрических устройств неизбежно приводит к необходимости применения на автомобиле нескольких первичных источников электроэнергии с различными рабочими напряжениями. При этом не исключено, что будет использоваться и переменное синусоидальное напряжение для специальных потребителей. ►    Под новые напряжения в первую очередь будут модернизированы бортовые электромашины. Уже в наши дни значительно видоизменен электростартер. В нем не применяется последовательное возбуждение, которое заменено возбуждением от постоянных магнитов. Жесткая механическая характеристика электродвигателя такого стартера согласовывается с пусковым моментом ДВС посредством планетарного редуктора (редуктора Джемса). Давно нет коллекторных генераторов постоянного тока, их заменили многофазные синусоидальные генераторы с полу* проводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. Но и такие генераторы могут значительно видоизмениться при появлении второго рабочего напряжения или если необходимость в высоковольтном переменном напряжении станет реальной. Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартер-генератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в бортсеть после запуска ДВС. ► Современная микропроцессорная система зажигания с низкоуровневым многоканальным распределением энергии по свечам [2] является наиболее совершенным решением проблемы принудительного электроискрового воспламенения ТВ-смеси в цилиндрах поршневого ДВС. Но и это не предел достижений. Уже испытаны лазерные свечи зажигания, которые работают непосредственно от электронной схемы управления без промежуточного энергопа-копителя. Это позволит значительно повысить надежность и КПД системы зажигания, а также избавить ее от высокочастотных электроискровых помех на другие узлы и блоки бортовой электронной автоматики. Электронной схемой управления может стать магнитный модулятор сжатия, работающий на ферромагнитных сердечниках насыщения. Схема такого модулятора показана на рис. 1.3, основным элементом в которой является высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками. Рис. 1.3. Магнитный модулятор системы зажигания
Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется. Выходной трансформатор имеет два изолированных друг от друга магпитопро-вода — М, и М2, охваченных общей первичной обмоткой W,. Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления (WB и WB") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W2’ и W2"). Когда по управляющей обмотке WB* протекает ток, достаточный для насыщения сердечника Mh а обмотка WB" обесточена, то высокое напряжение будет наводиться только во вторичной обмотке W2H. Если обесточить управляющую обмотку Wp' и пропустить ток насыщения по обмотке WB", то насытится сердечник М2 и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W2\ Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом. В заключение следует отметить, что не все известные разработки бортовых систем вышли из стадии экспериментальных исследований. Они используются в основном на фирменных моделях спортивных и концептуальных автомобилей. Но, как и прежде, почти все новации, испытанные на копцепткарах, рано или поздно начинают применяться на серийных автомобилях. Таковы тенденции развития автомобильной техники и, в частности, систем бортового электрического, электронного и автотронного оборудования. Глава 2. Датчики новейших автомобильных электронных систем 2.1. Предварительные замечания Современные электронные системы автоматического управления (ЭСАУ) различными техническими объектами, в том числе и автомобильными бортовыми устройствами, имеют сходную структуру. Различные датчики ЭСАУ преобразуют информацию о значениях контролируемых неэлектрических параметров в электрический сигнал — напряжение, ток, частоту, фазу и т. д. Эти сигналы преобразуются в цифровой код и поступают в микроконтроллер. Микроконтроллер па основании значений этих сигналов и в соответствии с заложенным в него программным обеспечением принимает решения, управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвигатели) объектом. Возможность совершенствования автомобильных электронных систем во многом зависит от наличия надежных, точных и недорогих датчиков. В 60-х годах автомобили были оборудованы датчиками давления масла, уровня топлива, температуры, охлаждающей жидкости. Их выходы были подключены к стрелочным или ламповым индикаторам на щитке приборов. В 70-х годах автомобильные компании начали бороться за уменьшение количества токсичных выбросов из глушителя автомобиля — потребовались дополнительные датчики для управления силовой установкой, которые необходимы для обеспечения нормальной работы электронного зажигания, системы впрыска топлива, трехкомпонентного нейтрализатора, для точного задания соотношения воздух/топливо в рабочей смеси, для минимизации токсичности выхлопных газов. В 80-х годах начали уделять больше внимания безопасности водителя и пассажиров — появились антиблокировочная система торможения (ABS) и воздушные метки безопасности. В силовом агрегате (в ДВС) датчики используются для измерения температуры и давления большинства текучих сред (температура всасываемого воздуха, абсолютное давление во впускном коллекторе, давление масла, температура охлаждающей жидкости, давление топлива в системе впрыска). Почти ко всем движущимся частям автомобиля подключены датчики скорости или положения (скорость автомобиля, положение дроссельной заслонки, положение коленчатого вала, положение распределительного вала, положение и скорость вращения вала в коробке переключения передач, положение клапана рециркуляции выхлопных газов). Другие датчики определяют уровень детонации, нагрузку двигателя, пропуски воспламенения, содержание кислорода в выхлопных газах. В системе управления климатом (в климат-контроле) используются различные датчики в кондиционере для определения давления и температуры хладагента, температуры воздуха в салоне и за бортом. Есть датчики, которые определяют положение сидений. После появления антиблокировочной системы торможения и активной подвески потребовались датчики для определения скорости вращения колес, высоты кузова по отношению к шасси, давления в шинах. Датчики удара и акселерометры нужны для правильного функционирования фронтальных и боковых воздушных мешков безопасности. Для переднего пассажирского сиденья с помощью датчиков определяют наличие пассажира, его вес. Эта информация используется для оптимального наддува мешка безопасности на переднем сидепьи. Другие датчики используются для боковых и потолочных воздушных мешков безопасности, а также специальных воздушных мешков для защиты шеи и головы. На современных автомобилях антиблокировочные системы торможения заменяются более сложными и эффективными системами управления стабильностью движения автомобиля. Возникает необходимость в новых датчиках. Разрабатываются и уже имеются датчики скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси, датчики для предупреждения столкновений (например радарные), датчики для определения близости других автомобилей, датчики положения рулевого колеса, бокового ускорения, скорости вращения каждого колеса, крутящего момента на валу двигателя и т. д. Управление тормозной системой автомобиля становится частью более общей и эффективной системы электронного управления курсовой устойчивостью и стабильностью движения. Из сказанного ясно, что сегодня датчики устанавливаются практически во всех системах автомобиля. На рис. 2.1, а показано наиболее рациональное расположение различных датчиков на автомобиле. ► Датчики автомобильных электронных систем можно классифицировать по трем признакам: принципу действия, типу энергетического преобразования и основному назначению. По принципу действия датчики подразделяют на электроконтактные, потенциометрические, оптические, оптоэлектронные, электромагнитные, индуктивные, магпиторезистивиые, магнитострикционные, фото- и пьезоэлектрические, датчики на эффектах Холла, Доплера, Кармана, Зеебека, Вигопда. В зависимости от энергетического преобразования (рис. 2.1, б) датчики (Д) бывают активными (поз. 2 на рис. 2.1, б), в которых выходной электрический сигнал (ЭС) возникает как следствие входного пеэлектрического воздействия (НВ) без приложения сторонней электрической энергии за счет внутреннего физического эффекта (например фотоэффекта), и пассивными (поз. 3 на рис. 2.1, б), в которых электрический сигнал (ЭС) есть следствие модуляции внешней электрической энергии (ВЭ) управляющим пеэлектрическим воздействием (НВ). Например, потенциометрический датчик, показанный па рис. 2.1, о (поз. 5), является пассивным преобразователем угла поворота оси потенциометра (чувствительного элемента ЧЭ) в электрический сигнал. Электрический сигнал (ЭС) появится на выходе потенциометра только после того, как на резистивную дорожку (П) будет подано внешнее напряжение (ВЭ). Следует отметить, что внутри датчика, посредством чувствительного элемента (ЧЭ), всегда имеет место внутреннее преобразование внешнего неэлектрического воздействия (НВ) в промежуточный неэлектрический сигнал (НС), что показано на рис. 2.1, б (ноз. 1). Применительно к датчику угла поворота, угловое положение оси потенциометра является пеэлектрическим сигналом (НС) на выходе чувст- \ 2. 3.4,5.6    38 31 18,20,28 29 40 Рис. 2.1, а. Расположение датчиков на автомобиле 1 — датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией, 2 — датчик тахометра, 3 — датчик положения распределительного вала, 4 — датчик нагрузки двигателя, 5 — датчик положения коленчатого вала, 6 — датчик крутящего момента двигателя, 7 — датчик количества масла, 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 9 — датчик скорости автомобиля, 10 — датчик давления масла, 11 — датчик уровня охлаждающей жидкости, 12 — радарный датчик системы торможения, 13 — датчик атмосферного давления, 14 — радарный датчик системы предотвращения столкновений, 15 — датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач, 16 — датчик выбранной передачи в коробке передач, 17 — датчик давления топлива в рампе форсунок, 18 — датчик скорости вращения руля, 19 — датчик положения педали, 20 — датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси, 21 — датчик противоугонной системы, 22 — датчик положения сиденья, 23 — датчик ускорения при фронтальном столкновении, 24 — датчик ускорения при боковом столкновении, 25 — датчик давления топлива в баке, 26 — датчик уровня топлива в баке, 27 — датчик высоты кузова по отношению к шасси, 28 — датчик угла поворота руля, 29 — датчик дождя или тумана, 30 — датчик температуры забортного воздуха, 31 ~ датчик веса пассажира, 32 — датчик кислорода, 33 — датчик наличия пассажира в сиденье, 34 — датчик положения дроссельной заслонки, 35 — датчик пропусков воспламенения, 36 — датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов, 37— датчик абсолютного давления в впускном коллекторе, 38 — датчик азимута, 39 — датчик скорости вращения колес, 40 — датчик давления в шинах вительного элемента (ЧЭ). Этому неэлектрическому сигналу (НС) соответствует выходной электрический сигнал (ЭС) датчика, если поданное па резистивную дорожку (П) внешнее напряжение (ВЭ) постоянно (рис. 2.1, б, поз. 4). Линейная характеристика преобразования (рис. 2.1, б, поз. 6) может быть легко изменена на квадратичную, ступенчатую и любую нелинейную с заданной крутизной, что достигается подбором конструктивных размеров (дойны, ширины, толщины) резистивной дорожки. 1)
ВЭ Д
ЭС = (О...ВЭ)В НС = X- 0...300“ ВЭ = const НС
4)
Рис. 2.1, б. Модели датчиков ЭСАУ
m
ЧЭ
<-1 ^■■■■■#3 НС* |эс|
ВЭ

2w
ЭС = f(HB) = (R?3/R12)B3; ВЭ = const 5)
Из приведенного примера ясно, что любой датчик всегда состоит, как минимум, из двух частей — из чувствительного элемента (ЧЭ), способного воспринимать входное неэлектрическое воздействие (НВ), и из преобразователя (П) промежуточного неэлектрического сигнала (НС) от чувствительного элемента в выходной электрический сигнал (ЭС). По назначению датчики классифицируются по типу управляющего неэлектрического воздействия: датчики краевых положений, датчики угловых и линейных перемещений, датчики частоты вращения и числа оборотов, датчики относительного или фиксированного положения, датчики механического воздействия, датчики давления, датчики температуры, датчики влажности, датчики концентрации кислорода, датчик радиации и др. ► Датчики подключаются к ЭБУ или средствам индикации для передачи информации о параметрах контролируемой среды. В автомобильных системах цена и надежность имеют огромное значение и при прочих равных условиях всегда выбирают датчик с наименьшим числом соединителей. Если к датчику следует подключить 5—6 проводов (например, ЛДТ), целесообразно разместить микросхему обработки сигнала непосредственно на датчике и передавать данные контроллеру через последовательный интерфейс. При подключении датчиков к ЭБУ следует иметь в виду, что шасси (масса) автомобиля не может быть использована в качестве измерительной земли. Между точкой подключения ЭБУ к массе и датчиком напряжение может падать до I В за счет токов силовых элементов по массе, что недопустимо как при штатной работе датчика, так и при его диагностике. Подавляющее большинство датчиков из числа вышеперечисленных уже достаточно широко используется на современных импортных и отечественных автомобилях. Их устройство, работа и принципы диагностирования подробно описаны в [3] и [4]. Но есть и такие, которые появились относительно недавно и находятся на стадии внедрения в новейшие автомобильные системы. Описанию именно таких датчиков уделено наибольшее внимание в данной главе. 2.2. Датчики давления
На современных автомобилях используется большое число датчиков давления (от давления масла до дифференциального давления воздуха по разные стороны кузова), и их количество постоянно растет. Измерение давления в различных жидкостных и газообразных текучих средах производится на автомобиле в процессе разработки, производства и эксплуатации. Результаты этих измерений необходимы для проведения экспериментальных исследований, обеспечения нормальной безопасной эксплуатации автомобиля, выдачи информации водителю, для диагностики, В зависимости от измеряемого параметра могут применяться разные единицы измерения давления. В системе СИ это паскаль (Па) или килопаскаль (кПа). Независимо от метода измерения в технических системах определяется избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. Таблица 2.1
[psi]
[Мм рт. ст]
6,8947
1,0
[psi]
51,715
0,1450
0,133332
[Мм рт. ст]
1,0
[кПа]
7,5006
1,0
Таблица 2.2
Система
Параметр
Диапазон 100 !
Абсолютное давление во впускном коллекторе [кПа]
Абсолютное давление во впускном коллекторе двигателя с наддувом [кПа]
200
Управление • двигателем
Барометрическое давление [кПа]
100
Давление в системе рециркуляции I выхлопных газов [кПа]
51,7
4
Давление топлива [кПа]
450
1 Коробка переключения ! передач
Давление масла [кПа]
550
| Антиблокировочная . система тормозов
Давление масла [кПа]
3447
i Воздушные мешки безопасности
Давление газа [кПа]
51,7
i Давление в пневматическом амортизаторе ! [мПа]
1,0
: Подвеска
В табл. 2.1 приведены соотношения между различными единицами измерения давления, которые используются при маркировке датчиков в автомобильной промышленности. Здесь psi — это фунт на квадратный дюйм, единица, которая применяется в англоязычных странах. Современный серийный автомобиль имеет несколько датчиков для измерения давления, например, разрежения во впускном коллекторе, давления масла в двигателе и т. д. В табл. 2.2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ. Водителю обычно выдается информация со следующих датчиков: давления масла в двигателе, уровня топлива, уровня масла, давления охлаждающей жидкости, уровня охлаждающей жидкости, уровня жидкости в омывателе, уровня жидкости в коробке переключения передач, давления в шинах. 2.2.1. Датчики барометрического давления и абсолютного давления во впускном коллекторе Такие датчики используются в системах управления двигателем при определении массы топлива по объемному расходу воздуха. Этот способ дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен. Могут использоваться только для диагностики в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II. Датчики барометрического (атмосферного) давления нужны для адаптации ЭБУ к перепадам высоты и изменениям погоды. Они применяются совместно с расходомером воздуха по объему. Часто это один и тот же датчик, тогда измерение атмосферного давления производится, когда зажигание включено, а двигатель еще не работает. При езде в горах иногда приходится специально останавливаться и перезапускать двигатель для адаптации системы управления подачей топлива к повой высоте. Выпускаются и сдвоенные датчики (рис. 2.2). Вход барометрического датчика остается открытым и на него подается атмосферное давление, вход датчика разрежения соединяется вакуумным шлангом с впускным коллектором. Рис. 2.2. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения (Ford): 1 — вакуумный шланг, 2 — шланг в атмосферу Рис. 2.3. Современный интегральный датчик давления в защитном корпусе Барометрические датчики и датчики давления, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций. Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление. Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник. Современные интегральные датчики (рис. 2.3) подключаются к микропроцессору ЭБУ через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для 8-раз-рядного контроллера шаг дискретизации может составлять до 4 мс, для 16-разряд-ного —-до 2 мс. Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно около 1%. Датчик барометрического давления работает в диапазоне 60... 115 кПа, имеет погрешность около 1,5%. По краям рабочего диапазона, как по температуре, так и по давлению, погрешность растет. Рис. 2.4. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации: А — цепь температурной компенсации, В — измерительный мост, С — подстройка нуля, D — коэффициент усиления, Е — термокомпенсация усилителя Датчики абсолютного давления в двигателях с наддувом работают в диапазоне давлений 20...200 кПа. Рассмотренные датчики имеют, как правило, интегральное исполнение и крепятся к стенкам соответствующих трубопроводов. Кремниевый кристалл Фильтр Разрежение из коллектора Рис. 2.5. Датчик разрежения во впускном трубопроводе
Широкое распространение получили полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле, в работе которого используется пьезорезистивный эффект (рис. 2.4, 2.5). На поверхности кристалла сформирован мостик сопротивлений, ток через которые изменяется под действием деформации. Затем ток усиливается и вводится температурная компенсация. Эти датчики отличаются небольшими размерами и высокой надежностью. Интегральные датчики очень технологичны, их выходной сигнал унифицирован для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера. Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота. В табл. 2.3 приведены характеристики некот орых датчиков абсолютного давления.
Таблица 2.3 !' ; Разрежение, мм рт. столба вольты Ford, Гц Разрежение, мм рт. столба вольты Ford, Гц ид...117 : 1 “ i 1,42 : : 108...109 102...104 | 2.2.2.    Датчики давления в жидкостных средах На автомобилях они традиционно основаны па преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе работают все датчики давления масла в ДВС прежних конструкций. Сегодня электромеханические датчики заменяются па кремниевые или керамические интегральные. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40...+ 150 °С в условиях вибраций, при давлении до 500 psi (3440 кПа), в агрессивных химических средах. Из соображений стоимости корпуса датчиков изготовляются из пластмассы, устойчивой к перечисленным воздействиям. Информация о давлении масла в коробке переключения передач используется контроллером, управляющим переключением скоростей. Требования к датчику здесь такие же, как и при измерении давления масла в двигателе. Давление жидкости в тормозной гидравлической системе гораздо выше, чем в коробке переключения передач. Например, в ABS оно может достигать 500 psi (3440 кПа). Давление жидкости в тормозной системе автомобиля около 150 psi (1030 кПа), оно измеряется датчиками па-легковых автомобилях на этапе испытаний и на тяжелых грузовиках при эксплуатации. На пассажирском автомобиле достаточно иметь один датчик давления для контроля за гидравлической системой. Например, в системе ABS-VI фирмы GM давление оценивается по току электродвигателей насосов. 2.2.3.    Новые применения датчиков давления Описываемые ниже датчики используются на стадии разработки новых автомобильных систем. Их применение на серийных автомобилях определяется ценой, запросами потребителя, требованиями законодательства, необходимостью при диагностике. Система контроля давления воздуха в шинах Система позволяет следить за давлением в шинах и при его уменьшении ниже заданного уровня на щитке приборов автомобиля загорается ламповый или светодиодный индикатор. Каждому колесу соответствует отдельный индикатор. Пониженное давление в шинах повышает их износ, а также расход топлива, может привести к потере управления автомобилем, повышенное — ведет к вибрациям. На рис. 2.6 показаны блок-схема системы контроля давления в шинах и размещение датчика в колесе автомобиля. Система состоит из трех основных элементов. На ободе колеса установлен мембранный миниатюрный датчик давления (первый элемент), замыкающий контакты при снижении давления в шине и тем самым создающий вторичную цепь для высокочастотного излучателя (второй элемент), который размещен на узле крепления тормозных колодок (па суиорте). Датчик давления постоянно проходит в непосредственной близости от излучателя при вращении колеса. Факт появления вторичной цепи для излучателя фиксируется ЭБУ. На приборном щитке загорается контрольный индикатор (третий элемент), соответствующий колесу со сниженным давлением в шине. Система измеряет давление с точностью до ±50 миллибар. При нагреве на 10 °С давление в шине повышается на 1,5 psi (10,33 кПа). Повышение температуры воздуха в шине не сказывается на точности датчика давления и не вызывает ложных срабатываний системы. Датчик давления Излучатель а)    б) В-К ЭБУ Суппорт Тормозной Задающий Датчик скорости
Рис. 2.6. Система контроля давления в шинах: а — размещение на колесе; б — блок схема В другом варианте система контроля давления воздуха в шинах содержит аналоговые датчики давления и температуры. Эти датчики размещаются в шинах и передают бесконтактным способом информацию в ЭБУ о давлении и температуре, даже если автомобиль неподвижен. Учитываются также скорость и загрузка автомобиля. Давление в системе рециркуляции выхлопных газов Система рециркуляции выхлопных газов (exhaust gas recirculation — EGR) предназначена для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог. Впервые система EGR была применена па автомобилях Chrysler в 1972 году. Окислы азота возникают при температуре в камере сгорания выше 1370 °С (2500 °F). При некоторых режимах работы двигателя, когда не производится отбор полной мощности, например, при равномерном движении по шоссе, можно снизить температуру сгорания рабочей смеси, т. е. пойти на уменьшение мощности. Это достигается введением небольшого количества (6... 10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют ТВ-смссь, не изменяя соотношения воздух/топливо. С 80-х годов EGR стала частью электронной системы управления двигателем. В соответствии с требованиями к бортовым диагностическим системам второго поколения OBD-I1, система управления двигателем постоянно контролирует исправность клапана EGR, т. к. выход его из строя приводит к увеличению загрязнения окружающей среды выхлопными газами автомобиля. Например, на автомобилях Ford в трубе между EGR и впускным коллектором делается вставка с калиброванным отверстием и измеряется дифференциальное давление по обе ее стороны. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, что фиксируется компьютером с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым. На серийных автомобилях могут также применяться датчики положения клапана EGR. Положение клапана модулируется в зависимости от разрежения во впускном коллекторе по принципу широтно-импульсной модуляции или 3-раз-рядного цифроаналогового преобразователя, когда в различной комбинации открываются 3 электроклапана с сечениями в отношении 1-2-4. Изменение давления на 50 мм рт. ст. достаточно для открывания клапана. Дифференциальное давление обычно равно 200 мм рт. ст. Давление Паров топлива в баке Автомобиль производит токсичные отходы при эксплуатации, которые поступают в окружающую среду: 60% в виде выхлопных газов во время движения, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Для уменьшения вредного влияния испарений топлива последние из бака поступают в адсорбер с активированным углем, объемом 850... 1000 см3, где накапливаются и сжигаются в двигателе в подходящее время. На рис. 2.7 показана система улавливания паров бензина из топливного бака, в которой для управления продувкой адсорбера используется клапан с дифференциальным датчиком давления между давлением в задроссельной зоне впускного коллектора и давлением паров топлива в баке. Рабочий диапазон ±0,5 psi (3,5 кПа). Воздух Клапан Рис. 2.7. Система улавливания паров бензина
Давление бензина в рампе Регуляторы давления топлива в рампе форсунок обычно выполняют механическими и размещают непосредственно на рампе. В некоторых моделях (например, 5,9-литровый Dodge Magnum) топливный фильтр и регулятор давления размещены непосредственно в баке, что исключает возврат нагретого топлива, уменьшает его испарение. Имеются системы подачи топлива со стабилизацией давления в рампе без возвратной линии, где топливный электронасос включается системой стабилизации периодически. Броски давления Такие явления могут возникать в различных автомобильных системах. Например, в системе подачи топлива нормальное давление меньше 75 psi (520 кПа), но во время работы форсунок могут быть скачки до 300 psi (2070 кПа). Во время обратной вспышки во впускном коллекторе давление поднимается до 75 psi (520 кПа). Традиционные методы борьбы с бросками давления: механические стопоры и фильтры, рациональная (ударостойкая) конструкция датчиков. В современных интегральных датчиках давления используются кремневые чувствительные элементы. Их модуль упругости 30 ТО6 psi (не хуже, чем у стали), а напряжение текучести даже выше (180...300 psi). В прочном корпусе такие датчики обычно выдерживают броски давления. 2.2.4. Новые конструкции датчиков давления Мембранные потенциометрические датчики Чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра. Для потенциометрических датчиков характерны повышенный уровень шума, износ, статическое трение затрудняет регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала. Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом — один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения. Для его использования нужно лишь соединить скользящий контакт (движок) с движущимся объектом, а остальную часть потенциометра закрепить неподвижно. Но движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде перемежающихся малых и больших скачков. Малый скачок имеет место, когда движок замыкает два соседних витка, большой скачок соответствует моменту перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком. Таким образом, разрешение этого преобразователя зависит от диаметра намоточного провода и может быть улучшено путем использования более тонкого провода. Для потенциометра с плотностью намотки 50 витков на миллиметр, что близко к практическому пределу, предельное разрешение составляет 20 мкм. Сегодня в потенциометрических датчиках используется пленочное покрытие резистивной дорожки. Более подробно о потенциометрических и других традиционных датчиках ЭСАУ см. [3]. Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ) В этих датчиках смещение диафрагмы преобразуется в перемещение сердечника ЛДТ. Такие датчики ранее на автомобилях не применялись. Линейный дифференциальный трансформатор — это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток. На рис. 2.8 показана конструкция ЛДТ и приведена его принципиальная электрическая схема. При возбуждении первичной обмотки с помощью внешнего источника переменного напряжения в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимоиндукции. Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (или в нулевой) Магнитный экран 1'////////////////////////////////////////////Л Вторичная Первичная Вторичная обмотка 2 обмотка обмотка 1 Вторичная Первичная Вторичная обмотка 2 обмотка обмотка 1 " " ■ \
о-
1
V0
о
VI
О-
Рис. 2.8. Линейный дифференциальный трансформатор и его принципиальная схема позиции. При уходе сердечника из этой позиции напряжение, индуцируемое в той вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается. В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Полезную информацию о перемещении несут амплитуда и фаза выходного сигнала. Приходится использовать фазочувствительные демодуляторы, они имеются в интегральном исполнении. На автомобилях ЛДТ могут применяться в датчиках абсолютного давления впускного коллектора, где они преобразуют перемещение мембраны в электрический сигнал. ЛДТ обеспечивает погрешность преобразования перемещения сердечника в напряжение порядка 0,25%. Первичная обмотка запитывается синусоидальным напряжением 3...15 В с частотой 2...5 кГц. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1...2:1. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью нуля, гальванической развязкой входа и выхода, может работать в агрессивных средах. Емкостные датчики давления В таких датчиках одна из обкладок конденсатора является диафрагмой, которая прогибается при изменении давления. Номинальная емкость конденсатора определяется зависимостью С - А к -г/d, где А — площадь обкладки, е — диэлектрическая постоянная, d — расстояние между обкладками, к — коэффициент, зависящий от конструкции датчика. В качестве чувствительных элементов используются кремниевые или керамические диафрагмы. На рис. 2.9 показан емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом для измерения разрежения (Ford). Рис. 2.9. Емкостной датчик Кремниевая диафрагма закреплена на корпусе из стекла Ругех, поверхность стекла металлизирована для создания обкладки конденсатора методом фотолитографии. После закрепления кремниевой диафрагмы на стеклянной основе специальным герметиком в полости создается вакуум, отверстия запаиваются припоем, который образует выводы конденсатора для монтажа па печатную плату или керамическую подложку. Емкость конденсатора меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры датчика 6,7 х 6,7 мм, коэффициент ТКЕ — (30...80) • 10'6 на °С, нелинейность менее 1,4%, время установления показаний менее 1 мс. Выходной сигнал датчика для подключения к ЭБУ обычно преобразуют в частоту. Аналогично устроены и керамические датчики. Стекловолоконный датчик давления Для измерений больших давлений или при высоких температурах применяются специальные методы. Стекловолоконный датчик возможно будет использоваться для непосредственного измерения давления в камере сгорания на серийных автомобилях. Это нужно для управления двигателем и контроля процесса воспламенения рабочей смеси. Стекловолоконный, иногда говорят волоконно-оптический, датчик (рис. 2.10) выдерживает температуры до 550 ЭС (больше, чем пьезоэлектрический), рабочий диапазон давлений 0...1000 psi (7000 кПа) с перегрузками до 3000 psi. Световое излучение от источника проходит через оптическое волокно и попадает на диафрагму расходящимся пучком. Отраженное от диафрагмы излучение про- Диафрагма Стекловолокно Источник излучения детектор Давление Выход Рис. 2.10. Стекловолоконный датчик давления ходит по другому каналу кабеля. Интенсивность обратного светового излучения зависит от зазора D и положения диафрагмы. Опытные образцы датчиков монтировались непосредственно в свечу зажигания и имели погрешность менее 5%. В качестве датчиков аварийного давления и для выполнения прочих несложных функций в современных автомобильных системах, наряду с вышеописанными, по-прежнему применяются простейшие контактные датчики.
2.3. Датчики температуры и влажности Температура и влажность — важнейшие факторы, учитываемые при проектировании и эксплуатации автомобилей. Автомобили эксплуатируются в различных климатических зонах (-60...+57 °С), при этом в подкапотном пространстве температура может меняться в диапазоне -40...+ 125 °С; в салоне -40...ч85 °С. Температура и влажность в различных местах автомобиля могут иметь значения, величины которых сведены в табл. 2.4. Таблица 2.4
Влажность (относительная)
Температура, [°С]
Иней
Узел
95% при 38 °С...0
-40...-г 649
Выпускной коллектор
+
95% при 38 °С...0 95% при 38 °С...0 98% при 38 °С...О
-40...+121 -40...+141 -40...+177
Впускной коллектор Приборная панель Шасси, корпус
+
Влажность влияет на комфортабельность салона и работоспособность некоторых узлов автомобиля. На автомобиле имеется достаточное количество источников тепла, которые указаны в табл. 2.5. Таблица 2.5
Макс. температура, °С
Примечание
Источник
>1000
Процесс сгорания
Каталитический нейтрализатор Химические реакции
>1000
Трение о дорогу, удары
<250
Тормоза Лампы освещения
Колодки Обычные Галогеновые
<750
Лампы в фарах
<200
В электронных схемах
Силовые транзисторы
2.3.1. Узлы автомобиля, в которых производится измерение температуры Во многих узлах автомобиля необходимо производить измерение температуры на этапе доводки опытного образца. На серийных автомобилях датчики температуры необходимы для обеспечения штатной работы двигателя, систем управления и диагностики. В табл. 2.6 перечислены основные системы автомобиля, в компонентах которых производится измерение температуры и возможно будет производиться измерение влажности в ближайшее время. Таблица 2.6 Параметр Узел/система
Температура воздуха во впускном коллекторе    i | Температура охлаждающей жидкости в двигателе Влажность воздуха во впускном коллекторе Температура забортного воздуха ; Температура топлива    • Система управления двигателем
1~ Влажность воздуха в салоне Температура воздуха в салоне j Температура забортного воздуха    i | Система : управления климатом в салоне
! Температура охлаждающей жидкости в двигателе Температура тормозной жидкости в колесных    ■ I тормозных цилиндрах    I | Температура забортного воздуха    I ! Информационная система водителя
Температура воздуха в салоне . Температура воздуха в шинах • Температура электролита Наличие дождя (осадков) j Интенсивность солнечной радиации Методы и средства измерения температуры могут различаться для серийных и опытных автомобилей. Для серийных наиболее важны эксплуатационные характеристики, надежность, стоимость. Для опытных — совместимость со сложным измерительным и регистрирующим оборудованием, доступность такого оборудования в данное время. ►    Температура жидкостных сред. Это обычно охлаждающая жидкость (охладитель ДВС), масло двигателя, в коробке передач, топливо, тормозная жидкость, электролит в аккумуляторе. Температура охладителя контролируется на серийных автомобилях. Возможно контролировать температуру масла в двигателе и коробке передач. На гоночных автомобилях при отборе пиковой мощности контролируется температура топлива, масла, охладителя. Температура указанных жидкостей измеряется в пределах -40...+200 °С. ►    Температура электролита в аккумуляторах должна учитываться для установки оптимального зарядного напряжения на генераторе. Это делается обычно на этапе испытаний. Используются стеклянные термометры или остекленные термопары. На электромобилях могут использоваться аккумуляторы с рабочей температурой электролита 300...350 °С или твердые топливные элементы с рабочей температурой до 1000 °С, при этом система управления и диагностики должна постоянно контролировать эту температуру. ►    Температура воздуха на серийных автомобилях контролируется на входе в двигатель, за бортом, в салоне. При испытаниях измеряется температура воздуха вблизи электронных компонентов, верхний предел обычно 85... 125 °С. ►    Температура в каталитическом нейтрализаторе ранее контролировалась лишь на этапе испытаний, т. к. ее высокие рабочие значения (>350 °С) не должны оказывать отрицательного воздействия на близко расположенные узлы автомобиля. Сегодня есть необходимость ускоренного разогрева нейтрализатора при пуске двигателя для скорейшего его приведения в рабочее состояние и уменьшения токсичности выхлопа. Разогрев производят или бензиновой горелкой или электрически, при этом осуществляется контроль за температурой нейтрализатора. Измерение температуры производится также с диагностической целью. ►    Температура датчика кислорода (>350 °С) контролируется на этапе испытаний автомобиля и двигателя. ►    Температура воздуха в шинах, наряду с давлением, измеряется на опытных и гоночных моделях автомобилей. Например, система Michelin для гоночных автомобилей Peugot Proxima имеет датчики в каждом колесе, сигналы передаются на радиочастоте приемнику и затем в информационную систему водителя. При t > 85 °С данная система рекомендует снизить скорость до 240 км/час, при t > 90 °С до 160 км/час, при t > 100 °С — остановиться. ►    Температура в силовых электронных и интегральных схемах контролируется автоматически. Это сохраняет дорогостоящие компоненты в аварийных режимах, например, при коротком замыкании. Ясно, что датчики температуры на автомобиле разнятся по назначению и имеют различные рабочие диапазоны. В табл. 2.7 приведены типы датчиков. Тип Р — используется на серийных моделях; тип D — на опытных автомобилях при их испытаниях; тип F — возможно использование в будущем. Тип датчика
Термистор
Термопара
Потенциометрический
■ Резистор (платиновый)
р-п-переход
Г
Термостат
Волоконная оптика Термоиндикаторы
г
Таблица 2.7 Биметаллическая пластина Инфракрасный термометр Диапазон температур, °С Использование -200...+3000 -50...+450 -40...+125
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я