docDocument 166257
download 
Reklamacja Transkrypt
Document 166257
SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Piotr Ostalczyk (rozdz. 1, 2) Prof. Edward Jezierski (rozdz. 3) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 4) Dr hab. inż. Ryszard Szczerbanowski, prof. PŁ (rozdz. 5) Dr inż. Grzegorz Tosik (rozdz. 6) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 6) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr hab. inż. Krzysztof Pacholski, prof. PŁ (rozdz. 8, 9) Prof. Krzysztof Gniotek (rozdz. 10) Dr hab. inż. Iwona Frydrych, prof. PŁ (rozdz. 10) Dr hab. Inż Ryszard Korycki, prof. PŁ (rozdz. 11) Dr inż. Grażyna Sobiczewska (rozdz. 12) Dr hab. Maria Dems, prof. PŁ (rozdz. 13, 15) Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 13, 14, 15, 16, 17) Dr inż. Wojciech Rosiak (rozdz. 13, 15) Dr inż. Paweł Drzymała (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Henryk Welfle (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Ryszard Lasota (rozdz. 18) Dr inż. Marek Jan Glaba (rozdz. 19) Monografia przygotowana w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-85-7 © Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2010 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Jacek Gołębiowski 7. Układy elektroniczne w pojazdach samochodowych 7.1. 7.1.1. Układy zapłonowe Zasada działania Zadaniem układu zapłonowego jest spowodowanie zapłonu mieszanki paliwowej w cylindrze silnika w odpowiedniej chwili czasowej. Moment ten określa się za pomocą kąta wyprzedzenia zapłonu. Jest to kąt obrotu wału korbowego od chwili powstania wyładowania iskrowego do momentu osiągnięcia przez tłok zwrotu zewnętrznego. Kąt wyprzedzenia zapłonu jest sumą statycznego i dynamicznego kąta. Kąt statyczny jest niezależny od stanu pracy silnika natomiast kąt dynamiczny jest zmieniany za pomocą regulatorów mechanicznych lub elektronicznych. W przypadku regulatorów mechanicznych są to: regulator odśrodkowy zmieniający kąt wyprzedzenia w zależności od prędkości obrotowej silnika oraz regulator podciśnieniowy zmieniający kąt wyprzedzenia w zależności od podciśnienia w kolektorze dolotowym. Podstawowy elektromechaniczny akumulatorowy układ zapłonowy zbudowany jest z następujących elementów: źródła prądu stałego (akumulatora), wyłącznika zapłonu, cewki zapłonowej, świec zapłonowych, przewodów niskiego i wysokiego napięcia oraz aparatu zapłonowego. W aparacie zapłonowym umieszczone są przerywacz z kondensatorem, rozdzielacz wysokiego napięcia i regulatory mechaniczne. Praca układu zapłonowego synchronizowana jest zamykaniem i otwieraniem styków przerywacza. Po zwarciu styków przerywacza w obwodzie pierwotnym zaczyna płynąć prąd i1 : i1( t ) = U (1 − e−t / τ ) R1 (7.1) gdzie: U- nap. akumulatora, R1- rezystancja obw. pierwotnego cewki, τ- stała czas. obwodu (τ = L1 / R1) , L1- indukcyjność uzwoj. pierwotnego cewki 311 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Otwarcie zestyków przerywacza powoduje przerwanie płynącego prądu i indukowanie się siły elektromotoryczne we wtórnym uzwojeniu cewki. SEM w uzwojeniu wtórnym (o odpowiednio dużej wartości) wywołuje wyładowanie iskrowe pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej. Zastosowanie kondensatora bocznikującego styki przerywacza ogranicza powstawanie wyładowania pomiędzy otwierającymi się stykami przerywacza i zwiększa ich trwałość. Wartość maksymalna indukowanej SEM E2m po stronie wtórnej jest zależna od następujących parametrów obwodu: E2 m ≅ i1ϑ L1 C1 + C2ϑ 2 (7.2) gdzie: ϑ=z2 / z1 przekładnia cewki, z2- liczba zwojów uzwojenia wtórnego, z1- liczba zwojów uzwojenia pierwotnego cewki, C1- pojemność kondensatora , C2- pojemność obwodu wtórnego Rys. 7.1. Schemat konstrukcyjny elektromechanicznego akumulatorowego układu zapłonowego [18] Zadaniem rozdzielacza zapłonu jest doprowadzenie wysokiego napięcia do odpowiedniej świecy zapłonowej w cylindrze silnika, w którym ma nastąpić zapłon mieszanki. Wałek rozdzielacza jest sprzęgnięty mechanicznie z krzywką współpracującą z przerywaczem. Cewka zapłonowa pełni rolę transformatora wysokiego napięcia, w jej polu magnetycznym zmagazynowana jest energia potrzebna do wyładowania iskrowego. Na rysunku 7.1 pokazano uproszczoną budowę 312 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH olejowej cewki zapłonowej. Na rdzeniu wykonanym z pakietu izolowanych blach transformatorowych nawinięte jest uzwojenie wtórne cewki. Warstwy uzwojenia są izolowane przekładkami. Początek uzwojenia wtórnego jest połączony z gniazdem wysokiego napięcia cewki, a koniec uzwojenia z początkiem uzwojenia pierwotnego i również wyprowadzony do zacisku na głowicy (pokrywie) cewki. Do tego zacisku podłączone są styki przerywacza. Uzwojenie pierwotne cewki nawinięte jest warstwowo na odizolowanym uzwojeniu wtórnym. Drugi koniec uzwojenia pierwotnego wyprowadzony jest do zacisku na pokrywie cewki i połączony poprzez wyłącznik zapłonu z akumulatorem. Uzwojenia z rdzeniem umieszczone są w pojemniku wypełnionym olejem transformatorowym. Olej zwiększa wytrzymałość izolacji na przebicie oraz ułatwia odprowadzanie ciepła wydzielanego w uzwojeniach. Zewnętrzny obwód magnetyczny cewki wykonany jest z kilku zwojów blachy transformatorowej i umieszczony na zewnątrz uzwojeń. W nowszych rozwiązaniach układów zapłonowych stosuje się często „suche” cewki zapłonowe, w których uzwojenia impregnowane są podciśnieniowo za pomocą żywic syntetycznych. Obwód magnetyczny zamknięty wykonany jest z blach ferromagnetycznych z szczeliną z materiału paramagnetycznego, diamagnetycznego. Taka konstrukcja pozwala uzyskać odpowiednią indukcyjność uzwojenia pierwotnego przy niewielkich wymiarach cewki oraz uniknąć nasycenia obwodu magnetycznego. Aparat zapłonowy składa się z części obwodu niskiego napięcia (przerywacz, kondensator), rozdzielacza zapłonu wysokiego napięcia oraz regulatorów kąta wyprzedzenia zapłonu. Rozdzielacz zapłonu składa się z następujących elementów: kopułki z zewnętrznymi gniazdami wysokiego napięcia i wewnętrznymi elektrodami, palca rozdzielacza oraz szczotki węglowej. Palec rozdzielacza napędzany jest wałkiem aparatu i jego położenie zsynchronizowane jest z położeniem przerywacza. W momencie otwarcia styków przerywacza palec znajduje się naprzeciwko jednej z elektrod umieszczonych w kopułce. Impuls wysokiego napięcia z cewki zapłonowej doprowadzony jest przewodami instalacji do centralnego gniazda kopułki a następnie za pomocą szczotki węglowej do palca rozdzielacza. Pomiędzy palcem a wewnętrzną elektrodą jest niewielka przerwa (0,3-0,5 mm). W chwili pojawienia się wysokiego napięcia (15-30 kV) następuje przebicie tej przerwy powietrznej i impuls wysokiego napięcia poprzez odpowiednie gniazdo na kopułce zostaje doprowadzony do świecy zapłonowej. W klasycznym aparacie zapłonowym umieszczone są dwa regulatory mechaniczne: regulator odśrodkowy i regulator podciśnieniowy. Zadaniem regulatora odśrodkowego jest zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu w 313 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH zależności od prędkości obrotowej silnika. Zasada działania regulatora polega na wykorzystaniu sił odśrodkowych działających na wirujące ciężarki. Ciężarki mogą obracać się wokół osi zamocowanych na dolnej płytce. Płytka wraz z ciężarkami napędzana jest za pomocą wałka aparatu. Wirujące ciężarki pod wpływem siły odśrodkowej ulegają odchyleniu powodując jednocześnie przekręcenie górnej płytki. Do tej płytki zamocowana jest krzywka współpracująca z przerywaczem. Położenie równowagi dla przesuwających się ciężarków zapewniają dwie sprężyny, które równoważą działanie siły odśrodkowej. Wzrost prędkości obrotowej silnika powoduje większe odchylenie ciężarków i przekręcenie krzywki o większy kąt zgodnie z kierunkiem obracania się wałka. W rezultacie styki przerywacza otwierają się wcześniej, a kąt wyprzedzenia zapłonu wzrasta. Rys. 7.2. Charakterystyka regulatora odśrodkowego [9] Na rysunku 7.2 pokazano przykładowo charakterystykę kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji prędkości obrotowej. Linia środkowa oznacza charakterystykę znamionową, a linie zewnętrzne dopuszczalne pole tolerancji. Zagięcie charakterystyki uzyskuje się stosując w regulatorze dwie różne sprężyny. Zadaniem regulatora podciśnieniowego jest zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji podciśnienia w kolektorze dolotowym. W regulatorze zastosowano siłownik pneumatyczny sterowany podciśnieniem. Zmiana podciśnienia (różnica ciśnienia atmosferycznego i ciśnienia w kolektorze) powoduje przesunięcie membrany i cięgna, a następnie płytki z przerywaczem. Jeżeli wartość podciśnienia wzrośnie, to zwiększy się kąt, o jaki obróci się płytka z przerywaczem. Kierunek obrotu płytki jest przeciwny do kierunku obrotu wałka aparatu. W rezultacie wzrost podciśnienia powoduje zwiększenie kąta wyprzedzenia zapłonu. Na rysunku 7.3 pokazano przykładową charakterystykę kąta wyprzedzenia zapłonu w zależności od podciśnienia w kolektorze dolotowym. Podobnie jak dla regulatora odśrodkowego linia środkowa oznacza charakterystykę znamionową, natomiast linie zewnętrzne określają dopuszczalne pole tolerancji charakterystyki. 314 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.3. Charakterystyka regulatora podciśnieniowego [9] W obecnych konstrukcjach bezrozdzielaczowych stosuje się cewki dwubiegunowe. Takie cewki posiadają dwa wyprowadzenia dla obwodu wysokiego napięcia. Dwie cewki zapewniają pracę układu zapłonowego dla silnika czterosuwowego, czterocylindrowego. Wyładowanie iskrowe występuje na przemian odpowiednio w parach cylindrów 1/4 i 3/2 . 7.1.2. Elektroniczne układy zapłonowe Zapłonowe układy tranzystorowe sterowane mechanicznym przerywaczem różnią się od klasycznych układów zapłonowych przede wszystkim zastosowaniem przełączającego tranzystora mocy. Na rys. 7.4 pokazano podstawowy tranzystorowy układ zapłonowy. W tranzystorowym układzie zapłonowym przerywacz P steruje pracą tranzystora T. Przy zamkniętych stykach przerywacza płynie prąd bazy tranzystora ograniczony przede wszystkim wartością rezystora R2. Dobierając ten rezystor oraz współczynnik wzmocnienia tranzystora można wprowadzić tranzystor w stan nasycenia. W tym stanie spadek napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem jest bardzo mały. Prąd płynący w obwodzie pierwotnym jest określony podobną zależnością (przy założeniu, że UCE=0) do wzoru 7.1 dla układu klasycznego. Różnica pomiędzy układem klasycznym a tranzystorowym polega na możliwości zmniejszenia rezystancji R1 (uzwojenia pierwotnego cewki), a więc zwiększeniu wartości prądu i1 w chwili otwierania styków przerywacza. Otwarcie styków powoduje, że tranzystor przechodzi w stan odcięcia charakteryzujący się bardzo dużą rezystancją pomiędzy kolektorem a emiterem. Ten stan pracy odpowiada w układzie klasycznym otwierającym się stykom przerywacza i chwili pojawienia się wyładowania iskrowego. W układzie tranzystorowym moment otwarcia styków odpowiada chwili pojawienia się wyładowania iskrowego. Warunki pracy tranzystora przełączającego są szczególnie trudne. Przełączanie prądów o dużych natężeniach w obwodzie o charakterze indukcyjnym związane jest z pojawianiem się przepięć oraz stratami mocy w tranzystorze. Dlatego też w układach tranzystorowych wprowadza się zabezpieczenia ograniczające te zjawiska np. diodę Zenera DZ , kondensator C10. Układy tranzystorowe pozwalają zwiększyć energię wyładowania, 315 7. UKŁADY U ELEKT TRONICZNE W POJAZDACH S SAMOCHODOW WYCH dzię ęki zwiększeniiu wartości prą ądu i1 oraz od dpowiedniej ko onstrukcji cewk ki. Typ powe wartości energii wyład dowania w ukkładzie klasyccznym wynosz zą ok.3 30-60 mJ (w zakresie 100 00-3000 obr/m min) natomiasst dla układó ów tran nzystorowych ok. 80-120 mJ m i mogą byćć większe. Ce ewki zapłonow we stossowane w tranzystorowych układach zap płonowych cha arakteryzują się mniiejszą wartośścią rezystan ncji uzwojenia a pierwotneg go (ok.0,4-2Ω Ω), mniiejszą indukcyjjnością uzwoje enia pierwotne ego(ok. 3-5 mH H) oraz większ zą prze ekładnią (ok. 50-100) w porównaniu do układu klasycznego. Zasstosowanie cewek o bardzo o małych rezyystancjach R1 (<2Ω) wymag ga rozb budowania ukłładu tranzysto orowego o dod datkowy obwód d ograniczając cy makksymalną warttość prądu i1 (o ok.6-9A). Zaletą takkich układów jest stabilizzacja energii wyładowania niezzależnie od prę ędkości obroto owej silnika. W porównaniu do układów w klasycznych układy tranzyystorowe inacz zej nazzywane układa ami elektronicznymi z enerrgią gromadzo oną w indukcy yjnośści mają wię ększą energię ę wyładowania, która mo oże być stała i nie ezależna od prędkości obrotowej. D Dodatkową zaletą z układó ów tran nzystorowych jest j zwiększen nie trwałości i niezawodnośści przerywacz za dzię ęki zmniejszen niu natężenia prądu przep pływającego przez jego sty yki (prą ąd bazy tranzyystora). Dalsze zwię ększenie trwało ości i niezawo odności układó ów zapłonowyc ch jestt możliwe prze ez wyeliminow wanie stykowe ego sterowaniia. W układac ch tran nzystorowych z regulatorami mechanicznyymi stosowane e są najczęściej dwa a typy czujnikó ów generacyjn nych bezstykow wych: czujniki magnetoindukcyjn ne i czujnikki hallotronow we, które um mieszczone są w aparac cie zap płonowym. Rys. 7.4. Schemat trranzystorowego układu zapłonow wego sterowane ego przerywaczem P- przerywa acz, Cz- cewka za apłonowa, C2- pojemność obw wodu wtórnego ((rozproszona) [4 4] 316 7. UKŁA ADY ELEKTRONICZNE W POJJAZDACH SAM MOCHODOWYC CH W odróżnie eniu od układó ów tranzystoro owych spotyka ane są równie eż ukła ady tyrystorow we. Schemat blokowy b takieg go układu zapłłonowego, który możże być stero owany mecha anicznym przzerywaczem lub czujnikiem bezzstykowym po okazano na rysunku 7.5. Zasada dzziałania układ du tyryystorowego po olega na gro omadzeniu ład dunku w polu u elektrycznym kon ndensatora, a następnie rozładowaniu u zgromadzo onego ładunk ku w obwodzie pierw wotnym cewki zapłonowej. Przetwornica a tranzystorow wa prze etwarza niskie e napięcie (6, 12V) prądu sstałego na na apięcie zmienn ne o wartości w ok. 20 00-400 V. Na apięcie to jesst wyprostowa ane w układz zie diod dowym i kondensator C jes st ładowany do o wartości ma aksymalnej teg go nap pięcia. Tyrystor Th pracuje jako j sterowan ny przełącznik (klucz). Sygnał z prrzerywacza lub b czujnika bez zstykowego do oprowadzony jest j do obwod du bram mki tyrystora i może spow wodować jego wyzwolenie e. W obwodz zie kon ndensator C, tyrystor Th, uzwojenie pierwotne ce ewki następujje rozłładowanie zg gromadzonego o ładunku w pojemności kondensatora. Wyłładowanie cha arakteryzuje się stosunkowo długim czase em wyładowania łuko owego (faza pojemnościowa), szybkkim narastan niem napięc cia w obwodzie wtórn nym i dużym natężeniem n prrądu wyładowa ania. Natomiast drug ga część wyła adowania faza a tzw. indukcyyjna jest stosunkowo krótka, a wartość w płynące ego prądu mała. Skrócenie fa azy indukcyjne ej w porównaniu do czasu trwan nia tej fazy wyładowania a w układacch klasycznyc ch i tra anzystorowych jest podsttawową wad dą układów tyrystorowych. Parrametry wyłado owania fazy in ndukcyjnej ma ają wpływ na proces p spalania orazz na zawartośćć składników to oksycznych w spalinach. Zaletą układ dów tyrystorow wych jest stała a energia wyła adowania i duż ża ene ergia wyładowania rzędu 80 0-120 mJ ora az duża strom mość narastania nap pięcia (mniejszzy jest wpływ zanieczyszcze z eń na świecach zapłonowych, prze ewodach). Rys. 7.5. Schem mat blokowy tyrys storowego układ du zapłonowego o sterowanego przerywacze em lub czujnikiem m indukcyjnym P PI , UF- układ forrmujący [9] 31 17 7. UKŁADY U ELEKT TRONICZNE W POJAZDACH S SAMOCHODOW WYCH Obecnie za astosowanie układów tyrysto orowych jest ograniczone ze z wzg ględu na krótkki czas trwania a fazy indukcyyjnej wyładowa ania (możliwoś ść wysstąpienia szkod dliwych składn ników w spalina ach). 7.1 1.3. Czujn niki w ukła adach zapło onowych Na rysunku u 7.6 pokazano konstrukkcję generacyyjnego czujnik ka o. mag gnetoindukcyjn nego ze zmie enną reluktanccją obwodu magnetyczneg m Zassada działania a polega na indukowaniu zzmiennej SEM M w uzwojeniu czujjnika pod wpłływem zmiany y strumienia m magnetyczneg go w obwodzie. Stru umień magnettyczny wytwarrzany jest prze ez magnes trw wały (jeden lu ub kilka a), który jest nieruchomy. Obracający się ferromagn netyczny wirn nik wyw wołuje zmiany strumienia ma agnetycznego w obwodzie. Rys. 7.6. Czujjnik magnetoind dukcyjny [1] 1-- magnes trwały, 2- cewka uzwojjenia,, 3- szczelin na, 4- ferromagn netyczny wirnik, e- SEM in ndukowana w uzw wojeniu Na rysunku u 7.7 pokazano o przebieg ind dukowanej SE EM w uzwojeniu czujjnika dla okreśślonej prędkoś ści obrotowej. Zmiana prędkkości spowodujje zmianę amplitudyy SEM. Do sterowania mome entem zapłonu u (wyładowania a) wykkorzystuje się najczęściej n chw wilę odpowiadającą przejściu sygnału prze ez zero o (czas t1). Zmiany prrędkości pow wodują opóźnienie sygnału u wyjścioweg go (ok.. 10/1000 ob br/min) wynik kające z w wpływu prąd dów wirowyc ch wytw warzających dodatkowy d strrumień magne etyczny. Wpłyyw temperatury jestt niewielki i mo oże powodowa ać zmiany wie elkości szczeliny oraz zmian ny para ametrów magn nesu (natężenie koercji, mag gnetyzm szczą ątkowy). 318 7. UKŁA ADY ELEKTRONICZNE W POJJAZDACH SAM MOCHODOWYC CH Rys. 7.7. Prze ebieg SEM w uzw wojeniu czujnika a magnetoindukc cyjnego [1] Na rysunku u 7.8 przedstaw wiono konstru ukcję czujnika położenia wału i jed dnocześnie czzujnika pomia aru prędkości obrotowej. Jest J to czujn nik mag gnetoindukcyjn ny z magnesem trwałym um mieszczonym wewnątrz w cewk ki, wsp półpracujący z kołem paso owym i znaccznikami na jego j obwodzie. Zmiiana rozmieszcczenia znaczników pozwala wyróżnić okre eślone położenie wału. Rys. 7.8. 7 Czujnik położ żenia wału i pręd dkości obrotowe ej [4] Kp- tarcza na a wale korbowym m ze znacznikam mi, Cz- czujnik, OO obudowa Na rysunku 7.9 zamie eszczono prze ebieg sygnału wyjścioweg go z czzujnika. Impulss o większej am mplitudzie poja awiający się w czasie tS moż że byćć wykorzystanyy do synchron nizacji pracy u układu zapłonowego (określa poło ożenie wału). 31 19 7. UKŁADY U ELEKT TRONICZNE W POJAZDACH S SAMOCHODOW WYCH Rys. 7.9. Sygnał S z czujnika a magnetoindukc cyjnego z rysunk ku 7.8 [4] Na kolejnyym rysunku 7.10 pokazano konstru ukcję czujnik ka wykkorzystującego o efekt Halla. Element półprzewodnikow wy zasilany jest stałłym prądem,, strumień magnetycznyy skierowanyy prostopadle do kierunku k prądu u powoduje po owstanie napię ęcia Halla (w kierunku k trzeciej wsp półrzędnej). Amplituda A napięcia jest p proporcjonalne e do iloczyn nu natę ężenia prądu i natężenia pola magnetycznego. Rys. 7.10. Czujnik hallotronowy [1] 1- obwód mag gnetyczny (z ma agnesem trwałym m), 2-szczelina, 33 hallotron, 4- wiru ująca przesłona ferromagnetyczn f na, UH- napięcie Halla Kształt prze ebiegu napięc cia na wyjściu czujnika jestt niezależny od o pręd dkości obrotowej. W czasiie pomiędzy chwilami t1 i t2 (Rys. 7.11) prze esłona ferrom magnetyczna znajduje z się p poza szczeliną ą powietrzną 2 i ele ement hallotronowy znajduje e się w polu m magnetycznym m. Na zaciskac ch czujjnika pojawia się impuls nap pięcia. Zbocze e narastające (lub opadające e) imp pulsu napięciow wego wyzwala a komparator, n na wyjściu, któ órego otrzymujje się sygnał prosto okątny. Dobra anie punktu p pracy kompara atora zmniejsz za wpłyyw temperaturry na pracę czu ujnika. 320 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.11. Przebieg napięcia Halla na wyjściu czujnika [1] Oprócz czujników hallotronowych stosuje się również czujniki półprzewodnikowe z tzw. efektem magnetorezystancyjnym wykorzystujące zależność rezystancji od zmiany strumienia magnetycznego. Ze względu na duży wpływ temperatury w tych czujnikach stosuje się je najczęściej w układach mostkowych. Czujniki wykorzystujące efekt Halla mogą być również stosowane do pomiaru położenia wału oraz jego prędkości obrotowej. Do pomiaru temperatury najczęściej używane są termistory, a do pomiaru kąta otwarcia przepustnicy czujniki potencjometryczne. Do pomiaru temperatury wykorzystuje się również czujniki rezystancyjne, złączowe (półprzewodnikowe) [11,12]. Rezystancja cienkowarstwowego opornika jest zależna od temperatury. Bardzo dobrymi parametrami charakteryzują się zintegrowane rezystory platynowe. Mają mniejsze rozrzuty rezystancji, dobrą liniowość, duży zakres pomiarowy. Wadą jest duży koszt wytwarzania. Innym materiałem stosowanym jest krzem polikrystaliczny. Zaletą jest prosta technologia, niski koszt; wadą znacznie większe rozrzuty technologiczne, nieliniowość charakterystyki. Wadą cienkowarstwowych czujników rezystancyjnych jest także ich zależność od naprężeń występujących w podłożu. Obecne układy tranzystorowe posiadają elektroniczną regulację kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji prędkości obrotowej oraz podciśnienia. Charakterystyki regulacyjne są realizowane na drodze analogowej lub cyfrowej. W przypadku charakterystyki kąta wyprzedzenia w funkcji prędkości obrotowej wykorzystuje się sygnały z czujnika położenia wału. Może być to czujnik sterujący pracą układu (zastępuje przerywacz) zapłonowego lub dodatkowy czujnik. Regulacja kąta wyprzedzenia w funkcji podciśnienia wymaga użycia dodatkowego czujnika podciśnienia. Stosowane są czujniki membranowe, w których położenie membrany jest zależne od wartości podciśnienia. Do pomiarów podciśnienia mogą być stosowane membranowe czujniki tensometryczne lub piezorezystancyjne. Te ostatnie znalazły obecnie największe zastosowanie. Są one wykonywane w postaci scalonej na bazie membran krzemowych. Konstrukcję mikrosensora podciśnienia z przetwornikami piezorezystancyjnymi pokazano na poniższym rysunku [1, 12, 14]. 321 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Umieszczenie piezorezystorów tak, aby jeden z nich poddawany był naprężeniom ściskającym, a dugi rozciągającym pozwala zwiększyć sygnał wyjściowy dwukrotnie (układ pomiarowy pół-mostkowy). Zmiana rezystancji wywołana tymi naprężeniami wynosi odpowiednio R - ΔR i R + ΔR. Dla membrany można zastosować układ pełnego mostka z czterema piezorezystorami i w rezultacie sygnał wyjściowy zwiększa się czterokrotnie w stosunku do pojedynczego piezorezystora. Rys. 7.12. Widok struktury mikrokrzemowej z piezorezystancyjnymi czujnikami [14] Schemat elektryczny piezorezystorów połączonych w układ mostka pokazano na kolejnym rysunku. Jednocześnie zmniejsza się wpływ temperatury na sygnał wyjściowy. Rys. 7.13 Schemat elektryczny czterech piezorezystorów w układzie mostkowym [14] Do pomiaru przepływu masowego powietrza stosowane są również termoanemometry [12]. Przepływomierz zbudowany jest na podłożu krzemowym w układzie czterech termoelementów oraz układzie grzejników zamontowanych na czterech cienkich belkach połączonych w kształcie krzyża [14]. Grzejniki podgrzewają belki i przy braku przepływu gazu ustala się rozkład temperatur dla całej struktury. Przepływ gazu (o niższej temperaturze) powoduje, że zmienia się rozkład przestrzenny temperatur . 322 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 7.1.4. Mikrokomputerowe układy zapłonowe Zastosowanie mikroprocesorów w układach zapłonowych pozwoliło na zwiększenie dokładności wyznaczania kąta wyprzedzenia zapłonu oraz zwiększenie niezawodności działania (brak elementów mechanicznych). Mikrokomputer sterowany jest impulsem synchronizującym pochodzącym od znacznika określającego położenie wału. Jest to najczęściej sygnał z czujnika umieszczonego obok koła zamachowego lub koła pasowego wału. Sygnały do pomiaru prędkości obrotowej mogą być otrzymane z dodatkowego czujnika współpracującego ze znacznikami umieszczonymi na kole pasowym, kole zamachowym lub z czujnika określającego położenie wału. Podciśnienie w kolektorze dolotowym mierzone jest najczęściej membranowym czujnikiem piezorezystancyjnym. Te dwa parametry są podstawowymi w układzie sterowania zapłonem. Większość mikrokomputerowych układów zapłonowych wyposażona jest w szereg dodatkowych czujników mierzących m.in. temperaturę cieczy chłodzącej, temperaturę powietrza, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność powietrza, napięcie akumulatora, ciśnienie spalania, położenie przepustnicy oraz inne. Na rysunku 7.14 pokazano schemat blokowy mikrokomputerowego układu zapłonowego. Poszczególne przetworniki pomiarowe P1-P7 umożliwiają przetworzenie sygnałów z czujników na impulsy sterujące oraz wartości analogowe (napięcia) wielkości mierzonych. Impulsy z przetwornika P1 synchronizują pracę mikrokomputera, impulsy z przetwornika P2 zliczane są w liczniku wewnętrznym i na tej podstawie wyznaczana jest prędkość obrotowa wału silnika. Sygnały z przetworników P3 i P4 określają położenie przepustnicy odpowiadające jej minimalnemu i maksymalnemu otwarciu. W przetwornikach P5, P6, P7 sygnały z czujników ciśnienia, temperatury oraz napięcie zasilania są zamieniane na znormalizowane sygnały napięciowe, które następnie są doprowadzane do wejścia przetwornika A/C. W przetwornik wbudowany jest multiplekser analogowy przełączający kolejne wejścia analogowe do wejścia przetwornika. W samym przetworniku następuje konwersja analogowych sygnałów na postać cyfrową. W zależności od rozdzielczości zastosowanego przetwornika wyjściowe sygnały są 8, 10 lub 12 bitowe. 323 7. UKŁADY U ELEKT TRONICZNE W POJAZDACH S SAMOCHODOW WYCH Rys. 7.14. Sche emat blokowy mikrokomputerow wego układu zapłłonowego [2] K- mikroko omputer, G- gene erator zegarowy, S- stabilizator zasilania, z T- tranzystor moc cy, Cz- cewka zapłonowa, A/C - p przetwornik analogowo-cyfrowy, P1-P7 - przetwo orniki pomiarowe e, Is- impuls syn nchronizacji (poło ożenia wału), n-- sygnał prędkoś ści obrotowej, α1, α2- sygnały z c czujnika położen nia przepustnicy (dla biegu b jałowego i maksymalnego obciążenia silnik ka), Δp- podciśnienie w kolektorze dolotowym, d T- te emperatura cieczzy chłodzącej, Uz- napięcie zasilan nia Na podstaw wie dwóch podstawowych p parametrów siilnika prędkoś ści obro otowej i podcciśnienia wyz znaczany jest kąt wyprzed dzenia zapłonu. Przyykład takiej charakterystyk ki kąta wyprzzedzenia w postaci trójwy ymia arowej powierzzchni (przestrz zennej mapy) pokazano na a rysunku 7.15. Dan ne dotyczące charakterysty yki zapisane są w pamię ęci stałej ROM w postaci tabeli. W pamięci tej zapisane z są ró ównież dane dotyczące d czas su prze ewodzenia tran nzystora mocy y. 324 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.15. Charakterystyka kąta wyprzedzenia zapłonu α w funkcji prędkości obrotowej n i podciśnienia Δp w postaci trójwymiarowej [18] Na podstawie tych danych oraz dodatkowych sygnałów (napięcia zasilania, temperatury, położenia przepustnicy i innych) kontroler dokonuje obliczeń wg założonego algorytmu i koryguje dane odczytane (dla danej prędkości i podciśnienia) z pamięci stałej. Końcowe wartości cyfrowe wyznaczające czas przewodzenia tranzystora oraz moment jego wyłączenia (powstanie wyładowania) zamieniane są na wartości określające parametry czasowe (czas przewodzenia i wyłączenie tranzystora) sygnału sterującego pracą tranzystora mocy. Jeżeli silnik ma cztery lub więcej cylindrów na wyjściu układu zapłonowego stosuje się dodatkowo jeszcze jeden lub więcej tranzystorów mocy oraz cewek zapłonowych podłączonych do odpowiednich świec zapłonowych. Na podstawie impulsów określających położenie wału mikrokomputer synchronizuje pracę tranzystorów, co pozwala wyeliminować mechaniczny rozdzielacz zapłonu. Większość mikrokomputerowych układów zapłonowych wyposażona jest w gniazdo diagnostyczne, które umożliwia podłączenie przyrządów diagnostycznych a następnie wykonanie pomiaru podstawowych parametrów takich jak prędkość obrotowa, kąt wyprzedzenia zapłonu. Analiza pracy mikrokomputerowych układów zapłonowych wymaga stosowania specjalnych testerów diagnostycznych lub specjalizowanych komputerowych stanowisk pomiarowych. 7.1.5. Diagnostyka układów zapłonowych Do wykrywania uszkodzeń w obwodzie niskiego i wysokiego napięcia stosuje się przyrządy diagnostyczne. Badania podstawowych elementów klasycznego układu zapłonowego dotyczą: cewki zapłonowej, kondensatora, świec zapłonowych, instalacji wysokiego napięcia. 325 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Badanie cewki zapłonowej polega na sprawdzeniu jej parametrów: rezystancji uzwojenia pierwotnego i wtórnego za pomocą mostka technicznego Wheatstone’a lub diagnoskopów. Następnie należy sprawdzić stan izolacji cewki za pomocą megaomomierza o napięciu probierczym ok. 500V (np. induktora. Sprawdzenie prawidłowości działania cewki można wykonać stosując kasetę probierczą. Dla ustalonej prędkości obrotowej i napięcia zasilania należy wyregulować odstęp elektrod iskrownika. Przebieg wyładowania powinien być ciągły. Pojawiające się przerwy w wyładowaniu mogą oznaczać, że cewka jest niesprawna. Badanie powinno być przeprowadzone po nagrzaniu cewki [7]. Testowanie stanu kondensatora polega na wyznaczeniu jego pojemności oraz sprawdzeniu stanu izolacji. Badanie świec zapłonowych można przeprowadzić za pomocą testera np. typu TSP16 oraz szczelinomierza. Wykonuje się sprawdzenie szczelności świecy, badanie stanu izolacji oraz wielkości szczeliny pomiędzy elektrodami. Po oczyszczeniu izolatora świecy należy podłączyć świecę do instalacji wysokiego napięcia. Obserwuje się wyładowanie iskrowe pomiędzy elektrodami świecy w warunkach podwyższonego ciśnienia powietrza (ok. 1-1,4MPa). Pojawiające się wyładowania iskrowe na powierzchni izolatora świadczą o uszkodzeniu izolatora lub o jego zanieczyszczeniu [7]. Przewody instalacji wysokiego napięcia sprawdza się: badając ich stan izolacji oraz sprawdzając czy w przewodach nie występują przerwy, należy zmierzyć ich rezystancję i indukcyjność. Rezystancja i indukcyjność przewodów jest zależna od ich długości, dlatego należy wyznaczyć indukcyjność i rezystancję odpowiadającą jednostce długości (μH/m, Ω/m). Analizując przebiegi napięcia po stronie pierwotnej i wtórnej cewki zapłonowej można wykryć nieprawidłowości w działaniu całego układu zapłonowego. W tym celu należy porównać przebiegi badane z przebiegami wzorcowymi (odniesienia). Badanie przebiegu napięcia po stronie pierwotnej pozwala określić czas (kąt) przepływu prądu oraz wykryć uszkodzenia cewki zapłonowej. W cyklu pracy można wyróżnić etapy: załączenie (czas przepływu prądu, kąt zwarcia α1), wyłączenie (czas wyłączenia, kąt α2+α3). Badanie przebiegu napięcia po stronie wtórnej pozwala wykryć uszkodzenia w obwodzie wysokiego napięcia dotyczące świec zapłonowych, cewki zapłonowej, instalacji, a także niektóre niedomagania w obwodzie pierwotnym. Parametry wyładowania takie jak: czas trwania wyładowania łukowego (faza pojemnościowa), czas trwania wyładowania iskrowego (faza indukcyjna), natężenie prądu oraz szybkość narastania napięcia są istotne ze względu na proces spalania oraz zawartość składników toksycznych w spalinach. 326 ADY ELEKTRONICZNE W POJJAZDACH SAM MOCHODOWYC CH 7. UKŁA Rys. 7.16. Przzebieg napięcia po stronie pierw wotnej cewki zapłłonowej [2] A - poc czątek wyładowa ania, B - koniec p procesu wyładow wania Rys. 7.17. Przebieg P napięcia a po stronie wtórnej cewki zapło onowej [2] Na kolejnycch oscylograma ach zamieszczzono typowe przebiegi p napię ęć w prawidłowo p dzziałającym ukłładzie zapłonowym oraz podano p równie eż prze ebiegi napięć dla d najczęściejj spotykanych uszkodzeń Na dwóch kolejnych rysunkach 7 7.18 i 7.19 przedstawion no osccylogramy napiięć, które różn nią się amplitudą poszczegó ólnych impulsó ów wyssokiego napięcia. Zbyt małła amplituda m może świadczzyć o za małłej prze erwie iskrowe ej między ele ektrodami świe ecy lub o prrzebiciu izolac cji prze ewodu wysokkiego napięcia a do masy lub o za małym m ciśnieniu sprę ężania. Zbyt duża amplitud da może być wynikiem za dużej przerw wy iskrrowej na świe ecy zapłonow wej lub dodattkowej przerw wy w obwodz zie wtórnym (np. złe połączenie p prz zewodów). 32 27 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.18. Przebieg napięcia po stronie wtórnej cewki zapłonowej [2] A – za mała amplituda impulsu Rys. 7.19. Przebieg napięcia po stronie wtórnej cewki zapłonowej [2] A- za duża amplituda impulsu Badanie elektronicznych układów zapłonowych sterowanych bezstykowo polega na sprawdzeniu między innymi oscylogramów przebiegów: napięć w obwodach czujników, prądu w obwodzie pierwotnym cewki, napięć w obwodzie wtórnym cewki zapłonowej. Badanie mikrokomputerowych układów zapłonowych można przeprowadzić stosując specjalne stanowiska laboratoryjne albo testery mikrokomputerowe przeznaczone dla określonego typu pojazdów. Przed zastosowaniem diagnostycznego testera należy sprawdzić czy posiada on moduł pamięci zawierający dane dotyczące badanego układu zapłonowego. Połączenie testera z układem zapłonowym następuje poprzez złącze diagnostyczne układu zapłonowego. Tester zasilany jest z sieci pokładowej pojazdu. W czasie pracy tester może zbierać i zapamiętywać dane systemu udostępniając je operatorowi za pośrednic328 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH twem ekranu a także przekazując odpowiednie instrukcje niezbędne do przeprowadzenia analizy działania i wykrywania uszkodzeń. W większości przypadków do testera mogą być podłączone drukarka i zewnętrzny monitor. Podstawowe funkcje realizowane za pomocą testera: zbieranie i odczyt danych, sygnalizacja stanów uszkodzeń układu zapłonowego, lokalizacja uszkodzeń przy pomocy programu diagnostycznego, informacje przekazywane na żądanie operatora, funkcje pomocnicze umożliwiające sterowanie urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: cewka zapłonowa, wtryskiwacz, elektrozawory, monitor. W przypadku diagnostyki aktywnej tester wysyła rozkazy do modułu zapłonowego i poprzez niego uruchamia elementy osprzętu elektrycznego przy niepracującym silniku np. steruje cewką zapłonową i inicjuje wyładowanie iskrowe na wzorcowym iskrowniku (procedura sprawdzania cewki zapłonowej). 7.2. 7.2.1. Systemy zasilania wtryskowego silników o zapłonie iskrowym Budowa i zasada działania mikrokomputerowych układów wtryskowych Układy wtrysku paliwa przechodziły długą drogę rozwoju. Obecnie istnieje szereg rozwiązań konstrukcyjnych, lecz zasada działania i założenia projektowe nie uległy znacznym zmianom. Zadaniem układów wtryskowych paliwa jest odpowiedni dobór składu mieszanki paliwowopowietrznej tak, aby praca silnika była możliwie najbardziej korzystna z punktu widzenia środowiska naturalnego i dynamiki silnika. Na podstawie informacji pochodzących z czujników jednostka sterująca CPU optymalnie dobiera czas otwarcia wtryskiwaczy, aby dawka paliwa zbliżała się do optymalnego składu z naciskiem na jednostkowe zużycie paliwa oraz zawartość składników toksycznych w spalinach. Firma Bosch od wielu lat zajmuje się badaniami i rozwijaniem układów wtrysku paliwa i jest czołowym producentem tych układów. Układy wtrysku paliwa firmy Bosch są produkowane pod nazwą Jetronic i Motronic (wspólny układ sterowania dla zapłonu i wtrysku paliwa) [18]. 329 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.20. Wpływ składu mieszanki na pracę silnika [6,8] Układ D – Jetronic Układy Jetronic występują w układach jedno i wielopunktowych. Układ D – Jetronic jest układem wtryskowym, w którym pomiar masy powietrza realizowany jest za pomocą czujnika podciśnienia umieszczonego w kolektorze dolotowym silnika. Paliwo wtryskiwane jest okresowo pod niskim ciśnieniem do kolektora dolotowego silnika. Informacje potrzebne do wyznaczenia dawki paliwa są pobierane z czujników pomiarowych i przetwarzane na sygnały elektryczne. Urządzenie steruje, na podstawie otrzymanych sygnałów, czasem otwarcia wtryskiwaczy. Układ tego typu składa się z trzech podstawowych współpracujących ze sobą układów: Układ paliwowy Paliwo pobierane jest ze zbiornika pojazdu i tłoczone przez pompę o napędzie elektrycznym do wtryskiwaczy roboczych i wtryskiwacza rozruchowego. Właściwa wartość ciśnienia paliwa utrzymywana jest przez regulator, z którego nadmiarowe paliwo odprowadzane jest z powrotem do zbiornika. Układ dolotowy powietrza Zasysane powietrze kierowane jest do kolektora dolotowego silnika. Przed przepustnicą umieszczony jest czujnik pomiaru podciśnienia ssania. Wartość podciśnienia ssania jest zależna od ilości zasysanego powietrza. Układ sterowania Elektroniczny układ sterujący otrzymuje informacje z czujników 330 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH pomiarowych i na ich podstawie wytwarza impulsy sterujące czasem otwarcia elektromagnetycznych wtryskiwaczy roboczych. Pomiar prędkości obrotowej silnika realizowany jest za pomocą czujników umieszczonych albo obok koła zamachowego albo w aparacie zapłonowym. Rys. 7.21. Schemat układu wtryskowego D – Jetronic [5] 1 – elektroniczne urządzenie sterujące, 2 – elektromagnetyczny wtryskiwacz roboczy, 3 – czujnik ciśnienia, 4 – czujnik temperatury, 5 – wyłącznik termiczny lub termiczno – czasowy, 6 – elektromagnetyczny wtryskiwacz rozruchowy, 7 – elektryczna pompa paliwa, 8 – filtr paliwa, 9 – regulator ciśnienia paliwa, 10 – zawór powietrza dodatkowego, 11 – czujnik położenia przepustnicy, 12 –aparat zapłonowy Układ L – Jetronic W układzie L – Jetronic główną wielkością mierzoną (w celu wyznaczenia czasu wtrysku) jest objętość zasysanego powietrza. Układ ten był następnym krokiem w rozwoju układów wtryskowych. Podstawową zaletą tego układu jest redukcja zawartości składników toksycznych w spalinach w stosunku do układu D-Jetronic. Główną wielkością sterującą w układzie L – Jetronic nie jest podciśnienie w kolektorze dolotowym (D – Jetronic), lecz ilość zasysanego powietrza. Pomiar masy zasysanego powietrza jest korzystniejszy od pomiaru podciśnienia ze względu na następujące własności: • kompensuje różnice w stopniu napełnienia cylindrów, wynikające z tolerancji produkcyjnych, zużycia silnika oraz osadzania się nagaru w komorze spalania, • kompensuje wpływ zmian ciśnienia gazów wylotowych wynikający z zastosowania katalizatorów, • zmian wysokości nad poziomem morza oraz zmian ciśnienia 331 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH atmosferycznego, • umożliwia obniżenie kosztów w wyniku wyeliminowania urządzenia wzbogacającego mieszankę podczas przyśpieszania. Sygnał odbierany z przepływomierza wyprzedza proces napełnienia cylindrów silnika, • zapewnia większą stabilność biegu jałowego, • umożliwia recyrkulację spalin w celu obniżenia temperatury w komorze spalania, ponieważ przepływomierz mierzy tylko ilość zasysanego powietrza i według tej informacji ustalana jest ilość wtryskiwanego paliwa. Rys. 7.22. Schemat układu wtryskowego L – Jetronic [5] 1 –urządzenie sterujące, 2 – elektromagnetyczny wtryskiwacz roboczy, 3 – przepływomierz powietrza, 4 – czujnik temperatury, 5 – wyłącznik termiczno – czasowy, 6 – elektromagnetyczny wtryskiwacz rozruchowy, 7 – elektryczna pompa paliwa, 8 – filtr paliwa, 9 – regulator ciśnienia paliwa, 10 – zawór powietrza dodatkowego, 11 – czujnik położenia przepustnicy, 12 – przekaźnik Dodatkowe zalety układu są następujące: • Prostsza budowa układu sterującego, a co za tym idzie większa odporność na zakłócenia, • Zmniejszenie kosztów wykonania poprzez zastosowanie układów scalonych, • Możliwość rozbudowania układu o dodatkowe urządzenia do kontroli toksyczności spalin (sonda λ). 332 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Układ ten składa się z trzech podstawowych układów współpracujących ze sobą; Układ paliwowy (tak jak w D - Jetronic) Układ dolotowy powietrza Zasysane powietrze przepływa przez przepływomierz, przepustnicę i jest kierowane do kolektora dolotowego silnika. W tym rozwiązaniu zastosowano zawór powietrza dodatkowego dla ustalenia prędkości biegu jałowego silnika. Układ sterowania elektronicznego Elektroniczny układ sterujący przetwarza sygnały z czujników pomiarowych i na ich podstawie wytwarza sygnały sterujące czasem otwarcia wtryskiwaczy roboczych. Układ LE – Jetronic W układzie LE – Jetronic niektóre elementy zostały zmodyfikowane. W układzie LE – Jetronic zastosowano wyłączanie podawania paliwa podczas hamowania silnikiem (sterowane czujnikiem położenia przepustnicy). Rys. 7.23. Schemat układu wtryskowego LE – Jetronic [5] 1 – wtryskiwacz roboczy, 2 – czujnik temperatury 3 – przepływomierz powietrza, 4 – zawór powietrza dodatkowego, 5 – elektryczna pompa paliwa, 6 – filtr paliwa, 7 – czujnik położenia przepustnicy, 8 – urządzenie sterujące Z układu usunięto wtryskiwacz rozruchowy, sterowany wyłącznikiem termiczno – czasowym wraz z układem do wzbogacania mieszanki podczas rozruchu. Zastosowano materiały nawojowe o większej 333 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH rezystancji uzwojeń oraz bardziej precyzyjne sterowanie pozwoliły uzyskać dokładną dawkę paliwa. Rezystancję wtryskiwaczy zwiększono z 2,5Ω do 16,2Ω. Z przepływomierza usunięto zestyk elektrycznej pompy paliwa. Czujnik temperatury powietrza dolotowego został połączony równolegle z potencjometrem przepływomierza, co umożliwiło zredukowanie liczby przewodów łączących przepływomierz z jednostką sterującą. Zastosowano nowy układ termiczno – czasowy kontrolujący pracę wtryskiwaczy podczas rozruchu. Do zalet układu LE – Jetronic należy zaliczyć: • Mniejsze zużycie paliwa (od 3 do 5%), • Łatwiejsza obsługa, • Większa niezawodność i trwałość. Układ LH – Jetronic W układzie LH– Jetronic zastosowano przepływomierz masowy z termoanemometrem. Rys. 7.24. Schemat układu wtryskowego LH – Jetronic [5] 1 – przepływomierz powietrza, 2 – zawór powietrza dodatkowego, 3 – filtr paliwa, 4 – czujnik położenia przepustnicy, 5 – regulator ciśnienia paliwa, 6 – urządzenie sterujące, 7 – elektryczna pompa paliwa, 8 – sonda Lambda, 9 – wtryskiwacz, 10 – czujnik temperatury Elementem charakterystycznym dla zastosowanego przepływomierza masowego z gorącym drutem, jest nagrzewany elektrycznie do temperatury około 100ºC drut platynowy (o średnicy ok. 0,07mm). Przepływające powietrze chłodzi drut i jego rezystancja maleje. Natężenie 334 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH prądu reguluje się w taki sposób, żeby średnia temperatura drutu wynosiła 100ºC. Natężenie prądu jest, więc miarą przepływającej masy powietrza. W celu dokładniejszego pomiaru masy powietrza stosuje się korekcję, uwzględniającą temperaturę zasysanego powietrza. Układ Motronic Obecnie układy Jetronic zostały zastąpione przez układy typu Motronic. System Motronic opracowany przez firmę Bosch jest elektronicznym systemem sterowania silnika. Jest to układ, w którym układ wtrysku paliwa zintegrowany jest z układem zapłonowym, a ponadto „mapa” zapłonów i „mapa” czasu otwarcia wtryskiwaczy, są zapisane w pamięci ROM jako zbiory parametrów regulacyjnych. W układzie zastosowano podobnie jak w układzie L, LE– Jetronic przepływomierz powietrza (z klapą spiętrzającą), czujnik położenia przepustnicy, czujniki temperatury (silnika, powietrza) oraz czujnik położenia wału korbowego (prędkości obrotowej). Urządzenie sterujące wyznacza czas wtryskiwania paliwa i kąt wyprzedzenia zapłonu oraz steruje wtryskiwaczami i cewka zapłonową. Sygnały analogowe są przetwarzane na postać cyfrową (przetworniki A/C). Po przetworzeniu danych przez sterownik wyznaczany jest optymalny czas otwarcia wtryskiwaczy oraz kąt wyprzedzenia zapłonu. Układ poprzez stopnie mocy uruchamia wtryskiwacze oraz steruje prądem płynącym przez cewkę zapłonową. Zasada doboru czasu otwarcia wtryskiwaczy jest analogiczna jak w układzie Jetronic. Danymi o stanie pracy silnika są przede wszystkim: obciążenie silnika, prędkość obrotowa i aktualna temperatura. Są one mierzone za pomocą przepływomierza powietrza, czujnika prędkości obrotowej i czujnika temperatury silnika. Zalety układu: • Motronic umożliwia dokładniejsze i stabilniejsze w czasie sterowanie ilością wtryskiwanego paliwa oraz optymalizację chwili zapłonu w zależności do aktualnych warunków pracy silnika, • Dane zaprogramowane cyfrowo w pamięci stałej mikrokomputera nie zmieniają się przez cały okres użytkowania i mogą być przeprogramowane dla innych silników, • Mniejsza liczba czujników, • Niższy koszt układu Motronic w stosunku od dwóch oddzielnych układów wtrysku benzyny i układu zapłonowego. 335 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Istnieją również inne układy wtrysku paliwa. Wiele firm dysponuje własnymi systemami sterowania pracą silnika. Na przykład firma Mitsubishi jako jedna z pierwszych opracowała układ bezpośredniego wtrysku paliwa do silnika o zapłonie iskrowym (GDI). Na rynku europejskim bardzo powszechnie stosowane są układy sterujące pracą silnika firmy Bosch. Rys. 7.25. Schemat systemu Motronic [5] 1 – elektryczna pompa paliwa, 2 – filtr paliwa, 3 – regulator ciśnienia paliwa, 4 – wtryskiwacz rozruchowy, 5 – wtryskiwacz roboczy, 6 – rozdzielacz wysokiego napięcia, 7 – cewka zapłonowa, 8 – wyłącznik termiczno – czasowy, 9 – czujnik temperatury silnika, 10 – wieniec zębaty, 11 – czujnik prędkości obrotowej, 12 – czujnik położenia przepustnicy, 13 – elektroniczne urządzenie sterujące, 14 – wyłącznik zapłonu, 15 – czujnik położenia przepustnicy, 16 – przepływomierz powietrza, 17 – zawór powietrza dodatkowego 336 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 7.2.2. Czujniki i aktuatory stosowane w układach wtryskowych Zadaniem układów wtryskowych paliwa jest odpowiedni dobór składu mieszanki paliwowo-powietrznej tak, aby praca silnika była możliwie najbardziej korzystna z punktu widzenia środowiska naturalnego i dynamiki silnika. Ilość wtryskiwanego paliwa (czas otwarcia wtryskiwacza przy stałym ciśnieniu) jest dobierana na podstawie informacji pochodzących z następujących czujników: 1. Czujnika położenia przepustnicy (kąt otwarcia), 2. Przepływomierza (ilość pobieranego powietrza), 3. Czujnika prędkości wału korbowego (prędkość obrotowa), 4. Czujnika temperatury powierza dolotowego (temperatura powietrza), 5. Czujnika temperatury silnika (temperatura silnika), 6. Układu pomiaru napięcia (korekcja napięcia zasilania), 7. Sondy Lambda (czujnik zawartości tlenu w spalinach). Czujnik położenia wału korbowego W układach firmy Bosch najczęściej stosowanym czujnikiem położenia wału jest czujnik hallotronowy, często jest on umieszczony w aparacie zapłonowym [ ]. Czujnik hallotronowy generuje impulsy o przebiegu prostokątnym, które są doprowadzane do jednostki sterującej. Czujnik położenia przepustnicy Za pomocą przepustnicy reguluje się dopływem powietrza do silnika. Kąt otwarcia αp przepustnicy przetwarzany jest w układzie potencjometrycznym na napięcie Up. Sygnały napięciowe są doprowadzane do układu sterującego. Na podstawie tych sygnałów układ sterowania uwzględnia korekcje dawki paliwa np. podczas wyprzedzania (szybka zmiana położenia przepustnicy). Zmiana rezystancji czujnika wynosi od 0 do 4kΩ (LE - Jetronic). Wyróżnia się trzy podstawowe stany otwarcia przepustnicy: • Stan pełnego obciążenia (45º ÷ 90º), • Stan częściowego obciążenia (0º ÷ 45º), • Bieg jałowy (0º). 337 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Czujnik temperatury silnika Temperatura silnika jest mierzona za pomocą termistora typu NTC. Termistor NTC jest elementem półprzewodnikowym o nieliniowej charakterystyce. Zmiana temperatury powoduje zmianę natężenia prądu w obwodzie, który jest wykorzystywany jako wielkość regulacyjna. Charakterystykę czujnika (LE - Jetronic) w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku 7.26. 40 R [k ohm] 30 20 10 0 0 20 40 60 Ts [ C] 80 100 120 Rys. 7.26. Zależność rezystancji czujnika od temperatury cieczy chłodzącej [2] Czujnik temperatury powietrza W czujniku temperatury powietrza wykorzystano termistor typu NTC. Zakres pomiarowy czujnika obejmuje temperatury od –40ºC do 60ºC. Charakterystykę czujnika (LE - Jetronic) w funkcji temperatury pokazano na rysunku 7.27. 800 R [ohm] 600 400 200 0 -40 -20 0 20 Tpow [ C] 40 60 Rys. 7.27. Charakterystyka czujnika do pomiaru temperatury powietrza [2] 338 ADY ELEKTRONICZNE W POJJAZDACH SAM MOCHODOWYC CH 7. UKŁA mierz objętoś ściowy powiettrza zasilające ego Przepływom Przepływom mierz powietrza mierzy obję ętość zasysan nego powietrza. Makksymalna ilośćć zasysanego powietrza Qpowwmax w silniku spalinowym s jest zale eżna od pojem mności silnika i maksymalne ej prędkości obrotowej. Jeże eli pręd dkość obroto owa osiągnie wartość m maksymalną nsmax następujje wyłą ączenie wtryskkiwaczy. Dla silnika s o pojem mności V (dm3 ) maksymaln na ilość przepływająccego powietrza a można wyznaczyć: Q pow p max = Qcc ddm 3 V n ( ) ⋅ n s max = ⋅ m s max 2 2 m min (7.3 3) Przepływo omierz z klapą ą spiętrzającą ą Siła wytworzona wyniku u przepływająccego strumien niem powietrz za dzia ała na ruchomą klapę sp piętrzającą przzepływomierza a. Siła ta jest rów wnoważona za pomocą siły sprężyny zwrrotnej. Przy sttałym natężeniu prze epływu powie etrza obie te siły równowa ażą się i klap pa spiętrzając ca zajm muje określone położenie e kątowe. K Kąt otwarcia αQ przesłon ny prze etwarzany jesst w układziie potencjometrycznym prrzetwornika na n nap pięcie Us. Napię ęcie to steruje pracą układu wtryskowego. Rys. 7.28. Budowa przepły ywomierza objęto ościowego powiietrza [9] szanki biegu jało owego, 2 – klapa spiętrzająca, 1 – wkręt regulacji składu mies 3 – czujnik temperatury powie etrza, 4 – potenc cjometr z układem m połączeń ora tłumiąca, 6 – klapa kompensa acyjna elektrycznych, 5 – komo Układ pote encjometryczny y składa się z szeregow wo połączonyc ch rezyystorów o dużych rezystancj cjach, zbocznikkowanych rezyystorem o małłej rezyystancji. Dziękki takiej budow wie układu po otencjometryczznego, napięc cie wyjśściowe Us jest j odwrotniie proporcjon nalne do ilo ości (objętośc ci) zasysanego powie etrza. 33 39 7. UKŁADY U ELEKT TRONICZNE W POJAZDACH S SAMOCHODOW WYCH Ry ys. 7.29. Wykres s zależności międ dzy ilością zasys sanego powietrzza, kątem obrotu przzesłony spiętrzającej, napięciem na potencjomettrze oraz wielkoś ścią wtryskiwane ej dawki d paliwa [6] a – kąt uchylenia klapy k spiętrzając cej α, b – napięcie na wyjściu po otencjometru Us, c – wyzznaczona dawka paliwa Ve przez urządzenie steru ujące d – wyznaczona teoretycznie dawka paliwa QL z ilości zassanego powietrza Zależności między objjętością zasyysanego pow wietrza, kątem uch hylenia klapy spiętrzającej, napięciem na w wyjściu potencjjometru i ilośc cią wtryyskiwanego paliwa p przedsttawiono na ryysunku 7.29. Z określoneg go prze ez przepływom mierz natężeniia przepływu p powietrza wyn nika teoretyczn na ilość wtryskiwane ego paliwa (pu unkt D1). Uru uchamiany klapą spiętrzając cą pote encjometr, wyysyła do urz ządzenia sterrującego sygn nał napięciow wy prop porcjonalny do o położenia ką ątowego klapy spiętrzającej (punkt ( C). Punkt D2 określa ilość zassanego z pow wietrza. Przepływo omierz masow wy z termoane emometrem Elementem najbardziej charakterystyc c ozwiązania, jest znym tego ro nag grzewany do te emperatury ok koło 1000C dru ut platynowy o średnicy około 0.07 7mm. Kiedy zasysane po owietrze chło odzi drut platynowy i jeg go tem mperatura zacczyna spadać ć, wtedy ogrrzewający go prąd zastajje zwię ększony tak, aby a przeciętna a temperatura a osiągnęła po onownie 1000C. C Nattężenie prądu jest, j więc miarrą zasysanej m masy powietrza a. 340 7. UKŁA ADY ELEKTRONICZNE W POJJAZDACH SAM MOCHODOWYC CH Rys. 7.30. Bud dowa przepływom mierza masoweg go z termoanemo ometrem [5] 1 – podzespół z gorącym drute em, 2 – rezystor d do kompensacji temperatury, 3 – siatka ochronna, 4 – obudowa Regulatorr prędkości biiegu jałowego o Po uruchom mieniu zimneg go silnika, ażż do osiągnię ęcia temperatu ur robo oczych, silnikk pracuje przy y zwiększonyych oporach tarcia. W celu zap pewnienia w tym t okresie ró ównomiernej pracy silnika przy prędkoś ści możżliwie bliskiejj prędkości biegu jałowe ego, silnik musi m otrzyma ać odp powiednio bog gatszą miesza ankę paliwowo o – powietrzn ną. Zwiększon ną daw wkę paliwa wyznacza w jedn nostka sterują ąca na podsta awie informac cji z czzujników temp peratury. Doda atkowe ilości p powietrza zape ewnia regulato or pręd dkości biegu jałowego, sterujący przep pływem powie etrza w kanale rów wnoległym do głównego g kolek ktora z przepusstnicą. Zastosowan nie regulowan nego zaworu,, który sterujje przepływem dod datkowego po owietrza zapew wnia precyzyjjny dobór skłładu mieszan nki w zależności od temperatury silnika. Kiedyy silnik jest zimny z wówcza as zaw wór jest otwarrty umożliwiają ąc przepływ powietrza. W miarę wzrosttu tem mperatury silnika zawór jest stopniowo zzamykany, a po osiągnięc ciu tem mperatury pra acy zamykany y całkowicie. Do sterow wanie zaworem wykkorzystuje się bardzo b często silniki krokowe e [10]. Wtryskiwa acze W układacch wtryskowych silnik otrzzymuje paliw wo za pomoc cą wtryyskiwaczy. Naj ajczęściej stoso owanym typem m wtryskiwaczzy są wtryskiwa acze elektromagne etyczne. W najnowszych n rrozwiązaniach stosowane są s wtryyskiwacze pie ezoelektryczne e, z elemente em wykonawczym w posta aci piezzoelektryka. Typowe rezysta ancje uzwojeń ń wtryskiwaczyy elektromagne etyczznych wynoszą ą około 16 Ω. 34 41 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.31. Budowa elektromagnetycznego wtryskiwacza [6] 1 – iglica wtryskiwacza, 2 – rdzeń elektromagnesu, 3 – cewka elektromagnesu, 4 – złącze elektryczne, 5 – filtr dokładnego oczyszczania Paliwo przepływa najpierw przez filtr, a następnie przez otwór w korpusie oraz w rdzeniu magnetycznym i dopływa do kalibrowanego otworu wylotowego. Otwór ten w położeniu spoczynkowym jest zamknięty iglicą dociskaną do gniazda za pomocą sprężyny. W wyniku impulsu prądowego (z urządzenia sterującego) wytwarza się w cewce elektromagnesu pole magnetyczne, które pokonując siłę sprężyny podnosi rdzeń wraz z iglicą wtryskiwacza. Skok iglicy wtryskiwacza wynosi około 0,15 ± 0,05mm. Regulator ciśnienia w układzie wtryskowym Ciśnienie wtryskiwanego paliwa powinno mieć stałą wartość, ponieważ wahania ciśnienia wywołują zmiany składu mieszanki paliwowo – powietrznej. Regulacja ciśnienia w układzie wtryskowym odbywa się za pomocą przeponowego zaworu regulacyjnego. 7.2.3. Diagnostyka układów wtryskowych paliwa Ustalonymi określamy stany, przy których obciążenie lub prędkość obrotowa silnika są stałe. Zmiana stanu pracy silnika następuje np. wskutek ruchu pedału gazu. Rozpoznawane są trzy podstawowe stany: bieg jałowy, częściowe obciążenie, całkowite obciążenie [3]. Bieg jałowy - Jeśli prędkość obrotowa utrzymuje się poniżej poziomu odłączenia i przepustnica jest całkowicie zamknięta, to długość trwania wtrysku zależna jest od jednej charakterystycznej krzywej (zależnej jedynie od prędkości obrotowej silnika). Częściowe obciążenie dotyczy stanu, gdy kąt otwarcia przepustnicy zawiera się między 00 a 450. Sygnał w takiej sytuacji składa się z sygnału podstawowego i sygnału korygującego, które określane są z charakterystyki zależnej od prędkości obrotowej i obciążenia. Pełne obciążenie odpowiada otwarciu przepustnicy w zakresie od 450 do 900 brana pod uwagę jest charakterystyka pełnego obciążenia. 342 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Określa ona współczynnik pełnego obciążenia, tylko w zależności od prędkości obrotowej silnika. Dawka paliwa nastawiona jest na największą możliwą moc silnika. Po włączeniu zapłonu i uruchomieniu rozrusznika, uruchamiany jest program startu (program pracuje tak długo aż zostanie przekroczony poziom prędkości obrotowej zależny od temperatury silnika). Jeżeli prędkość obrotowa silnika zmniejszy się poniżej tego poziomu, to ponownie zostaje uruchomiony program startu. Czas otwarcia wtryskiwaczy jest zależny od: temperatury cieczy chłodzącej, prędkości obrotowej silnika. Podczas całego procesu rozruchu sygnał z przepływomierza nie jest uwzględniany. Po zakończeniu programu startowego czas trwania wtrysku przedłużany jest o czas, którego wielkość zależna jest od temperatury silnika i czasu. Wartość czasu trwania impulsu jest zaprogramowana w pamięci. Podczas fazy rozgrzewania silnika ilość wtryskiwanego paliwa jest zwiększana, aby wyrównać straty kondensacji. Wzbogacenie następuje w zależności od temperatury silnika i dodatkowo jeszcze od obciążenia i prędkości obrotowej. Podczas przyśpieszania następuje również wzbogacanie mieszanki. Proces przyśpieszania jest rozpoznawany jako szybkość zmian napięcia sygnału przepływomierza masowego powietrza w czasie oraz szybkości zmian położenia przepustnicy. Dodatkowa ilość paliwa przy przyśpieszaniu obliczana jest według: temperatury silnika, prędkości obrotowej, obciążenia, zmian sygnału z przepływomierza, Podczas hamowania silnikiem wtryskiwanie paliwa jest odłączane. Warunkami koniecznymi są: zamkniecie przepustnicy, temperatura zasysanego powietrza jest większa od zaprogramowanej wartości krańcowej. Próg prędkości obrotowej silnika dla ponownego załączenia zależy od kilku warunków: wartości progowej sygnału obciążenia, przepustnica powinna być uchylona, temperatury silnika, Wszystkie nowoczesne układy sterujące mają możliwość przeprowadzenia autodiagnostyki, czyli sprawdzenia poprawności działania sterownika jak i urządzeń peryferyjnych układu wtryskowego takich jak: czujnik temperatury powietrza, czujnik temperatury silnika, sonda lambda, czujnik położenia przepustnicy, przepływomierz powietrza, czujnik położenia wału korbowego [15]. Układ diagnostyczny samoczynnie sprawdza wszystkie elementy układu wtryskowego. Wykryte usterki są zapamiętywane w pamięci diagnostycznej. Po podłączeniu do gniazda diagnostycznego, można odczytać informacje o nieprawidłowościach i na tej podstawie usunąć uszkodzenia. Występujące uszkodzenia, bądź ich brak, sterownik podaje 343 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH w postaci kodu błyskowego (migowego) poprzez gniazdo diagnostyczne. Specjalistyczne urządzenia są wyposażone w wyświetlacze określające bezpośrednio usterkę (poprzez wyświetlenie pełnej nazwy) bądź numer usterki. Dioda LED świeci podczas trwania sygnału wysokiego, a gaśnie po zmianie na sygnał niski. Przedstawiony powyżej przebieg jest oznaczony jako 12 i oznacza w danym typie silnika, że przepływomierz powietrza z klapą spiętrzającą jest uszkodzony lub nie ma połączenia elektrycznego. Rys. 7.32. Przykładowy przebieg sygnału błyskowego oznaczony nr 57 [2] Poniżej przedstawiono przykładowo sześć pierwszych kodów usterek w systemie autodiagnostyki według firmy Motorcraft: 10 – Kod polecenia – test połączeń elektrycznych przewodów (złącz), 11 – Wszystkie układy działają poprawnie, 12 – Przepływomierz powietrza z uchyloną klapą 1 (VAF – 1) – uszkodzony lub brak połączenia, 13 – Czujnik temperatury płynu chłodzącego silnika (ECT) – uszkodzony lub brak połączenia, 14 – Czujnik temperatury powietrza (VAT) lub (ACT) – uszkodzony lub brak połączenia, 15 – Czujnik położenia przepustnicy (TPS) – uszkodzony lub brak połączenia. Ze względu na coraz większą ilość elementów układów wtryskowych i zapłonowych, jak również na elektroniczne sterowanie innych podzespołów pojazdu, obecnie stosuje się kody trzycyfrowe. Autodiagnostyce mogą podlegać takie podzespoły jak: skrzynie automatyczne, systemy klimatyzacji czy systemy ABS, ASR. Umożliwia to kompleksową diagnostykę całego pojazdu [15]. 344 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 7.3. Systemy ogrzewania i klimatyzacji Systemy ogrzewania pozwalają na regulację temperatury w kabinie pojazdu umożliwiając kierowcy prowadzenie pojazdu w różnych warunkach klimatycznych. Zastosowanie systemów klimatyzacji pozwalających na regulację i stabilizacje temperatury, wilgotności we wnętrzu pojazdu ogranicza zmęczenie kierowcy i poprawia komfort podróżowania. Zakłada się, że najkorzystniejszy zakres temperatury powinien wynosić 18º - 20ºC, wilgotności względnej powietrza 40 - 60% przy prędkości przepływu powietrza 0,1- 0,2 m/s . Konstrukcję typowego układu ogrzewania i regulacji temperatury pokazano na rysunku 7.33. Zimne powietrze kierowane jest za pomocą dmuchawy na wymiennik ciepła. Na podstawie zmierzonych temperatur: zewnętrznej i wewnętrznej oraz ustawionych parametrów regulacji (założona temperatura powietrza oraz jego przepływ) układ sterownia zmienia położenie zaworu w układzie wymiennika ciepła. W zależności od stopnia złożoności systemu, regulacja może być jedno-, dwu- (lub więcej) strefowa. Oznacza to, że układ sterowania może regulować temperaturę powietrza i jego przepływ w wyznaczonych obszarach kabiny (np. strefa kierowcy, pasażerów). W zależności od wymagań regulacyjnych, system może być rozbudowany o dodatkowe czujniki np. pomiaru temperatury wody w obiegu chłodzenia. Schemat blokowy układu regulacji przedstawiono na rysunku 7.34. Mierzona jest temperatura powietrza zewnętrznego, w kabinie oraz na wyjściu wymiennika ciepła. Podstawowym elementem wykonawczym jest zawór regulujący przepływ wody poprzez wymiennik ciepła, najczęściej stosowane są elektromagnetyczne zawory. Czujnikami stosowanymi do pomiaru temperatury są najczęściej termistory. Rys. 7.33. Układ regulacji temperatury w kabinie pojazdu [17] 1,3- czujniki temperatury, 2- regulacja temperatury, 4- zawór elektromagnetyczny, 5- wymiennik ciepła 345 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.34. Schemat blokowy układu regulacji temperatury [11,17] Systemy klimatyzacji w porównaniu do układów ogrzewania są znacznie bardziej złożone. Układ ogrzewania i regulacji temperatury został rozbudowany o układ chłodzenia. W układach ogrzewania wykorzystywano obieg chłodzenia silnika, natomiast układ chłodzenia wymaga zastosowania oddzielnego obiegu z wymiennikiem ciepła. Schemat systemu klimatyzacji pokazano na rysunku 7.35. W układzie chłodzenia zastosowano sprężarkę, która jest uruchamiana poprzez sprzęgło elektromagnetyczne sterowane z układu regulacji. Mierzone są temperatury: powietrza zewnętrznego (czujnik 8), powietrza na wyjściu z wymiennika ciepła (czujnik 7), powietrza w kabinie (czujnik 6). Do regulacji wilgotności zastosowano parownik ze sterownym przepływem powietrza za pomocą dmuchawy (silnik 1). Przepływ powietrza do kabiny regulowany jest za pomocą klap nawiewu oraz dmuchawy (silnik 2) w wymienniku ciepła. Proces regulacji temperatury i wilgotności powietrza może być rozbudowany o jonizator (wytwarzanie jonów ujemnych w powietrzu). Automatyczna regulacja temperatury i wilgotności powietrza jest zagadnieniem skomplikowanym. Temperatura odczuwana przez człowieka jest zależna od temperatury powietrza, jego wilgotności oraz natężenia promieniowania słonecznego (stopnia nasłonecznienia). 346 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 7.35. System klimatyzacji w kabinie pojazdu [17] 1, 2- silniki wentylatorów, 3- zbiornik cieczy, 4- sprężarka , 5- sprzęgło elektromagnetyczne 6, 7, 8- czujniki temperatury, 9- czujnik wilgotności powietrza, 10- czujnik natężenia promieniowania słonecznego 7.4. Systemy alarmowe i monitorujące Systemy zabezpieczeń pojazdów przed kradzieżą są obecnie bardzo rozbudowane. Systemy te składają się z układów blokujących uruchomienie silnika i samochodu oraz układów aktywnych, których zadaniem jest włączenie alarmu oraz powiadamianie służb monitorujących. Układy zabezpieczające blokują pracę najczęściej takich obwodów jak: obwód rozruchu, obwód zapłonowy, układ wtryskowy. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych elektronicznych urządzeń zabezpieczających, mogą być one uruchamiane również bez przewodowo. Stosuje się także klucze elektroniczne zabezpieczane kodami cyfrowymi. Takie systemy zabezpieczeń elektronicznych często uzupełniane są układami zabezpieczeń mechanicznych np. blokady skrzyni biegów. Dodatkowym zabezpieczeniem są systemy alarmowe. Najczęściej stosowne są dwa rodzaje układów: z przetwornikami działającymi na podczerwień oraz wykorzystującymi ultradźwięki. W obu systemach stosowane są nadajniki emitujące promieniowanie podczerwone (diody LED) lub fale ultradźwiękowe (przetworniki piezoelektryczne). Generowane fale rozchodzą się wewnątrz pojazdu i trafiają do odbiornika. W najprostszym układzie 347 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH nadajnik i odbiornik są umieszczone w jednym miejscu. Nadajnik wysyła impulsy, które trafiają do odbiornika. Zmiana (np. zablokowanie wiązki) rozchodzenia się wiązki fal wewnątrz kabiny jest wykrywana w odbiorniku i uruchamia alarm. Konstrukcję piezoelektrycznego nadajnika i odbiornika ultradźwiękowego przedstawiono na rysunku 7.36. Elementem aktywnym jest piezoelektryk w postaci krążka z ceramiki typu PZT z dwoma elektrodami [13]. Rys. 7.36. Konstrukcja nadajnika i odbiornika piezoelektrycznego w układzie alarmowym [9] Układy alarmowe są często wyposażone w dodatkowe czujniki takie, które mogą wykrywać drgania nadwozia (poruszenia) wywołane np. naciśnięciem klamki. Przedstawione rozwiązania dotyczą monitorowania nie poruszającego się pojazdu. Najnowsze systemy zabezpieczeń umożliwiają monitorowanie pojazdu będącego w ruchu. W układach tych stosuje się satelitarny system GPS pozwalający ustalić aktualne położenie samochodu. 7.5. Systemy kontrolno-pomiarowe Urządzenia kontrolno-pomiarowe mogą pracować niezależnie od siebie (działać autonomicznie) lub w systemach komputerowych. W pierwszym przypadku każdy z czujników jest połączony ze wskaźnikiem lub miernikiem służącym do pomiaru danej wielkości. W systemach pomiarowych sygnały z czujników i przetworników są przetwarzane na postać cyfrową w przetwornikach analogowo-cyfrowych i następnie mikrokomputer wykonuje potrzebne obliczenia. Wyniki są wyświetlane na wskaźnikach cyfrowych. Mogą być stosowane również wskaźniki analogowe oraz wyświetlacze alfa-numeryczne symulujące pracę wskaźników analogowych. 348 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Zaletą takiego rozwiązania są jego większe możliwości wizualizacji wyników (postać cyfrowa i analogowa), większa dokładność pomiarów oraz możliwość realizacji dodatkowych pomiarów (np. średnia prędkość pojazdu na danym odcinku drogi, średnie zużycie paliwa). Urządzenia kontrolno-pomiarowe można podzielić pod względem przeznaczenia na następujące grupy: 1. przyrządy do kontroli i pomiarów urządzeń i obwodów elektrycznych, elektronicznych takich jak układy zasilania, obwody oświetlenia i sygnalizacji, 2. przyrządy do kontroli i pomiarów parametrów pracy silnika takich jak ciśnienie w układzie smarowania, temperatura w układzie chłodzenia, prędkość obrotowa, poziom paliwa, zużycie paliwa, poprawność działania mikrokomputerowych układów zapłonowych i wtryskowych, 3. przyrządy do kontroli i pomiarów parametrów ruchu pojazdu takich jak prędkość, długość przebytej drogi, 4. przyrządy do kontroli i pomiarów parametrów urządzeń związanych z bezpieczeństwem ruchu takich jak stan klocków hamulcowych, poziom płynu hamulcowego, ciśnienie powietrza w oponach, temperatura i wilgotność powietrza (zagrożenie gołoledzią), poprawność działania układów ABS, EBS. Typowe układy kontrolno-pomiarowe składają się z czujnika mierzącego dany parametr oraz wskaźnika ewentualnie lampki kontrolnej sygnalizującej stan awaryjny (w przypadku układu kontrolnego). W większości autonomicznych układów pomiarowych stosowane są podobne czujniki i wskaźniki do pomiaru tego samego parametru . Podstawowe układy przeznaczone do: 1. pomiaru objętości (poziomu) paliwa w zbiorniku, 2. pomiaru ciśnienia oleju, 3. pomiaru temperatury cieczy chłodzącej, 4. pomiaru prędkości liniowej pojazdu, 5. pomiaru prędkości obrotowej silnika. W klasycznych układach do pomiaru poziomu paliwa stosuje się najczęściej czujniki potencjometryczne, których rezystancja zależy od położenia pływaka umieszczonego w zbiorniku paliwa. Pływak sprzężony jest mechanicznie z suwakiem potencjometru. Wadą tych czujników jest ich wrażliwość na chwilowe zmiany poziomu wywołane ruchem pojazdu. Stosowanie tłumików drgań ogranicza to zjawisko. Czujnik potencjometryczny współpracuje najczęściej ze wskaźnikiem elektromagnetycznym. Na rysunku 7.38 pokazano schemat elektryczny 349 7. UKŁADY U ELEKT TRONICZNE W POJAZDACH S SAMOCHODOW WYCH elekktromagnetyczznego wskaźn nika ilorazowego. Do jedne ej z cewek jest pod dłączony czujnik rezystancyjny. Druga cew wka nawinięta jest na oddzie elnym m karkasie, któ óry umieszczon ny jest prostop padle w stosunku do karkasu z pierrwszą cewką. Rys. 7.37. 7 Potencjome etryczny czujnik k poziomu paliwa a [2] 1- re ezystor z ruchom mym ślizgaczem, 2- styki w obwo odzie lampki kon ntrolnej, 3- pływa ak Przepływają ący prąd prze ez cewki wska aźnika wytwarrza wypadkow wy stru umień magnetyczny. Rucho omy magnes ttrwałym połącczony ze wska azów wką będzie usstawiał się zgo odnie z kierun nkiem strumienia magnetycz zneg go. Rys. 7.38. Schemat elektrom magnetycznego w wskaźnika ilorazzowego [2] Jeżeli rezysstancja czujnika a jest mała, to o wówczas płyn nie maksymaln ny prąd d w obwodzie e pierwszej cewki. c Wypadkowy strumień magnetyczn ny pow woduje, że wsskazówka zajm muje określone e skrajne poło ożenie na ska ali. Dla maksymalne ej wartości rez zystancji czujnika, strumień ń magnetyczn ny skojjarzony z pierwszą cewk ką jest minim malny. Dla te ego przypadk ku wytw worzony strum mień magnetyc czny powoduje e, że wskazów wka ustawia się w drugim d skrajnym położeniu u na skali. Za astosowanie wskaźnika w typ pu ilora azowego (logo ometru) pozwa ala zmniejszyćć wpływ napięccia zasilająceg go na dokładność d po omiaru. Po wyłłączeniu zasila ania wskazówkka zajmuje lew we skra ajne położenie e (0 na skali) pod wpływem m działania sił grawitacyjnyc ch 350 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH (moment zwrotny). W niektórych rozwiązaniach stosuje się czujniki pojemnościowe, w których wykorzystuje się paliwo jako dielektryk umieszczony pomiędzy okładkami kondensatora. Zmiana poziomu paliwa powoduje zmianę pojemności czujnika. Innym rozwiązaniem są czujniki elektrotermiczne, w których wykorzystuje się paliwo jako ciecz chłodzącą podgrzewany termistor. Zmiana poziomu paliwa powoduje zmianę stopnia chłodzenia czujnika termistorowego, a więc zmianę jego rezystancji. Wyeliminowanie wpływu temperatury otoczenia realizuje się wprowadzając termistor kompensacyjny. Na podobnej zasadzie pracuje układ do pomiaru temperatury cieczy chłodzącej. Czujnikiem jest termistor NTC umieszczony w metalowej obudowie, która umieszczona jest w obiegu cieczy chłodzącej. Zmiana temperatury powoduje zmianę rezystancji czujnika. Charakterystyka rezystancji termistora w funkcji temperatury jest nieliniowa i malejąca. Dla niskich temperatur rezystancja termistora jest duża i maleje ze wzrostem temperatury. Zaletą termistora jako czujnika jest jego duża czułość (duży współczynnik termicznych zmian rezystancji), natomiast wadą nieliniowa charakterystyka. Czujnik współpracuje z ilorazowym wskaźnikiem elektromagnetycznym. W układach do pomiaru ciśnienia oleju w silniku wykorzystuje się często membranowe czujniki krzemowe z piezorezystorami [13]. Taki czujnik jest zintegrowany z układem wzmacniającym. Zamiast pomiaru ciśnienia w wielu rozwiązaniach stosuje się tylko lampkę kontrolną sygnalizującą zbyt niskie ciśnienie. W pojazdach z silnikami spalinowymi wykorzystuje się różne metody pomiaru prędkości obrotowej. Najczęściej wykorzystuje się zależność częstotliwości impulsów w układzie zapłonowym lub częstotliwość prądu przemiennego wytwarzanego w alternatorze. W silnikach z zapłonem iskrowym sygnał z układu zapłonowego o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości obrotowej przekształca się w ciąg impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie i czasie trwania. Na rysunku 7.39 (konwencjonalny układ zapłonowy) pokazano schemat blokowy obrotomierza z zastosowaniem sterujących impulsów zapłonowych. Impulsami sterującymi mogą być impulsy z obwodu pierwotnego lub wtórnego (wysokiego napięcia) cewki zapłonowej. Stosowane są również sondy o sprzężeniu pojemnościowym lub indukcyjnym (obwód wtórny). Impulsy doprowadzane są do układu wyzwalania, w którym następuje proces formowania sygnałów (ograniczenie amplitudy). Tak uformowany sygnał steruje pracą przerzutnika monostabilnego. Na wyjściu przerzutnika znajduje się obwód całkujący, w którym uśredniane są impulsy wyjściowe. Średnia wartość impulsów mierzona jest za pomocą miliamperomierza prądu stałego. 351 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH +Uz CZ +Uz UW P PM mA Rys. 7.39. Schemat układu do pomiaru prędkości obrotowej silnika z zapłonem iskrowym [9] Cz- cewka zapłonowa, P- przerywacz, UW- układ wyzwalania, PM- przerzutnik Do pomiaru prędkości liniowej samochodu może być stosowanych kilka metod. Jedną z najprostszych i jednocześnie najstarszą metodą jest pomiaru prędkości pojazdu z zastosowaniem prądów wirowych powstających w wyniku wirującego magnesu. Magnes trwały napędzany jest wałkiem giętkim wyprowadzonym ze skrzyni biegów. Obracający się magnes wytwarza wirujące pole magnetyczne, które indukuje w aluminiowym cylindrze siłę elektromotoryczną SEM. Wskutek wzajemnego oddziaływania pola magnetycznego magnesu i pola magnetycznego prądów wirowych, powstaje moment napędowy usiłujący obrócić aluminiowy cylinder wraz ze wskazówką. W nowszych rozwiązaniach stosuje się magnetoindukcyjne lub hallotronowe czujniki umieszczone na wyjściu skrzyni biegów. Częstotliwościowy sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do prędkości obrotowej wału napędowego. Obecnie pojazdy samochodowe wyposażone są w wiele różnych czujników pozwalających kontrolować pracę układów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo, komfort podróżowania. Kontrola układu hamulcowego obejmuje m.in. stan okładzin hamulcowych, poziom płynu, ciśnienia w obwodzie hydraulicznym, ciśnienia w oponach, stan hamulca ręcznego. 7.5.1. Sieci i interfejsy pomiarowe czujników i przetworników Na początku lat 90 w pojazdach samochodowych zaczęto montować coraz więcej skomplikowanych układów elektronicznych. Zwiększanie liczby układów spowodowało znacznie zwiększenie ilość złączy oraz przewodów łączących, a więc zwiększenie wagi pojazdu oraz kosztów produkcji. Pojawiły się także problemy z niezawodnością pracy urządzeń. Po raz pierwszy w samochodzie produkowanym seryjnie magistrala 352 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH CAN pojawiła się 1992 roku. Obecnie magistrale CAN mają zastosowanie w większości produkowanych samochodów. Służy ona do komunikowania się wielu sterowników, również odpowiedzialnych za bezpieczeństwo jazdy, pracę silnika czy diagnostykę EOBD. Magistralę CAN dzieli się na dwa standardy zgodne z normą ISO [16]: − ISO 11898 – przeznaczony do zastosowań o wymaganej dużej szybkości transmisji, do 1 Mb/s, − ISO 11519– transmisja do 125 kb/s, dla wolniejszych aplikacji. Dla potrzeb przemysłu motoryzacyjnego stosowany jest podział wyróżniający cztery klasy. Różnią się one szybkością przesyłania informacji i podłączonymi do niej urządzeniami [16]: • klasa A – komunikacja urządzeń elektronicznych <10 kb/s, • klasa B – urządzenia wymagające szybszej transmisji 40 kb/s, • klasa C – wymagany transfer danych w czasie rzeczywistym (sterowanie silnika, sterowanie skrzynią biegów, układy ABS, ESP itp.) 250 kb/s –1 Mb/s, • klasa D – przesyłanie dużej ilości danych (komunikacja multimedialna), • 100 kb/s – 10 Mb/s. Podstawowe rodzaje magistral w sieci CAN: szeregowa (liniowa), gwiaździsta, pierścieniowa (nie stosowana obecnie w samochodach). Szeregowa struktura zapewnia podłączenie bardzo dużej liczby węzłów (standardowo 32, w wersjach specjalnych 128). W danej chwili informację może wysyłać tylko jeden węzeł sieci, ale odbierać ją mogą wszystkie węzły. Zaletą struktury szeregowej jest jej duża niezawodność, ponieważ uszkodzenie jednego sterownika umożliwia wysyłanie i odbieranie komunikatów pomiędzy pozostałymi urządzeniami. W strukturze gwiaździstej jednostka centralna jest silnie obciążona, a przez to najbardziej narażona na awarie. W przypadku jej uszkodzenia transmisja danych jest zablokowana. Sterowniki obsługujące magistrale CAN składają się z mikroprocesora przetwarzającego przesyłane dane, kontrolera CAN oraz układu nadawczo – odbiorczego. Te dwa układy (kontroler i transceiver) odpowiedzialne są za formowanie komunikatów do właściwej postaci oraz proces komunikacji z magistralą. Magistralę stanowią najczęściej dwa przewody tworzące tzw. „skrętkę”. Sygnały pojawiające w tych przewodach to bity o wartości logicznej „1” (high level) i bity o wartości logicznej „0” (low level). Sygnały przesyłane w „skrętce” są przeciwsobne, to oznacza, że jeśli w jednym 353 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH przewodzie występuje stan wysoki, to w drugim jest niski. Powoduje to zmniejszenie wpływu zewnętrznych pól elektromagnetycznych mogących powodować zakłócenia. Całość magistrali zakończona jest po obu stronach linii „terminatorem”. Jest to opornik umożliwiający impedancyjne dopasowanie magistrali. Typowa wartość rezystancji wynosi ok. 120 Ω i jest zależna od długości magistrali. Obecność kilku urządzeń w sieci, które mogą jednocześnie wysyłać dane mogłoby spowodować kolizję. Istnieje kilka metod dostępu do sieci. W sieci CAN zastosowano metody CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access) z unikaniem kolizji; oraz CSMA/CD z wykrywaniem kolizji. Bardzo istotną sprawą jest możliwość łatwego rozbudowania magistrali. Dołączenie nowego sterownika wymaga tylko jego odpowiedniego oprogramowania. Istnieje norma, określająca parametry sieci CAN umożliwia to wykorzystanie układów różnych producentów do stosowania w urządzeniach sieci. Magistrala CAN, pomimo swojej uniwersalności, nie nadaje się do łączenia wszystkich sterowników w pojeździe. Wszędzie tam, gdzie wymagane jest sterowanie niewielką liczbą prostych układów, zastosowanie w każdym z nich sterownika CAN jest zbyt drogie. Opracowano magistralę, która nadaje się do łączenia kilku nieskomplikowanych podzespołów w lokalną sieć i współpracuje z magistralą CAN. Sieć z magistralą LIN (Local Interconnect Network) została zaprojektowana głównie z przeznaczeniem do obsługi elementów sieci pokładowej, takiej jak czujniki, przełączniki, moduły wykonawcze. Magistrala LIN sprawdza się jako dopełnienie sieci CAN, ponieważ zaprojektowana jest w celu uproszczenia połączeń, znajdujących się w obrębie jednej struktury. Transmisja w sieci LIN nie przekracza 20 kb/s i jest ograniczona głównie wpływem zakłóceń elektromagnetycznych. Niewielka przepustowość wyklucza sieć LIN z zastosowań, w których wymagana jest duża prędkość i niezawodność przepływu danych. W 1998 r. opracowano magistralę MOST (Media-Oriented Systems Transport). Magistrala MOST miała zastąpić w pewnych zastosowaniach magistralę CAN [16]. Maksymalna przepustowość magistrali CAN była zbyt mała, aby obsługiwać systemy multimedialne montowane w najnowszych samochodach. W odróżnieniu od magistrali CAN, koncepcja magistrali MOST była od początku zorientowana na przesyłanie sygnałów multimedialnych. Sieć MOST ma strukturę pierścieniową, z nierozerwalnie przypisaną kolejnością sterowników. Warstwę fizyczną sieci MOST stanowi plastikowy światłowód wykorzystywany do przesyłania danych. Dzięki temu został całkowicie wyeliminowany wpływ zakłóceń elektromagnetycznych na transmisję sygnałów. Zastosowanie światłowodu spowodowało konieczność rozbudowy sterowników znajdujących się w każdym z węzłów sieci. 354 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Uszkodzenie światłowodu, przecięcie pierścienia lub rozłączenie złącza, czy niesprawność któregokolwiek ze sterowników powoduje całkowite przerwanie komunikacji. Magistrala „Byteflight” powstała pod kątem zastosowania w układach bezpieczeństwa czynnego i biernego w przeciwieństwie do magistrali MOST. Budowa sieci „Byteflight” jest oparta na strukturze gwiaździstej. Informacje w sieci „Byteflight” przesyłane są również za pośrednictwem światłowodu, co umożliwia uzyskanie transmisji danych na poziomie 10 Mb/s oraz krytyczny czas przesłania informacji wynosi ok. 0,250 ms. Szybkość przesyłania danych odpowiada wymaganej prędkości komunikacji podzespołów ABS, ESP, ASR oraz poduszek powietrznych i napinaczy pasów. 355 7. UKŁADY ELEKTRONICZNE W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 7.6. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] 356 Literatura A.Gajek A., Z.Juda, Czujniki, mechatronika samochodowa, WKiŁ, Warszawa, 2008 J.Gołębiowski., M.Rybak, Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Wydawnictwo PŁ, Łódź, 2005 M.Hebda, Podstawy diagnostyki pojazdów, WKiŁ, Warszawa, 1982 A.Herner, H.Riehl, Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, WKiŁ, Warszawa, 2008 J.Kasedorf, Układy wtryskowe benzyny , WKiŁ, Warszawa, 2006 J.Kasedorf ,: Zasilanie wtryskowe benzyną, WKiŁ, Warszawa 1989 B.Kierdof, Diagnostyka silników o zapłonie iskrowym, WKiŁ, Warszawa, 1989 J.Kijewski, Silniki spalinowe, WSiP, Warszawa, 1995 M.Konopiński, Elektronika w technice motoryzacyjnej, WKiŁ, Warszawa, 1987 E.Koziej, Maszyny elektryczne pojazdów samochodowych, WNT, Warszawa, 1984 L.Michalski, K.Eckersdorf , J.Kucharski, Termometria, przyrządy i metody, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 1998 M.Miłek, Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi, skrypt Politechniki Zielonogórskiej, Zielona Góra, 1998 E.Stolarski, Czujniki elektroniczne, Polskie Towarzystwo Techniki Sensorowej, Warszawa, 1997 S.Wiak (red.), Mechatronika, rozdz. J.Gołębiowski, Mikrosensory i mikroaktuatory , Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 191-254, 2009 K.Trzeciak, Diagnostyka samochodów osobowych, WKiŁ, Warszawa, 2008 Bosch GmbH Technische UnterrichtungVDT: Sieci wymiany danych w pojazdach samochodowych, WKiŁ, Warszawa, 2008 Bosch GmbH Technische UnterrichtungVDT: Układy bezpieczeństwa i komfortu jazdy, WKiŁ, Warszawa, 2006 Bosch GmbH Technische UnterrichtungVDT: Sterowanie silników o zapłonie iskrowym, Zasada działania , Podzespoły, WKiŁ, Warszawa, 2006
