CC BY
269Проектирование и расчет расходомера воздуха электронных систем впрыскивания топлива
В.И. Ерохов,
профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н.
Сформулированы методологические и теоретические предпосылки метода расчета расходомера воздуха в системах впрыскивания топлива нового поколения. Разработан метод проектирования и расчета датчика массового расхода воздуха. Приведены принципиальные и конструктивные схемы датчика массового расхода воздуха с нитевым и пленочным элементами. Предложен метод термической коррекции расходомера воздуха, обеспечивающей повышение эффективности и точности дозирования современных систем впрыскивания. Приведены расчетно-аналитические и экспериментальные результаты исследований расходомера воздуха.
Ключевые слова: система управления впрыскиванием топлива, принципиальная и конструктивная схема расходомера воздуха, нитевый и пленочный элементы, метод проектирования и расчета датчика массового расхода воздуха, термическая коррекция, эффективность разработанного расходомера воздуха.
Designing and calculation of a flowmeter of air of electronic systems of injection of fuel
V.I. Erokhov
Methodological and theoretical preconditions of a method of calculation of a flowmeter of air in systems of injection of fuel of new generation are formulated. The method of designing and calculation of the gauge of the mass charge of air is developed. Basic and constructive schemes of the gauge of the mass charge of air with a wire and film element are resulted. The method of thermal correction of a flowmeter of air providing increase of efficiency and accuracy of batching of modern systems of injection is offered. Settlement-analytical and experimental results of researches of a flowmeter of air are resulted.
Keywords: a control system of injection of fuel, the basic and constructive scheme of a flowmeter of air, a wire and film element, a method of designing and calculation of the gauge of the mass charge of air, thermal correction, efficiency of the developed flowmeter of air.
Загрязнение окружающей среды вредными выбросами автотранспортных средств обусловило необходимость принятия неотложных социально-экономических и технических решений. Традиционные методы конструирования и эксплуатации систем управления современных ДВС, правильные по своей сути, уже не в полной мере отвечают современным требованиям экологической и энергетической безопасности транспортных средств. Создание расходомера воздуха нового поколения является основой повышения технического уровня современного двигателестроения. Методы проектирования и анализа эффективности расходомера воздуха в современных системах впрыска носят разобщенный характер. Известные конструкции расходомеров воздуха по различным причинам не соответствуют высокому уровню экологических требований. Эффективность систем впрыскивания топлива по этой причине существенно снижается и не приносит ожидаемых результатов.
МГТУ «МАМИ» сформулирована концепция создания расходомера воздуха современных систем впрыскивания топлива, разработаны теоретические и методологические предпосылки создания датчика массового расхода воздуха, а также получены экспериментально-аналитические результаты исследований расходомера воздуха с различными функциональными элементами.
В задачу исследования входила разработка метода проектирования и расчета расходомера воздуха систем впрыскивания нового поколения, разработка классификации расходомеров воздуха, принципиальных и конструктивных схем датчика массового расхода воздуха.
Расчетно-аналитические и экспериментальные исследования проведены на бензиновом ДВС с четырех-клапанной системой газораспределения размерностью 4 Р (S/D) = 86/92, iVh =2,28 л, е = 9,3. Максимальный расход газовоздушной смеси четырехтактного двигателя может быть представлен зависимостью
^=0,03^^, (1)
где Vq - рабочий объем цилиндров двигателя, л; ^ - объемный коэффициент наполнения двигателя при nmax ; nmax - максимальная частота вращения коленчатого вала (КВ) двигателя, мин-1.
Коэффициент наполнения представляет собой один из наиболее важных показателей современного транспортного двигателя. Цикловое наполнение ДВС зависит от его конструктивных параметров, впускной системы, внешних условий на впуске и противодавления отработавших газов (ОГ). Продолжительность командного импульса управления микропроцессором должна быть не более 30т
Ai =
(2)
ш„
где т - тактность двигателя; I - число цилиндров.
Предложенный параметр (2) является основным критерием выбора элементной базы микропроцессорной системы управления.
В общем виде продолжительность впрыскивания топлива может быть представлена зависимостью
Т, =
м_
(3)
1К,
фор
где М в - масса поступившего воздуха, измеренного расходомером, кг; I = 14,7 - стехиометрический коэффициент; К фор - постоянный коэффициент форсунки, представляющий отношение массы топлива, прошедшего через нее, к продолжительности ее открытия, кг/с.
Цикловое наполнение воздухом цилиндра ДВС в цн - один из первичных управляющих параметров, определяющий характер протекания рабочего цикла.
полнения), МПа, °С; рк - давление свежего заряда в конце такта наполнения, МПа, °С; ДТ - подогрев свежего заряда в цилиндре двигателя; фо - соотношение теплоемкостей остаточных газов и свежего заряда; фоч - коэффициент очистки цилиндра за счет продувки; фдоз - дозарядка за счет инерционности потока во впускном клапане.
Для анализа влияющих на величину циклового наполнения факторов воспользуемся выражением коэффициента наполнения ^ в четырехтактном двигателе . =,.., ___
цн
Одн-ПРз:
ТИ +АТ *(е-1)
(4)
(7)
где М ц - масса свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения, кг; п - частота вращения КВ двигателя, мин-1.
Коэффициент наполнения воздухом в общем виде может быть представлен зависимостью
(5)
Мт
где М т - масса свежего заряда, которая могла бы теоретически поступить в цилиндр в процессе наполнения.
Коэффициент наполнения воздухом можно рассчитать по следующей формуле
' РпФоФо Л
Лу=
е-1 Т+АТ
Рк
Р»
£Фдоз Рж
фд
(6)
где е - степень сжатия; рн , Тн - параметры (давление и температура) свежего заряда на входе в цилиндр (начало на-
Рог V Л
где - объем цилиндра, м3; рвп - плотность воздуха во впускной системе; к - коэффициент адиабаты; рог - давление остаточных газов.
Принципиальная схема транспортного двигателя с функциональными элементами системы управления приведена на рис. 1. Система содержит электронный блок управления (ЭБУ) 9, соединенный электрическими цепями с датчиком ДМРВ 3 и дроссельной заслонкой 7, модуль зажигания 76, датчик положения КВ 7 и исполнительные механизмы. Цифровой микропроцессор 77 не может непосредственно обрабатывать аналоговые сигналы, поэтому в интерфейсе ввода предусмотрен аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Конструктивно ДМРВ состоит из трубчатого корпуса и сенсорного модуля. Для стабилизации воздушного потока на входе и выходе корпуса установлены металлические сетки и пластмассовые решетки.
Рис. 1. Принципиальная схема бензинового двигателя с функциональными элементами системы управления: 1 - датчик положения коленчатого вала (ДПКВ); 2 - датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ); 3 - датчик массового расхода воздуха (ДМРВ); 4 - привод клапана холостого хода; 5 - клапан холостого хода; 6 - канал холостого хода; 7 - дроссельная заслонка; 8 - дроссельный патрубок; 9 - блок управления ДВС; 10 - устройство подачи воздуха; 11 - микропроцессор; 12 - ДВС; 13 - топливная форсунка; 14 - свеча зажигания; 15 - камера сгорания; 16 - модуль зажигания; 17 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Сенсорный модуль включает систему чувствительных элементов (сенсоры), расположенных внутри корпуса, и функциональные электронные схемы.
Пластмассовый корпус расходомера воздуха выполнен в виде патрубка диаметром 60 мм, на концах которого установлены защитные решетки. В трубе корпуса размещен чувствительный элемент датчика (платиновая нить) и терморезистор. В верхней части датчика находятся плата вторичного преобразователя, закрытая герметичным пластмассовым корпусом, и шестиконтактная вилка соединителя.
ДМРВ предназначен для преобразования сигнала, соответствующего массе воздуха, в напряжение постоянного тока. Выходное напряжение ДМРВ практически линейно зависит от скорости (объем в единицу времени) потока воздуха, проходящего через его измерительную камеру. ДМРВ поддерживает на постоянном уровне сопротивление (температура) термически зависимого чувствительного элемента, представляющего собой терморезистор в виде нити из платиноиридиевого сплава, и позволяет рассчитать цикловое наполнение цилиндров воздухом на всех режимах работы двигателя, длительность которых превышает 0,1 с.
В системе управления двигателя ДМРВ непосредственно взаимодействует с электронным блоком управления. Датчик установлен перед дроссельной заслонкой и содержит температурные компоненты и нагревательный резистор. Проходящий воздух охлаждает один из датчиков, а электронный модуль преобразует разность температур датчиков в выходной сигнал для ЭБУ. ДМРВ отличаются по устройству и характеру выдаваемого сигнала, который может быть частотным или аналоговым. В первом случае в зависимости от расхода воздуха изменяется частота сигнала, а во втором - напряжение. ЭБУ использует информацию от датчика для определения длительности импульса открытия форсунок.
Чувствительный элемент датчика построен на принципе терморезистивного анемометра, который основан на зависимости теплоотдачи нагретого тела от скорости движения среды. Расходомер воздуха содержит измерительный мост - устройство для измерения сопротивлений. Терморезисторы, входящие в мостовую измерительную схему, обладают заметным разбросом температурных характеристик. Подобные схемы представляют собой неуравновешенные мосты с выходным сигналом, формирующимся при изменении температуры от начальной, не равной нулю, до максимальной. Термокоррекция позволяет неуравновешенные мосты преобразовать в уравновешенные с выходным сигналом, не зависящим от изменения температуры.
Нагретый платиновый провод, расположенный в воздушном потоке, является одним из плеч резистивного моста. За счет изменения силы тока, протекающего через
него, поддерживается постоянная температура около 100 °С платинового провода, обдуваемого воздушным потоком. При увеличении расхода воздуха платиновый провод остывает, и его сопротивление падает. Резистив-ный мост становится несимметричным, и возникает напряжение, подаваемое на усилитель и направленное на повышение температуры провода. Процесс продолжается до тех пор, пока температура и сопротивление провода не приведут к равновесию системы. Диапазон силы тока, протекающего через провод, составляет 500...1200 мкА. Ток протекает через калибровочный резистор, на котором возникает напряжение, поступающее в ЭБУ для вычисления впрыскиваемого топлива и пропорциональное массовому расходу воздуха, причем с учетом его температуры.
При нулевой скорости потока воздуха через терморезистор проходит некоторый начальный ток, который нагревает его до номинальной температуры, при которой мост находится в равновесии. При движении воздуха происходит охлаждение терморезистора, сопротивление его изменяется, равновесие моста нарушается, и на выходе усилителя дополнительно появляется ток, часть которого проходит через терморезистор. Выделяемая теплота компенсирует потери теплоты, уносимой движущимся потоком воздуха. Температура и сопротивление терморезистора восстанавливаются до начальных значений. Расход воздуха определяется по значению тока, питающего мост.
Сопротивление терморезистора изменяется из-за охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. Принцип действия ДМРВ основан на механизме передачи теплоты потоком воздуха, проходящего над поверхностью чувствительного элемента датчика. Необходимое направление и распределение потока воздуха над поверхностью чувствительного элемента обеспечивает строго определенная внутренняя геометрия измерительной камеры датчика.
Ток I нагревает резистор до температуры Т1, превышающей температуру воздушного потока Т2. Теплоотвод осуществляют путем вынужденной конвекции (поток воздуха).
Уравнение теплового баланса, определяющее температуру чувствительного элемента, имеет вид
I Я = а1'(Т1-Т2),
(8)
где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2 °С); Г - площадь поверхности теплопередачи, см2; К - сопротивление чувствительного элемента датчика, ом.
Термоанемометрический ДМРВ позволяет получить информацию о цикловом наполнении ДВС [1]. Взаимосвязь объемного расхода воздуха 0, температур Т1 и Т2, тока I питания и сопротивления термического резистора К определяется уравнением Кинга
где К1 и К - постоянные коэффициенты.
Точность реализации теоретической зависимости определяется тем, насколько удается свести к нулю потери теплоты чувствительным элементом без учета теплоты, переданной конвекцией.
Объемный расход воздуха может быть представлен зависимостью
Q =
"V
2 1 1
(10)
Интенсивность воздушного потока повышается при открытии дросселя и обеспечивает охлаждение термического и компенсационного термического резисторов.
Классификация ДМРВ
В настоящее время применяют расходомеры двух типов - нитевые и пленочные. Нитевой датчик обладает высоким быстродействием и хорошей точностью измерения. Основной его недостаток связан с трудоемкой операцией монтажа чувствительного элемента и тарировкой на продувочной установке. Пленочные датчики позволяют автоматизировать этот процесс. Они более технологичны и дешевы. В качестве нагретого тела применяют тонкую нить (вольфрамовая или платиновая) или токопроводящее покрытие, нанесенное на полимерную пленку.
Принцип работы нитевых и пленочных датчиков одинаков. В нитевых датчиках нагревается нить, а у пленочных - платиновая пленка, нанесенная на стеклянную подложку.
Первым нитевым расходомером был датчик фирмы Bosch (Германия) мод. HFM 0 280 212 014. Отечественные нитевые расходомеры - датчики ОАО АОКБ «Импульс» мод. ИВКШ 407282 000 (Арзамас) и ОАО «АПЗ» мод. M ЛГФИ.407282. 001 (Арзамас). Пленочные датчики НПП «АВТЭЛ» 20.3855 (Калуга) изготавливаются по лицензии фирмы Siemens. Существуют еще пленочные датчики конструкции ОАО АОКБ «Импульс» - мод. П ИВКШ 407282.001. Нитевые датчики применяют в комплектации с ЭБУ МИ-КАС-5.4 и МИКАС-7.1 в исполнении 241.3763-01, а пленочные с МИКАС-7.1 в исполнении 241.3763-31.
Диаметр нити у датчиков разный - 0,07 мм у датчиков фирмы Bosch и 0,1 мм в изделиях ОАО «АПЗ». Отличается способ крепления нити в стойке: у зарубежных датчиков - петлевое зацепление на упругих подвесках и контактная сварка, в отечественных датчиках - лазерная сварка. Геометрия нити также различна. Датчики фирмы Bosch имеют П-образую форму, «квадратная» форма характерна для датчиков ОАО «Импульс», V-образная - для датчиков ОАО «АПЗ». Кроме того, несколько различаются конструкции стоек. «Квадратная» схема предпочтительнее, поскольку снижает зависимость характеристик ДМРВ от угла поворота чувствительного элемента вокруг оси.
Датчик массового расхода воздуха с нагретым проводом и нитевым измерительным элементом (рис. 2). Работа датчика основана на принципе постоянства
Рис. 2. Расходомер воздуха с нитевым измерительным элементом: 1, 2 - резисторы; 3- воздушный канал; 4- корпус; 5- термический компенсационный резистор; 6 - электрическая цепь; 7 - резистор термический; 8 - усилитель напряжения; 9 - источник питания; 10 - прецизионный резистор
температуры. Электрическая цепь ДМРВ использует мост Уинстона, обеспечивающий измерение сопротивлений.
Датчик расходомера воздуха состоит из корпуса 4, в воздушном канале 3 которого размещены термический компенсационный резистор 5 (компенсационное сопротивление) и термический резистор 7 с реостатным проводом, прецизионный резистор 10 (измеряемое сопротивление) и усилитель 8 напряжения, связанный электрической цепью с прецизионным резистором 10 и термическим резистором 7, а через обратную связь - с термическим компенсационным резистором 5. Сенсорный модуль включает систему чувствительных элементов (сенсоры), расположенных внутри корпуса, и сервисную электронику.
Терморезистор 7 разогревается до определенной температуры, превышающей окружающую. Проходящий через него поток воздуха постоянно влияет на рассеиваемое им количество теплоты. Высокий расход воздуха сопровождается заметным охлаждением нити и более низкой ее температурой. В результате сопротивление нити изменяется. Чтобы вернуть сопротивление к прежнему уровню, электронная система ДМРВ автоматически изменяет проходящий через нее ток, на практике -напряжение.
Изменения параметров регистрируются непосредственно за изменением расхода воздушной массы потока (через 1...3 мс). Термический резистор 7 обеспечивает регистрацию уровня температуры на 100 °С выше по отношению к воздушному потоку. Например, если воздушный поток имеет температуру 0 °С, то нить проводника будет нагрета до температуры 100 °С.
Основная цель термокоррекции терморезисторных мостовых схем связана с уменьшением температурной
погрешности. Это достигается изменением относительных температурных характеристик плеч данного моста путем использования дополнительных термонезависимых постоянных резисторов, включаемых последовательно или параллельно к имеющимся терморезисторам.
Воздушный поток изменяется при открывании дросселя. Большое количество воздуха проходит через оба реостатных провода в измерителе воздушного потока. Терморезисторы 5 и 7 охлаждаются при увеличении воздушной массы. Терморезистор 7 уменьшает сопротивление из-за положительного температурного коэффициента. Ток, проходящий через терморезистор 7, больше, чем ток, проходящий через терморезистор 5. Это дисбалансирует мостовую схему.
Компаратор увеличивает выходной сигнал. Усилитель 8 увеличивает поток, чтобы восстановить первоначальное сопротивление резистора 7 и вернуть температуру назад до значения на 100 °С выше температуры впускного воздуха. Ток обогрева зависит от напряжения 9 и сопротивления резистора 10. Падение напряжения зависит от массы воздуха и используется как выходной сигнал для блока управления.
Продолжительность процесса составляет 1...3 мс. При медленном вращении КВ каждый импульс подается на ЭМФ без компенсации. Для любого режима (около режима ХХ) ЭБУ запрограммированы импульсы продолжительностью 7,5 мс. Чем выше частота вращения КВ, тем большее вырабатывается число импульсов и тем большее подается количество топлива.
Проблема коррекции аддитивной температурной погрешности неоднократно рассматривалась в ряде работ, однако ее нельзя считать полностью решенной, поскольку это требует разработки определенной методики и заметного упрощения расчетов [2-3].
Использование электрически замкнутой четырех-плечевой мостовой схемы создает большие трудности в определении сопротивлений терморезисторов моста. Разомкнутые схемы исключают эти недостатки, они более эффективны и перспективны.
Терморезисторы ДМРВ целесообразно снабжать дополнительной компенсационной нагревательной структурой (КНС). Для терморезистора с КНС зависимость его сопротивления от температуры может быть выражена формулой, приведенной в [4].
Сопротивление Кт терморезистора, измеренное при фиксированных значениях температуры Т, позволяет оценить значения ОТХ терморезистора. Проведенные расчеты и проверка зависимости Ят = ? (Т) для терморезисторов с КНС хорошо аппроксимируются полиномом второго порядка
Дт=1+ао+Ьо2, (11)
где а и Ь - безразмерные температурные коэффициенты полинома; а - безразмерная температура.
Выходное напряжение ДМРВ может быть представлено зависимостью
£/„>(12)
ад; ° ^(д1+д4)(д2+я,)>
где й1, Я2, Я3, Я4 - сопротивления плеч мостовой схемы; ип - напряжение питания.
Увеличиваем или уменьшаем начальные сопротивления терморезисторов моста (без изменения их ОТХ) до значений, необходимых для балансировки моста при начальной температуре, при этом должно выполняться равенство
д2д4 =/г1/г3. (13)
Мост можно балансировать добавлением, разрывом или закорачиванием специальных технологических перемычек в терморезисторах без изменения их ОТХ. На практике применяют температурные датчики ДМРВ с отрицательным и положительным температурными коэффициентами. Для подключения простейшего термометра сопротивления используют два провода. Измерение температуры различных узлов автомобиля проводится терморезисторами с положительным и отрицательным температурными коэффициентами.
Установка и монтаж датчика на автомобиле. Расходомер воздуха размещается под капотом автомобиля. Датчик крепится с одной стороны к дроссельному устройству, а с другой - к воздушному фильтру с помощью резиновых патрубков и хомутов. При установке датчика нужно соблюдать его ориентацию: стрелка, изображенная на корпусе датчика, должна совпадать с направлением воздушного потока к двигателю; ориентация датчика вокруг вертикальной оси должна быть строго фиксирована и совпадать с положением датчика, определенным
Рис. 3. Расходомер воздуха с пленочным измерительным элементом: 1 - входной воздушный поток; 2 - корпус датчика; 3 - термический компенсационный резистор; 4,5,13 - уравновешивающие резисторы; 6, 7 - усилители; 8 - выходное напряжение; 9 - ток нагревания пленки; 10 - выходной воздушный поток; 11 - терморезистор; 12 - резистор
Таблица 1
Характеристика расходомера воздуха с нитевым элементом
Наименование Параметр
Диапазон измерения массового расхода воздуха, кг/ч 0...500
Диапазон рабочих температур, °С -40...100
Напряжение питания датчика от бортовой сети, В 8.16
Аэродинамическое сопротивление при максимальном расходе воздуха, не более, кПа 2
Потребляемый ток, не более, А 1,0
Выходное сопротивление, не более, кОм 2,9.3,5
Постоянная времени, не более, с 0,01
Диапазон изменения напряжения питания, В 6.18
Погрешность измерения массового расхода воздуха, не более, % ±1,0
Чувствительность датчика, мВ/(кг/ч) 30 в начале характеристики, 3 - в конце
Масса датчика, не более, кг 0,6
Наработка на отказ, не менее, ч 10 000
При включенном зажигании напряжение на выходе, В 1,4±0,04
Зависимость выходного напряжения от массового расхода воздуха Нелинейная
Напряжение на выходе датчика при включенном зажигании (выводы 3-2), В 1,4±0,04
Сопротивление между выводами, кОм 3-2 (выход) 4-1 (прожиг) 6-1 (регулятор СО) 2,9.3,5 20...25 0...1,0
документацией завода-изготовителя. Датчик к жгуту подключается с помощью шестиконтактного соединителя с защелкой.
Внешние проявления неисправностей цепей датчика. При отсутствии регулировки концентрации вредных веществ на режимах ХХ повышается частота вращения КВ на этих режимах (1800±300 мин-1). Если лампа неисправности горит при работающем двигателе, то самодиагностика блока фиксирует коды неисправности 13 или 14; при этом необходимо проверить исправность цепей 6 и 7.
Лампа неисправности горит при включении зажигания - самодиагностика блока фиксирует коды неисправности 31 или 32. Следует проверить исправность цепи 36.
Двигатель запускается и глохнет при частично открытой дроссельной заслонке и оборотах двигателя, близких к минимальным. Если расход воздуха менее 10 кг/ч - фиксируется повышенный эксплуатационный расход топлива. Лампа неисправности не горит при работающем двигателе - необходимо проверить и восстановить исправность цепи 31 (прожиг нити), а также проверить и заменить датчик. Параметры расходомера воздуха с нитевым элементом приведены в табл. 1.
Датчик массового расхода воздуха с нагретой пленкой. Пленочный датчик массового расхода воздуха (рис. 3) представляет собой одну из перспективных разработок и содержит термический компенсационный резистор 3, термический резистор 77, резистор 72 и уравновешивающие
резисторы 4,5,73, размещенные в корпусе 2 датчика. Уравновешивающие резисторы 4 и 5 через усилители 6 и 7 формируют выходное напряжение 8. Температура нагревателя регистрируется с помощью датчика-измерителя потока (резистор 3), напряжение которого является мерой массы потока воздуха. Оно преобразуется с помощью электронной схемы в выходное напряжение 8, подаваемое на
Рис. 4. Функциональная схема расходомера воздуха с пленочным термоанемометром (датчиком): 1 - термический компенсационный резистор; 2 - диэлектрическая мембрана; 3 - контакт (чувствительный элемент); 4 - разъем; 5-9 - контакты; 10, 11 - термопары; 12 - керамический элемент; 13 - зазор между пластинами; 14 - термический резистор; 15 - сопротивление датчика; 16 - уравновешивающий резистор
Таблица 2
Техническая характеристика расходомера с пленочным ДМРВ
Параметры Значение
Диапазон измерения массового расхода воздуха, кг/ч 0...500
Диапазон рабочих температур, °С -40...100
Питание датчика от бортовой сети с номинальным напряжением, В 8..16
Аэродинамическое сопротивление при максимальном расходе воздуха, не более, кПа 2
Потребляемый ток, не более, А 1,0
Выходное сопротивление, не более, кОм 3,5
Постоянная времени, не более, с 0,01
Диапазон изменения напряжения питания, В 6.18
Погрешность измерения массового расхода воздуха, не более, % ±4,0
Масса датчика, не более, кг 0,6
Наработка на отказ, не менее, ч 10 000
блок управления. Условие равенства токов 11 = 12 в ветвях моста можно записать и как равенство сумм сопротивлений смежных плеч в каждой ветви моста
=Д2+Я3. (14)
Датчик содержит два термозависимых элемента. Один из них измеряет расход, а второй - внешнюю температуру, компенсируя возможную температурную ошибку. Температура окружающей среды в меньшей степени влияет на выходной сигнал при более высокой температуре разогрева чувствительного элемента.
Нагревательные и измерительные резисторы выполнены в виде тонких платиновых слоев, нанесенных на кристалл кремния. Объем воздуха вычисляется по разности температур между двумя датчиками. Применение пленочного датчика открывает новые возможности для впрыскивания газового топлива. Для использования нового датчика пленочного типа вместо нитевого требуется перепрограммирование ЭБУ.
Нитевые датчики нетехнологичны и более дорогостоящие. Производство пленочных изделий обходится дешевле. Ведущие фирмы отказались от нитевых датчиков. Трудоемкие операции монтажа чувствительного элемента или тарировки на продувочной установке для пленочных датчиков удалось максимально автоматизировать. Внедрение пленочных ДМРВ стало возможным благодаря обязательному применению ^-зондов, позволяющих корректировать состав горючей смеси по содержанию кислорода в отработавших газах. Точность и быстродействие пленочных датчиков повышают путем применения флэш-микроконтроллеров, тонких подложек и других конструктивных решений.
Расходомер с пленочным датчиком (рис. 4) содержит диэлектрическую мембрану 2 с размещенным на ней термическим компенсационным резистором 1, термический резистор 14, сопротивление датчика 15, уравновешивающее резистор 16. Нагревательные и измерительные резисторы выполнены в виде тонких платиновых слоев.
Вычисление объема воздуха проводится по разности температур между датчиками до и после нагревателя. Трех-проводная схема обеспечивает более точное измерение за счет возможности отдельного измерения сопротивления подводящих проводов и затем вычитания его из суммарного измеренного сопротивления. Компактная конструкция ДМРВ с рациональным шагом выводов позволяет легко размещать датчик на печатной плате.
Микромостовой чувствительный элемент состоит из нагревательного элемента и двух терморезистивных мостов Уинстона. Тонкопленочные термочувствительные элементы первого микромоста расположены строго симметрично относительно нагревателя с целью измерения не только скорости потока воздуха, но и его направления. Резисторы термически изолированы от нагревателя путем вытравливания канавок в несущем кристалле, образующих воздушный зазор.
Рис. 6. Установка для испытаний и контроля ДМРВ: 1 - опора; 2 - вентилятор (турбина); 3 - патрубок; 4 - дроссельный патрубок; 5- датчик положения дроссельной заслонки; 6 - дроссельная заслонка стенда; 7- анемометрический датчик; 8- ресивер; 9- сопло расхода воздуха; 10- дифференциальный манометр; 11 - основание; 12- дроссельная заслонка патрубка; 13 - регулятор ХХ
Второй микромост предназначен для создания цепи обратной связи управления нагревательным элементом с целью поддержания его постоянной температуры. Для точного измерения расхода воздуха необходимо поддержание постоянной температуры нагревателя около +160 °С относительно температуры потока измеряемого воздуха, охлаждающего нагреватель. Все датчики расхода воздуха имеют аналоговый выход по напряжению. Существуют модели с милливольтовым (0...30 мВ) и стандартным (1...5 В) выходами, имеющими встроенный инструментальный усилитель.
Датчик имеет нелинейную зависимость выходного напряжения от массового расхода воздуха (рис. 5). Основные технические характеристики датчика массового расхода воздуха с пленочным датчиком приведены в табл. 2.
Нужный параметр хранится в энергонезависимой памяти блока управления и настраивается с помощью диагностического тестера. Точность нитевых датчиков составляет ±1 %, пленочных ±4 %.
Установка для контроля и испытаний расходомера воздуха (рис. 6) содержит нагнетающую турбину (вентилятор) 2, размещенную на опоре 1, дроссельный патрубок 4 и датчик положения дроссельной заслонки 5. Расходомер воздуха устанавливается в разрыв специального патрубка стенда и подключается к диагностическому разъему. При диагностировании запускают программу диагностирования и тестирования ДМРВ, которая работает по следующему алгоритму:
• запуск нагнетающей турбины;
• замер потребляемого тока датчиком от источника +5В;
• замер потребляемого тока от источника +12В;
• изменение частоты вращения нагнетающей турбины в пределах, соответствующих расходу воздуха двигателем на режимах ХХ;
• замер показаний датчика и сравнение их с показаниями датчика, принятого за эталон.
Все измерения в процессе контроля можно видеть на приборах, дублирующих работу программы, - осциллографе, микроамперметре, вольтметре.
Результаты испытаний, представленные в виде таблиц и графиков, выводятся на монитор в специальное окно, которое становится активным по истечении времени проверки. Имеется возможность вывести результаты испытаний на печатающее устройство (принтер) для дальнейшего анализа и документирования.
Таким образом, улучшенная система управления бензиновым двигателем с ЭБУ путем термокоррекции терморе-зисторных мостов датчика позволяет уменьшить погрешности измерения температуры массового расхода воздуха.
В основу модели аппроксимации температурной характеристики терморезистора полиномами второго порядка положены модели отношения сопротивлений терморезистора при текущей и начальной температурах в качестве его температурной характеристики. Использование электрически замкнутой четырехплечевой мостовой схемы создает большие трудности в определении сопротивлений терморезисторов моста. Разомкнутые мостовые схемы более перспективны. Применение термической коррекции терморезисторных мостов ДМРВ позволяет уменьшить погрешности измерения температуры, повысить точность системы управления двигателем, уменьшить расход топлива, повысить качество приготовления смеси топлива и увеличить работоспособность двигателя на 10 %.
Система позволяет также избавиться от проблемы неустойчивой работы двигателя, затрудненного пуска, задержек, рывков, провалов, недостаточной мощности и приемистости двигателя.
Литература
1. Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей (конструкция, расчет, диагностика). - М.: Горячая линия. Учебник для вузов, 2011. - 567 с.
2. Сгибов А.М., Трухачёв Б.С, Носовский А.В. Температурная компенсация моста, содержащего четыре терморезистора // Приборы и системы управления.
- 1975. - № 11. - С. 4-7.
3. Лучко В.Е., Сычугов Е.М. Термостабильные тензометрические преобразователи для датчиков // Датчики и системы. - 2000. - № 12. - С. 5-6.
4. Суханов В.И., Суханова Н.Н., Хасиков В.В., Рыбаков М.М. Термопреобразователи сопротивления на основе КНС-структур // Датчики и системы.
- 2002. - № 10. - С. 6-8.
