-
-Senzori utilizati in constructia unui autovehicul -I-
Scopul lucrarii ()
Echipamente utilizate: 1. Macheta cu senzori
Acest modul este prezentat in Figura 1 si conine 9 senzori.
Inainte de testare fiecare senzor trebuie conectat la sursa de
alimentare (precum i aparatele de msur).
Fig. 1 Modulul SO4203-4V
Pentru vizualizarea pe calculator a tensiunii de alimentare in
cazul acestui modul este necesara configurarea unui voltmetru
virtual, pentru aceasta se efectueaza urmatoarele etape:
1. Din meniul Instruments se alege sursa de c.c Dc power supply
2. Se bifeaza cu un click butonul POWER care va deveni activ
(display-ul va avea
culoarea roie)
Fig. 2 Voltmetru virtual
Consideratii teoretice : Senzorii auto sunt utilizai pentru a
controla anumite procese ce apar in functionarea unui autovehicul
precum si transmiterea datelor necesare unitii de control a
motorului (ECU) pentru calculul timpilor de aprindere precum i
cantitatea de combustibil necesar injeciei. Alta categorie de
senzori sunt utilizai pentru msurarea unor parametrii cum ar fi
turaia motorului, poziia arborelui cu came, temperatura lichidului
de rcire etc.
-
Pentru a identifica senzorii mentionati mai sus micai cursorul
mouse-ului pe figura de mai jos:
Fig. 3 Voltmetru virtual
In cadrul acestei lucrari de laborator se vor studia urmatorii
senzori : Senzorul de temperatura de tip NTC Senzorul de
temperatura de tip PTC Senzor detonatii (knock senzor) Senzor de
presiune (pentru conducta de admisie) Senzor inductiv Senzor
acceleraie Poteniometru (pedala) acceleraie Senzor pentru controlul
debitului de aer
1. Senzorul de temperatura de tip NTC Este un sensor a carui
rezistenta depinde de temperatur. Rezistena scade atunci cnd
temperatura crete. Astfel c la rezistorul NTC (termistor) valoarea
conductivitii electrice este mai mare cnd temperatura este ridicat.
Coeficientul de temperatur este negativ fiind invers-proporional cu
temperatura. Valoarea de referin a acestui senzor este rezistena
msurat la temperatura de 20C (R20). Deoarece depinde de temperatur
rezistena nu trebuie calculat mai degrab trebuie luat din tabel.
Circuitul este simbolizat prin dou sgei opozante ce indic faptul c
rezistena scade cnd temperatura crete. Aceast proprietate a
senzorilor NTC apare datorit faptului c la o temperatur mai mare se
desprind mai muli electroni din banda de valen devenind posibil
conducia electric. Senzorii NTC sunt folosii la automobile pentru a
msura :
Temperatura lichidului de rcire
-
Temperatura uleiului Temperatura extern Temperatura aerului
condiionat furnizat Temperatura combustibilului (n cazul motoarelor
diesel common-rail (ramp comun)
Modul de conectare la ECU
Determinari experimentale :
Se efectueaza montajul din figura urmatoare :
-
Se comuta ntreruptorul din stnga rezistorului NTC dupa care se
porneste nclzirea i se observa rezultatul citind pe multimetru. Se
noteaza citirile n tabel la fiecare 30 secunde
Dupa efectuarea msurtorilor se opreste nclzirea. Cum evolueaz
rezistena NTC la nclzire?
Alimentarea unui senzor de tip NTC In cazul unui defect pe
autovehicul acesta nu este datorat direct senzorului ci mai degrab
circuitului dintre senzor i unitatea de control a motorului.
Unitatea de control (ECU) conine un rezistor de valoare fix n
timp ce rezistorul NTC montat pe motor are valoarea variabil n
funcie de temperatura lichidului de rcire. Unitatea de control
analizeaz cderea de tensiune pe rezistenele nseriate i folosete
rezultatul pentru a calcula temperatura lichidului de rcire. Pentru
c cele dou rezistoare sunt nseriate, mpreun formeaz un divizor de
tensiune adic tensiunea aplicat de 5 V este distribuit pe cele dou
rezistoare. Potrivit principiului divizorului de tensiune cu ct
divizorul de tensiune este mai mare cu att cderea de tensiune este
mai mare. Deoarece unitatea de control are un rezistor cu o valoare
fix n timp ce senzorul NTC a o valoarea variabil raportul dintre
tensiuni este tot variabil.
-
Pentru remedierea defectelor ce apar in circuitele de masurare a
temperaturii cu senzor de tip NTC se procedeaza in modul urmator:
La motoarele moderne sistemul de management este capabil s afieze
erori de cod mai detaliate cu referire la senzorul NTC ajutnd la
stabilirea sursei erorii. De exemplu dac unitatea de control afieaz
eroarea Coolant temperature sensor circuit: Insufficient voltage
(senzor de temperatur lichide de rcire : tensiune prea mic). nseamn
c tensiunea msurat la pin-ul de ieire 3 este mai mic dect nivelul
prestabilit. Pe baza celor insusite mai sus a motivele pot fi
datorate:
1. Circuitului electric care poate fi ntrerupt, de exemplu de un
contact deschis la senzorul de temperatur al lichidului de
rcire;
2. Exista un scurtcircuit ntre cele dou borne ale senzorului sau
chiar n senzor. Cum poate detecta unitatea de control cnd tensiunea
este prea mic ? Se consider cderea de tensiune pe cele dou
rezistoare cnd sistemul este funcional. Indiferent de temperatura
rezistorului NTC va exista tot timpul o cdere de tensiune pe acesta
cderea de tensiune pe rezistorul nseriat. Tensiunea msurat la
pin-ul 3 nu trebuie s fie 0 V sau 5 V. n practic aceast tensiune
trebuie s fie cuprins ntre 0.7 V i 4 V. Dac unitatea de control
msoar tensiune de 0 V sau 5 V la pin-ul 3 consider c este o eroare
undeva.
2. Senzorul de temperatura de tip PTC Acest tip de senzor de
temperatur se utilizeaza ca si senzor de temperatura a gazelor de
eapament, este un rezistor de tip PTC a crui valoare se schimb n
funcie de temperatur. Unitatea de control obine informaii despre
temperatura gazelor de eapament prin msurarea rezistenei. Senzorul
PTC are valoarea conductivitii mai mare la temperatur mai mic.
-
Rezistoarele de tip PTC (coeficient de temperatur pozitiv) sunt
materiale care conduc curent electric mai eficient la temperatur
mai joas. La aceste rezistoare valoarea crete o dat cu temperatura
de unde i termenul- PTC. In momentul in care senzorul este parcurs
de un curent mai mare, acesta se nclzete iar in sens contrar acesta
se raceste transmitand aceasta variatie de rezistenta catre ECU in
functie de temperatura gazelor de esapament. Determinari
experimentale : Se efectueaza montajul din figura urmatoare :
Se comuta ntreruptorul din stnga rezistorului PTC dupa care se
porneste nclzirea i se observa rezultatul citind pe multimetru. Se
noteaza citirile n tabel la fiecare 30 secunde.
-
In cazul acestei determinari se observa o variaie a rezistenei
foarte mic. n graficul urmtor este reprezentat rspunsul senzorului
PTC la o plaj mai mare de temperaturi.
Dup cum s-a observat pn acum rezistena senzorului de temperatur
ncepe s se modifice substanial numai la temperaturi ridicate. La
temperatura mic generat de placa de senzori (macheta) rezistena se
modific destul de puin. Din acest motiv senzorii PTC sunt destul de
rar folosii n domeniul auto, n schimb acetia sunt folosii n medii
cu temperaturi ridicate cum ar fi cazul gazelor de eapament unde
senzorii NTC ar fi deteriorai. Dei la automobile se folosesc rar
senzori PTC, se utilizeaz des componente cu aceleai proprieti
,acestea au i elemente de nclzire de exemplu pentru parbrizul din
spate (lunet), oglinzi etc. Dac un astfel de element este activat
la o temperatur iniial joas cnd rezistena senzorului PTC este mic
prin circuit va trece un curent iniial mare determinnd nclzirea
rapid a elementului nclzitor. n acest timp va crete i rezistena
senzorului cauznd reducerea cldurii i a curentului electric. Un
astfel de sistem se auto-regleaz.
-
3. Senzorul pentru detonatii (knock senzor)
Senzorul pentru detonatii (knock senzor) furnizeaz unitii de
control date pentru a detecta knock ul. Senzorul transform energia
ocului mecanic n pulsuri electrice ce sunt analizate electronic.
Capacitatea de a muta punctul de aprindere mai aproape de knock
(unitatea de control detecteaz knock-ul i potrivete n conformitatea
cu acesta punctul de aprindere).
Sunt mbuntite : Consumul de combustibil; Nivelul de emisii;
Puterea i cuplul.
La fel de important este faptul c se mbuntete auto-adaptarea la
mbtrnirea motorului. Dac un motor are senzor de knock el se poate
adapta la mai multe tipuri de carburani. Dac un motor este destinat
consumului de benzin premium el poate funciona i cumbustibil mai
slab calitativ n timp ce motoare proiectate pentru a funciona cu
benzin cu cifr octanic foarte mare poate funciona i cu benzin
premium dar apare un consum mai mare de combustibil datorit
aprinderii ntrziate astfel c beneficiile nu sunt mari.
Termenul knocking nseamn combustia necontrolat in interiorul
cilindrului din interiorul unui motor cu ardere intern. n acest caz
o parte a amestecului se aprinde spontan. n mod normal amestecul
comprimat este aprins de o scnteie. Explozia ce rezult determin
creterea presiunii aciune ce mpinge pistonul n jos n timpul cursei.
n timpul combustiei afectate de knock o parte a amestecului
combustibil aer se aprinde incontrolabil fr scnteie sau amestecul
este aprins prematur de scnteie. Efectul oricruia
-
dintre cele dou situaii este un val de presiune ce aps pistonul
n jos dei acesta nc nu a efectuat cursa n care se ridic pn n
punctul n care se termin ciclul micrii. Temperatura n cilindru
crete incontrolabil atingnd valori care pot topi partea inferioar a
pistonului. Cldura excesiv poate determina pistonul s se dilate
disproporionat i s fricioneze de pereii cilindrului,afectand astfel
in mod direct functionarea motorului.
In constructia motoarelor mici se foloseste un singur senzor iar
pentru cele cu mai mult de 4 cilindrii sau cu cilindrii n V sau
cilindrii dup tehnologia Boxer, sunt necesari doi senzori. Acetia
sunt nurubai corespunztor (dup o anumit for de strngere) pe o
suprafa apropiat de cilindrii i sunt conectai la unitatea de
control prin intermediul a dou cabluri electrice. (1/2)
In structura sa interna este realizat cu un inel confectionat
dintr- un material (albastru,acest inel este pretensionat pn ntr-un
anumit punct apoi este introdus n senzorul knock i contracareaz
vibraiile motorului. Materialul transmite fora exercitat la un
strat de cristal piezo-electric (rou) a crui armturi (negre) crete
nivelul de sarcini electrice care erau initial oricum descrcate la
vibraii sczute. Unitatea de control analizeaz datele fcnd diferena
ntre regimul normal de funcionare i cel cu senzor knock. Este
important poziionarea senzorului de knock pentru ca semnalul
specific s fie preluat de senzor de la oricare dintre
cilindrii.
-
Principiul de functionare senzorilor piezoelectrici Deformarea
direcionat a unui cristal piezoelectric determin creterea
microscopic a unor dipoli din anumite elemente primare (modificare
concentraiei de sarcini electrice). n toate elementele primare a
cristalului, nsumat, apare o tensiune msurabil. Deformarea
direcionat nseamn c presiunea exercitat trebuie s fie pe o singur
direcie i prin puncte opuse.
Determinari experimentale : 1.Se efectueaza montajul din figura
urmatoare :
-
2.Din meniul Instruments se alege osciloscopul virtual i se
realizeaz setrile aa cum este indicat mai jos : Conexiuni:
3. Se pornete osciloscopul, se lovete senzorul knock cu un
obiect moale - un mner din plastic i se nregistreaz semnalul.
Utiliznd mouse-ul se trage de oscilogram pn n spaiul destinat
vizualizarii. Se introduc apoi parametrii :
- Forma de unda a semnalului provenit de la senzor (obiect
neted) :
Se nregistreaza semnalul caracteristic unei lovituri cu un
obiect greu (de exemplu o urubelni).
- Forma de unda a semnalului provenit de la senzor (lovit cu
ciocanul de plastic) :
-
Cu ajutorul celor dou oscilograme se poate explica cum unitatea
de control poate face diferena dintre vibraiile normale ale
motorului i knock-ul din fiecare cilindru.
Experiment diagnoza senzorului knock : Se efectueaza modificrile
necesare pentru a msura rezistena senzorului knock dup cum urmeaz
:
Conexiuni:
4. Senzorul de presiune Acest senzor msoar presiunea la partea
de admisie innd cont de presiunea mediului ambiant. Senzorul se afl
ntre valva de la acceleraie i supapa de admisie. Cnd valva de la
acceleraie este nchis pistonul se mic n jos crend o presiune n
conducta de admisie.
-
Cnd valva de la acceleraie este deschis intr aer prin conducta
de admisie crescnd astfel presiunea. Presiunea din aceast conduct
este proporional cu sarcina motorului.
Structura i funcionarea senzorului de presiune :
A membran piezo electric B camer de referin C conduct de msurare
pentru furtunul de conectare D circuit de analiz (amplificarea
semnalului) E furtun conectat la conducta de msurare
Senzorul de presiune conine o membran piezo-electric realizat
din cristal de siliciu. Pe suprafaa membranei sunt amplasai 4
senzori pentru msurarea tensionrii unui obiect, 2 senzori pe
mijlocul membranei i nc 2 la periferie. Cnd presiunea exercitat
asupra membranei crete, aceasta se ndoaie mrind rezistena
senzorilor amplasai la mijlocul membranei i detensionarea
senzorilor de la periferie. Un circuit de analizare (punte) citete
semnalul fiind o tensiune cuprins ntre 0.2 V i 4.3 V. Pentru
motoarele fr turbin presiunea variaz pn la maxim 1 bar. La
motoarele turbo presiunea poate atinge valori pn la 2 bar. n aceeai
incint poate fi amplasat i un senzor de temperatur. Senzorii de
presiune sunt tot mai des folosii la autovehicule. Se poate face
diferena ntre senzorii pentru suprapresiune i subpresiune. Senzorii
pentru suprapresiune sunt utilizai
-
pentru a msura presiunea la motoarele turbo, presiune
atomosferic i presiunea combustibilului (n cazul motoarelor diesel
i a celor pe benzin cu injecie direct). Aceti senzori dei msoar o
plaj destul de mare de presiuni au la baz acelai principiu.
Senzorul MAP poate fi un nlocuitor senzorul ce msoar debitul de
aer.
Modul de conectare la ECU a senzorilor:
In cele mai multe scheme nu se specific linia pe care circul
semnalul. Totui semnalul poate fi digital aa cum este cazul acestei
scheme Trasmisia semnalului : semnalul este transmis unitii de
control (fr a avea acces la el i alte componenete). Semnalul este
transmis la pin-ul nr 2 al senzorului. Masa : punctul de referin
este comun cu mai multe componente. Pin-ul 1 al senzorului MAP
alimenteaz i senzorul NTC. Se conoaste din cele studiate anterior
ca semnalul senzorului NTC ajunge la pin-ul 3 al unitii de control
n timp ce punctul de mas este la pin-ul 4 al unitii de control.
Astfel c punctul de mas este comun la senzorii Map i NTC.
Determinari experimentale : 1.Se efectueaza montajul din figura
urmatoare :
-
2. Se conecteaza senzorul conductei de admisie la 5 V i la mas.
Se alege din meniu Instruments -> Measuring devices ->
Voltmeter A si se conecteaza la semnalul de ieire al voltmetrului
virtual (A+, A-).
3.Se conecteaza o pomp de vid manual la borna senzorului
MAP.
4.Se masoara tensiunea la diferite presiuni negative dupa care
se introduce rezultatul msurtorilor n tabelul de mai jos: