CC BY
60
Лянденбурский Владимир Владимирович
Ljandenbursky Vladimir Vladimirovich Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Кандидат технических наук, доцент
The Penza state university of architecture and building Cand.Tech.Sci., the senior lecturer E-Mail: [email protected]
Тарасов Александр Иванович
Tarasov Alexander Ivanovich Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Инженер
Penza state university of architecture and construction
Engineer E-Mail: [email protected]
Коломеец Денис Андреевич
Kolomeets Denis Andriyovych Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Студент
Penza state university of architecture and construction
Student
E-Mail: [email protected] 05.22.10. Эксплуатация автомобильного транспорта
Совершенствование датчиков давления топлива дизельных двигателей
Improvement of sensors of pressure of fuel of diesel engines
Аннотация: Автомобильные контрольно-измерительные приборы разнообразны по конструкции и способам отображения информации. Для фиксации давления в топливной системе дизельного двигателя применяются накладные датчики, которые несовершенны по конструктивному исполнению. Применение предложенной конструкции позволит снизить трудоемкость на установку и снятие предлагаемого датчика.
The Abstract: Automobile instrumentations are various on a design and ways of display of information. Laid on sensors which are imperfect on a design are applied to pressure fixing in fuel system of the diesel engine. Application of the offered design will allow to reduce labor input on installation and removal of the offered sensor
Ключевые слова: автомобиль, контрольно-измерительные приборы, давление,
топливная система, накладной датчик.
Keywords: car, instrumentations, pressure, fuel system, laid on sensor.
***
Автомобильные контрольно-измерительные приборы (КИП) по способу отображения информации, которую они представляют водителю, разделяют на две группы: указывающие и сигнализирующие.
Указывающие приборы имеют шкалу и стрелку, по положению которой относительно шкалы определяется значение измеряемой величины. Чтобы оценить измеряемую величину, водитель должен отвлечься на некоторое время от наблюдения за движением автомобиля, посмотреть на шкалу прибора и осознать показание. Давая водителю информацию о контролируемом параметре во всем диапазоне измерения шкалы, указывающий прибор позволяет судить о состоянии контролируемого узла или системы автомобиля [1].
Сигнализирующие приборы (сигнализаторы) реагируют лишь на одно, как правило, аварийное значение измеряемого параметра и информирует об этом световым или звуковым сигналом. Сигнализатор удобен для водителя, поскольку не требует от него постоянного наблюдения и меньше отвлекает от процесса управления автомобиля. Однако информации от сигнализатора поступает к водителю тогда, когда нормальный режим уже нарушен или близок к нарушению [2].
В настоящее время на всех типах автомобилей наблюдается тенденция к увеличению количества сигнализирующих приборов.
Автомобильные приборы разделяют на электрические и механические.
Электрические приборы питаются от бортовой электрической сети автомобиля. Механические же приборы дают показания, используя энергию измеряемой среды (например, манометры для измерения давления в системе смазки). Преимуществом электрических приборов, обеспечившим им широкое распространение на автомобилях, является простота передачи сигналов с места контроля к месту наблюдения.
По назначению все контрольно-измерительные приборы автомобилей разделяют на следующие группы: измерения температуры (термометры); измерения давления (манометры); измерения уровня топлива; контроля зарядного режима аккумуляторной батареи; измерения скорости автомобиля и пройденного пути (спидометры); измерения частоты вращения (тахометры).
Классификация датчиков. Важнейшим функциональным элементом электронных средств технического диагностирования автомобилей являются датчики (первичные преобразователи) электрических и неэлектрических физических величин. Правильный выбор типа датчика непосредственно влияет на качество получаемой диагностической информации, достоверность постановки диагноза, экономические показатели процесса диагностирования.
Датчик - устройство, воспринимающее измеряемый (контролируемый) параметр и преобразующий его в сигнал, удобный для передачи по линиям связи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдением.
В целом по виду измеряемой величины выходной сигнал датчика может быть электрический, пневматический, гидравлический, механический и др. В средствах технического диагностирования автомобилей наиболее широко применяют датчики с электрическим выходным сигналом (рис. 1). Преимущества таких датчиков заключается в быстродействии, возможности автоматизации процесса измерения, многофункциональности и гибкости.
В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две основные категории: генераторные (активные) и параметрические (пассивные) [3].
В генераторных датчиках осуществляется генерация электрической энергии, т.е. преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал. К генераторным датчикам относят пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические, гальванические,
электрокинетические, частотные датчики, а также датчики электрических потенциалов и датчики с времяимпульсным выходом.
В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи: сопротивление, индуктивность, емкость и т.п. Такие датчики питаются от внешнего источника электрической энергии. К параметрическим датчикам относят емкостные, электромагнитные и магнитоэлектрические, тензорезисторные,
магнитомодуляционные датчики, а также датчики контактного сопротивления, и др. Из перечисленной номенклатуры датчиков в средствах технического диагностирования машин практически применяются потенциометрические, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие и другие датчики (табл. 1).
По конструктивному исполнению датчики систем и средств технического диагностирования автомобилей подразделяют на встроенные, являющиеся неотъемлемой частью диагностируемого автомобиля, и внешние, которые устанавливают на автомобиль лишь на период диагностирования.
По количеству входных и выходных сигналов различают датчики с одним входным и одним выходным сигналами; с одним входным и несколькими выходными сигналами; с несколькими входными и одним выходным сигналами; с несколькими входными и несколькими выходными сигналами.
Рис. 1. Классификация датчиков с электрическим выходным сигналом
Таблица № 1
Области применения датчиков в СТД
Наименование датчиков Измеряемые величины
П от енвд ометрич еские Абсолютное и избыточное давления жидких и газообразных сред перепады давлений, различные перемещения, скорость, ускорение, и др.
Тен.з орези сг орные Давление, усилие, вращающий момент, относительное перемещения, линейное ускорение и ДР
Электроконт актны е Индуктивные Травсфорыат орны е В ременные интервалы и фазовые параметры и др. Давление, линей ные перемещения и др. Давление и расходы жидких и газообразных вещест в, линейные перемещения и др.
Магнит оупрупе Индукционные Усилие, вращающий момент и др. Расход жидкости и газа, частота вращения и др.
Пьезоэлектрические Тер мо зле КГ ричес кие Термос опроти вления Давление, вибрация, расход и уровень жидкости, фиксация моментов включения и выключения и др. Содержание СО и СИ в отработавших газах, температура и др. Температуры жццких и газообразных сред и корп^гсных поверхностей и др.
Фотоэлектрически е Механотрон ные Частота вращения, вращающий момент, линейные и угловые размеры и др. Усилие, давление, малые перемещения и др.
Требования к датчикам. Условия работы датчиков при диагностировании автомобилей резко отличается от условий работы вторичной аппаратуры СТД, преобразующей и обрабатывающей выходные сигналы датчиков. Особенно тяжелые условия работы у встроенных датчиков, которые должны иметь более высокие показатели надежности, чем диагностируемые объекты, сохранять свою работоспособность при значительных перепадах температур, вибрациях, повышенной запыленности, ударных нагрузках. Встроенные датчики не должны менять свои выходные характеристики при воздействии на них агрессивных сред, например масел, бензина и других жидкостей.
Датчики обыкновенного исполнения не применяют в условиях интенсивных механических и температурных воздействий, в запыленной, влажной и взрывоопасной средах.
Датчики температуропрочного исполнения рассчитывают чаще всего на воздействие температур от -50°С (при хранении и транспортировки СТД) до +200°С, а температуроустойчивого исполнения - от -30 до +100°С (встроенные) и от +10 до 100°С (внешние).
Датчики должны изготовляться с унифицированными разъемами для подключения их к СТД, а внешние датчики, кроме того, должны иметь унифицированные устройства, обеспечивающие их быструю и удобную установку и фиксацию на диагностируемом объекте.
Датчики с одинаковым принципом действия, предназначенные для измерения однотипных диагностических параметров, должны быть унифицированы и, в первую очередь, по выходному сигналу.
Датчик, установленный в исправном или неисправном состоянии на объект
диагностирования, не должен отрицательно влиять на его работу. Установка датчика должна производиться с минимальными затратами времени, труда и средств, а процесс
диагностирования по выходному сигналу датчика должен быть кратковременным.
Датчик СТД в зависимости от назначения могут работать в статистическом, динамическом и статодинамическом процессах. При статистическом процессе к датчикам
предъявляют метрологические требования по порогу чувствительности, зоне
нечувствительности, стабильности выходной характеристики, вариации выходного сигнала. В целом комплексы метрологических характеристик СТД и их датчиков выбирают из числа характеристик, приведенных в ГОСТ 8.009-84, и указывают вместе с их допускаемыми значениями в нормативно-технической документации на СТД.
Порог чувствительности датчика - минимальное изменение измеряемой величины, вызывающее изменение выходного сигнала датчика.
Зона чувствительности датчика - максимальное изменение контролируемой величины, не вызывающее изменение выходного сигнала.
Чувствительность датчика - отношение изменения выходного сигнала к вызывающему его изменению измеряемой величины. Чувствительность регламентируется государственными стандартами.
Стабильность выходной характеристики - свойство датчика, отражающее неизменность во времени его метрологических свойств. Она не должна выходить за пределы основной допустимой погрешности.
Вариация выходного сигнала - средняя разность между значениями выходного сигнала. Вариация выходного сигнала не должна превышать основной допустимой погрешности.
При динамическом процессе к датчикам предъявляют дополнительные требования. Они должны обладать повышенной механической погрешностью. Чтобы предотвратить искажение результатов измеряемой величины, необходимо учитывать возможное влияние собственных колебаний упругой механической системы датчика. Частота собственных колебаний датчика должна превышать частоту контролируемого процесса по меньшей мере в 6 - 10 раз.
При статодинамическом процессе к датчику предъявляют дополнительно к перечисленным следующие требования по однонаправленности действия, перегрузочной способности датчика и его избирательности.
Однонаправленность действия - это сведение к минимуму обратного силового воздействия от датчика на контролируемый процесс.
Перегрузочная способность датчика характеризуется отношением предельного значения измеряемого параметра к его номинальному значению. Перегрузочная способность датчиков обычно равна 1,5 - 2 от рабочего диапазона измеряемой величины.
Избирательность датчика характеризует его способность реагировать только на изменение того параметра, для измерения которого он предназначен.
Важное значение имеют требования к показателям надежности датчиков: безотказности, долговечности, вероятности безотказной работы, интенсивности потока
отказов. Показатели надежности датчиков должны быть значительно выше показателей надежности СТД, для которых они предназначены. Если датчики встроенные, то их надежность должна быть выше надежности диагностируемого объекта.
Значение наработки на отказ при ее нормировании в НТД выбирают из ряда 500, 600, 700, 800, 900, 1000 ч и далее через каждые 250 ч. Нормируемые показатели надежности датчиков определены в ГОСТ 27.003 - 83. Периодичность проверки датчиков задается в НТД.
По мере того как снижаются цены, ужесточаются правительственные требования к топливной экономичности и чистоте отработавших газов, растет потребность в датчиках электронных систем и расширяется их рынок.
Все определяется не только стоимостью, но и требованиями интегрирования датчиков в систему. Чтобы резко снизить себестоимость всех составных частей электронных систем (микропроцессоров, датчиков), нужно создавать заново систему в целом. Но автомобильная промышленность развивается эволюционным путем, а не революционным. Для создания «авангардной» технологии необходимо 8 -10 лет, в то время как применение традиционной для налаживания серийного производства новой электронной системы требуется только 4 года.
В большинстве случаев цену на новую продукцию удается снизить благодаря расширению объемов выпуска и приобретению опыта. Но это затрудняет в дальнейшем перевод принятой технологии на новую основу, продлевая жизнь старой, но отлаженной. Это имеет положительную сторону. С ростом применения датчиков в автомобильных электронных системах теряет значение то, какая технология является лучшей в конкретном случае и даже какое количество датчиков и какая стратегия управления всей системой будет необходима в будущем.
Сегодня полупроводниковые датчики считаются новым компонентом, их достоинством является преобразование синусоидального сигнала в серии прямоугольных импульсов. Микропроцессоры могут воспринимать только логические единицы и нули. Поэтому на выходе синусоидальный сигнал необходимо сравнивать с пороговой величиной и в период, когда его уровень превышает пороговую величину, меньше порогового значения - единице. А частота импульсов характеризует скорость процесса.
Следующий шаг - обеспечение предварительной обработки сигнала перед подачей его в контроллер системы. Такие так называемые «интеллектуальные» датчики освободят центральный контроллер от предварительных вычислений, расширяя его возможности для реализации алгоритма управления и распределения информации между системами. «Интеллектуальные» датчики, вероятно, не будут непосредственно распределять информацию. Многие пользователи, подключая к одному датчику несколько систем, затрудняют его функционирование.
Интеллектуальные датчики будут следующим шагом вперед. Заказчики требуют от будущих датчиков способности к самодиагностике, распознанию сбоев и ложных сигналов, удобства технического обслуживания. В настоящее время особенно растет потребность в приборах измерения ускорений - акселерометрах. В некоторых (но не во всех) случаях акселерометры могут быть заменены оптическими датчиками. Основанные на использовании инфракрасных излучателей (светоизлучающих диодах) и детекторов, эти оптические датчики могут быть использованы для измерения скорости автомобиля, его положения и высоты, уровней жидкостей в гидросистемах и светового потока, для определения состава рабочей смеси в случае многотопливного двигателя.
Однако широкого распространения оптические датчики не получат до освоения волоконно-оптической технологии и мультиплексирования. До того времени оптические
датчики будут применяться в тех случаях, когда они имеют очевидные функциональные или экономические преимущества.
В настоящее время имеется, однако, одна технология, которая может быть использована практически во всех существующих электронных системах - это полимерные толстые пленки (РТБ) с электропроводящими наполнителями (серебром, углеродом, никелем, медью).
В новейших системах управления надувными подушками безопасности для измерения ударного воздействия используются акселерометры, установленные непосредственно в блоке управления, расположенном в салоне водителя. Это исключает необходимость иметь множество внешних датчиков (неэлектронные системы обычно содержат 4 - 5 механических датчиков), сокращает длину проводов и объем требуемого для размещения системы пространства. Снижается также и время срабатывания подушки. Механическая система обеспечивала время срабатывания около 22 мс, сейчас это время составляет 17,5 мс.
Но акселерометры используются не только в системах управления подушками. Они могут применятся также в антиблокировочных системах (АБС), системах регулирования тягового условия (РТУ), в активных и полуактивных подвесках, навигационных системах и системах контроля детонации в двигателе. А новое поколение миниатюрных датчиков -трехмерные структуры, выполнение в кремнии, могут получить применение в новых областях. В системе с акселерометрами, измеряющими ускорения вертикальных перемещений колес (например, в активных подвесках), и датчиками, измеряющими воздействие водителя на рулевое колесо, можно определять поперечное ускорение без использования сигнала другого акселерометра для управления АБС и системой РТУ. В ближайшие годы наблюдается рост числа датчиков на автомобиле, но долгосрочная тенденция пока не ясна.
Как и всегда, имеется одно препятствие для широкого распространения толстопленочной технологии - высокая стоимость. В тех случаях, когда миниатюризация, сокращение числа деталей и облегчение пространственной компоновки не являются главными задачами, толстопленочной технология не дает ощутимого выигрыша.
Для диагностирования топливной системы дизельного двигателя наибольшее распространение получил метод, основанный на анализе изменения давления, фиксируемого при помощи специального датчика, устанавливаемого у форсунки в разрыв нагнетательного топливопровода. Использование данного метода приводит к необходимости разборки части топливной системы, что является причиной снижения надежности крепления топливопровода. В то же время ухудшение работы топливной системы дизельных двигателей может быть следствием многих причин. Быстро найти действительную причину неудовлетворительной работы топливной системы возможно лишь при соблюдении определенной последовательности в отыскании неисправности и использовании оборудования, позволяющего найти неисправность с наименьшими затратами труда и средств.
В настоящее время в составе стенда КАД-300, КАД-400 выпускается накладной датчик давления К296.04.00 (базовый), Датчик выполняется из двух частей корпуса 1 и 4, подвижных относительно оси 2. В углублениях подвижных частей корпуса расположены пьезоэлементы из поливинил-дефторидной пленки 6. Электрическими выводами датчика являются контакт 3 и топливопровод высокого давления, на который устанавливается датчик (рис. 2). Датчик закрепляется на топливопроводе с помощью зажима 5 и рычага 7, применение которого увеличивает надежность крепления на топливопровод. Однако конструкция крепления датчика не позволяет быстро установить его в условиях ограниченного доступа к топливопроводу высокого давления.
Рис. 2. Базовый датчик давления
Для снижения трудоемкости данной операции предлагается изменить конструкцию крепления датчика на эксцентриковый (рис. 3). Датчик выполняется из двух частей корпуса 7 и 10, подвижных относительно оси 3. В углублениях подвижных частей корпуса расположены пьезоэлементы из поливинил-дефторидной пленки 9. На корпусе закреплены плечи 1 и 5. Электрическими выводами датчика являются контакт 6 и топливопровод высокого давления, на который устанавливается датчик. Для установки датчика на топливопровод в корпусе имеется отверстие, соответствующее диаметру топливопровода. Датчик закрепляется на топливопроводе с помощью скобы 2, эксцентрика 4 и рычага 8.
б—Е
4 ----
3 ----
2-----
1 —Е
6 —
Рис. 3. Эксцентриковый датчик давления
Применение предложенного крепления датчика позволит снизить трудоемкость на установку и снятие предлагаемого датчик, облегчить работу оператора. Тем самым увеличиваем производительность работы оператора.
Более тщательный анализ предложенной конструкции позволяет сделать вывод о необходимости дальнейшего совершенствования крепления датчика на топливопроводе. Наиболее рациональным представляется пружинный зажим (рис. 4), который выполняется из двух частей корпуса 6 и 7, подвижных относительно оси 3. В углублениях подвижных частей корпуса расположены пьезоэлементы из поливинил-дефторидной пленки. На корпусе закреплены плечи 2 и 5. Электрическими выводами датчика являются контакт 1 и топливопровод высокого давления, на который устанавливается датчик. Для установки датчика на топливопровод в корпусе имеется отверстие, соответствующее диаметру топливопровода. Датчик закрепляется на топливопроводе с помощью пружины 4. Пружинный зажим позволит снизить время на снятие и установку датчика. Для уменьшения массы и усилия на плечи датчика предлагается выполнять зажим в виде пластинчатой пружины.
Рис. 4. Пружинный датчик
Для снижения трудоемкости данной операции предлагается изменить конструкцию крепления датчика. Датчик (рис. 5) выполняется из двух частей корпуса 7 и 10, подвижных относительно оси 3. В углублениях подвижных частей корпуса расположены пьезоэлементы из поливинилдефторидной пленки 9. На корпусе закреплены плечи 1. Электрическими выводами датчика являются контакт 6 и топливопровод высокого давления, на который устанавливается датчик. Для установки датчика на топливопровод в корпусе имеется отверстие, соответствующее диаметру топливопровода. Датчик закрепляется на топливопроводе с помощью пружинного зажима, а затем поджимается скобой 2, эксцентриком 4 и рычагом 8 .
Рис. 5. Датчик давления с измененной конструкцией
В современном мире происходит тенденция к увеличению числа датчиков, сигнализирующих о той или иной неисправности. Важно понимать, что быстро найти причину при срабатывании такого датчика без частичной разборки или с наименьшими трудовыми затратами возможно только с применением технологически совершенных средств диагностирования. Но в настоящее время стоимость такого оборудования достаточно высока, поэтому рациональным решением будет создание усовершенствованного датчика на базе существующего аналога. Применение предложенного крепления датчика позволит снизить трудоемкость на установку и снятие предлагаемого датчика, облегчить работу оператора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щендригин А. С. Методы и технические средства испытаний двигателей
внутреннего сгорания./ Щендригин А. С., Науменко С.Б. // Материалы X региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». -СевКавГТУ, 2006. С. 193.
2. Харазов, А.М. Диагностирование легковых автомобилей на станциях
технического обслуживания [Текст] / А.М. Харазов, Е.И. Кривенко. - М.: Высш. шк., 1982.-
272 с.
3. Лянденбурский В.В. Снижение трудоемкости диагностирования дизельного
двигателя / Лянденбурский В.В., Домке Э.Р., Хон А.В., Ермаков Д.Н.// Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств. Материалы I международной научно-технической конференции. - Пенза, 2000. Часть II.. - С. 45-48.
Рецензент: Кандидат технических наук, доцент, Пензенский государственный
университет архитектуры и строительства, Кафедра «Организация и безопасность движения » Францев С.М.
