Электроника и электрооборудование транспортных и транспортно-технологических машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО

«Дальневосточный Государственный Аграрный Университет»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

«ЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ И ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН»

Выполнил: Демьянов М.Ю., 5 авто, 102092

БЛАГОВЕЩЕНСК, 2014



План

Назначение электростартеров

Электронные системы впрыскивания топлива

Датчики температуры

Перспектива совершенствования бортового электрооборудования

Список литературы



Назначение электростартеров

Электростартер предназначен для передачи крутящего момента с вала стартера на коленчатый вал двигателя посредством шестерни, которая во время пуска вводится в зацепление с зубчатым венцом на маховике двигателя. Система состоит из электродвигателя постоянного тока, питаемого от аккумуляторной батареи и называемого стартером. Стартер должен иметь: 1) иметь достаточную мощность для проворачивания коленчатого вала; 2) обладать малыми габаритами и весом; 3) быть надёжным в работе. Стартеры бывают с дистанционным приводом и с не дистанционным.

Тип системы пуска определяет используемая энергия и конструкция основного пускового устройства (стартера). Для пуска автомобильных двигателей используют системы электростартерного пуска. Они надёжны в работе, обеспечивают дистанционное управление и возможность автоматизации процесса пуска двигателей с помощью электротехнических устройств. Структуры схем систем электростартерного пуска отличаются между собой незначительно. В системах управления электростартером предусмотрены электромагнитные тяговые реле дополнительные реле и реле блокировки, обеспечивающие дистанционное включение, автоматическое, отключение стартера от аккумуляторной батареи, после пуска двигателя и предотвращение включения стартера при работающем двигателе.

Источником энергии в системах электростартерного пуска является стартерная свинцовая аккумуляторная батарея - химический источник тока, поэтому в электростартерах используют электродвигатели постоянного тока. Характеристики стартерного электропривода с электродвигателями постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения хорошо согласуются со сложным характером нагрузки, создаваемой поршневым двигателем при пуске.

Стартерный электродвигатель получает питание от аккумуляторной батареи через замкнутые контакты тягового электромагнитного реле. При замыкании контактов выключателя приборов и стартера, дополнительного реле или реле блокировки втягивающая издерживающая обмотки тягового реле подключаются к аккумуляторной батарее. Якорь тягового реле притягивается к сердечнику электромагнита и с помощью штока и рычага механизма привода вводит шестерню в зацепление с зубчатым венцом маховика двигателя.

В конце хода якоря контактная пластина замыкает силовые контактные болты, и стартерный электродвигатель, получая питание от аккумуляторной батареи, приводит во вращение коленчатый вал двигателя.

После пуска двигателя муфта свободного хода предотвращает передачу вращающего момента от маховика к валу якоря электродвигателя.

Шестерня привода не выходит из зацепления с венцом маховика до тех пор, пока замкнуты контактные болты. При размыкании выключателя втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле подсоединяется к аккумуляторной батарее последовательно через силовые контактные болты. Так как число витков у обеих обмоток одинаково и по ним при последовательном соединении проходит один и тот же ток, обмотки при разомкнутом выключателе создают два равных, но противоположно направленных магнитных потока. Сердечник электромагнита размагничивается, возвратная пружина перемещает якорь реле в исходное нерабочее положение и выводит шестерню из зацепления с зубчатым венцом маховика. При этом размыкаются и силовые контактные болты.

Недостатком систем электростартерного пуска с дистанционным управлением является большое количество элементов и необходимость применения сложных конструкций стартеров. Однако их использование позволяет уменьшить длину силовых электроцепей стартерного электродвигателя и тягового реле, уменьшить продолжительность пуска, расход энергии на пуск и тем самым увеличить срок службы аккумуляторной батареи и стартера.

Автомобильные электростартеры отличаются по способу управления и возбуждения, типу механизма привода, способу крепления на двигателе и степени защиты от проникновения пыли и воды.

По типу и принципу работы приводных механизмов выделяют стартеры с электромеханическим перемещением шестерни привода, которые получили наибольшее распространение, и стартеры с инерционным или комбинированным приводом. Для предотвращения разноса якоря после пуска двигателя в автомобильные электростартеры устанавливают роликовые, храповые и фрикционно-храповые муфты свободного хода.

Стартер состоит из электродвигателя постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением, электромагнитного тягового реле и механизма привода. В стартер может быть встроен дополнительный редуктор.

Узлами и деталями электростартера с электромеханическим включением шестерни являются корпус с полюсами и катушками обмотки возбуждения, якорь с обмоткой и коллектором, механизм привода муфтой свободного хода, шестерней и буферной пружиной, электромагнитное тяговое реле с корпусом, обмоткой, контактными болтами с контактами, крышка со стороны привода, крышка со стороны коллектора и щеточный узел с щеткодержателями, щетками и щеточными пружинами. Корпусы электростартеров изготавливают из трубы или стальной полосы с последующей сваркой стыка.

С целью улучшения герметизации корпус не имеет окон для доступа к щеткам. Длина корпуса в 1,6-2 раза больше длины пакета якоря. Толщина корпуса зависит от диаметра D корпуса и составляет (0,05-0,08) D. В корпусе предусмотрено отверстие для выводного болта обмотки возбуждения. Корпус может иметь установочные прорези на торцах и конусообразные проточки для установки уплотнительных колец.

К корпусу винтами крепят полюсы с катушками обмотки возбуждения. Все автомобильные стартёры выполняют четырехполюсными. Катушки последовательных и параллельных обмоток возбуждения устанавливают на отдельных полюсах, поэтому число катушек равно числу полюсов.

Катушки последовательной обмотки имеют небольшое число витков неизолированного медного провода прямоугольного сечения марки ПММ. Между витками катушки прокладывают электроизоляционный картон толщиной 0,2-0,4 мм. Катушки параллельной обмотки возбуждения наматывают изолированным, круглым проводом марок ПЭВ-2 и ПЭТВ снаружи катушки изолируют лентой из изоляционного материала (хлопчатобумажная тафтяная лента, батистовая лента). Внешняя изоляция после пропитывания лаком и просушивания имеет толщину 1,-1,5 мм. Перспективно применение полимерных материалов при изолировании катушек, с помощью которых можно получить покрытия, равномерные по, толщине, стойкие к воздействию агрессивной среды и повышенной температуры.

Якорь стартера представляет собой шихтованный сердечник, в пазы которого укладываются секции обмотки. В шихтованном сердечнике меньше потери на вихревые токи. Пакет якоря напрессован на вал 4, вращающийся в двух или трех опорах с бронзографитовыми подшипниками, подшипниками из других порошковых материалов, либо с п6дшипниками качения.

В стартерных электродвигателях применяют простые волновые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями. Одновитковые секции выполняют из неизолированного прямоугольного провода. Обмотки с двухвитковыми секциями наматывают круглыми изолированными проводами (ПЭВ-2 и ПЭТВ).

Концы секций обмотки якоря укладывают в прорези “петушков” коллекторных пластин. Конец одной секции и начало следующей по ходу обмотки присоединяют к одной коллекторной пластине.

На лобовые части обмотки якоря накладывают бандажи, состоящие из нескольких витков проволоки, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, намотанных на прокладку из электроизоляционного картона.

Бандаж из стекловолокна менее дорогостоящий, для него можно не применять крепежные скобы. Бандаж может быть изготовлен в виде алюминиевого кольца с изоляционной кольцевой прокладкой из гетинакса или текстолита. Лобовые части секций изолируют друг от друга электроизоляционным картоном.

В электростартерах применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке, а также цилиндрические торцовые коллекторы с пластмассовым корпусом.

Сборные цилиндрические коллекторы, применяемые на стартерах большой мощности, составляют из медных пластин и изолирующий прокладок из миканита, слюдинита или слюдопласта. Пластины в коллекторе закрепляются с помощью металлических нажимных колец и изоляционных корпусов 4 по боковым опорным поверхностям. От металлической втулки, которую напрессовывают на вал якоря, медные пластины изолируют цилиндрической втулкой из миканита.

Рабочая поверхность коллектора должна иметь строго цилиндрическую форму. Монолитность конструкции и биение рабочей поверхности сборных цилиндрических коллекторов зависят от точности изготовления сопрягаемых деталей. Вследствие податливости изоляционных прокладок между пластинами первоначальная форма сборного цилиндрического коллектора в процессе эксплуатации может измениться, что приводит к усилению искрения под щётками.

В цилиндрических коллекторах с пластмассовым корпусом пластмасса является формирующим элементом коллектора. Она плотно охватывает сопрягаемые поверхности независимо от конфигурации и точности изготовления коллекторных пластин, изолирует коллекторные пластины от вала и воспринимает нагрузки. Для повышения прочности коллектора применяют армировочные кольца из металла и пресс-материала. При небольших размерах коллектор может быть изготовлен из цельной цилиндрической заготовки, разрезаемой после опрессовки пластмассой на отдельные ламели.

Торцовые коллекторы по сравнению с цилиндрическими имеют меньшие размеры и металлоемкость. Рабочая поверхность торцового коллектора находится в плоскости, перпендикулярной к оси вращения якоря. При изготовлении торцового коллектора из медной втулки формируется пластина в виде диска с отверстием, прямоугольными пазами по числу требуемых коллекторных пластин и кольцевыми выступами. Диск со стороны выступов опрессовывается пластмассой. В пластмассовом корпусе прошивают внутреннее отверстие для напрессовки коллектора на вал. Для разделения пластин производится обсечка коллектора по наружному диаметру.

Щетки в щеткодержателях должны перемещаться свободно, но без сильного бокового люфта,

В электростартерах применяют меднографитные щетки с добавками свинца и олова. Содержание графита выше в щетках для мощных стартеров и стартеров для тяжелых условии-эксплуатации. От допустимой плотности тока зависят размеры щеток и падение напряжения под щетками.

Крышки со стороны коллектора изготавливают методом литья из чугуна, стали, алюминиевого или цинкового сплава, а также штампуют из стали. Крышки могут иметь дисковую или колоколообразную форму. В крышках колоколообразной формы предусмотрены окна для доступа к щеткам.

Крышки со стороны привода изготавливают методом литья из алюминиевого сплава или чугуна. Конструкций крышки зависит от материала, из которого она изготовлена, типа механизма привода, способа крепления стартера на двигателе и тягового реле на стартере. Установочные фланцы крышки имеют два или большее число отверстий под болты крепления стартера. Фланцевое крепление стартера к картеру сцепления дает возможность сохранить постоянство межосевого расстояния в зубчатом зацеплении при снятии и повторной установке стартера. В крышке предусмотрено отверстие, которое позволяет шестерне привода входить в зацепление с венцом маховика.

В крышках и промежуточной опоре устанавливают подшипники скольжения. Промежуточную опору предусматривают в стартерах с диаметром кopпyca 115 мм и более. Подшипники смазывают в процессе производства и при необходимости во время технического обслуживания в эксплуатации. В стартерах большой мощности для грузовых автомобилей бобышки подшипников имеют масленки с резервуарами для смазочного материала и смазочными фильцами.

Управляемые дистанционно тяговые реле обеспечивают, ввод шестерни, в зацепление с венцом маховика и подключают стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее. Они отличаются по способу крепления на стартере, количеству обмоток, конструкции контактного устройства и форме стопа электромагнита.

На большинстве стартеров тяговое реле располагают на приливе крышки 27 со стороны привода. С фланцем прилива крышки реле соединяют непосредственно или через дополнительные крепежные элементы.

Реле может иметь одну или две обмотки, намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь, воздействующий на шток с подвижным контактным диском. Два неподвижных контакта в виде контактных болтов закрепляют в пластмассовой крышке.

В двухобмоточном реле удерживающая обмотка, рассчитанная только на удержание якоря, реле в притянутом к сердечнику состоянии, намотана проводом меньшего сечения и имеет прямой, выход на “массу”. Втягивающая обмотка подключена параллельно контактам реле. При включении реле она действует согласно с удерживающей обмоткой и создает необходимую силу притяжения, когда зазор между якорем и сердечником максимален. Во время работы стартерного электродвигателя замкнутые контакты тягового реле шунтируют втягивающую обмотку и выключают ее из работы.

Контактный диск круглой, фасонной или прямоугольной формы устанавливают между изоляционной втулкой и шайбой на штоке. Это обеспечивает надёжное соединение контактов реле при возможном перекосе и перемещении диска вдоль оси штока за счет сжатия пружин контактной системы.

Тяговое реле рычагом связано с механизмом привода, расположенным на шлицевой части вала. Рычаг воздействует на привод через поводковую муфту. Его отливают из полимерного материала или выполняют составным из двух штампованных стальных частей, которые соединяют заклепками или сваркой.

Электронные системы впрыскивания топлива

Система впрыска топлива с электронным управлением может быть подразделена на три основные подсистемы. Это: система подачи топлива, система всасывания воздуха и электронная система управления.



Система подачи топлива

- Система подачи топлива состоит из топливного бака, топливного насоса, топливного фильтра, подающего топливопровода (направляющей-распределителя для топлива), топливной форсунки, регулятора топливного давления и обратного топливопровода.

- Топливо подается из бака в форсунку с помощью электрического топливного насоса. Насос обычно расположен внутри или рядом с топливным баком. Загрязнения отфильтровываются высокомощным встроенным топливным фильтром.

- Постоянное давление топлива поддерживается при помощи регулятора топливного давления. Топливо, не направленное во всасывающий трубопровод через форсунку, возвращается в бак по обратному топливопроводу.

Система всасывания воздуха

- Система всасывания воздуха состоит из очистителя воздуха, дроссельного клапана, воздухозаборной камеры, всасывающего коллектора и впускного клапана.

- Когда дроссельный клапан открыт, воздух проходит через очиститель воздуха, через расходомер воздуха (в системах типа L), через дроссельный клапан и хорошо отрегулированный впускной патрубок во впускной клапан.

- Подача воздуха в двигатель - это функция, требующая привода. По мере открытия дроссельного клапана в цилиндры двигателя впускается больше воздуха.

- В двигателях марки «Тойота» используются два различных метода измерения объема впускаемого воздуха. В системе EFI типа L поток воздуха измеряется напрямую с помощью расходомера воздуха. В системе EFI типа D поток воздуха измеряется косвенно с помощью мониторинга давления во всасывающем коллекторе.

Электронная система управления

- Электронная система управления состоит из различных датчиков двигателя, электронного управляющего блока (ECU), устройства топливной форсунки и соответствующей проводки.

- Блок ECU определяет точное количество топлива, которое необходимо подать форсунке, с помощью мониторинга датчиков двигателя.

- Для подачи в двигатель воздуха/топлива в соответствующей пропорции блок ECU включает форсунки на точный период времени, который называется шириной импульса впрыска или продолжительностью впрыска.

Основной режим работы

- Воздух попадает в двигатель через систему всасывания воздуха, где он измеряется расходомером воздуха. Когда воздух попадает в цилиндр, топливо смешивается с воздухом с помощью топливной форсунки.

- Топливные форсунки расположены во всасывающем коллекторе за каждым впускным клапаном. Форсунки представляют собой электроклапаны, управляющийся блоком ECU.

- Блок ECU посылает импульсы на форсунку путем включения и выключения цепи заземления форсунки.

- Когда форсунка включена, она открывается, распыляя топливо на заднюю стенку впускного клапана.

- Когда топливо распыляется во всасываемый поток воздуха, оно смешивается с входящим воздухом и испаряется благодаря низкому давлению во всасывающем коллекторе. Электронный управляющий блок посылает сигналы на форсунку, чтобы обеспечить подачу топлива, достаточного для достижения идеальной пропорции воздух/топливо 14,7:1, которая часто называется стехиометрией.

- Подача точного количества топлива в двигатель - это функция электронного управляющего блока.

- Блок ECU определяет основной объем впрыска на основании измеренного объема воздуха и оборотов двигателя.

- Объем впрыска может изменяться в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Блок ECU отслеживает такие переменные величины, как температура охлаждающей жидкости, скорость двигателя, угол дросселя и содержание кислорода в выхлопе и производит корректировку впрыска, которая определяет окончательный объем впрыска.

Преимущества системы EFI

Равномерное распределение воздухо-топливной смеси

Каждый цилиндр имеет собственную форсунку, которая подает топливо непосредственно на впускной клапан. Это позволяет избежать необходимость подавать топливо через всасывающий коллектор, что улучшает распределение между цилиндрами.

Высокоточный контроль пропорции воздуха и топлива при всех условиях эксплуатации двигателя

Система EFI постоянно подает в двигатель точную пропорцию воздуха и топлива вне зависимости от условий эксплуатации. Это обеспечивает лучшие дорожные качества автомобиля, экономию топлива и контроль выхлопных газов. двигатель топливо электростартер

Превосходная реакция дросселя и мощность

За счет подачи топлива непосредственно на заднюю стенку впускного клапана устройство всасывающего коллектора можно оптимизировать, чтобы повысить скорость движения воздуха через впускной клапан. Это улучшает крутящий момент и работу дросселя.

Значительная экономия топлива и улучшенный контроль выхлопных газов

В двигателях с системой EFI обогащение при холодном запуске и широко открытом дросселе можно сократить, поскольку смешивание топлива не представляет проблемы. Это позволяет экономить топливо в целом и улучшить контроль выхлопных газов.

Улучшенные пусковые и эксплуатационные качества холодного двигателя

Улучшенное распыление в сочетании со впрыском топлива непосредственно на впускной клапан улучшает пусковые и эксплуатационные качества холодного двигателя.

Упрощенная механика, сниженная чувствительность к регулировке

Система EFI не зависит от регулировки обогащения топливной смеси при холодном запуске или измерения топлива. Поскольку система проста с механической точки зрения, требования к техническому обслуживанию снижены.

Система EFI/TCCS

С введением системы компьютерного управления (TCCS) система EFI превратилась из простой системы контроля топлива в полностью интегрированную систему управления двигателем и выхлопными газами. Хотя система подачи топлива работает также, как в обычной системе EFI, электронный регулирующий блок системы TCCS также контролирует угол искры зажигания. Кроме того, система TCCS также управляет устройством контроля числа оборотов холостого хода, рециркуляцией выхлопных газов, клапаном переключения вакуума и, в зависимости от применения, другими системами двигателя.

Управление искрой зажигания

Система EFI/TCCS регулирует угол опережения искры зажигания, отслеживая эксплуатационные условия двигателя, вычисляя оптимальную продолжительность зажигания и зажигая свечу в соответствующее время.

Контроль числа оборотов холостого хода

Система EFI/TCCS регулирует число оборотов холостого хода с помощью нескольких устройств разного типа, контролируемых электронным управляющим блоком (ECU). Блок ECU отслеживает эксплуатационные условия двигателя и определяет необходимое число оборотов холостого хода.

Рециркуляция выхлопных газов

Система EFI/TCCS регулирует периоды включения рециркуляции выхлопных газов (EGR) в двигателе. Контроль достигается за счет использования клапана переключения вакуума системы EGR.

Другие системы двигателя

Кроме основных описанных систем электронный регулирующий блок системы TCCS часто контролирует трансмиссию с электронным управлением (ECT), изменяемую всасывающую систему, сцепление компрессора кондиционера воздуха и турбонагнетатель.

Система самодиагностики

Система самодиагностики включена в блоки ECU всех систем TCCS и некоторых обычных систем EFI. Обычный двигатель c системой EFI, оснащенной функцией самодиагностики - это система Р7/EFI. Данная система диагностики использует предупредительную лампочку проверки двигателя в сочетании с измерительным устройством, которое предупреждает водителя об обнаружении неисправностей в системе управления двигателем. Лампочка проверки двигателя также высвечивает ряд кодов диагностики в помощь механику при выявлении и устранении неисправностей.

Краткий обзор

Система впрыска топлива с электронным управлением состоит из трех основных подсистем.

- Электронная система управления определяет основной объем впрыска по электросигналам расходомера воздуха и оборотам двигателя.

- Система подачи топлива поддерживает постоянное давление топлива на форсунке. Это позволяет блоку ECU контролировать продолжительность впрыска топлива и подавать топливо в объеме, соответствующем условиям эксплуатации двигателя.

- Система всасывания воздуха подает воздух в двигатель по требованию водителя. Воздушно-топливная смесь образуется во всасывающем коллекторе по мере продвижения воздуха по впускному каналу.

Датчики температуры

Терморезистивные термодатчики -- основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры. Разработаны они были впервые для океанографических исследований. Основным элементом является терморезистор -- элемент изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.

Несомненные преимущества термодатчиков этого типа это долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем.

На изображении приведен датчик 702-101ВВВ-А00 диапазон измерения которого от -50 до +130 °С. Этот датчик относиться к группе кремневых резистивных датчиках.

В зависимости от материалов используемых для производства терморезистивных датчиков различают:

Резистивные детекторы температуры (РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.

Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков --хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.

Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

Полупроводниковые

В качестве примера изображен полупроводниковый датчик температуры LM75A. Диапазон измерений этого датчика от -55 до +150.

Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) дает возможность реализовать довольно точный датчик.

Достоинства таких датчиков -- простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Все это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.

Термоэлектрические(термопары)

Термоэлектрические преобразователи -- иначе, термопары. Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) - нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.

Это термопара ДТПКХХ4, она измеряет температуры в пределах от -40 до +400. Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от используемых в них материалов. Например, термопары из неблагородных металлов - до 1100 °С. Термопары из благородных металлов (платиновая группа) - от 1100 до 1600 градусов. Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам). Как правило используется в комплекте с милливольтметром, а свободный конец (конструктивно выведенный на головку) удален от измеряемой среды с помощью удлиняющего провода. Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность. Наиболее распространенным способом применения термопар являются электронные термометры.

Пирометры - бесконтактные датчики, регистрирующие излучение исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

Различают три вида пирометров:

1. Флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.

2. Интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей - контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.

3. Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии. В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.

Акустические термодатчики - используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных). Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется и приемник после получения сигнала считает эту скорость.

Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.

Пьезоэлектрические

В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.

Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока(прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.

На что необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры

1. Температурный диапазон.

2. Можно ли погружать датчик в измеряемую среду или объект? Если расположение внутри среды недопустимо, то стоит выбирать акустические термометры и пирометры.

3. Каковы условия измерений!? Если используется агрессивная среда, то необходимо использовать либо датчики в корозийнозащитных корпусах, либо использовать бесконтактные датчики. Кроме того, необходимо предусмотреть другие условия: влажность, давление и т.д.

4. Как долго датчик должен будет работать без замены и калибровки. Некоторые типы датчиков обладают относительно низкой долговременной стабильностью, например термисторы.

5. Какой выходной сигнал необходим. Некоторые датчики выдают выходной сигнал в величине тока, а некоторые автоматически пересчитывают его в градусы.

6. Другие технические параметры, такие как: время срабатывания, напряжение питания, разрешение датчиков и погрешность. Для полупроводниковых датчиков, важным также являет тип корпуса.

Перспектива совершенствования бортового электрооборудования

В наши дни на вновь разрабатываемые модели автомобилей дополнительно начинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические системы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцессорным обеспечением; спутниковая навигационно-поисковая система; радарные и ультразвуковые системы зашиты автомобиля от столкновений и угона; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круиз-контроля; система «электронная карта»; мультиплексная электропроводка.

Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных технологий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобразователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических переменных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естественном (английском) или искусственном (компьютерном) языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микро ЭВМ это позволяет повысить точность и скорость (быстроту) обработки сигналов. Как следствие, значительно усложнился интерфейс, и возникла необходимость в ведении CAN- пpoтокола в мультиплексную систему.

На базе электронных систем автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) и тормозами (ЭСАУ-Т) разработана и уже применяется гироскопическая система VDC для повышения курсовой устойчивости автомобиля на дороге в сложных условиях движения. Система VDC работает по принципу запрограммированного под нештатные условия движения совместного воздействия на крутящий момент ДВС (посредством системы ASR) и на антиблокировочную систему тормозов ABS, чем исключается боковой увод (снос) автомобиля при поворотах на большой скорости или на скользкой дороге. Водителю в таком случае отводится роль активного наблюдателя, контролирующего и корректирующего поведение автомобиля.

Интенсивно ведутся научные исследования возможности применения электромагнитных клапанов с электронным управлением в газораспределительном механизме (ГРМ) поршневого ДВС. Идею заменить классические механические клапаны электромагнитными еще в 50-х гг. XX в. предложил профессор Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ), доктор технических наук Владимир Митрофанович Архангельский. Что это дает поршневому ДВС, хорошо известно теоретически. Но практическая реализация идеи оказалась исключительно трудоемкой задачей, над решением которой работают специалисты многих зарубежных фирм и отечественные разработчики. Теоретические и экспериментальные исследования уже завершены. Теперь идут разработки конструкторских вариантов исполнения ГРМ с электромагнитными клапанами.

Наряду с усовершенствованием автомобильных бензиновых ДВС все более активизируются работы по созданию экологически чистых силовых установок для электромобилей. Полагают, что достойной заменой городскому автомобилю может стать гибридный электромобиль, электронные системы управления которым также относятся к современным новациям в области автомобилестроения.

В современных условиях глобальным требованием к новейшим автомобильным электрическим и электронным системам является неукоснительное исполнение международных стандартов OBD-II (США) и EOBD-II (EU), которые также продолжают совершенствоваться.

> Помимо специфики выполняемых функций новейшие системы автомобильной бортовой автоматики кардинально отличаются от классических, чисто электронных систем широким разнообразием принципов действия входящих в них составных подсистем. В зависимости от решаемой задачи в новую систему в качестве основных компонентов могут входить не только электрические и электронные узлы и блоки, но и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуковые и любые прочие устройства, имеющие неэлектрическую природу функционирования. Их роль в реализации заданной функции управления главная, хотя все информационные процессы в системе реализуются на уровне электронных блоков управления (ЭБУ), а в новейших системах -- в бортовых микропроцессорах. Такие крупные составные комплексы управления не могут относиться ни к механическим, ни к электрическим, ни к электронным, ни к любым другим «чистым» по принципу действия системам. В этой связи новейшие системы автомобильной бортовой автоматики, устанавливаемые на концептуальные автомобили, получили повое название -- автотронные системы.

Автотронная система, управляя неэлектрическими процессами через неэлектрическую периферию на выходе, сама управляется от сигналов, имеющих неэлектрическую природу, которые формируются неэлектрической входной периферией.

> Например, автотропная система VDC (управления курсовой устойчивостью движения автомобиля), функциональные взаимосвязи которой с водителем и дорогой показаны на рис. 1, использует в качестве входной информации скорость движения, углы наклонения кузова, разность частот вращения колес, угол поворота руля, атмосферные условия, а в некоторых вариантах -- давление в шинах и состояние дорожного покрытия.

Описание условных обозначений, принятых на рис.

1. Географические условия: извилистость дороги, спуски, подъемы, повороты, перекрестки дорог, переезды.

2. Дорожные условия: тип дорожного покрытия (гравий, бетон, асфальт); асфальт сухой, мокрый, обледенелый; освещение дороги; плотность транспортного потока.

3. Климатические условия: атмосферные - температура, влажность, давление; температура асфальта.

4. Техногенные условия: сцепление колес с дорогой но состоянию протекторов шин; скорость вращения колес; скорость рыскания; боковой увод автомобиля, боковой увод колес, боковое ускорение.

A. Блок датчиков: угла поворота руля; угла поворота кузова автомобиля вокруг вертикальной оси (гироскоп); бокового ускорения.

B. УВР -- управляющие реакции водителя, являющиеся откликом субъективного мышления на дорожные условия движения; проявляются индивидуально в зависимости от физического и психического состояния человека.

C. Блок датчиков: температуры, давления, влажности в атмосфере, температуры асфальта (по давлению в шинах).

D. Блок колесных датчиков (ДК) ABS и вычисляемых в ЭБУ системы VDC неэлектрических входных параметров.

E. Центральный боковой компьютер (микропроцессор МП), в который интегрированы все логические и вычислительные функции четырех автоматических систем управления VDC, ADS, ASR, ABS. Содержит оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

F. Блок оконечных преобразователей электрических сигналов в неэлектрические воздействия:

а) ДИС/ВП -- драйверы информационной системы водителя (ДИС) и визуальный преобразователь (ВП) электрического сигнала в оптическое изображение;

б) ЭДД/КД -- электродвигатель (ЭДД) и клапан (КД) демпфирования активной подвески (системы ADS);

в) ЭДН/НД -- электродвигатель (ЭДН) и нагнетатель (НД) высокого давления в системе VDC;

г) ЭДТ/ГК -- электродвигатель (ЭДТ) и гидроклапаны (ГК) системы ABS;

д) ШЭД/ДР -- шаговый электродвигатель (ШЭД) и дроссельная заслонка (ДР) системы ASR.

G. Блок водительских органов управления: ВИ -- визуальные индикаторы (стрелочные, электронные, дисплей и пр.); РК -- рулевое колесо; ПТ -- педаль тормоза; ПГ --- педаль акселератора (газа).

Все это неэлектрические проявления условий движения автомобиля, которые с помощью входных неэлектрических преобразователей перерабатываются в неэлектрические информационные сигналы: скорость движения -- в круговую частоту вращения колес; углы вертикального наклонения -- в механические перемещения инерционных элементов в гироскопическом устройстве; угол поворота руля -- в движение (поворот) светомодулирующего (колирующего) диска; давление в шинах -- в прогиб упругой мембраны и т. д.

Полученные таким образом неэлектрические информационные сигналы посредством входных датчиков (рис. 1, поз. А, С, D) преобразуются в электрические сигналы: поворот кодирующего диска на руле -- в цифровой электрический код; круговая частота вращения колес -- в последовательность электрических импульсов с изменяющейся частотой следования; перемещение инерционных элементов гироскопа, упругой мембраны датчика давления -- в аналоговые электрические сигналы, которые далее с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) перерабатываются в цифровые электрические сигналы, пригодные для подачи на вход микропроцессора МП.

Микропроцессор -- это центральный орган управления (мозг) автотронной системы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических информационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об интенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектрические органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непосредственного управления неэлектрическими органами непригодны.

Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой в аналоговую форму. Эту функцию выполняют цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы), которые одновременно являются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов.

Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектрические органы управления, вслед за ЦАПами устанавливаются оконечные преобразователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектрические воздействия. Оконечные преобразователи (блок F на рис. 1) являются выходными исполнительными устройствами автотронной системы, но не являются ее информационным окончанием. В отличие от электронной системы автотронная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, которые и являются оконечными потребителями информации. Применительно к рассматриваемой системе управления устойчивостью движения автомобиля, оконечными потребителями информации являются: система подачи топлива в двигатель 4, тормозная система 2 автомобиля и информационная система водителя с визуальными индикаторами (ВИ) и оптическим (зрительным) каналом управления (ОКУ). Эти три системы представляют собой выходную исполнительную периферию автотронной системы, которая (периферия) под автоматическим управлением микропроцессора, при крайне ограниченном (посредством коррекции положения руля) участии водителя, обеспечивает наиболее оптимальный режим движения автомобиля в сложных дорожных условиях или в аварийной ситуации.

> Другой пример -- автотронное управление насос-форсунками, которые используются в системах впрыска бензина под большим давлением непосредственно в камеру сгорания для реализации внутреннего смесеобразования. Начиная с 2000 года такие форсунки стали устанавливаться в двигателях экспериментальных легковых автомобилей фирмы TOYOTA (Япония).

Насос-форсунка (рис. 1.2), являясь гидромеханическим устройством, приводится в действие от кулачка 10 распределительного вала ДВС, а управляется от электронной системы S автотронного управления впрыском (ЭСАУ-В) посредством быстродействующего электрогидравлического клапана 2.

Насос-форсунка является ярким примером составного компонента автотронной системы. Входными неэлектрическими сигналами здесь служат: частота вращения и угловое положение распределительного вала; абсолютное давление (разрежение) во впускном коллекторе; температура двигателя и положение водительской педали газа. Эти неэлектрические величины с помощью соответствующих датчиков и АЦП преобразуются в числоимпульсную последовательность электрических сигналов и подаются на вход микропроцессора ЭСАУ-В. В микропроцессоре путем математической обработки входных сигналов происходит формирование последовательности управляющих импульсов для электрогидравлического клапана насос-форсунки.

В данном случае ЦАП на выходе микропроцессора не применяется, но управляющие импульсы усиливаются в усилителе мощности и подаются на обмотку электромагнита гидроклапана 2. Гидроклапан представляет собой выходное исполнительное устройство автотронной системы. Однако объектом управления является не гидроклапан, а точно отмеренная по массе и распределенная по времени струя 21 распыленного бензина, поступающая в объем цилиндра через дисковый запорный клапан 17 форсунки. Управление струей позволяет получить так называемый послойный впрыск бензина, суть которого состоит в строго дозированной подаче топлива отдельными порциями и в строго определенное время. При этом за один цикл впрыска бензин подается не сплошной однородной струей, как в обычной форсунке с электронным управлением, а несколькими частями, каждая из которых образует «свой» коэффициент избытка воздуха р. В объеме цилиндра образуется послойная структура ТВ-смеси с разной концентрацией компонентов. Преимущество прямого послойного впрыска бензина состоит в том, что в первый момент воспламенения в зоне центрального электрода 19 свечи зажигания 18 имеет место стехиометрическая (нормальная) ТВ-смесь с коэффициентом (3=1), которая легко возгорается. Далее процесс горения бензина при значительном избытке кислорода (р = 2,0) поддерживается за счет «открытого огня», образовавшегося в первый момент воспламенения. Такой процесс сгорания ТВ-смеси позволяет получить значительную экономию бензина (до 35%), понизить выброс в атмосферу угарного газа СО и углеводородов СН, а также увеличить удельную мощность двигателя.

1 -- фрагмент блока цилиндров в зоне камеры сгорания; 2 -- магнитоэлектрический гидроклапан в сливном канале; 3 -- главная бензомагистраль; 4 -- подающая бензомагистраль; 5 -- сливной канал (обратная бензомагистраль); 6 -- корпус насос-форсунки; 7 -- возвратная пружина плунжера; 8 -- опорная тарелочка пружины плунжера; 9 -- толкатель плунжера; 10 -- кулачок распредвала; 11-- запорное кольцо опорной тарелочки; 12 -- поршень плунжерного насоса; 13 -- рабочая полость насос-форсунки; 14 -- гидромеханическая форсунка закрытого типа высокого давления (100--150 бар); 15 -- перепускной канал из полости плунжерного насоса в полость форсунки; 16 -- возвратная пружина запорного клапана форсунки; 17 -- дисковый запорный клапан форсунки; 18 -- свеча зажигания (СЗ); 19 -- центральный электрод СЗ; 20 -- боковой электрод; 21 -- конус (струя) распыленного бензина; L -- ход плунжера.



> Из приведенных примеров очевидно, что автотронная система является совокупностью самых различных по принципу действия устройств, объединенных в единый комплекс с целью выполнения требуемой специфической функции управления, регулирования или текущего контроля на борту автомобиля. Современные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автоматического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подавляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются автотронными, входными воздействиями для которых являются неэлектрические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управления) -- неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные отличия автотронных систем от чисто электронных и электрических.

> Говоря о тенденциях и перспективах развития автомобильных бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершенствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже скоро в бортсеть автомобиля будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных устройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мультиплексная электропроводка и т. п. Ясно, что при повышении напряжения электропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 на 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому -- выпуск 12-вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства и, главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили оборудованы 12-вольтовьши потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио-, радио-, видеоаппаратура, бортовая самодиагностика и т. п.).

Единой стратегии перевода бортсети автомобиля на более высокое напряжение пока нет. Полагают, что некоторое время на автомобиле будет два напряжения: 12 вольт -- для классического электрооборудования, и 42 вольта -- для новейших мощных потребителей. Такой подход широко используется па многотонных грузовых автомобилях, где мощные электропотребители 24-вольтовые, а освещение -- от 12 вольт. Еще более яркий пример -- электромобили. Здесь главная тяговая аккумуляторная батарея, управляющий контроллер и тяговый электродвигатель рассчитаны па напряжение 120...380 В и соединены между собой отдельными цепями. При этом бортсеть остается 12-вольтовой.

Из приведенных примеров ясно, что функциональное многообразие бортовых электрических устройств неизбежно приводит к необходимости применения на автомобиле нескольких первичных источников электроэнергии с различными рабочими напряжениями. При этом не исключено, что будет использоваться и переменное синусоидальное напряжение для специальных потребителей.

> Под новые напряжения в первую очередь будут модернизированы бортовые электромашины. Уже в наши дни значительно видоизменен электростартер. В нем не применяется последовательное возбуждение, которое заменено возбуждением от постоянных магнитов. Жесткая механическая характеристика электродвигателя +12В стартера согласовывается с пусковым моментом ДВС посредством планетарного редуктора (редуктора Джемса). Давно нет коллекторных генераторов постоянного тока, их заменили многофазные синусоидальные генераторы с полупроводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. Но и такие генераторы могут значительно видоизмениться при появлении второго рабочего напряжения или если необходимость в высоковольтном переменном напряжении станет реальной.

Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартер-генератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в бортсеть после запуска ДВС.

> Современная микропроцессорная система зажигания с низкоуровневым многоканальным распределением энергии по свечам является наиболее совершенным решением проблемы принудительного электроискрового воспламенения ТВ-смеси в цилиндрах поршневого ДВС. Но и это не предел достижений. Уже испытаны лазерные свечи зажигания, которые работают непосредственно от электронной схемы управления без промежуточного энергонакопителя. Это позволит значительно повысить надежность и КПД системы зажигания, а также избавить ее от высокочастотных электроискровых помех на другие узлы и блоки бортовой электронной автоматики. Электронной схемой управления может стать магнитный модулятор сжатия, работающий на ферромагнитных сердечниках насыщения. Схема такого модулятора показана на рис. 1.3, основным элементом в которой является высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками.

...