Датчики системы управления двигателем внутреннего сгорания

1. Общие сведения о датчиках

1.1 Понятия датчика и датчиковой аппаратуры

Датчиковая аппаратура - важная и неотъемлемая часть системы управления двигателем. Прежде чем начинать подробный разговор обо всем многообразии датчиков и методиках их диагностики, нужно ввести несколько фундаментальных понятий.

Что такое вообще датчик, зачем он нужен, какую функцию выполняет? Как известно, основным элементом системы управления двигателем является электронный блок управления (ЭБУ). Он способен воспринимать информацию только в виде электрических сигналов, характеризующихся тем или иным значением напряжения, частоты, скважности и т.п. Но параметры работы двигателя носят чисто физические характеристики. Чтобы сообщить их блоку управления, необходимо преобразовать физическую величину в величину электрическую, пригодную для обработки в блоке управления в соответствии с заложенной в него программой.

Датчик - это элемент системы управления двигателем, задача которого состоит в преобразовании физических величин, характеризующих работу двигателя, в электрические величины, пригодные для обработки электронным блоком управления.

Перечислим физические величины и явления, информация о которых необходима блоку управления. К ним относятся:

- температура;

- давление;

- частота вращения;

- концентрация;

- количество воздуха;

- пространственное положение;

- вибрация.

Перечисленную совокупность датчики преобразуют в электрические параметры:

- напряжение;

- ток;

- частота.

Рисунок 1- Простейшая схема работы датчика

1.2 Диагностика электронной системы управления двигателем (ЭСУД)

Диагностика любого датчика ЭСУД сводится к проверке адекватности преобразования физического параметра в электрический параметр.

Другими словами, необходимо установить заведомо известное значение параметра на входе датчика и проконтролировать его выходной сигнал при помощи мотортестера или сканера. Простой пример: датчик абсолютного давления во впускном коллекторе. В качестве эталона можно использовать атмосферное давление, которое будет присутствовать во впускном коллекторе заглушенного двигателя. Проконтролировав отображаемое датчиком в этом состоянии давление при помощи сканера, можно сделать вывод о достоверности его показаний. Приведенный пример весьма примитивен, он призван лишь продемонстрировать общий принцип диагностики датчиковой аппаратуры. Предположим, есть некий датчик, подключенный к ЭБУ, и есть необходимость оценить его работоспособность (см. рисунок 2). Рассмотрим классическую схему подключения датчиков к блоку. С блока управления на датчик подается питающее напряжение 5 В и масса. Сигнал с датчика поступает в блок и обрабатывается им.

Рисунок 2-Классическая схема подключения мотортестера к выводам датчика

Для проверки исправности датчиков применяются два основных диагностических прибора: сканер и мотортестер.

Подключив сканер, диагност получает возможность "увидеть" сигнал датчика "глазами" блока управления. Для того чтобы оценить выходной сигнал датчика при помощи мотортестера, необходимо подключить его щупы к цепи датчика, как показано на рисунке: один к массе, другой к сигнальному проводу. Работа сканером более проста и удобна, но не следует забывать, что обмен информацией между ЭБУ и сканером происходит отнюдь не мгновенно, и какие-то интересные моменты сигнала можно попросту не обнаружить. Помимо этого, сканер невозможно использовать на достаточно старых автомобилях, примерно до середины девяностых годов, вследствие низкого уровня интеллекта и быстродействия тогдашних блоков управления.

Напротив, мотортестер позволяет оценить сигнал датчика очень качественно и подробно, не пропустив ни малейшей детали, хотя трудоемкость его применения выше, чем у сканера. Обратите внимание на то, что щупы мотортестера правильнее всего подключать непосредственно к разъему датчика. Особенно это касается щупа массы: не следует присоединять его к первой попавшейся точке массы двигателя.

Краткие итоги. Датчик представляет собой преобразователь физического параметра в параметр электрический, пригодный для обработки в ЭБУ. Физическими параметрами можно назвать температуру, давление, концентрацию, пространственное положение, количество воздуха, вибрацию. Электрические параметры, с которыми оперируют датчики, это напряжение, ток, частота. Проверку датчиков можно выполнить двумя приборами: сканером, подключив его к ЭБУ, и мотортестером, подключив его щупы непосредственно к сигнальному и массовому выводам датчика.

1.3 Особенности электрического подключения датчиков к цепям ЭСУД

Нужно обязательно упомянуть о том, каким образом датчики подключаются к блоку управления. Схема подключения датчиков представляет собой очень важный момент. Обратимся к рисунку 3.

Рисунок 3- Схема подключения "массы" датчика непосредственно к кузову или двигателю автомобиля

Существует так называемая "масса", или общий провод электропроводки автомобиля. Она объединяет металлические части кузова и двигателя и подключается к минусовой клемме аккумулятора. Большинству датчиков требуется подключение к массе в силу особенностей их работы. ЭБУ также подключается к массе, на рисунке это точка 1. Рассмотрим, каким образом подключается масса датчиков. На первый взгляд, массу можно подключить к датчику в любой ближайшей точке двигателя или кузова (точка 2), а сигнальный вывод датчика подключить к одному из контактов в разъеме блока. Посмотрим на полученную схему критически. Что получается? А получается, что цепь датчика включает в себя участок кузова или двигателя автомобиля между точками 2 и 1. Одновременно с этим по кузову идут токи мощных нагрузок вроде ламп головного света, вентиляторов, электродвигателей стеклоочистителя и т.п. Получается, что по одному и тому же пути идут слабые токи датчика, содержащие полезную информацию, и большие токи мощных нагрузок. В итоге в цепи датчика возникают сильные помехи от электроприборов автомобиля и системы зажигания.

Такая ситуация совершенно недопустима, и подобное подключение массы датчиков (за редчайшим исключением) нигде не используется.

Куда же подключается масса датчиков? Она подключается непосредственно к блоку управления.

Рисунок 4- Схема подключения "массы" датчика к ЭБУ

В такой ситуации цепь датчика оказывается не привязанной к цепи протекания токов нагрузок и сигнал датчика без помех и искажений поступает в ЭБУ. Сам блок, конечно же, подключен к массе автомобиля. Если открыть любую базу данных и посмотреть назначение выводов ЭБУ, то можно увидеть назначение выводов вроде "Масса датчика положения дроссельной заслонки", "Масса датчика абсолютного давления" и т.п. Отдельным выводом выполнена "Масса электронного блока управления". Вот это и есть точка подключения массы ЭБУ, а массы всех датчиков подключаются к ЭБУ отдельно, внутри него они соединяются вместе и подключаются к массе блока.

Убедиться в сказанном достаточно просто с помощью тестера: достаточно прозвонить цепь массы любого датчика на минусовую клемму аккумулятора, а затем, сняв разъем с ЭБУ, убедиться, что цепь разорвалась.

В качестве примера приведем часть схемы ЭСУД с блоком управления MR-140.

Рисунок 5- Часть схемы ЭСУД с блоком управления MR-140.

Несложно убедиться в том, что массы датчика температуры охлаждающей жидкости (Engine Coolant Temperature, ECT Sensor), датчика положения дроссельной заслонки (Throttle Position, TP Sensor), датчика температуры воздуха (Intake Air Temperature, IAT Sensor) объединены сборкой S101 и подключены к выводу М64 блока управления, обозначенному как вывод массы. В эту же точку подключены выводы массы и экранирующей оплетки датчика детонации (Knock Sensor). Массы датчиков давления в системе кондиционирования воздуха (Air Condition Pressure, ACP Sensor) и датчика неровной дороги (Rough Road Sensor) также объединены и подключены к выводу К34 электронного блока.

Есть два исключения из этого правила: резонансный датчик детонации конструкции GM, который применялся на первых системах управления ВАЗ, и однопроводной датчик концентрации кислорода. Но это исключения, а отнюдь не правило.

К сожалению, многолетняя практика диагностики двигателей дает право констатировать, что вышеизложенные факты понимают далеко не все специалисты автосервиса. Приходилось видеть двигатели, в электропроводку которых было произведено вмешательство с целью создать более надежный контакт массы датчика расхода воздуха. При этом провод массы подсоединялся непосредственно к выводу датчика и к минусовой клемме аккумулятора. Такое решение совершенно недопустимо. Оно приводит к значительному повышению уровня помех в цепи датчика вследствие образования контура и даже может при определенных обстоятельствах вызвать выход ЭБУ из строя. Никакое изменение схемы подключения датчиков, никакое привнесение лишних проводов в ЭСУД недопустимо.

Существуют датчики, информацию с которых необходимо донести до ЭБУ максимально качественно, без помех. Примером может служить датчик положения коленчатого вала. В таком случае провода от датчика до ЭБУ заключают в экран, представляющий собой гибкую оплетку из алюминиевой фольги либо тонкого провода. Назначение экрана - защита цепи датчика от внешних электромагнитных помех. Сам экран также подключается к массовому проводу системы и обозначается на электрической схеме в виде пунктирного контура вокруг проводов. Примером такого подключения служит датчик детонации на рисунке 5.

2. Разновидности датчиков системы управления двигателем внутреннего сгорания

Если изучать датчиковую аппаратуру, опираясь на существующие руководства по ремонту той или иной марки автомобилей, то можно обнаружить, что в каждом руководстве используется один и тот же подход. Перечисляются датчики, входящие в состав описываемой системы управления, и озвучивается их назначение. Для другого двигателя и другой системы опять-таки перечисляются датчики и т.д. В некоторых книгах датчики ЭСУД и контрольные датчики, необходимые, например, для работы панели приборов (датчик давления масла, уровня охлаждающей жидкости и т.п.) вообще свалены в одну кучу. Такой подход представляется неконструктивным и не отображающим истинной картины.

Рассматривая датчиковую аппаратуру, мы будем применять другой метод подачи информации. Все датчики будут рассматриваться не по признаку наличия их на той или иной ЭСУД, а по принципу действия, по физическому явлению, лежащему в основе их функционирования. Такой подход видится гораздо более правильным и доступным для понимания. Датчики одного и того же принципа действия используются в абсолютно разных узлах автомобиля, и для диагноста, усвоившего принцип их работы и методику диагностики, не составит труда проверить работоспособность любого из них. Например, датчик уровня топлива, датчик расхода воздуха флюгерного типа, датчик положения клапана рециркуляции отработанных газов и датчик положения педали акселератора, несмотря на кажущуюся несхожесть, диагностируются абсолютно одинаково, по одному и тому же принципу.

2.1 Датчик массового расхода воздуха

Измеряет количество всасываемого двигателем воздуха в кг/час. Устройство достаточно надежное. Основной враг - влага, всасываемая вместе с воздухом. Основное нарушение работы датчика - завышение показаний, как правило на малых оборотах, на 10-20%. Это приводит к неустойчивой работе двигателя на холостом ходу, остановке после мощностных режимов, возможны проблемы с запуском. Завышение показаний датчика на мощностных режимах приводит к "тупости" мотора, к увеличению расхода топлива.

Рисунок 6- а) - внешний вид датчика массового расхода воздуха (дет.2112-1130010) (произв. GM); б) - внешний вид датчика массового расхода воздуха (дет.21083-1130010-01 или 21083-1130010-10 произв. BOSCH); в) - расположение датчика массового расхода воздуха.

ДМРВ, рисунок 6 а, (термоанемометрического типа) имеет три чувствительных элемента, установленных в потоке всасываемого воздуха. Один из элементов определяет температуру окружающего воздуха, а два остальных нагреваются до заранее установленной температуры, превышающей температуру окружающего воздуха.

Во время работы двигателя проходящий воздух охлаждает нагревательные элементы. Массовый расход воздуха определяется путем измерения электрической мощности, необходимой для поддержания заданного превышения температуры на нагревательных элементах относительно температуры окружающего воздуха.

Контроллер подает на ДМРВ опорный сигнал 5 В через находящийся внутри контроллера резистор с постоянным сопротивлением. Выходной сигнал с ДМРВ представляет собой сигнал напряжения величиной от 4 до 6 В с изменяющейся частотой. Большой расход воздуха через датчик дает выходной сигнал высокой частоты (скоростной режим). Малый расход воздуха через ДМРВ дает выходной сигнал низкой частоты (холостой ход).

ДМРВ, рис.6 б, (термоанемометрического типа) имеет чувствительный элемент, тонкую сетку (мембрану) на основе кремния, установленную в потоке всасываемого воздуха. На сетке располагаются нагревательный резистор и два температурных датчика, установленных перед нагревательным резистором и за ним.

Сигнал ДМРВ представляет собой напряжение постоянного тока, изменяющееся в диапазоне от 1 до 5 В, величина которого зависит от количества воздуха, проходящего через датчик. Во время работы двигателя проходящий воздух охлаждает часть сетки расположенной перед нагревательным резистором. Температурный датчик расположенный перед резистором охлаждается, а температурный датчик расположенный за ним, благодаря подогреву воздуха, сохраняет свою температуру. Дифференциальный сигнал обоих датчиков делает возможным получение характеристической кривой, зависящей от величины потока воздуха. Сигнал вырабатываемый ДМРВ - аналоговый.

Контроллер, получая сигнал от ДМРВ, использует свои таблицы данных и определяет длительность импульса открытия форсунок, которая соответствует сигналу массового расхода воздуха. ДМРВ устанавливается между воздушным фильтром и дроссельным патрубком, рис.6 в.

Таблица 1. Принцип работы ДМРВ

2.2 Датчик температуры охлаждающей жидкости

Основное функциональное назначение сродни "подсосу" на карбюраторе - чем холоднее мотор, тем богаче топливо. Второе назначение - формирование команды на включение вентилятора охлаждения. Весьма надежен. Основная неисправность - нарушение электрического контакта внутри датчика или нарушение изоляции проводов вблизи датчика болтающимся тросиком "газа". Отказ датчика - включение вентилятора на холодном двигателе, трудность запуска горячего мотора, повышенный расход топлива.

Рисунок 6- а) внешний вид датчика температуры охлаждающей жидкости; б) расположение датчика охлаждающей жидкости на автомобиле.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (термисторный) устанавливается на впускном патрубке системы охлаждения в потоке охлаждающей жидкости двигателя. Термистор, находящийся внутри датчика, является термистором с "отрицательным температурным коэффициентом" - при нагреве его сопротивление уменьшается. Высокая температура охлаждающей жидкости вызывает низкое сопротивление (70 Ом + 2% при 130°С), а низкая температура дает высокое сопротивление (100700 Ом ± 2% при - 40°С).

Контроллер подает на датчик температуры охлаждающей жидкости напряжение 5 В через резистор с постоянным сопротивлением, находящимся внутри контроллера. Температуру охлаждающей жидкости контроллер рассчитывает по падению напряжения на датчике, имеющем переменное сопротивление. Падение напряжения большое на холодном двигателе, и низкое - на прогретом.

Таблица 2. Зависимость сопротивления датчика от температуры охлаждающей жидкости.

2.3 Датчик детонации