Датчики управления двигателем автомобиля

Выделяется две категории датчиков крутящего момента:

1. деформируемые датчики (пьезорезистивные strain gauge, емкостные) -- с требованием беспроводного трансмиттера сигнала и ограничениями в прочности², повторямости и цене таких устройств;

2. недеформируемые датчики.

Помимо того датчики делятся на:

1. использующие электрические компоненты, закрепленные на валу (адгезивные, оптические, индуктивные), -- более сложные и с ограничениями в прочности таких устройств,

2. датчики, которые обходятся без таких компонентов.

Еще одно классификационное деление:

1. датчики со стержнем кручения torsion bar, которые могут вычислять только дифференциальный или полудифференциальный угол закручивания одного вала относительно другого (оптические и индуктивные);

2. датчики, которые измеряют крутящий момент непосредственно (углы закручивания стальных валов очень малы -- порядка 0,01°).

Магнитоупругие или магнитостриктивные преобразователи согласно всем классификациям относятся к датчикам второго типа.

Для создания магнитоупругих датчиков крутящего момента используется эффект Виллари -- наведение изменений в магнитной проницаемости под действием момента, которые регистрируются бесконтактным датчиком магнитного поля, вырабатывающим пропорциональный моменту аналоговый сигнал.

Магнитостриктивный материал допускает высокую надежность и повторяемость измерения значения крутящего момента, поскольку магнитострикция -- это свойство материала, которое не изменяется со временем.

Спектр разработок магнитостриктивных преобразователей проиллюстрирован рис. 28. Описания работы подобных устройств содержатся в патентной и технической литературе.

Типичный датчик крутящего момента показан на рис. 28а-в. В стандартной конфигурации используется поляризованное магнитоупругое кольцо, которое прочно прикрепляется к валу и намагничивается импульсным током через вал. Создается легкая ось намагниченности кольца в тангенциальном направлении.

В рабочих условиях под действием крутящего момента остаточная намагниченность в кольце переориентируется по спирали (рис. 28в), что создает магнитное поле, пропорциональное крутящему моменту. Величина и направление поля определяются бесконтактным магнитоуправляемым датчиком, линейный выходной сигнал которого обрабатывается в электронной схеме.

Для того чтобы избежать зависимости от магнитной проницаемости вала (зависимости от температурных эффектов, свойств материала, величины и частоты возбуждающего поля, а также поля Земли) и повысить чувствительность датчика, используется поляризованное кольцо с двумя областями с противоположными направлениями намагниченности, которые намагничиваются двумя идентичными постоянными магнитами при медленном вращении вала.

Чувствительность зависит от размера кольца и свойств материала. Насколько подходит конкретный материал для использования в датчиках крутящего момента -- зависит от его насыщающей магнитострикции, определяемой как частичное изменение в длине при увеличении намагниченности до насыщающего значения. Наибольшее значение магнитострикция насыщения составляет для никеля (4Ч10-⁵).

Вперёд в будущее. Инновации сенсорных технологий в искровых

двигателях внутреннего сгорания

Автопроизводители и исследовательские институты разрабатывают новые процессы горения, которые комбинируют преимущества бензиновых и дизельных двигателей. Например, компании General Motors Corp., Robert Bosch Corp. и Стэнфордский университет сейчас занимаются разработкой технологии эффективного сгорания топлива Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), которая обещает сделать бензиновые двигатели более эффективными (на 20%), с достижением близкой к нулю эмиссии NOx и снижением цены. Технология реализуется как в обычном, так и в гибридном варианте посредством однородного оптимального смешивания ТВС, сжатия и спонтанного воспламенения за счет повышения температуры (процесс, аналогичный тому, что происходит в дизеле).

Новые применения для датчиков связаны с мониторингом процесса горения непосредственно в цилиндрах (engine combustion sensors). Например, для осуществления замкнутого контроля Honeywell, SiemensVDO (рис. 4ш, щ), Dana предлагают датчики давления в цилиндрах. Датчик Incylinder Pressure Sensor Honeywell допускает различные варианты расположения -- в соединителе свечи, головке цилиндров, инжекторе -- и работает при высоких температурах (до 350 °C).

Износ двигателя, сбои инжекторов, сбои в зажигании, производственные допуски могут ухудшать характеристики горения и эмиссии. Контроль за работой двигателя может быть улучшен вычислениями, которые помогает сделать датчик, -- оптимального крутящего момента, начала зажигания, пикового давления и других параметров.

Для того чтобы осуществлять интеллектуальное управление двигателем технология Dana предполагает интегрирование датчика давления и температуры непосредственно в прокладку.

Введение прямого мониторинга процессов сгорания в период с 2007 по 2012 год обещает исключить датчики детонации, массового расхода воздуха и распределительного вала.

Датчик распределительного вала может стать ненужным и несколько раньше. Новейшая технология Valeo для уменьшения потребления топлива и снижения эмиссии на 20% (рис. 14) использует технологию Smart Valve Actuation (SVA) вместо обычной механической активации клапанов двигателя тросом распределителя, распределительным валом и гидравликой толкателей кулачка.

В двигателе без распределителя каждый клапан активируется индивидуально по сигналам блока контроля клапанов (VCU) или ECU, гарантирующим оптимальную работу системы.

При контролировании содержания остаточных газов, минимизации потерь в насосах и деактивации цилиндров и клапанов достигается экономия топлива и уменьшение эмиссии на 20%. Массовое производство SVA запланировано в 2009 году.

Заключение

Потребность в сенсорных устройствах для новых двигателей и особенно для следующего поколения гибридов будет еще более высокой, чем для обычного автомобиля -- необходима гарантия того, что все системы, включая электрический двигатель и ICE, работают согласованно в любой ситуации вождения.

Многие из альтернативных автомобилей пока существуют только как концептуальное решение, но ожидаемые новшества предваряют интенсивную разработку датчиков -- например, массового расхода газового топлива, давления, эмиссии, состава природного газа (Natural-gas composition sensor) и многих других.

Таким образом, хотя сегмент автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии включает много устоявшихся решений, применяемых многие годы, инновации, особенно в области контроля эмиссии дизелей и датчиков для гибридов, создают большие рыночные возможности для осуществления и сбыта новых разработок на основе ИС, MEMS и мультисенсорной платформы.

В дальнейшем принципы конструирования новых датчиков более высокого уровня предполагают объединение технологий, поиск новых нестандартных решений.

Литература

1. Сысоева С. Автомобильные цифровые магнитоуправляемые датчики угловой скорости и углового положения зубчатого ротора // Электронные компоненты. 2004. № 3.

2. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент РФ № 35441 на полезную модель по заявке № 2003127267 от 08.09.2003, МПК G 01 P3/488, зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 10.01.2004/ И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

3. Бесконтактный датчик скорости автомобиля, встраиваемый в коробку передач. Патент РФ № 36894 на полезную модель по заявке №2003132947 от 11.11.2003, МПК G 01 P3/488, зарегистрировано в Госреестре ПМ РФ 27.03.2004/ И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

4. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2260188 по заявке №2004102133/28 (002114) от 26.01.2004. Зарегистрировано в Госреестре изобретений 10.09.2005. / И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

5. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2270452 по заявке на изобретение № 2004102306/28 от 26.01.2004. Зарегистрировано в Госреестре изобретений 20.02.2006. / И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

Особую благодарность за содержательные статьи автор выражает редакции журнала «Компоненты и технологии» в часности Светлане Сысоевой Сайт журнала www.kit-e.ru

Автор: Романов Сергей Иванович МГАУ гр. 11/А07