-Senzori utilizati in constructia unui autovehicul -I-

Scopul lucrarii ()

Echipamente utilizate: 1. Macheta cu senzori

Acest modul este prezentat in Figura 1 si conine 9 senzori. Inainte de testare fiecare senzor trebuie conectat la sursa de alimentare (precum i aparatele de msur).

Fig. 1 Modulul SO4203-4V

Pentru vizualizarea pe calculator a tensiunii de alimentare in cazul acestui modul este necesara configurarea unui voltmetru virtual, pentru aceasta se efectueaza urmatoarele etape:

1. Din meniul Instruments se alege sursa de c.c Dc power supply 2. Se bifeaza cu un click butonul POWER care va deveni activ (display-ul va avea

culoarea roie)

Fig. 2 Voltmetru virtual

Consideratii teoretice : Senzorii auto sunt utilizai pentru a controla anumite procese ce apar in functionarea unui autovehicul precum si transmiterea datelor necesare unitii de control a motorului (ECU) pentru calculul timpilor de aprindere precum i cantitatea de combustibil necesar injeciei. Alta categorie de senzori sunt utilizai pentru msurarea unor parametrii cum ar fi turaia motorului, poziia arborelui cu came, temperatura lichidului de rcire etc.

Pentru a identifica senzorii mentionati mai sus micai cursorul mouse-ului pe figura de mai jos:

Fig. 3 Voltmetru virtual

In cadrul acestei lucrari de laborator se vor studia urmatorii senzori : Senzorul de temperatura de tip NTC Senzorul de temperatura de tip PTC Senzor detonatii (knock senzor) Senzor de presiune (pentru conducta de admisie) Senzor inductiv Senzor acceleraie Poteniometru (pedala) acceleraie Senzor pentru controlul debitului de aer

1. Senzorul de temperatura de tip NTC Este un sensor a carui rezistenta depinde de temperatur. Rezistena scade atunci cnd temperatura crete. Astfel c la rezistorul NTC (termistor) valoarea conductivitii electrice este mai mare cnd temperatura este ridicat. Coeficientul de temperatur este negativ fiind invers-proporional cu temperatura. Valoarea de referin a acestui senzor este rezistena msurat la temperatura de 20C (R20). Deoarece depinde de temperatur rezistena nu trebuie calculat mai degrab trebuie luat din tabel. Circuitul este simbolizat prin dou sgei opozante ce indic faptul c rezistena scade cnd temperatura crete. Aceast proprietate a senzorilor NTC apare datorit faptului c la o temperatur mai mare se desprind mai muli electroni din banda de valen devenind posibil conducia electric. Senzorii NTC sunt folosii la automobile pentru a msura :

Temperatura lichidului de rcire

Temperatura uleiului Temperatura extern Temperatura aerului condiionat furnizat Temperatura combustibilului (n cazul motoarelor diesel common-rail (ramp comun)

Modul de conectare la ECU

Determinari experimentale :

Se efectueaza montajul din figura urmatoare :

Se comuta ntreruptorul din stnga rezistorului NTC dupa care se porneste nclzirea i se observa rezultatul citind pe multimetru. Se noteaza citirile n tabel la fiecare 30 secunde

Dupa efectuarea msurtorilor se opreste nclzirea. Cum evolueaz rezistena NTC la nclzire?

Alimentarea unui senzor de tip NTC In cazul unui defect pe autovehicul acesta nu este datorat direct senzorului ci mai degrab circuitului dintre senzor i unitatea de control a motorului.

Unitatea de control (ECU) conine un rezistor de valoare fix n timp ce rezistorul NTC montat pe motor are valoarea variabil n funcie de temperatura lichidului de rcire. Unitatea de control analizeaz cderea de tensiune pe rezistenele nseriate i folosete rezultatul pentru a calcula temperatura lichidului de rcire. Pentru c cele dou rezistoare sunt nseriate, mpreun formeaz un divizor de tensiune adic tensiunea aplicat de 5 V este distribuit pe cele dou rezistoare. Potrivit principiului divizorului de tensiune cu ct divizorul de tensiune este mai mare cu att cderea de tensiune este mai mare. Deoarece unitatea de control are un rezistor cu o valoare fix n timp ce senzorul NTC a o valoarea variabil raportul dintre tensiuni este tot variabil.

Pentru remedierea defectelor ce apar in circuitele de masurare a temperaturii cu senzor de tip NTC se procedeaza in modul urmator: La motoarele moderne sistemul de management este capabil s afieze erori de cod mai detaliate cu referire la senzorul NTC ajutnd la stabilirea sursei erorii. De exemplu dac unitatea de control afieaz eroarea Coolant temperature sensor circuit: Insufficient voltage (senzor de temperatur lichide de rcire : tensiune prea mic). nseamn c tensiunea msurat la pin-ul de ieire 3 este mai mic dect nivelul prestabilit. Pe baza celor insusite mai sus a motivele pot fi datorate:

1. Circuitului electric care poate fi ntrerupt, de exemplu de un contact deschis la senzorul de temperatur al lichidului de rcire;

2. Exista un scurtcircuit ntre cele dou borne ale senzorului sau chiar n senzor. Cum poate detecta unitatea de control cnd tensiunea este prea mic ? Se consider cderea de tensiune pe cele dou rezistoare cnd sistemul este funcional. Indiferent de temperatura rezistorului NTC va exista tot timpul o cdere de tensiune pe acesta cderea de tensiune pe rezistorul nseriat. Tensiunea msurat la pin-ul 3 nu trebuie s fie 0 V sau 5 V. n practic aceast tensiune trebuie s fie cuprins ntre 0.7 V i 4 V. Dac unitatea de control msoar tensiune de 0 V sau 5 V la pin-ul 3 consider c este o eroare undeva.

2. Senzorul de temperatura de tip PTC Acest tip de senzor de temperatur se utilizeaza ca si senzor de temperatura a gazelor de eapament, este un rezistor de tip PTC a crui valoare se schimb n funcie de temperatur. Unitatea de control obine informaii despre temperatura gazelor de eapament prin msurarea rezistenei. Senzorul PTC are valoarea conductivitii mai mare la temperatur mai mic.

Rezistoarele de tip PTC (coeficient de temperatur pozitiv) sunt materiale care conduc curent electric mai eficient la temperatur mai joas. La aceste rezistoare valoarea crete o dat cu temperatura de unde i termenul- PTC. In momentul in care senzorul este parcurs de un curent mai mare, acesta se nclzete iar in sens contrar acesta se raceste transmitand aceasta variatie de rezistenta catre ECU in functie de temperatura gazelor de esapament. Determinari experimentale : Se efectueaza montajul din figura urmatoare :

Se comuta ntreruptorul din stnga rezistorului PTC dupa care se porneste nclzirea i se observa rezultatul citind pe multimetru. Se noteaza citirile n tabel la fiecare 30 secunde.

In cazul acestei determinari se observa o variaie a rezistenei foarte mic. n graficul urmtor este reprezentat rspunsul senzorului PTC la o plaj mai mare de temperaturi.

Dup cum s-a observat pn acum rezistena senzorului de temperatur ncepe s se modifice substanial numai la temperaturi ridicate. La temperatura mic generat de placa de senzori (macheta) rezistena se modific destul de puin. Din acest motiv senzorii PTC sunt destul de rar folosii n domeniul auto, n schimb acetia sunt folosii n medii cu temperaturi ridicate cum ar fi cazul gazelor de eapament unde senzorii NTC ar fi deteriorai. Dei la automobile se folosesc rar senzori PTC, se utilizeaz des componente cu aceleai proprieti ,acestea au i elemente de nclzire de exemplu pentru parbrizul din spate (lunet), oglinzi etc. Dac un astfel de element este activat la o temperatur iniial joas cnd rezistena senzorului PTC este mic prin circuit va trece un curent iniial mare determinnd nclzirea rapid a elementului nclzitor. n acest timp va crete i rezistena senzorului cauznd reducerea cldurii i a curentului electric. Un astfel de sistem se auto-regleaz.

3. Senzorul pentru detonatii (knock senzor)

Senzorul pentru detonatii (knock senzor) furnizeaz unitii de control date pentru a detecta knock ul. Senzorul transform energia ocului mecanic n pulsuri electrice ce sunt analizate electronic. Capacitatea de a muta punctul de aprindere mai aproape de knock (unitatea de control detecteaz knock-ul i potrivete n conformitatea cu acesta punctul de aprindere).

Sunt mbuntite : Consumul de combustibil; Nivelul de emisii; Puterea i cuplul.

La fel de important este faptul c se mbuntete auto-adaptarea la mbtrnirea motorului. Dac un motor are senzor de knock el se poate adapta la mai multe tipuri de carburani. Dac un motor este destinat consumului de benzin premium el poate funciona i cumbustibil mai slab calitativ n timp ce motoare proiectate pentru a funciona cu benzin cu cifr octanic foarte mare poate funciona i cu benzin premium dar apare un consum mai mare de combustibil datorit aprinderii ntrziate astfel c beneficiile nu sunt mari.

Termenul knocking nseamn combustia necontrolat in interiorul cilindrului din interiorul unui motor cu ardere intern. n acest caz o parte a amestecului se aprinde spontan. n mod normal amestecul comprimat este aprins de o scnteie. Explozia ce rezult determin creterea presiunii aciune ce mpinge pistonul n jos n timpul cursei. n timpul combustiei afectate de knock o parte a amestecului combustibil aer se aprinde incontrolabil fr scnteie sau amestecul este aprins prematur de scnteie. Efectul oricruia

dintre cele dou situaii este un val de presiune ce aps pistonul n jos dei acesta nc nu a efectuat cursa n care se ridic pn n punctul n care se termin ciclul micrii. Temperatura n cilindru crete incontrolabil atingnd valori care pot topi partea inferioar a pistonului. Cldura excesiv poate determina pistonul s se dilate disproporionat i s fricioneze de pereii cilindrului,afectand astfel in mod direct functionarea motorului.

In constructia motoarelor mici se foloseste un singur senzor iar pentru cele cu mai mult de 4 cilindrii sau cu cilindrii n V sau cilindrii dup tehnologia Boxer, sunt necesari doi senzori. Acetia sunt nurubai corespunztor (dup o anumit for de strngere) pe o suprafa apropiat de cilindrii i sunt conectai la unitatea de control prin intermediul a dou cabluri electrice. (1/2)

In structura sa interna este realizat cu un inel confectionat dintr- un material (albastru,acest inel este pretensionat pn ntr-un anumit punct apoi este introdus n senzorul knock i contracareaz vibraiile motorului. Materialul transmite fora exercitat la un strat de cristal piezo-electric (rou) a crui armturi (negre) crete nivelul de sarcini electrice care erau initial oricum descrcate la vibraii sczute. Unitatea de control analizeaz datele fcnd diferena ntre regimul normal de funcionare i cel cu senzor knock. Este important poziionarea senzorului de knock pentru ca semnalul specific s fie preluat de senzor de la oricare dintre cilindrii.

Principiul de functionare senzorilor piezoelectrici Deformarea direcionat a unui cristal piezoelectric determin creterea microscopic a unor dipoli din anumite elemente primare (modificare concentraiei de sarcini electrice). n toate elementele primare a cristalului, nsumat, apare o tensiune msurabil. Deformarea direcionat nseamn c presiunea exercitat trebuie s fie pe o singur direcie i prin puncte opuse.

Determinari experimentale : 1.Se efectueaza montajul din figura urmatoare :

2.Din meniul Instruments se alege osciloscopul virtual i se realizeaz setrile aa cum este indicat mai jos : Conexiuni:

3. Se pornete osciloscopul, se lovete senzorul knock cu un obiect moale - un mner din plastic i se nregistreaz semnalul. Utiliznd mouse-ul se trage de oscilogram pn n spaiul destinat vizualizarii. Se introduc apoi parametrii :

- Forma de unda a semnalului provenit de la senzor (obiect neted) :

Se nregistreaza semnalul caracteristic unei lovituri cu un obiect greu (de exemplu o urubelni).

- Forma de unda a semnalului provenit de la senzor (lovit cu ciocanul de plastic) :

Cu ajutorul celor dou oscilograme se poate explica cum unitatea de control poate face diferena dintre vibraiile normale ale motorului i knock-ul din fiecare cilindru.

Experiment diagnoza senzorului knock : Se efectueaza modificrile necesare pentru a msura rezistena senzorului knock dup cum urmeaz :

Conexiuni:

4. Senzorul de presiune Acest senzor msoar presiunea la partea de admisie innd cont de presiunea mediului ambiant. Senzorul se afl ntre valva de la acceleraie i supapa de admisie. Cnd valva de la acceleraie este nchis pistonul se mic n jos crend o presiune n conducta de admisie.

Cnd valva de la acceleraie este deschis intr aer prin conducta de admisie crescnd astfel presiunea. Presiunea din aceast conduct este proporional cu sarcina motorului.

Structura i funcionarea senzorului de presiune :

A membran piezo electric B camer de referin C conduct de msurare pentru furtunul de conectare D circuit de analiz (amplificarea semnalului) E furtun conectat la conducta de msurare

Senzorul de presiune conine o membran piezo-electric realizat din cristal de siliciu. Pe suprafaa membranei sunt amplasai 4 senzori pentru msurarea tensionrii unui obiect, 2 senzori pe mijlocul membranei i nc 2 la periferie. Cnd presiunea exercitat asupra membranei crete, aceasta se ndoaie mrind rezistena senzorilor amplasai la mijlocul membranei i detensionarea senzorilor de la periferie. Un circuit de analizare (punte) citete semnalul fiind o tensiune cuprins ntre 0.2 V i 4.3 V. Pentru motoarele fr turbin presiunea variaz pn la maxim 1 bar. La motoarele turbo presiunea poate atinge valori pn la 2 bar. n aceeai incint poate fi amplasat i un senzor de temperatur. Senzorii de presiune sunt tot mai des folosii la autovehicule. Se poate face diferena ntre senzorii pentru suprapresiune i subpresiune. Senzorii pentru suprapresiune sunt utilizai

pentru a msura presiunea la motoarele turbo, presiune atomosferic i presiunea combustibilului (n cazul motoarelor diesel i a celor pe benzin cu injecie direct). Aceti senzori dei msoar o plaj destul de mare de presiuni au la baz acelai principiu. Senzorul MAP poate fi un nlocuitor senzorul ce msoar debitul de aer.

Modul de conectare la ECU a senzorilor:

In cele mai multe scheme nu se specific linia pe care circul semnalul. Totui semnalul poate fi digital aa cum este cazul acestei scheme Trasmisia semnalului : semnalul este transmis unitii de control (fr a avea acces la el i alte componenete). Semnalul este transmis la pin-ul nr 2 al senzorului. Masa : punctul de referin este comun cu mai multe componente. Pin-ul 1 al senzorului MAP alimenteaz i senzorul NTC. Se conoaste din cele studiate anterior ca semnalul senzorului NTC ajunge la pin-ul 3 al unitii de control n timp ce punctul de mas este la pin-ul 4 al unitii de control. Astfel c punctul de mas este comun la senzorii Map i NTC.

Determinari experimentale : 1.Se efectueaza montajul din figura urmatoare :

2. Se conecteaza senzorul conductei de admisie la 5 V i la mas. Se alege din meniu Instruments -> Measuring devices -> Voltmeter A si se conecteaza la semnalul de ieire al voltmetrului virtual (A+, A-).

3.Se conecteaza o pomp de vid manual la borna senzorului MAP.

4.Se masoara tensiunea la diferite presiuni negative dupa care se introduce rezultatul msurtorilor n tabelul de mai jos: