Датчики расхода жидкостей и газов

Общие сведения

Датчики расхода необходимы для оптимальной реализации основных функций управления двигателем. Например, в системах управления впрыском количество подаваемого в двигатель топлива рассчитывается по массе воздуха, подаваемого в цилиндры. Масса воздуха Л/Л измеряется непосредственно или косвенно, по объемному расходу:

M_A = N · V · η · P/R_A · T_A

N — число оборотов, V — объем двигателя (литраж), η — коэффициент использования объема двигателя (η=f(N)), Р — разрежение во впускном коллекторе, R_A — конструктивная постоянная, T_A — температура воздуха во впускном коллекторе.

При косвенном измерении массы M_A воздуха следует учитывать зависимость объема V от коксования, а также запаздывание изменений Р по отношению к изменениям M_A. Такой способ получается более дешевым по отношению к непосредственному измерению массы воздуха, но менее точным.

Современные автомобили оснащаются в основном датчиками для непосредственного измерения массы M_A всасываемого в цилиндры воздуха. Выходной сигнал таких датчиков аналоговый (0...4 В) или частотный.

Помимо измерения массы поступающего в двигатель воздуха датчики расхода уже сегодня находят применение на автомобиле в следующих случаях:

• при определении расхода топлива для информационной системы водителя. Расход определяется по разности между количеством топлива, поступившим в рампу форсунок и возвращенным в бак;
• при определении расхода газа через клапан рециркуляции выхлопных газов (EGR). При определенных условиях выхлопные газы через клапан EGR охлаждают камеру сгорания, что понижает содержание NO_X в выхлопе. Контроль за расходом газа через клапан — один из способов проверки правильности его функционирования. В соответствии с требованиями OBD-II, ЭБУ должен осуществлять постоянный мониторинг систем, неисправность которых приведет к увеличению загрязнения окружающей среды;
• при определении расхода дополнительного воздуха в каталитическом нейтрализаторе. В некоторых типах нейтрализаторов для минимизации токсичных веществ CO и СН применяется подача дополнительного воздуха при прогреве двигателя, когда рабочая смесь богатая. Исправность насоса контролируется по расходу воздуха. Непосредственный контроль за составом выхлопных газов не применяется из-за высокой стоимости измерительного оборудования.

В табл. 2.9 приведены сведения о параметрах современных датчиков расхода жидкостей и газов.

Таблица 2.9

Назначение	Что измеряется	Диапазон, [кг/час]	Допустимая погрешность, [%]
Воздух, поступающий в двигатель	Масса	10...1000	±4
Расход топлива	Масса/объем	1...66	±4
Выхлопные газы	Масса	30...100	±10
Доп.воздух в нейтрализаторе	Объем	50 м3/час	±20

Датчики расхода имеют принцип действия, основанный на измерении одного из следующих параметров: угла отклонения парусной заслонки или скорости вращения турбины, находящихся в потоке среды (жидкости или газа); частоты вращения вихревых потоков за рассекателем; падения давления среды после прохождения ею препятствия (дросселя); изменения температуры находящегося в потоке среды нагретого тела.

Расходомеры и массметры

По виду выдаваемой информации датчики расхода жидкостей и газов подразделяют на две группы — на расходомеры и массметры.

Если расход жидкости или газа (например воздуха) определяется по объему пропущенной среды, то датчик называется объемным расходомером. К таким датчикам относятся расходомеры воздуха для автомобильных систем впрыска бензина.

В свою очередь расходомеры воздуха подразделяются на механические — с круглым плавающим ротаметром; потенциометрические — с парусной измерительной заслонкой; вихревые (датчики Кармана) — с рассекателем воздушного потока, выполняющего функцию генератора воздушных завихрений, частота или вариации давления в которых несут информацию об объеме пропущенного воздуха.

При измерении расхода жидкости (например бензина) чаще применяются более простые расходомеры с вращающейся турбиной в подвижном потоке, по частоте вращения турбины определяется объем пропущенной жидкости. Так как объем жидкостей под действием температуры изменяется незначительно, то с небольшой погрешностью можно считать, что значению этого параметра соответствует и масса (вес) жидкости.


Если расход текучей среды (жидкости или газа) определяется непосредственно по массе, то измерительный датчик называется массметром.

Массметры, в отличие от расходомеров, выдают более качественную метрологическую информацию. Особенно это касается воздушных массметров, т. к. объем газообразных сред, в отличие от жидкостей, в значительной степени зависит от температуры и давления. Так, в расходомерах воздуха, работающих в системах впрыска бензина, приходится устанавливать дополнительные (корректирующие) датчики температуры и давления в атмосферном воздухе. Массметры в системах впрыска работают без таких датчиков.

Основной принцип действия воздушных массметров основан на применении платиновой нити, разогретой электрическим током, в качестве датчика информации о массе проходящего воздушного потока, охлаждающего разогретую нить. Такой принцип измерения массы воздуха пришел в технику из метеорологии и называется термоанемометрическим.

Термоанемометрический массметр, а также все вышеописанные расходомеры, кроме датчиков Кармана, подробно описаны выше.

Датчик Кармана

Датчики Кармана относятся к вихревым расходомерам воздуха. Если узкий стержень (рассекатель) разместить поперек равномерного воздушного потока, то за стержнем начнут образовываться завихрения. Принцип работы датчика Кармана основан на измерении частоты вращения вихревых потоков, которые образуются за поперечным стержнем в потоке всасываемого воздуха. Скорость V потока воздуха определяется уравнением:

V = f · (d/St)


где d — константа, зависящая от геометрии стержня; St — критерий подобия неустановившихся движений текучих сред (число Струхаля) для конструкций автомобильных датчиков расхода воздуха St=0,23); f — частота вращения вихревых потоков (генерации вихрей).

По частоте f определяют скорость V, затем по известному поперечному сечению входного канала датчика — объем воздуха.

Частоту генерации вихрей определяют ультразвуковым методом или по вариациям давления.

В ультразвуковых датчиках (рис. 2.14) частоту генерации вихрей определяют по доплеровскому сдвигу частоты ультразвуковой волны (обычно 50 кГц) при ее рассеянии движущейся средой (потоком воздуха).



Датчики, аналогичные представленному на рис. 2.14, использовались на двигателях с центральным впрыском автомобилей Chrysler.

Датчики Кармана на основе подсчета числа вихрей по вариациям давления гораздо дешевле. В них полупроводниковый, чувствительный к изменениям давления элемент расположен непосредственно за вихреобразующим стержнем (рассекателем). Вихрь, появляющийся за стержнем, вызывает изменение давления, которое преобразуется в электрический сигнал, поступающий в ЭБУ двигателя. Конструкция такого датчика показана на рис. 2.15. Он состоит из формирователя ламинарного потока (ламинатора) на входе, треугольного поперечного стержня (рассекателя) — генератора вихрей и емкостного датчика давления. В корпусе также размещены датчики температуры и барометрического давления (на рис. 2.15 не показаны) для определения массы поступающего воздуха по его объему. На холостом ходу датчик выдает сигнал с частотой около 100 Гц, при полной загрузке двигателя — около 2000 Гц.