Ćwiczenie 9 POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ. Wprowadzenie

Transkrypt

1 Ćwiczenie 9 POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ Wprowadzenie Pomiar prędkości ma bardzo duŝe znaczenie w poprawnym funkcjonowaniu całego samochodu. Dlatego wielkość ta mierzona jest w róŝnych jego podzespołach. Pomiar prędkości słuŝy do określania przebiegu róŝnych zjawisk fizycznych występujących w czasie jazdy samochodu i pracy silnika. Informacja z tego pomiaru wykorzystywana jest do kontroli oraz sterowania pracy silnika, sygnał ten wykorzystuje się równieŝ w systemach bezpieczeństwa. RozróŜnia się dwa rodzaje pomiaru prędkości: pomiar prędkości względnej, pomiar prędkości bezwzględnej. Pomiar prędkości względnej wykorzystuje się np. do określania prędkości kół, prędkości obrotowej wału korbowego. Pomiar prędkości bezwzględnej wykorzystuje się np. do określania prędkości pojazdu wokół osi. Pomiar prędkości obrotowej wału korbowego w samochodzie wykorzystywany jest do informowania sterowników o obrotach silnika; dane te są wykorzystywane m.in. do sterowania pracą silnika (określanie chwili wtrysku i dawki wtryskiwanego paliwa, sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu, stabilizacja pracy na biegu jałowym, usuwanie par paliwa ze zbiornika, sterowanie działaniem kolektora dolotowego o zmiennej długości, określenie pracy zmiennych faz rozrządu czy teŝ aktywizacja wtrysku dodatkowego powietrza do kolektora wylotowego) i automatycznej skrzyni biegów (wybór biegu). 103

2 Metody pomiarowe Obecnie stosowane czujniki prędkości obrotowej wykorzystują róŝne zjawiska fizyczne. Do najczęściej stosowanych zalicza się czujniki indukcyjne, hallotronowe oraz optoelektroniczne. Te ostatnie jednak ze względu na zasadę działania są mało przydatne w samochodach (są mało odporne na zanieczyszczenia). Czujniki prędkości obrotowej mogą być elementami pasywnymi, czyli nie posiadającymi elementów wzmacniających w miejscu pomiaru, bądź aktywnymi. Te z reguły posiadają złoŝone układy elektroniczne tworzące jedną całość z czujnikiem. Wykorzystuje się je do pomiaru bezwzględnej prędkości kątowej tam, gdzie potrzebne są czujniki aktywne ze względu na małe amplitudy sygnału i potrzebę ich obróbki. Indukcyjny czujnik prędkości budowa i zasada działania Czujnik ten składa się z: nieruchomej cewki, rdzenia z materiału ferromagnetycznego, magnesu trwałego. Czujnik indukcyjny wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej, wytwarzając na wyjściu napięcie proporcjonalne do szybkości zmian strumienia magnetycznego według zaleŝności: u dφ = z, (9.1) dt gdzie: z liczba zwojów, Φ strumień magnetyczny. Czujnik współpracuje z wirnikiem. Wirniki wytwarzane są z materiałów magnetycznie miękkich lub twardych. Kształt wirnika ma decydujące znaczenie w tym pomiarze, gdyŝ uformowane wyŝłobienia w postaci zębów powodują powstanie zmiennego strumienia magnetycznego. Pojawienie się zęba w osi czujnika oznacza zmniejszenie szerokości szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym, a tym samym zmianę reluktancji magnetycznej obwodu. W związku z tym zmianie ulega równieŝ strumień magnetyczny. W wyniku zmian strumienia w cewce czujnika 104

3 indukuje się zmienne napięcie, którego amplituda zaleŝna jest od szybkości zmian strumienia magnetycznego (p. równanie (9.1)). Rys Budowa czujnika indukcyjnego [1] Zalety czujnika indukcyjnego: niskie koszty wytwarzania, duŝa odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, szeroki zakres temperatury pracy. Wady czujnika: ograniczona moŝliwość zmniejszenia wymiarów przy tradycyjnym wykonaniu cewki, zaleŝność sygnału wyjściowego od prędkości obrotowej. wraŝliwość amplitudy sygnału wyjściowego na zmiany grubości szczeliny powietrznej. Najczęstsze zastosowania czujnika indukcyjnego: pomiar prędkości obrotowej kół, pomiar prędkości obrotowej wału korbowego, pomiar wzniosu igły wtryskiwacza, identyfikacja numeru cylindra. 105

4 Czujnik indukcyjny zastosowany do identyfikacji numeru cylindra W celu określenia połoŝenia wału korbowego, czujnik współpracuje z odpowiednio wyprofilowaną tarczą pomiarową. Najprostszą tarczę pomiarową pokazano na rys Rys Zasada identyfikacji połoŝenia wału [1] Częścią ruchomą zespołu czujnika połoŝenia wału korbowego jest tarcza z materiału ferromagnetycznego zamocowana w jednoznaczny sposób na wale korbowym silnika. Na obwodzie tarczy wykonane są wycięcia. Jedno z nich wykonane jest w takim miejscu, aby ściśle określało połoŝenie wału korbowego silnika. Amplituda napięcia indukowanego zaleŝy od prędkości obwodowej koła, od wielkości szczeliny powietrznej szczeliny między zębami a czujnikiem, od kształtu zębów, charakterystyki magnetycznej czujnika i sposobu jego zamocowania. Brak zęba na obwodzie tarczy powoduje zmianę przebiegu indukowanego napięcia. Halotronowy czujnik prędkości Zjawisko Halla polega na odchylaniu strumienia elektronów w polu magnetycznym. Po umieszczeniu prostopadłościennej płytki materiału półprzewodnikowego w polu magnetycznym, a następnie wymuszeniu w niej przepływu elektronów przez przyłoŝenie napięcia zasilającego w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił pola magnetycznego, następuje zróŝnicowanie potencjałów (U H ) w trzeciej 106

5 płaszczyźnie prostopadłej do obu poprzednich. Napięcie U H proporcjonalne do indukcji magnetycznej zgodnie z zaleŝnością: jest wprost U = γ, (9.2) H BI z gdzie: B indukcja magnetyczna, I z prąd zasilania halotronu, γ stała halotronu. Pole magnetyczne B Prąd zasilania I z Napięcie Halla U H Rys.9.3. Zasada działania halotronu Przy zmieniającym się w sposób ciągły natęŝeniu pola magnetycznego uzyskuje się modulowany sygnał elektryczny, którego częstotliwość jest proporcjonalna do prędkości, z jaką zmienia się pole magnetyczne. Czujniki Halla są stosowane w aparatach zapłonowych jako czujniki prędkości obrotowej. WaŜną zaletą tych czujników jest to Ŝe mogą pracować w warunkach, gdzie występuje duŝe zanieczyszczenie. Dodatkową zaletą jest moŝliwość dowolnego zmniejszania i zintegrowania wzmocnienia oraz obróbki sygnału w miejscu pomiaru. Obecnie w zaleŝności od przeznaczenia czujniki Halla montuje się w samochodach jako elementy pojedyncze bądź jako struktury zintegrowane (róŝnicowy czujnik Halla) (rys. 9.4). Ten typ czujnika wykorzystywany jest do pomiaru prędkości obrotowej lub pomiaru liczby obrotów. Składa się on z dwóch kompletnych układów Halla umieszczonych w określonej odległości na powierzchni czipa. PrzynaleŜny układ 107

6 elektroniczny wyznacza róŝnicę napięć obu układów Halla. Powoduje to, Ŝe sygnał wyjściowy jest prawie niezaleŝny od natęŝenia pola magnetycznego. Czujniki takie uŝywane są przewaŝnie do pomiaru liczby obrotów, gdyŝ biegunowość ich sygnałów wyjściowych nie zaleŝy od szczeliny powietrznej między wirnikiem a czujnikiem. Czujnik halotronowy stosowany do pomiaru prędkości liniowej samochodu jest zwykle wkręcany w obudowę skrzyni biegów. Z jego drugiej strony przykręcona jest linka do prędkościomierza. Na wirniku czujnika prędkości liniowej umieszczony jest zespół magnesów trwałych. Napędzany jest on z wałka zdawczego w skrzyni biegów. W stojanie znajduje się czujnik Halla i układ elektroniczny, który generuje 6 impulsów na jeden obrót wirnika. Częstotliwość tych impulsów jest proporcjonalna do prędkości liniowej samochodu. Rys RóŜnicowy czujnik Halla [2]: a) połoŝenie czujników (2) w stosunku do obracającej się uzębionej tarczy (1), (3) podkładka, 4 magnes trwały, b) rozkład pola magnetycznego, c) przebieg sygnałów wyjściowych z czujnika Aparat zapłonowy Do pracy silnika spalinowego niezbędny jest zapłon mieszanki spręŝanej nad tłokiem. Zadanie to spełnia układ zapłonu, który wymusza przeskok iskry elektrycznej między elektrodami świecy zapłonowej wkręconej w głowicę silnika. Chwila zapłonu - 108

7 przeskoku iskry - ma niezwykle istotne znaczenie, jeśli chodzi o moc silnika i zuŝycie paliwa. Wał korbowy, obracając się w prawo, popycha przez korbowód tłok w kierunku głowicy silnika. W pewnej chwili, przed osiągnięciem przez tłok najbliŝszej pozycji w stosunku do głowicy (przed GMP, czyli górnym martwym punktem 1 ), następuje przeskok iskry elektrycznej między elektrodami świecy zapłonowej (rys.9.5). Na wszystkie istotne parametry pracy silnika: moc uŝyteczną, jednostkowe zuŝycie paliwa, temperaturę i stopień toksyczności spalin duŝy wpływ wywiera kąt wyprzedzenia zapłonu, będący kątem obrotu wału korbowego pomiędzy zapłonem mieszanki a zwrotem głowicowym tłoka GMP. Ma to związek z jego wpływem na czas trwania okresu wstępnego i właściwego procesu spalania. Kąt wyprzedzenia zapłonu musi być dostosowany do obciąŝenia silnika i jego prędkości obrotowej, tak aby osiągnąć kompromis pomiędzy trzema wymogami: maksymalnym momentem obrotowym, minimalnym zuŝyciem paliwa i minimalną emisją składników toksycznych GMP Rys Jedna z czterech faz obiegu silnika z zapłonem iskrowym faza pracy rozpręŝanie mieszanki po zapłonie: 1 wtryskiwacz, 2 zawór dolotowy (zamknięty), 3 zawór wylotowy (zamknięty), 4 świeca zapłonowa, 5 tłok (poruszający się w dół), 6 cylinder, 7 korbowód, 8 wał korbowy, α kąt obrotu wału korbowego; GMP górny martwy punkt 1 Inne nazwy: GZP górny zwrotny punkt, ZZ zwrot zewnętrzny 109

8 W starszych modelach samochodów do wytworzenia iskry wykorzystywano zapłon konwencjonalny, z mechanicznym przerywaczem (rys.9.6) Rys Zasada działania układu zapłonu konwencjonalnego z przerywaczem mechanicznym: 1 wyłącznik zapłonu, 2 akumulator, 3 uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, 4 uzwojenie wtórne cewki zapłonowej, 5 krzywka przerywacza, 6 styki przerywacza, 7 kondensator, 8 rozdzielacz wysokiego napięcia, 9 świece zapłonowe W pierwszym etapie po zwarciu styków przerywacza w obwodzie pierwotnym układu zapłonowego płynie prąd i 1, którego wartość rośnie według funkcji wykładniczej U i 1 1 e (9.3) R = T t gdzie: U napięcie akumulatora, R całkowita rezystancja obwodu pierwotnego, T stała czasowa obwodu pierwotnego, T L1 =, R L 1 indukcyjność uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej. Etap drugi rozpoczyna się w chwili, kiedy krzywka umieszczona na wałku rozdzielacza rozwiera styki przerywacza. Następuje wtedy zamknięcie obwodu 110

9 pierwotnego przez kondensator C do masy. Powstaje szeregowy obwód RLC wytwarzający drgania elektryczne o charakterze oscylacyjnym tłumionym, o duŝej częstotliwości (1 3) khz (rys. 9.7). W takiej sytuacji zachodzi zamiana energii pola magnetycznego cewki zapłonowej w energię pola elektrycznego. Indukowane w uzwojeniu wtórnym cewki zapłonowej napięcie, wynoszące do kilkudziesięciu kv, powoduje przebicie przestrzeni między elektrodami świecy i przeskok iskry (trzeci etap pracy). To, na której świecy występuje przeskok, zaleŝy od połoŝenia chwilowego palca rozdzielacza, osadzonego na osi wałka rozdzielacza i obracającego się wraz z wałem korbowym. Kondensator C przyspiesza zanik prądu w uzwojeniu pierwotnym, wskutek czego w uzwojeniu pierwotnym indukuje się siła elektromotoryczna wynosząca do kilkuset V. i 1 1 n 1 n 2 n 3 0 t z1 t z2 t z3 t Rys Przebieg czasowy prądu w obwodzie pierwotnym cewki zapłonowej: 1 chwila rozwarcia styków przerywacza, t z1, t z2, t z3 czas, przez który styki są zwarte dla prędkości obrotowych silnika odpowiednio n 1 > n 2 > n 3 PoniewaŜ przebiegi czasowe prądów i napięć obwodu są ściśle związane z prędkością obrotową wału korbowego im większa prędkość, tym krótszy jest bezwzględny czas zwarcia t z styków przerywacza i tym wcześniej następuje przerwanie prądu w obwodzie pierwotnym - więc moŝna je równieŝ wykorzystać, po odpowiednim uformowaniu, do pomiaru tejŝe prędkości. Elektroniczny aparat zapłonowy róŝni się od klasycznego zastosowaniem przerywacza bezstykowego. Bezstykowy przerywacz jest to tranzystor mocy w obwodzie pierwotnym cewki zapłonowej (rys. 9.8). Tranzystor w czasie przewodzenia zamyka obwód pierwotny cewki zapłonowej, powodując przepływ prądu przez uzwojenie. Przerwanie prądu w obwodzie pierwotnym wiąŝe się z zablokowaniem 111

10 tranzystora mocy, natomiast chwila zablokowania musi zostać określona na podstawie bieŝącego połoŝenia wału korbowego silnika. W chwili zablokowania tranzystora zanik prądu w uzwojeniu pierwotnym powoduje indukowanie w uzwojeniu wtórnym cewki wysokiego napięcia, które zostaje w postaci impulsu doprowadzone do świecy zapłonowej, wywołując przeskok iskry Rys Przykład elektronicznego układu zapłonowego: 1 wyłącznik zapłonu, 2 akumulator, 3 moduł zapłonowy, 4 cewka zapłonowa, 5 świeca Do określenia połoŝenia wału słuŝy reluktancyjny czujnik zapłonu (rys. 9.9). Częstotliwość i amplituda wytworzonego w cewce napięcia przemiennego zaleŝą od prędkości obrotowej silnika. Napięcie to zostaje przekształcone w układzie formowania impulsów i wykorzystane do sterowania tranzystorem wywołując stan przewodzenia lub blokowania. 112

11 1 n 5 u N S Rys Zasada działania czujnika reluktancyjnego prędkości obrotowej: 1 stojan, 2 wirnik, 3 cewka zbierająca, 4 magnes trwały, 5 wspornik; linią przerywaną oznaczono strumień magnetyczny Cały aparat zapłonowy pokazano na rys Rys Aparat zapłonowy z czujnikiem reluktancyjnym prędkości obrotowej [3] 113

12 Opis stanowiska laboratoryjnego Uwaga: Poza układami słuŝącymi do pomiaru prędkości obrotowej na stanowisku laboratoryjnym znajdują się równieŝ inne czujniki i układy (por. schemat ideowy stanowiska rys str.174). Na stanowisku wykorzystano: halotronowy czujnik prędkości typ AA 12 6 IMP firmy General Motors z samochodu Polonez, aparat zapłonowy składający się z: elektromagnetycznego generatora impulsów, który jest wbudowany w aparat zapłonowy, modułu elektronicznego umieszczonego w uŝebrowanym aluminiowym radiatorze, cewki zapłonowej, rozdzielacza wysokiego napięcia zbudowanego tak jak klasyczny. Dla symulacji pracy aparatu zapłonowego (15) wykorzystany został silnik prądu stałego z regulacją obrotów (0 4000) obr/min. Sygnał wyjściowy z aparatu zapłonowego doprowadzany jest do modułu zapłonowego (14), który generuje impulsy wykorzystywane do określania obrotów przez obrotomierz (7) oraz generowania przeskoku iskry świecy zapłonowej (9). W ten sam sposób rozwiązany został problem napędu dla czujnika indukcyjnego (6) i halotronowego czujnika prędkości (8). Płynna regulacja obrotów umoŝliwia porównanie sygnałów wyjściowych czujników w zaleŝności od prędkości obrotów. KaŜde badane urządzenie napędzane jest przez niezaleŝny silnik. Pozwala to na pracę wszystkich silników jednocześnie lub na wyłączenie zbędnych urządzeń, które aktualnie nie są badane. Do tego celu słuŝą włączniki W1, W2 i W3 (13). 114

13 Rys Stanowisko laboratoryjne widok ogólny: 1 zbiornik, 2 termostat, 3 pompa wodna, 4 czujnik podciśnienia, 5 zaciski pomiarowe, 6 czujnik indukcyjny z kołem zębatym, 7 prędkościomierz, obrotomierz, termometr, 8 halotronowy czujnik prędkości, 9 świeca zapłonowa, 10 cewka zapłonowa, 11 przepływomierz, 12 włącznik główny, 13 regulacja obrotów silników, włączniki poszczególnych silników, 14 moduł zapłonowy, 15 aparat zapłonowy, 16 czujnik temperatury, 17 przepustnica, 18 układ regulacji podciśnienia (na bazie odkurzacza) Obsługa stanowiska laboratoryjnego W celu uruchomienia stanowiska laboratoryjnego naleŝy: przewód układu regulacji podciśnienia włączyć do gniazda znajdującego się na płycie czołowej zasilacza, przewód sygnałowy włączyć do gniazdka na płycie czołowej zasilacza oraz do gniazdka znajdującego się na stanowisku (tylna część), 115

14 przewód zasilający, zasilacz oraz przewód zasilający grzałkę włączyć do gniazda znajdującego się na dolnej półce stanowiska, przewód zasilający stanowisko włączyć do sieci 230 V, włącznik główny naleŝy ustawić w pozycji 1. Świecenie włącznika informuje o gotowości stanowiska do działania. W celu dokonania pomiarów naleŝy włączyć oscyloskop lub multimetr, w zaleŝności od rodzaju pomiaru, do odpowiednich gniazd znajdujących się na płycie czołowej stanowiska (rys. 9.11). Włączniki słuŝą do włączenia bądź wyłączenia poszczególnych silników. Lampki kontrolne informują o aktualnym zasilaniu odpowiedniego silnika. Potencjometrem ustawia się Ŝądaną prędkość obrotową silników napędzających odpowiednio: koło zębate, aparat zapłonowy, czujnik prędkości. Zaleca się, aby podczas wykonywania pomiarów wyłączyć zbędne urządzenia (przede wszystkim napęd aparatu zapłonowego). Mogą one mieć zakłócający wpływ na pomiar ze względu na działanie cewki zapłonowej i obwodu wysokiego napięcia. Dane znamionowe i parametry urządzeń Tabela 9.1 Elektryczny moduł sterujący typ APE 05 Zakres napięcia zasilania Optymalny zakres napięcia zasilania (7 16) V (10 15) V Wstępny kąt wyprzedzenia zapłonu 5º Maksymalny kąt wyprzedzenia zapłonu od regulatora odśrodkowego Napięcie zasilania Halotronowy czujnik prędkości jazdy (8 12)º (9 16) V Liczba impulsów na obrót 6 Pobór prądu dla końcówki + Pobór prądu dla końcówki - 28 ma 20 ma 116

15 Program ćwiczenia 1) Badanie czujnika indukcyjnego NaleŜy rejestrować oscyloskopem przebieg sygnału napięciowego z czujnika w zaleŝności od prędkości obrotowej silnika i szerokości szczeliny pomiędzy czujnikiem a zębami tarczy pomiarowej. Do regulacji szczeliny powietrznej słuŝy regulator, który pozwala na regulację szczeliny powietrznej w granicach od 0,1 mm do 10 mm. Wykreślić zaleŝność amplitudy indukowanego napięcia w funkcji prędkości obrotowej dla trzech róŝnych szczelin powietrznych oraz zaleŝność amplitudy napięcia w funkcji szerokości szczeliny dla kilku róŝnych prędkości obrotowych. 2) Badanie aparatu zapłonowego NaleŜy rejestrować oscyloskopem przebieg sygnału napięciowego z czujnika reluktancyjnego w zaleŝności od prędkości obrotowej silnika oraz przebiegi z modułu zapłonowego równieŝ w funkcji prędkości obrotowej. MoŜna porównać częstotliwość impulsów generowanych w module zapłonowym z prędkością obrotową wskazywaną przez obrotomierz. Częstotliwość impulsów zapłonowych moŝna obliczyć ze wzoru: f pn =, (9.4) 30sN gdzie: p liczba cylindrów (dla Poloneza p = 4), n prędkość obrotowa wału korbowego w obr/min, s liczba suwów (dla Poloneza s = 4), N liczba cewek zapłonowych (dla Poloneza N = 1). NaleŜy pamiętać Ŝe w silniku czterocylindrowym przypadają dwa impulsy na obrót wału korbowego. Biorąc pod uwagę, Ŝe wał korbowy obraca się dwukrotnie szybciej niŝ aparat zapłonowy, do obliczeń naleŝy uwzględnić okres jednego impulsu generowanego przez aparat zapłonowy. Opracowując wyniki pomiarów naleŝy porównać prędkość wskazywaną przez obrotomierz z prędkością obliczoną ze wzoru (9.4). 117

16 3) Halotronowy czujnik prędkości NaleŜy rejestrować oscyloskopem przebieg sygnału napięciowego z czujnika reluktancyjnego w zaleŝności od prędkości obrotowej silnika. Prędkość liniowa samochodu symulowana jest w zakresie (0 180) km/h. Literatura 1. Strona internetowa: 2. Praca zbiorowa: Informator techniczny Bosch. Czujniki w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa ISBN Bustrycki M.: Eletrotechnika w Polonezie. AUTO, Warszawa ISBN Lamczyk A.: Badanie czujników w zintegrowanym systemie wtrysku i zapłonu. Praca dyplomowa inŝynierska, Politechnika Śląska, Gliwice