Датчики детонации используются для обнаружения явления детонации, т. е. взрывного воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Детонация вызывает сильную ударную вибрацию и перегрев ДВС, что может привести к механическим повреждениям деталей двигателя. Контроль за детонацией особенно актуален у современных ДВС, поскольку для их эффективной работы обеспечивают оптимальный угол опережения зажигания, близкий к предельному, за которым начинается детонация. Этим обеспечивается наиболее полное сгорание топливно-воздушной смеси, сопровождаемое повышением КПД двигателя, его мощности, экологичности и экономичности, а также появлением возможности применения бензина с различным октановым числом.
В системах управления ДВС применяются различные датчики контроля детонации: датчики температуры, давления, света, возбуждаемого при воспламенении газовой смеси, и др. Основными критериями при выборе типа датчика являются точность и достоверность показаний, стоимость, надежность и габариты. Наиболее полно всему этому комплексу требований удовлетворяют вибрационные датчики детонации, предназначенные для регистрации вибрационных колебаний корпуса ДВС.
Чаще всего обнаружение детонации производится путем измерения ударной вибрации цилиндров с помощью пьезоэлектрического датчика детонации. В качестве чувствительного элемента такого датчика используется пластина пьезоэлектрического кристалла (в основном из пьезокерамики). Это объясняется, в частности, тем, что пьезокерамика обладает высокой химической стойкостью при повышенных температурах, высокой пьезочувствительностью и небольшой стоимостью.
Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). В датчиках детонации используется прямой пьезоэффект. При механическом воздействии МВ на пластину пьезокристалла ПК на токопроводящих покрытиях появляется разность электрических потенциалов U вых, значение которой пропорционально силе механического воздействия. Схема данного воздействия представлена в соответствии с рисунком 2.
Рисунок 2
Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые геометрические размеры, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропротекающих процессов. В частности, их рабочий диапазон частот составляет от 0,1 Гц до 20 кГц. Амплитудная характеристика линейна в динамическом диапазоне до 120 дБ. Они не требуют источника питания, поскольку являются преобразователями генераторного типа, не имеют подвижных деталей, что гарантирует исключительную долговечность.
Упрощенная конструктивная схема пьезоэлектрического датчика детонации представлена в соответствии с рисунком 3. Под действием инерционных сил, создаваемых инерционной массой 2, деформируется пьезоэлемент 1, на металлизированных обкладках которого в результате прямого пьезоэффекта возникают электрические заряды, передаваемые во внешнюю цепь с помощью электрических выводов.
Рисунок 3
Упрощенная конструктивная схема пьезоэлектрического датчика детонации представлена в соответствии с рисунком 3. Под действием инерционных сил, создаваемых инерционной массой 2, деформируется пьезоэлемент 1, на металлизированных обкладках которого в результате прямого пьезоэффекта возникают электрические заряды, передаваемые во внешнюю цепь с помощью электрических выводов.
Выходная электрическая мощность таких преобразователей очень мала, поэтому для согласования с электронной системой управления на его выход включается усилитель напряжения с возможно большим входным сопротивлением.
Среди всей совокупности датчиков детонации по режиму работы выделяют преобразователи широкополосного, резонансного и полурезонансного типов.
К широкополосным относят пьезоэлектрические преобразователи
рабочим диапазоном частот 4–10 кГц, сформированным на плоской части амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), ниже собственной резонансной частоты. Такие датчики детонации универсальны в применении: их можно использовать в ДВС с различными системами управления (моно- и распределенным впрыском) и с различными частотами вибрационных ускорений (детонационных режимов).
К резонансным датчикам относят преобразователи с узкой полосой пропускания (50–300 Гц), собственная частота которых настроена на частоту детонации ДВС. В связи с тем, что резонансные частоты даже для ДВС одной модели различаются в пределах 5 %, такие датчики детонации не находят широкого применения для управления ДВС серийных автомобилей.
Полурезонансные датчики – это преобразователи с широкой полосой пропускания (до 1000 Гц) и с АЧХ, синтезированной из двух или более пересекающихся характеристик резонансных режимов. Они сочетают в себе достоинства широкополосных датчиков (широкая полоса пропускания) и резонансных (усиление информационного сигнала).
Пьезоэлемент посредством болта прижимается к полированной площадке блока цилиндров 6. Точка установки датчика определяется экспериментально на этапе конструкторской разработки ДВС. Для отработанной модели блока цилиндров место установки датчика детонации остается постоянным.
При детонации в специфическом спектре частот (обычно 6–12 кГц) в выходном сигнале датчика появляется переменная составляющая с высокой амплитудой. Выделяя эту частотную область с помощью полосового фильтра электронного блока управления двигателем, получают сигнал для распознавания детонации. На рис. 3.5 показан вариант выходного сигнала датчика детонации.
Основные функциональные и эксплуатационные характеристики ДД различных отечественных и зарубежных фирм, представлены в соответствии с таблицей 5.1.
Таблица 5.1- Основные функциональные и эксплуатационные характеристики ДД
| Тип ДД и фирма-производитель | |||||||||
| резонанс- | |||||||||
| широкополосные | резонансные | но- | |||||||
| широкопо- | |||||||||
| Характеристика | лосные | ||||||||
| GT305, | D2, | DR 562, | |||||||
| Bo s h, | General | ||||||||
| Ураль- | GT300 | ||||||||
| ″Olson″, | motors | ||||||||
| ФРГ | ский | УЭМЗ | |||||||
| ЭМЗ | США | corp., | |||||||
| США | |||||||||
| Коэффициент преобразо- | |||||||||
| вания ускорения в электри- | |||||||||
| ческое напряжение, мВ/g | 28 | 32 | 300 | 1000 | 1000 | ||||
| Рабочий диапазон частот, | |||||||||
| кГц | 4–10 | 4–10 | 6,6–6,9 | 7,3–7,7 | 5,5–6,4 | ||||
| Неравномерность АЧХ в | |||||||||
| рабочем диапазоне частот, | ±1,5 | ±1 | ±3 | ±3 | ±3 | ||||
| дБ | |||||||||
| Собственная электрическая | |||||||||
| емкость, нФ | 1 | 1 | 3 | 6 | 3 | ||||
| Основная резонансная час- | >22 | >22 | |||||||
| тота, кГц | 6,8 | 7,5 | 6 | ||||||
| Максимальная рабочая | |||||||||
| температура, °С | 125 | 150 | 125 | 150 | 125 | ||||
| Габариты, мм | Под | Под | |||||||
| ключ | ключ | ||||||||
| ∅28×18 | ∅28×18 | 24×40 | 24×18 | ∅35×52 | |||||
БЛАНК ОТЧЁТА О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №6
«Исследование датчика детонации»
Ф.И.О. студента_____________________________
Группа_____________________________________
Дата_______________________________________
Преподаватель______________________________
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое детонация?
2. Каковы причины возникновения и необходимости контроля детонации в ДВС?
3. Как согласуется работа датчика детонации с электронной системой управления ДВС автомобиля?
4. Каким образом совершается контроль детонации в электронной системе автоматического управления двигателем?
Письменные ответы на вопросы самоподготовки:
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
| Работу выполнил студент «_____» ____________ 20_____ ___________________________ (номер по журналу и подпись) | Работу принял преподаватель (мастер) «_____» _______________ 20_____ _______________________________ (подпись) |
