Czujniki ciśnienia absolutnego w układach sterowania silnika

Wartość ciśnienia atmosferycznego zależy między innymi od:

- warunków pogodowych;

- wysokości nad poziomem morza, na której porusza się samochód.

Powoduje to zmiany mierzonej wartości pod- lub nadciśnienia, które uniemożliwiają uzyskanie wymaganej dokładności pracy układu sterowania silnika. Z tego powodu czujniki pod- lub nadciśnienia nie są stosowane w układach dolotowych współczesnych silników.

Zastąpiły je czujniki ciśnienia absolutnego, które mierzą ciśnienie w skał absolutnej. Porównują wartość mierzonego ciśnienia, z ciśnieniem panującym w minikomorze próżniowej czujnika, o stałej wartości, bliskiej zeru. Mierzona w ten sposób wartość ciśnienia nie jest zależna od wartości ciśnienia atmosferycznego. Czujniki ciśnienia absolutnego mierzą również wartość ciśnienia atmosferycznego.

Sygnał wyjściowy czujnika ciśnienia absolutnego (informacja o wartości mierzonego ciśnienia absolutnego) jest przeważnie sygnałem typu napięciowego. Są też czujniki ciśnienia absolutnego w kolektorze dolotowym, np. stosowane przez firmę Ford, w których sygnał wyjściowy jest sygnałem

typu częstotliwościowego (błędnie nazywany cyfrowym).

Ma on kształt prostokątny, o stałej amplitudzie. Miarą mierzonego ciśnienia absolutnego jest częstotliwość sygnału wyjściowego.

Czujnik ciśnienia absolutnego w układzie dolotowym silnika, szczególnie wolnossącego, jest nazywany w języku angielskim „MAP-sensor”, „MAP” to skrót od słów „Manilold Absolute Pressure”, które tłumaczymy jako „ciśnienie absolutne w kolektorze dolotowym”. W wersji skróconej, w naszym języku, ten czujnik nazywamy „MAP-sensorem" lub „czujnikiem MAP”.

Czujnik ciśnienia absolutnego, montowany w układzie dolotowym silnika doładowanego, za sprężarką lub turbosprężarką, jest nazywany w języku angielskim „Boost-sensor", co tłumaczymy jako „czujnik ciśnienia doładowania". Obie nazwy, angielska i polska, mogą być mylące, bowiem nie informują, jakie ciśnienie mierzy ten czujnik - absolutne czy nadciśnienie (nadciśnienie mierzy mechaniczny manometr, jeśli przyłączymy go do kolektora dolotowego).

Czujnik ciśnienia absolutnego w układzie dolotowym silnika wolnossącego (bez układu doładowania), np. silnika ZI, mierzy ciśnienie w zakresie:

- od ciśnienia bliskiego próżni;

- do ciśnienia bliskiego atmosferycznemu; tylko chwilowo występują ciśnienia nieznacznie wyższe od atmosferycznego (efekt działania tzw. doładowania bezsprężarkowego).

W układach sterowania silników wolnossących, są wykorzystywane czujniki ciśnienia absolutnego, o takim zakresie pomiarowym, lub zbliżonym, jaki cechuje przykładowy czujnik firmy Bosch (jeden z wielu), prezentowany na rys. 1. Zakres pomiarowy przykładowego czujnika ciśnienia absolutnego, wynosi od 10 do 115 kPa.

Czujnik ciśnienia absolutnego w układzie dolotowym silnika doładowanego (układ doładowania sprężarką lub turbosprężarką lub obydwoma typami sprężarek równolegle), np. popularnych dziś silników ZS, mierzy ciśnienie w zakresie:

- od ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego;

- do ciśnienia równego wielokrotności ciśnienia atmosferycznego.

W układach sterowania silników doładowanych, są wykorzystywane czujniki ciśnienia absolutnego, o takim zakresie pomiarowym, lub zbliżonym, jaki cechuje przykładowy czujnik firmy Bosch (jeden z wielu), prezentowany na rys. 2. Zakres pomiarowy przykładowego czujnika ciśnienia absolutnego, wynosi od 50 do 400 kPa.

Firma Pierburg, w jednej z informacji serwisowych, zwróciła uwagę, że w układach sterowania nowoczesnych silników, jest wykorzystywanych nawet kilka czujników ciśnienia absolutnego. Mają różne zakresy pomiarowe, oraz posiadają lub nie czujnik temperatury powietrza. Przykładem takich silników są silniki 1,4l TSI firmy Volkswagen, oznaczone kodami BMY (moc silnika 103 kW) oraz BLG (moc silnika 125 kW). Oba są prekursorami tzw. downsizingu, czyli obniżania pojemności skokowej silnika, w połączeniu z doładowaniem mechanicznym lub turbosprężarką, aby gdy potrzeba, silnik mógł pracować z wymaganą, większą wartością momentu obrotowego, która dotychczas była oferowana przez silniki o większej pojemności skokowej. Oba wymienione silniki są ponadto zasilane układem bezpośredniego wtrysku benzyny, co dodatkowo przyczynia się do obniżenia zużycia paliwa.

Układ doładowania tych silników składa się z połączonych szeregowo: sprężarki mechanicznej (2, rys. 3) i turbosprężarki (13). Sprężarka mechaniczna typu Roots (2) jest napędzana od wału korbowego silnika (7) dwoma przekładniami pasowymi (6 i 4), za pośrednictwem sprzęgła elektromagnetycznego (5) zamontowanego przy pompie płynu chłodzącego, które włącza napęd sprężarki. Wirniki sprężarki mechanicznej (5, rys. 4) obracają się pięciokrotnie szybciej niż wał korbowy silnika. Obroty są zwiększane przez obie przekładnie pasowe (1 i 2, rys. 4) i przez przekładnię (3) w sprężarce.

Turbosprężarka (13, rys. 3 i rys. 5) jest wyposażona w:

- zawór upustowy (11, rys. 3) do regulacji ciśnienia doładowania;

- zawór powietrza obiegowego turbosprężarki dla funkcji hamowania silnikiem (14, rys. 3), który otwiera się podczas hamowania silnikiem, aby nie nastąpił wzrost ciśnienia w kolektorze dolotowym; ten wzrost ciśnienia hamuje wirnik sprężarki, a tym samym zwiększa zwłokę „powrotu" do tłoczenia powietrza, gdy pedał przyspieszenia zostanie ponownie naciśnięty. Powietrze tłoczone przez sprężarkę przepływa przez chłodnicę powietrza doładowującego (10).

Droga przepływu powietrza do silnika zależy od prędkości obrotowej i pożądanej przez kierowcę wartość momentu obrotowego silnika.

Dla każdej pary tych wielkości sterownik silnika określa sposób doprowadzenia powietrza do silnika oraz reguluje wartość ciśnienia doładowania przez:

- włączenie sprzęgła elektromagnetycznego (5, rys. 3), jeśli ma pracować sprężarka mechaniczna;

- ustawienie klapy (3, rys. 3), regulującej przepływ powietrza przez sprężarkę mechaniczną (2);

- sterowanie zaworem upustowym spalin (11, rys. 3) jeśli jest konieczna regulacja ciśnienia doładowania turbosprężarki.

Pracująca samodzielnie sprężarka mechaniczna tłoczy powietrze pod maksymalnym ciśnieniem absolutnym 1,75 bara (nadciśnienie 0,15 bara), już od obrotów silnika niewiele wyższych od obrotów biegu jałowego (linia wykresu nr 1, rys. 6). Przy wzroście prędkości obrotowej, od obrotów biegu jałowego silnika, rośnie ciśnienie doładowania turbosprężarki (linia wykresu nr 2, rys. 6).

Ciśnienie doładowania silnika, jest sumą ciśnień powietrza tłoczonego przez obie sprężarki (linia wykresu nr 3). Wsparcie turbosprężarki przez sprężarkę mechaniczną spowodowało, że:

- od obrotów niewiele wyższych od obrotów biegu jałowego, silnik pracuje z wysoką wartością momentu obrotowego;

- nie ma zjawiska tzw. turbodziury, czy opóźnionej reakcji turbosprężarki przy nagłym wzroście obciążenia silnika, w niskim zakresie prędkości obrotowych.

W układzie sterowania tego silnika znajdują się cztery czujniki ciśnienia absolutnego:

- trzy są zamontowane w układzie dolotowym silnika (oznaczone A, B i C na rys. 3);

- czwarty jest w sterowniku silnika,

Ten czujnik (A, rys. 3 i rys. 7), jest zamontowany w układzie dolotowym, za sprężarką mechaniczną (2, rys. 3) i za klapą regulującą przepływ powietrza przez sprężarkę mechaniczną. Mierzy ciśnienie absolutne i temperaturę powietrza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczną. Wykorzystanie sygnału czujnika przez program sterownika. Informacja o ciśnieniu powierza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczne, jest wykorzystywana do regulacji tego ciśnienia, z wykorzystaniem klapy regulującej przepływ powietrza przez sprężarkę mechaniczną.

Informacja o temperaturze powietrza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczne jest wykorzystywana do zabezpieczenia elementów układu dolotowego przed przegrzaniem. Jeśli temperatura przekracza wartość 130°C, zmniejszane jest ciśnienie powietrza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczną.

Praca programu sterownika przy błędnym sygnale czujnika. Jeśli wartość sygnału ciśnienia lub temperatury powietrza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczną jest nieprawidłowa, to program sterownika:

- przerywa regulację ciśnienia powietrza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczną;

- przechodzi do sterowania sprężarką mechaniczną,

Zmniejszona zostaje wartość momentu obrotowego silnika, w dolnym zakresie prędkości obrotowej.

Ten czujnik (B, rys. 3 rys. 8), jest zamontowany w układzie dolotowym, bezpośrednio przed przepustnicą (9, rys. 3). Mierzy ciśnienie absolutne powietrza doładowującego, które jest sumą ciśnienia powietrza tłoczonego przez sprężarkę mechaniczną i ciśnienia powietrza tłoczonego przez turbo sprężarkę, oraz temperaturę powietrza doładowującego. Nazywany jest również czujnikiem ciśnienia doładowania. Wykorzystanie sygnału czujnika przez program sterownika. Informacja o ciśnieniu powierza doładowującego jest wykorzystywana do regulacji ciśnienia powietrza tłoczonego przez turbosprężarkę, z wykorzystaniem zaworu upustowego spalin (11, rys. 3). Informacja o temperaturze powierza doładowującego jest wykorzystywana do korekcji ciśnienia doładowującego, która uwzględnia wpływ temperatury powietrza na jego gęstość.

Praca programu sterownika przy błędnym sygnale czujnika. Jeśli wartość sygnału ciśnienia lub temperatury powietrza doładowującego jest nieprawidłowa, to program sterownika:

- przerywa regulację ciśnienia powietrza tłoczonego przez turbosprężarkę;

- przechodzi do sterowania turbosprężarką.

Jeśli uszkodzeniu ulegnie inny czujnik układu sterowania silnikiem, wyłączana jest sprężarka mechaniczna (do usunięcia uszkodzenia). Materiały firmy Volkswagen nie podają dokładnie, czy chodzi o jakikolwiek czujnik, czy tylko o czujnik związany z pracą układu doładowania,

Ten czujnik (C, rys. 3 i rys. 9), jest zamontowany w kolektorze dolotowym, za przepustnicą mierzy ciśnienie absolutne temperaturę powietrza, w kolektorze dolotowym.

Wykorzystanie sygnału czujnika przez program sterownika. Informacja o ciśnieniu i temperaturze powietrza w kolektorze dolotowym, wraz z informacją o prędkości obrotowej silnika, są wykorzystywane przez program sterownika do obliczania masowego natężenia przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika.

Praca programu sterownika przy błędnym sygnale czujnika. Jeśli wartość sygnału ciśnienia lub temperatury powietrza w kolektorze dolotowym jest nieprawidłowa, to program sterownika:
- oblicza masowe natężenie przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika, na podstawie wartości kąta otwarcia przepustnicy, temperatury powietrza doładowującego mierzonej przez czujnik G299, oraz prędkości obrotowej silnika;
- przechodzi do sterowania turbosprężarką (przy prawidłowym sygnale tych czujników, ciśnienie powietrza tłoczonego przez turbosprężarkę jest regulowane).
Jeśli uszkodzeniu ulegnie jakiś inny czujnik układu sterowania silnikiem, może zostać wyłączona sprężarka mechaniczna.


Czujnik ciśnienia atmosferycznego

Jest zamontowany w sterowniku silnika. Mierzy ciśnienie absolutne powietrza otoczenia. Wykorzystanie sygnału czujnika przez program sterownika. Informacja o ciśnieniu atmosferycznym jest wykorzystywana przez sterownik do obliczania współczynnika korekcyjnego ciśnienia doładowania, który uwzględnia wpływ ciśnienia atmosferycznego na gęstość powietrza otoczenia (jest ono wokół nas).

Praca programu sterownika przy błędnym sygnale czujnika. Jeśli wartość sygnału ciśnienia atmosferycznego jest nieprawidłowa, to program sterownika przechodzi do sterowania turbosprężarką (przy prawidłowym sygnale tego czujnika, ciśnienie powietrza tłoczonego przez turbosprężarkę jest regulowane). Może wystąpić wzrost emisji składników szkodliwych oraz zmniejszenie momentu obrotowego mocy silnika.

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułów „Czujniki ciśnienia absolutnego w układach sterowania silnika” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Czujniki ciśnienia absolutnego nr 39/Lipiec 2011