6. SENZORII ELECTRONICI DE PE AUTOMOBIL

În cei mai simpli termeni, senzorii electronici de pe automobil sunt dispozitive care oferă unităţii electronice centrale (UEC) informaţiile necesare pentru a calcula, de exemplu, timpii de aprindere şi cantitatea de combustibil ce urmează a fi injectată în cilindrii.

După cum era de aşteptat, senzorii electronici sunt utili în variate circuite de control în buclă deschisă sau închisă, nu doar pe automobile. Cu toate acestea, principiul lor de operare este similar, atât în aplicaţiile de tip automotive, cât şi în alte tipuri de aplicaţii. Datorită acestui fapt, modul de funcţionare al fiecărui senzor va fi studiat în cele ce urmează ca principiu fizic general, cu particularizare la UEC.

6.1 Senzorul de vibraţie (knock):

Termenul de “knocking” în contextul de faţă reprezintă combustia necontrolată înăuntrul cilindrilor unui motor cu combustie internă. În acest caz, o parte a amestecului de aer şi combustibil se aprinde în mod spontan, nu de la bujie, precum în cazul normal.

Fig.1 Senzorul de vibraţii încastrat în carcasa blocului motor

Rezultatul unei astfel de combustii necontrolate este apariţia unei presiuni ce împinge pistonul în sensul invers cursei sale normale. Temperatura în interiorul cilindrului creşte necontrolat, spre valori maxime ce pot topi talpa pistonului. Un alt efect negativ ar putea fi expansiunea pistonului dincolo de limitele normale datorită căldurii excesive produse, ceea ce ar duce la frecarea acestuia de pereţii cilindrului. În oricare din aceste două cazuri, pistonul ar ceda, ceea ce ar duce la daune majore asupra motorului.

Senzorul de vibraţie se bazează pe efectul piezo-electric, convertind vibraţiile mecanice din carcasa blocului motor în impulsuri electrice ce pot fi evaluate electronic de către UEC. Deformaţia direcţională a unui material piezo-electric duce la apariţia unor dipoli microscopici

înăuntrul celulelor elementare. Dacă apar destui dipoli, schimbarea în concentraţia de sarcină este măsurabilă ca tensiune.

Utilizarea senzorului de vibraţie în automobil a îmbunătăţit semnificativ alimentarea cu combustibil a motorului. Abilitatea de a muta momentul aprinderii cât mai aproape de momentul exploziei îmbunătăţeşte consumul de combustibil, nivelele de emisie de gaze, precum şi puterea şi cuplul generate de motor.

Dacă un sistem de control a motorului posedă un senzor de vibraţie, acesta poate fi adaptat automat la diverse tipuri de combustibil. Motoarele proiectate să funcţioneze pe combustibil premium sunt deasemenea compatibile cu tipurile de combustibil obişnuit, iar motoarele ce utilizează combustibil cu cifră octanică ridicată pot funcţiona şi cu combustibil premium. Cu toate acestea, conversia combustibililor duce la o uşoară creştere în consum (datorită întârzierii apărute în momentul aprinderii), astfel că rentabilitatea conversiei este nesemnificativă.

Un singur senzor de vibraţie este, de obicei, de ajuns pentru motoarele mici, dar pentru motoarele cu mai mult de 4 cilindrii, cu cilindrii în V sau în configuraţie Boxer, e nevoie de cel puţin doi senzori.

6.2 Senzorul de presiune:

Un senzor de Presiune Absolută Variată (P.A.V.) măsoară presiunea absloută într-o conductă de aspirare în raport cu presiunea ambientală. Acest senzor este poziţionat între clapeta de acceleraţie şi valvele de admisie. Când clapeta de acceleraţie este închisă, mişcarea în jos a pistonului creează o presiune negativă puternică (presiune joasă absolută) în conducta de aspirare. Când clapeta de acceleraţie este deschisă, aerul intră în conducta de aspirare astfel că valoarea presiunii negative descreşte (presiunea absolută creşte). Prin urmare, presiunea absolută a conductei de aspirare este o măsură a încărcării motorului.

Fig.2 Structura senzorului de presiune:A – Piezo-membrana elemetului de măsură; B – Camera de referinţă; C – Conducta de conexiune a

furtunului de măsură; D – Circuitul de evaluare (amplificarea semnalului);

E – Furtunul conectat la conducta de măsurareSenzorul P.A.V. conţine o piezo-membrană din cristale de silicon. Pe suprafaţa membranei

sunt ataşate traductoare tensometrice, două în mijloc şi două pe margini.Pe măsură ce presiunea pe suprafaţa membranei creşte, aceasta se îndoaie, crescând astfel

rezistenţa traductoarelor interioare şi scăzând-o pe cea a traductoarelor exterioare. Un circuit intern de evaluare (punte), integrat în senzor, îşi modifică proporţional tensiunea de ieşire între 0,2 şi 4,3 V.

În cazul motoarelor care nu sunt supra-alimentate, presiunea variază între valori mult mai mici de 1 bar până la aproape 1 bar; în cazul motoarelor turbo, supra-presiunea poate atinge valori de 2 bari.

Senzorii de presiune sunt din ce în ce mai des utilizaţi în automobile, cu o distincţie clară între senzorii de supra-presiune şi cei de sub-presiune. Cei dintâi sunt folosiţi pentru măsurarea supra-presiunii la motoarele turbo, a presiunii atmosferice, a presiunii în roţi şi a presiunii combustibilului în cazul motoarelor diesel cu injecţie directă. Deşi aceşti senzori sunt proiectaţi să măsoare într-o plajă largă de valori ale presiunii, ei funcţionează pe baza aceluiaşi principiu.

6.3 Debitmetrul de aer:

Un debitmetru de aer măsoară cantitatea de aer ce trece prin conducta de admisie în unitatea de timp. Deoarece cantitatea de oxigen din fluxul de aer este proporţională cu debitul măsurat, această variabilă poate fi utilizată pentru controlul procesului de combustie, în special la motoarele cu combustie internă.

Fig.3 Structura debitmetrului de aer (stânga) şi principiul de funcţionare (dreapta):A – Conexiuni electrice; B – Carcasa; C – Admisia de aer; D – Elementul de măsură

Debitmetrul este intalat între filtrul de aer şi conducta de admisie a motorului. În acest fel, aerul necesar amestecului inflamabil trece prin debitmetru. Informaţia despre debitul de admisie a aerului etse transmisă către UEC, unde va fi calculată cantitatea de combustibil ce

trebuie injectată în amestec. Motoarele care nu utilizează debitmetre de aer folosesc un senzor de tip P.A.V.

Motoarele automobilelor sunt utilizate cu debitmetre cu placă filmată. În acest caz, o suprafaţă de măsură (partea filmată) este încălzită până la o valoare prescrisă a temperaturii. În momentul în care aerul trece pe deasupra suprafeţei, aceasta este răcită, pentru ca, mai apoi, circuitul intern al senzorului (punte Wheatstone) să re-încălzească placa filmată până la temperatura prescrisă.

Valoarea curentului necesar pentru re-încălzirea filmului indică valoarea debitului de aer ce a trecut prin senzor. Această valoare a curentului este convertită de circuitele electronice ale debitmetrului într-o valoare a tensiunii de ieşire.

Avantaje:• Reacţie rapidă• Acurateţe ridicată a măsurării debitului, în special pentru nivele joase (0 – 1 m/s)• Ieftin

Dezavantaje:• Se poate murdări• Expus la deteriorări de ordin mecanic

Pentru a evita deteriorarea mecanică sau murdărirea senzorului, doar o parte a debitului de aer necesar motorului este trecut prin debitmetru.

6.4 Senzorul Hall:

Descoperit de către Edwin Hall în 1879, efectul Hall se referă la apariţia unui câmp electric în momentul în care un conductor parcurs de curent electric se află într-un câmp magnetic staţionar. Vectorul de tensiune perpendicular pe direcţia curentului şi pe direcţia de orientare a câmpului magnetic se numeşte tensiune Hall (UH).

Fig.4 Structura senzorului Hall:1 - Curea rotativă într-un distributor cu 4 sectoare; 2 – Magnet permanent; 3 – Senzor Hall

În cazul în care senzorul Hall este plasat pe arborele cu came, scopul său este de a identifica primul cilindru (la începutul injecţiei de combustibil, controlul vibraţiilor, controlul aprinderii) în coordonare cu senzorul plasat pe arborele cotit. Pe de altă parte, senzorul Hall poate oferi următoarele informaţii:

• Viteza de ieşire a curelei de transmisie• Detectarea activă a vitezei în cadrul sistemelor de tip ABS• Înregistrarea parametrilor aprinderiiÎn cele ce urmează, va fi prezentat principiul de funcţionare al senzorului Hall plasat pe

arborele cu came. Un rotor alcătuit dintr-un material magnetic este plasat pe acelaşi ax cu arborele cu came, rotindu-se odată cu acesta. Circuitul integrat de tip Hall este plasat între rotor şi un magnet permanent. Dacă un semn (de exemplu, un dinte de pe roată) trece prin dreptul elementului de măsură (placă semiconductoare) a senzorului de pe arbore, intensitatea câmpului magnetic perpendicular pe elementul Hall se modifică, ceea ce va duce la apariţia unei tensiuni Hall în senzor.

Cu toate acestea, această tensiune este foarte mică, de ordinul milivolţilor. Senzorul conţine un circuit integrat de evaluare ce procesează impulsurile şi le trimite sub formă de semnale dreptunghiulare către UEC.

Spre deosebire de cazul senzorului inductiv, tensiunea semnalului nu depinde de viteza relativă a senzorului şi a rotorului (respectiv a motorului).

6.5 Senzorul inductiv:

Aşa cum numele său sugerează, un senzor inductiv funcţionează pe principiul inducţiei, conform căruia o tensiune este generată într-o înfăşurare care se mişcă în raport cu un cîmp magnetic ce o înconjoară.

Fig.5 Principiul de funcţionare al senzorului inductiv (stânga) şi structura acestuia (dreapta):A – Conexiuni electrice; B – Înfăşurare; C – Magnet permanent; D – Miez moale de fier

Senzorii inductivi sunt utilizaţi pentru:• Măsurarea vitezei (la arborele cotit, cutia de viteze sau în sistemele ABS)• Determinarea poziţiei arborelui cotit• Generarea pulsurilor pentru aprindereCa senzor pentru arborele cotit, cu scopul de a măsura viteza motorului, senzorul inductiv

este compus dintr-un magnet permanent şi o bobină (înfăşurare de inducţie) cu miez moale de fier. Generatorul de pulsuri este alcătuit dintr-o roată dinţată montată pe volant, pe arborele cotit sau pe roata de transmisie, doar un întrefier redus despărţind-o de senzorul inductiv.

Fulxul magnetic prin înfăşurare depinde de care parte a roţii dinţate se găseşte în faţa senzorului. Dacă dintele se găseşte în acea poziţie, câmpul magnetic este concentrat, puternic, în timp ce pentru slăbirea câmpului, e necesar ca un spaţiu dintre doi dinţi să se afle în dreptul senzorului.

Când arborele cotit şi roata dinţată se rotesc, fiecare trecere a oricărui dinte prin faţa senzorului modifică valoarea câmpului magnetic, inducând o tensiune în înfăşurare. Numărul pulsurilor în unitatea de timp dau valoarea vitezei motorului. Rolul spaţiilor dintre dinţii roţii este de a ajuta UEC să identifice poziţia instantanee a motorului.

6.6 Clapeta de acceleraţie:

Unitatea de comutaţie a clapetei de acceleraţie serveşte la a oferi informaţii despre setările clapetei şi este montată direct pe axa acesteia. Setările acceleratorului sunt transmise către UEC şi sunt folosite la calculul necesarului de combustibil.

Fig.6 Structura unităţii de comutaţie a clapetei de acceleraţie:1 – Axa clapetei de acceleraţie; 2 – Contactul de relanti (micro-comutator); 3 – Contactul de încărcare

maximă

Unitatea de comutaţie conţine două comutatoare acţionate cu ajutorul unui schimbător. Ambele comutatoare oferă UEC informaţii despre starea de relanti a motorului şi despre starea

de încărcare maximă pentru a calcula precis unghiul de aprindere şi cantitatea necesară de combustibil.

La relanti, unitatea de comutaţie se comportă în felul următor: permite întreruperea alimentării cu combustibil în timpul auto-propulsării, reducând semnificativ consumul la motoarele pe injecţie în comparaţie cu motoarele cu carburator. Când automobilul se află în modul de auto-propulsare (rulând sub propriul impuls, cu pedala de gaz închisă), comutatorul anunţă UEC că acceleratorul este închis, astfel încât UEC să oprească injecţia de carburant la o viteză a motorului peste 1800 rpm; când viteza motorului scade sub 1200 rpm, injecţia de carburant este reluată pentru a preveni blocarea motorului. Valorile pragului de viteză depind de sistemul de injecţie al combustibilului.

În cazul încărcării totale, unitatea de comutaţie anunţă UEC de acest fapt, astfel ca UEC să îmbunătăţească amestecul de combustibil pentru a asigura o accelerare lină.

Potenţiometrul clapetei de acceleraţie îndeplineşte aceeaşi funcţie ca şi unitatea de comutaţie prezentată mai sus. Abilitatea de a determina mult mai precis setările curente ale clapetei este o îmbunătăţire faţă de unitatea de comutaţie. Mai mult, potenţiometrul oferă UEC şi informaţii despre frecvenţa cu care clapeta este deschisă/închisă prin acţionarea pedalei de acceleraţie de către şofer. Această informaţie permite UEC să ajusteze procentajul de carburant din amestecul combustibil mult mai precis decât cu informaţii obţinute de la unitatea de comutaţie.

Fig.7 Principiul de funcţionare (stânga) şi structura potenţiometrului clapetei de acceleraţie:1 – Pista potenţiometrului; 2 – Contactul alunecător; 3 – +5V; 4 – Semnal; 5 – Masa

Potenţiometrul este, din punct de vedere constructiv, o rezistenţă variabilă ce conţine un contact alunecător ce poate fi mutat de-a lungul unei piste. Contactul este legat la arborele clapetei, astfel că o schimbare în poziţia contactului modifică setările clapetei.

Conform cu legea lui Ohm, tensiunea de 5 V aplicată cade în întregime pe toată lungimea pistei. În alte cuvinte, la pinul de semnal (ieşire) sunt 5 V în cazul în care contactul alunecător se găseşte la limita din stânga, 0 V dacă se află la limita din dreapta şi 2,5 V dacă el se găseşte la mijlocul pistei.

În practică, limitele maximă şi minimă sunt restricţionate la valorile de 4,3 V, respectiv de 0,7 V, în funcţie de design. Restricţiile au rolul de a facilita identificarea scurt-circuitelor şi a întreruperilor liniilor de semnal.

Pentru calculul sarcinii, semnalul de la ieşirea potenţiometrului este folosit împreună cu semnalul primit de la sonda lambda în cazul injecţiei printr-un singur punct, şi împreună cu semnalul de la debitmetru sau de la senzorul de presiune absolută în cazul motoarelor cu injecţie multi-punct.

În sistemele ce incorporează o funcţie de accelerare electronică (E-gaz), semnalul potenţiometrului este utilizat pentru controlul în buclă închisă în legătură cu servomotorul ce acţionează clapeta de acceleraţie.

Este important pentru potenţiometru să ofere un semnal continuu, fără întreruperi. Pe măsură ce acesta se uzează, pista se deteriorează, ceea ce poate duce la transmiterea de semnale eronate ce nu pot fi interpretate ca atare în timpul auto-diagnosticării. Acest lucru se întâmplă când o citire a unei tensiuni în limite normale este posibilă deşi semnalul nu este prezent.

6.7 Senzorii de temperatură de tip NTC şi PTC:

Termistoarele (NTC, PTC, KTY) îşi modifică valoarea rezistenţei în funcţie de temperatură. Ele se fabrică la caracteristici de temperatură standardizate, respectiv legătura dintre valoarea rezistenţei la un moment dat şi temperatura sunt cunoscute. Drept urmare, când se ştie valoarea rezistenţei, valoarea temperaturii poate fi determinată.

În automobilele moderne, tipurile cele mai des întâlnite de termistoare sunt PTC (Positive Temperature Coefficient) şi NTC (Negative Temperature Coefficient).

Senzorii de tip PTC îşi modifică rezistenţa (aceasta creşte) odată cu creşterea temperaturii, pe o caracteristică exponenţială, astfel că la temperaturi joase, variaţia acesteia nu modifică semnificativ variaţia rezistenţei, pe când la temperaturi înalte, senzorul de tip PTC este mult mai sensibil la variaţiile de temperatură. Această caracteristică îl recomandă pentru locurile din automobil unde temperatura ambientală este mereu ridicată, ca de exemplu la evacuarea gazelor.

Senzorii de tip NTC îşi modifică valoarea rezistenţei (aceasta scade) odată cu creşterea temperaturii. Valoarea rezistenţei scade exponenţial, în mod invers ca la senzorii PTC, astfel că la temperaturi normale valoarea rezistenţei scade rapid, în timp ce la valori ridicate, variaţia este nesemnificativă. Această caracteristică recomandă senzorul NTC pentru aplicaţii unde temperatura nu variază mult de la valoarea ambientală, precum la aerul condiţionat sau la măsurarea temperaturii exterioare.