Omawiane w tym artykule czujniki w sposób bezpośredni wpływają na charakter pracy silnika poprzez podawanie odpowiednich danych wyjściowych potrzebnych do odpowiedniego wysterowania układu wtryskowego i zapłonowego.

Ciśnienie jest oddziaływaniem siłowym występującym we wszystkich kierunkach, głównie w cieczach i gazach. Są jednak pewne wyjątki dotyczące substancji miękkich plastycznie lub galaretowatych (specjalnego przeznaczenia). Do pomiarów ciśnień używa się próbników statycznych i dynamicznych. Dotychczas w konstrukcji pojazdów jednak praktycznie wyłącznie znajdowały zastosowanie statyczne czujniki ciśnienia.

Pomiaru ciśnienia można dokonać na cztery podstawowe sposoby: w sposób bezpośredni, poprzez pomiar rezystancji zależnej od ciśnienia, poprzez pomiar zmiany pojemności spowodowanej odkształceniami puszki membranowej, poprzez pomiar tensometrami mierzącymi odkształcenie membrany oraz pomiar czujnikiem siły (rys. 5.).

W przypadku pomiarów bezpośrednich efekt objętościowy (ciśnienie) i temperatura mają bezpośredni wpływ na wartość rezystancji podczas tych zmian. W przypadku pomiaru ciśnienia tą metodą sytuacja się nieco komplikuje: pojawia się bowiem pewna trudność w przypadku zidentyfikowania i ograniczenia jednoczesnego wpływu temperatury na odczytywane wartości wyjściowe. Komplikacje mogą również pojawić się w przypadku technologii wyprowadzania przyłączy, pomiędzy którymi musi być zachowana duża szczelność. Najpowszechniejszą formą pomiaru ciśnień jest użycie do pozyskiwania sygnału mechanicznego stopnia pośredniczącego (specjalnej grubości przepona), który pod jednostronnym działaniem ciśnienia zostaje odkształcony. Dobór przepony uzależniony jest ściśle od mierzonego zakresu ciśnienia. Do pomiarów małych ciśnień używa się przepon o grubości z zakresu 1-0,1 mm i dużej średnicy, obecnie wykorzystywana do tego typu pomiarów jest metoda pojemnościowego przetwarzania odległości mierzonej. Duże wartości ciśnień mierzone są przez przepony o większych grubościach i małych średnicach. W tym przypadku do pomiarów wartości wysokich ciśnień stosuje się głównie metodę przetwarzania napięciowego DMS (z niem. Dehnmessstreifen), czyli tensometryczną, bądź inaczej nazywaną metodą rezystancji odkształceniowej.

Pojemnościowe czujniki ciśnieniowe mimo dużej dokładności pomiaru są rzadko stosowane. W przeciwieństwie do innych czujników czujniki ciśnienia wymagają bezpośredniego kontaktu z czynnikiem (medium). Dlatego dielektryczne właściwości mierzonego ośrodka przeważnie zawsze wpływają na kalibrację pojemnościowego przetwornika ciśnienia, który pracuje w różnych warunkach (medium), a nawet bez niego, na sucho. W celu uniezależnienia otrzymywanych wyników z przetwornika pojemnościowego należałoby ograniczyć wpływ czynnika (medium) na pomiar, co wymagałoby dużych nakładów i zabiegów technologicznych.

Do pomiarów ciśnienia metodą (DMS) tensometryczną stosuje się następujące rodzaje tensometrów:

· tensometry foliowe,

· tensometry grubowarstwowe,

· tensometry metalowe cienkowarstwowe,

· tensometry krzemowe cienkowarstwowe,

· rezystory dyfuzyjne. 

gdzie: μ - liczba Poissona (charakteryzuje zmianę zmniejszania przekroju poprzecznego materiału przy jego wydłużaniu), Δl/l - odkształcenie względne zmiany długości, Δd/d - odkształcenie względne zmiany przekroju. Liczbę określającą wartość względnej zmiany odkształcenia ε często podaje się jako wielokrotność 10-6, czyli mikron lub microstrain. W efekcie otrzymujemy

wzór na współczynnik K, określający wartość efektu pomiarowego tensometru:

W przypadku pomiarów z użyciem przepony przegięcie jej w odpowiednim kierunku uzależnione jest jedynie od wartości ciśnień występujących po obu stronach. W tym przypadku rozróżniamy cztery podstawowe rodzaje czujników:

· ciśnienia względnego,

· ciśnienia bezwzględnego,

· ciśnienia barometrycznego,

· różnicy ciśnień.

Pewna grupa czujników ciśnienia nie używa przepon do bezpośredniego przekształcania sygnału, ale do pomiaru przejmowanej siły przez przeponę. Ta grupa to czujniki siły. Ich zakres pomiarowy jest zawsze jednakowy - wówczas dopasowanie do zakresu pomiaru

ciśnienia można uzyskać w sposób mechaniczny, po uprzednim dopasowaniu ugięcia przepony do ruchów czujnika siły, np. przez zastosowanie mechanicznego popychacza.

Czujniki siły stosuje się w czterech odmianach (w przypadku pomiaru ciśnień):

· grubowarstwowe czujniki ciśnienia,

· mikromechaniczne czujniki ciśnienia (rys. 8.),

· czujniki wysokiego ciśnienia z metalową

· przeponą,

· krzemowe czujniki ciśnienia (indykatorowe)

· w komorze spalania.

Grubowarstwowe czujniki ciśnienia stosuje się sporadycznie. Zastosowanie znalazły jedynie w układach sterowania silników M-Motronic i ME-Motronic w dwóch zasadniczych odmianach: czujnika ciśnienia otoczenia i czujnika ciśnienia w przewodzie dolotowym bądź ciśnienia doładowania. Czujnik składa się z elementu pomiarowego i układu obróbki sygnału. Jego działanie opiera się na zastosowaniu grubowarstwowej przepony, pod którą panuje określone ciśnienie odniesienia (zazwyczaj 10 kPa), a w zależności od wartości ciśnienia mierzonego przepona ulega wygięciu. Do pomiaru wartości stosuje się 4 tensometry: 2 tensometry referencyjne, zlokalizowane na krawędzi przepony (nie wnoszą zbyt dużo do wartości sygnału, pełnią jedynie funkcję kompensatora temperaturowego) oraz 2 tensometry aktywne, które znajdują się w środkowej części przepony i zmieniają swoją przewodność pod wypływem zmian mechanicznych, wynikających z różnicy ciśnień, co powoduje zmianę punktu równowagi mostka. Określona wartość wyjściowego napięcia odzwierciedla wartość ciśnienia pomiarowego. Następnie po uwzględnieniu wpływu temperatury zostaje wyznaczona liniowa charakterystyka czujnika i przekazana dalej do sterownika (rys. 9.).

Mikromechaniczne czujniki ciśnienia znalazły zastosowanie głównie w pomiarze ciśnienia czynnika doładowanego lub niedoładowanego w kolektorze dolotowym (rys. 10.), ciśnienia paliwa i oleju oraz ciśnienia otoczenia. W przypadku pomiaru ciśnienia w kolektorze dolotowym dokonuje się pomiaru ciśnienia bezwzględnego. Gdy silnik jest doładowany, czujnik umieszczony jest między urządzeniem sprężającym a kolektorem (zakres pomiaru wynosi około 250 kPa). Wartość ciśnienia mierzonego odnosi się do próżni, dzięki czemu możemy dokonać dokładniejszego pomiaru masy czynnika oraz ciśnienia doładowania. Czujniki ciśnienia atmosferycznego w silniku zwane MCA służą silnie skorelowanej korelacji wartości sygnałów w układach recyrkulacji. Uwzględnia się przy tym gęstość powietrza w otoczeniu. Czujniki ciśnienia paliwa i oleju zazwyczaj umieszczane są w filtrach. Odgrywają ważną rolę w ocenie prawidłowości działania silnika zarówno w trakcie rozruchu, jak i podczas jego pracy (zakres pomiaru: 50-1000 kPa). W przypadku czujników mikromechanicznych obecnie wyróżnia się 2 zasadnicze odmiany czujników: z komorą próżni bazowej (rys. 11.) oraz z próżnią w komorze bazowej (rys. 12.). Czujniki z komorą próżni bazowej składają się z krzemowego chipa, w którym wytrawiono mikromechaniczną przeponę, oraz z 4 tensometrów, których rezystancja zmienia się pod obciążeniem mechanicznym (efekt piezometryczny). Zastosowana szczelna pokrywa próżniowa powoduje odgięcie przepony i uszczelnienie komory. Wartości ugięć, jakim ulega przepona przetwornika, mieszczą się w zakresie 10-1000 μm. W celu zwiększenia czułości przetwornika stosuje się mostek Wheststone'a. Zewnętrzna powierzchnia przepony w stosunku do podlegającej ciśnieniu mierzonemu jest poddawana działaniu komory próżniowej, stanowiąc stronę odniesienia.

Czujnik dokonuje wówczas pomiaru wartości bezwzględnej ciśnienia. Napięcie wyjściowe zazwyczaj mieszczące się w zakresie od 0 do 5 V jest doprowadzane do sterownika, który dokonuje przekształcenia i przeliczenia wartości napięcia na wartość ciśnienia (rys. 13.). W przypadku gdy mamy do czynienia z czujnikiem ciśnienia z komorą próżniową, chip krzemowy wraz z czterema tensometrami i komorą próżniową odgrywają rolę przetwornika pomiarowego. Cokół, na którym umieszczony jest przetwornik, nie ma żadnych otworów, które łączyłyby przeciwną roboczą stronę przepony z medium. W tym przypadku ciśnienie czynnika działa na przeponę od strony chipa. W celu ochrony tej części stosuje się specjalne żele ochronne. Komora próżniowa znajduje się w przestrzeni między szklanym cokołem a chipem przetwornika z elektroniką sygnałową. Znajdujące się w silniku czujniki ciśnienia powietrza służą głównie do uściślenia ilości wtryskiwanego paliwa i początku wtrysku. W przypadku jakiegokolwiek uszkodzenia czujnika ciśnienia (brak sygnału) w układzie dolotowym silnika doładowanego bądź wolnossącego (czujnik ciśnienia atmosferycznego) zostaje wprowadzona do systemu wartość zastępcza ciśnienia, co powoduje obniżenie momentu obrotowego.

Czujniki służące do pomiarów wysokiego ciśnienia znalazły zastosowanie głównie w zasobniku paliwa common rail w silnikach z zapłonem samoczynnym oraz w zasobnikach paliwa silników z zapłonem iskrowym (układ wtryskowy MED-Motronic). Ciśnienie robocze w układzie zasobnikowym common rail wynosi średnio około 160 MPa. Jest ono niezależne od stanu pracy silnika, czyli jego obciążenia lub prędkości obrotowej. W silnikach z zapłonem iskrowym czujniki wysokiego ciśnienia mierzą ciśnienie benzyny w zasobniku paliwa układu bezpośredniego wtrysku paliwa. Ciśnienie w zasobniku benzyny ulega zmianie w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Jego wartość wynosi zazwyczaj 5-12 MPa.

Z całej grupy czujników ciśnienia stosowanych w silniku jednym z ważniejszych jest czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym. Można podzielić je na analogowe i cyfrowe. Obecnie najczęściej stosuje się czujniki ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (cyfrowe), dlatego też zostanie poniżej omówiona diagnostyka tego czujnika. Diagnostykę zaczynamy od pomiaru napięcia miernikiem cyfrowym, w tym celu należy: włączyć zapłon, odszukać zaciski sygnału, zasilania, masy i podłączyć dodatnią końcówkę pomiarową miernika do zacisku sygnału czujnika ciśnienia bezwzględnego; wartości średnie napięcia odczytywane na mierniku powinny mieścić się w przedziale 2,4-2,6 V dla czujnika ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym. Do dalszych pomiarów przystępujemy wyłącznie wtedy, gdy uzyskujemy na mierniku wartości napięcia (jest napięcie); ustawiamy miernik na pomiar prędkości obrotowej; po odłączeniu przewodu podciśnienia od czujnika ciśnienia bezwzględnego podłączamy dodatnią końcówkę miernika do zacisku sygnału, a końcówkę ujemną do masy. Na mierniku powinniśmy wówczas uzyskiwać wartości prędkości obrotowej w zakresie ok. 4400-5000 obr./min; następnie trzeba podłączyć pompę podciśnienia do złącza przewodu czujnika ciśnienia bezwzględnego. W przypadku otrzymywanych wartości sprawdzających średnio podczas wzrostu podciśnienia o 20 kPa (200 mbarów) wskazania na skali prędkości powinny się zmniejszać o około 500 obr./min; po skontrolowaniu wszystkiego należy wyrównać ciśnienie. Prawidłowo działający czujnik powinien spowodować powrót silnika do prędkości obrotowej w granicach wyjściowych, czyli 4400-5000 obr./min; w przypadku gdy czujnik ciśnienia bezwzględnego zachowuje się inaczej, należy uznać, że jest on uszkodzony.

UWAGA! Mogą też wystąpić nietypowe sytuacje typu: wartość napięcia sygnału lub napięcia zasilania będzie przyjmować wartość napięcia akumulatora, wówczas należy sprawdzić przewód (+) bieguna akumulatora pod kątem tego, czy nie jest zwarty do masy lub podłączony do napięcia zasilającego; w przypadku braku napięcia należy sprawdzić, czy napięcie odniesienia ma wartość około 5 V oraz sprawdzić masowe połączenie powrotne; jeśli zasilanie i masa są prawidłowe, należy sprawdzić połączenia na przewodzie od czujnika ciśnienia bezwzględnego do sterownika; jeśli połączenie jest prawidłowe, a masa i napięcie zasilające dopływające do sterownika jest również prawidłowe, można uznać, że sterownik uległ uszkodzeniu i wymaga wymiany.

Podstawowym parametrem charakteryzującym stan energetyczny danego medium jest temperatura, która zależna jest od dwóch parametrów czasu i miejsca. Obecnie najczęściej do pomiaru temperatury w silniku wykorzystuje się czujniki rezystancyjne (termistory) z dodatnim (z ang. PTC - Positive Temperature Coeffi cient) lub ujemnym (z ang. NTC - Negative Temperature Coeffi cient) współczynnikiem temperaturowym (rys. 14.). Proces przetworzenia wartości rezystancji na analogowe napięcie w tym przypadku polega na uzupełnieniu dzielnika napięcia rezystancją neutralną temperaturowo lub o przeciwnej zależności.

Rezystory zmieniające swoją rezystancję wraz ze zmianą temperatury są dwubiegunowymi elementami, produkowanymi zazwyczaj jako zwoje drutowe, spieki ceramiczne, monokryształy lub cienko- i grubowarstwowe folie. Zazwyczaj za temperaturę odniesienia przyjmuje się T0 = 20oC. Pierwotna charakterystyka czujnika ulega drobnemu przekształceniu podczas przetwarzania napięciowego, ponieważ czujniki te do przekształcenia w analogowy sygnał napięcia uzupełniają stałą rezystancję Rv w dzielniku napięcia lub zasilane są prądem wymuszającym I0.

Sytuacja ta może jednak okazać się niekorzystna, ponieważ wskutek połączenia trzypunktowego, czułość pomiarowa może ulec zmianie, wówczas dopuszcza się dostrajanie przetwornika rezystancyjnego za pomocą dodatkowego równoległego i szeregowego rezystora. Rezystor pomiarowy zasilany jest napięciem 5 V, a otrzymywane wartości napięcia wczytywane są przez sterownik analogowo-cyfrowy jako miara temperatury panującej w pobliżu elementu pomiarowego, która zapamiętywana jest w formie charakterystyki przez sterownik silnika. Cały ten proces można przedstawić zależnością:

 

Do analizy temperatur potrzebnych do prawidłowej pracy silnika wyróżnia się zasadniczo pięć podstawowych czujników:

a) czujnik temperatury silnika - wbudowany jest zazwyczaj w układ chłodzenia silnika. W zintegrowanych systemach sterowania silnika sterownik wykorzystuje sygnał wysyłany przez ten czujnik do korekcji czasu trwania wtrysku paliwa i punktu zapłonu;

b) czujnik temperatury oleju silnikowego - zazwyczaj podaje temperaturę, na podstawie której sterownik oblicza czas międzyobsługowy; 

c) czujnik temperatury paliwa - wartość temperaturowa podawana przez ten czujnik wykorzystywana jest przez sterownik

silnika do obliczenia dawki wtrysku. Zazwyczaj wykorzystuje się go w układach zasilania paliwem silnika ZS, gdzie usytuowany

jest on w części niskociśnieniowej;

d) czujnik temperatury powietrza - dokonuje pomiaru temperatury powietrza zasilającego silnik. Zazwyczaj wbudowany

jest w przewód dolotowy wraz z czujnikiem ciśnienia, a razem stanowią bazę do obliczenia masy powietrza pobieranego przez silnik. Ponadto jego sygnał wykorzystywany jest do ustalenia dopasowania wartości zadanej w układzie regulacji do temperatury powietrza;

e) czujnik temperatury spalin - jego zadaniem jest dostarczanie niezbędnych informacji potrzebnych dla układu regulacyjnego spalin. W tym przypadku ze względu na wysoką temperaturę pomiaru wykorzystuje się rezystor wykonany z platyny.

 

Rys. 5. Pomiary ciśnienia: a) bezpośredni pomiar rezystancji (3) zależnej od ciśnienia, b) pomiar zmian pojemności spowodowanej odkształceniami puszki membranowej (4), c) – pomiar tensometrami (2) mierzącymi odkształcenia membrany, d) pomiar czujnikiem siły (1)

Rys. 6. Rozciąganie prowadzi do odkształcenia, a tym samym do wzrostu oporności elektrycznej

Rys. 7. Współczynnik K, wielkości fizyczne: a) wzdłużny, b) poprzeczny: F – siła, I – prąd, R – rezystancja, l – długość, w – szerokość, ε- odkształcenie względne, K – współczynnik

Rys. 8. Mikromechaniczny czujnik ciśnienia elektornika (Źródło: Bosch)

Rys. 9. Układ elektryczny czujnika grubowarstwowego: A – tensometryczny element pomiarowy, B – wzmacniacz, C – układ kompensacji temperaturowej, U0 – napięcie zasilania, UM – napięcie pomiarowe, UA – napięcie wyjściowe

Rys. 10. Czujnik ciśnienia doładowania (Źródło: Bosch)

Rys. 11. Budowa mikromechanicznego czujnika ciśnienia bezwzględnego i temperatury: 1 – czujnik temperatury NTC, 2 – dolna część obudowy, 3 – ściana kolektora dolotowego, 4 – pierścień uszczelniający, 5 – złącze wtykowe, 6 – pokrywa obudowy, 7 – przetwornik (Źródło: Bosch)

Rys. 12. Budowa mikromechanicznego czujnika ciśnienia z kawerną próżniową: 1 – ścianka kolektora dolotowego, 2 – obudowa, 3 – pierścień uszczelniający, 4 – czujnik temperatury NTC, 5 – elektryczne złącze wtykowe, 6 – pokrywa obudowy, 7 – element pomiarowy (Źródło: Bosch)

Rys. 13. Charakterystyka mikromechanicznego czujnika ciśnienia doładowania

Rys.14. Czujnik temperatury płynu chłodzącego 

Rys. 15. Charakterystyka czujnika temperatury płynu chłodzącego NTC w funkcji rezystancji i temperatury  (Źródło: Bosch)

Rys. 16. Charakterystyka czujnika temperatury płynu chłodzącego NTC w funkcji napięcia i temperatury

Rys. 17. Charakterystyka czujnika pedału przyspieszania z potencjometrem redundantnym. Oś Y – napięcie, oś X – przemieszczenie pedału