Датчики автомобильных электронных систем управления и диагностического оборудования

ДАТЧИКИ 
АВТОМОБИЛЬНЫХ 
ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 
И ДИАГНОСТИЧЕСКОГО 
ОБОРУДОВАНИЯ

В.А. НАБОКИХ

Допущено 
УМО вузов РФ по образованию в области 
транспортных машин и транспортно-технологических комплексов
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 23.03.02 «Наземные 
транспортно-технологические комплексы»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 629.33(075.8)
ББК 39.33-04я73
 
Н14

Набоких В.А.
Н14  
Датчики автомобильных электронных систем управления и диагностического оборудования : учебное пособие / В.А. Набоких. — 
Москва : ИНФРА-М, 2021. — 239 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-014160-2 (print)
ISBN 978-5-16-106653-9 (online)

В учебном пособии обобщаются, систематизируются и углубляются 
сведения о датчиках электронных и автоматических систем управления, 
диагностического и гаражного оборудования, применяемого в процессе 
эксплуатации автомобилей. Приведены основные данные об электрических измерениях, которые широко применяются для диагностики, обслуживания и ремонта автомобилей.
Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 23.03.02 «Наземные транспортнотехнологические комплексы».

УДК 629.33(075.8) 
ББК 39.33-04я73 

Р е ц е н з е н т ы:
А.И. Фещенко — кандидат технических наук, профессор кафедры 
«Электротехника и электрооборудование» МГТУ МАДИ; 
Р.А. Малеев — кандидат технических наук, профессор кафедры «Автомобильная электроника» МГМУ (МАМИ)

ISBN 978-5-16-014160-2 (print)
ISBN 978-5-16-106653-9 (online)
© Набоких В.А., 2015

Введение

Характерной особенностью современных автомобилей является

наличие встроенных в их агрегаты большого числа преобразователей
электрических и неэлектрических параметров двигателя внутреннего
сгорания (ДВС) и агрегатов автомобиля в электрические для обеспечения процессов регулирования электронных систем управления.
К таким преобразователям относятся датчики электрических и неэлектрических величин.

Автомобильные электронные системы управления во многом определяют экологию окружающей среды, экономию топлива, безопасность дорожного движения и повышение производительности труда
за счет обеспечения комфортабельности в салонах легковых автомобилей и кабинах грузовиков. К системам, обеспечивающим экономию топлива, низкую токсичность отработавших газов и безопасность дорожного движения, относятся:

• электронные системы автоматического управления топливоподачей, зажиганием и переключением передач;

• электронные системы управления моторгенераторами гибридного силового привода;

• сигнализаторы, спидометры, счетчики пройденного пути, тахометры, тахографы, мотосчетчики и жгуты проводов;

• антиблокировочные и противобуксовочные системы тормозов с

электронным управлением;

• микропроцессорные системы курсовой устойчивости автомобиля при резком изменении траектории движения (объезд препятствия);

• системы блокировки передних и задних дверей, подушки безопасности с электронным управлением;

• электромеханический усилитель руля;

• спидостаты (автоматические системы поддержания постоянной

скорости движения автомобиля);

• информационные системы (иформационноизмерительные

системы контроля, электронные щитки приборов;

• автоматические корректоры фар ближнего и дальнего света с

электронным управлением;

• встроенные и выносные системы диагностирования автомобиля и электрооборудования в процессе эксплуатации.

К системам, обеспечивающим комфортные условия в транспортном средстве, относятся:

• системы климатконтроля, управления отопителями и вентиляторами, кондиционерами;

• маршрутные компьютеры;
• спутниковые микропроцессорные системы круизконтроля.
Практически во всех перечисленных автомобильных электронных системах управления применяются датчики.

Датчик представляет собой чувствительный элемент, обеспечивающий преобразование неэлектрической или электрической измеряемой величины среды (давление масла, температура масла или
воды, уровень топлива и т. п.) в электрический сигнал. В свою очередь, в приемнике указателя электрический сигнал преобразуется в
перемещение стрелки (способ представления информации может
быть и другим), что позволяет по шкале прибора, отградуированной в
единицах измеряемой величины, определить значение контролируемого параметра.

В качестве чувствительных элементов датчиков используют магнитные, электромагнитные, фотоэлектрические, оптические, пьезоэлектрические процессы в металлах и полупроводниках, эффект Холла и другие эффекты.

В связи с этим датчики подразделяются на:
• датчики электрических сопротивлений;
• индуктивные датчики;
• индукционные датчики;
• емкостные датчики;
• магнитоупругие датчики;
• кислородные датчики;
• пьезоэлектрические датчики;
• электролитические датчики;
• датчики расхода жидкости и газа;

4
Введение

• датчики перемещения и ускорения;
• датчики непрерывных величин и т. д.
В связи с широким применением автомобильных электронных

систем управления находят широкое распространение «виртуальные»
датчики, представляющие собой математические модели рабочих
процессов в ДВС и агрегатах, обеспечивающие контроль и коррекцию не подлежащих непосредственному измерению параметров объекта регулирования. Широко применяются «интеллектуальные» датчики, в которых помимо чувствительного элемента встроено устройство преобразования сигнала датчика в цифровую форму. Нашли
определенное место в микропроцессорных системах управления искусственные нейронные сети для адаптации программы регулирования автомобильной электронной системы управления к изменяющимся условиям эксплуатации (самообучение системы).

Учебное пособие обобщает, систематизирует и углубляет сведения о датчиках автомобильных электронных систем управления и диагностического оборудования, применяемого в процессе эксплуатации автомобилей на базе отечественной и зарубежной литературы, а
также основные сведения об электрических измерениях, которые широко применяются при проведении диагностики и сервиса автомобилей, в том числе импортного производства.

Введение
5

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ
ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ
АВТОМОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ
И ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

1.1. Электронное управление
силовым агрегатом автомобиля

При электронном управлении системами и агрегатами автомобиля с помощью электронных систем происходят следующие процессы:

• преобразование химической энергии топлива в механическую

энергию тяговой или тормозной мощности автомобиля;

• управление эффективной мощностью двигателя за счет управления его рабочим процессом;

• контроль величины эффективной мощности двигателя посредством анализа информации о частоте вращения коленчатого
вала двигателя, его температурном и нагрузочном режиме (абсолютное давление во всасывающем трубопроводе или массовый расход топлива), составе смеси, режимах работы в зависимости от условий движения по транспортным магистралям;

• управление с помощью обратных связей уровнем детонации и

поддержанием стехиометрического состава смеси (с помощью
датчиков детонации и λзонда) в бензиновых и газовых ДВС;

• формирование сигналов, управляющих зажиганием, опережением впрыска дизельного топлива, цикловой подачей топлива,

количеством отработавших газов для рециркуляции, улавливанием паров испаряющегося топлива, датчиками режимов ДВС
и подачей топлива к дозирующей системе бензиновых и дизельных ДВС;

• анализ работы датчиков и исполнительных механизмов с целью

их диагностики;

• преобразование команд управления водителя в изменение мощности двигателя, изменение траектории движения автомобиля;

• управление скоростью движения автомобиля.
Двигатель как объект автоматического управления по входным

параметрам вырабатывает управляемые характеристики (мощностные, экологические и динамические) двигателя внутреннего сгорания. Остальные агрегаты автомобиля выполняют функции обеспечения безопасности движения и комфортных условий для водителя и
пассажиров в салонах автомобилей.

Входные параметры, измеряемые датчиками электронных систем

управления, например угол открытия дроссельной заслонки ϕдр, угол
опережения зажигания θ, цикловой расход топлива Gт и другие параметры, влияют на формирование протекания рабочего процесса двигателя и других агрегатов автомобиля. Значения входных параметров
определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны водителя или системы автоматического управления, поэтому они называются управляющими.

Входные параметры датчиков характеризуют состояние двигателя, агрегатов и систем автомобиля в рабочих режимах (табл. 1.1).

Кроме входных управляющих параметров на двигатель и системы

автомобиля во время его работы воздействуют случайные возмущения, которые мешают управлению. К случайным возмущениям можно отнести изменение параметров состояния внешней среды (температура Т, атмосферное давление р, влажность), свойства топлива и
масла, состояние дорожного полотна и т. д.

Для двигателей внутреннего сгорания, как и для других систем

управления автомобиля, характерна периодическая повторяемость
рабочих циклов и неустановившийся режим работы. Как объект
управления они считаются нелинейными, так как реакция на сумму
внешних воздействий не равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности. Учитывая, что ДВС и ЭСАУ в условиях городской
езды работают на нестационарных режимах, возникает проблема оптимального управления ДВС, системами и агрегатами автомобиля.

1.1. Электронное управление силовым агрегатом автомобиля
7

Возможность оптимального управления системами и агрегатами автомобиля на нестационарных режимах появилась с развитием электронных систем управления.

Изза сложности конструкции ДВС и систем автомобиля, наличия допусков на их размеры по конструктивным параметрам (степень
сжатия, геометрические параметры впускного и выпускного трактов
и т. д.) отличаются и необходимые законы управления ими, что проявляется в потребности целого ряда датчиков.

Автомобильный двигатель представляет собой многомерный объект управления, так как число входных параметров у него больше
единицы, и каждый входной параметр воздействует на два и более
выходных управляющих воздействий. В таком случае система управления ДВС является многомерной.

8
Глава 1. Основные процессы электронного управления...

Таблица 1.1. Погрешности датчиков ЭСАУ и устройств,
определяющих параметры регулирования

Источник погрешности

Виды погрешностей

Погрешность

преобразования

Максимальная погрешность квантирования

Датчик массового расхода
воздуха

±4 %
±4 %

Датчик абсолютного давления
во всасывающем патрубке

±8 %...±4 %
±0,4 %

Датчик положения коленчатого
вала ДВС

±1,5° ПКВ
—

Датчик температуры охлаждающей жидкости

±4 °С (5 %)
1,64 °С

Датчик детонации
±30 %
±4 %

Системный таймер контроллера
<0,01 %
4 мкс

Электромагнитная форсунка
подачи топлива

±4 % статическая;
±6 % динамическая

8 мкс

Регулятор подачи дополнительного воздуха на всасывании

±10 %
0,8 %

Угол опережения зажигания
±1,5° ПКВ

(по коленчатому валу)

0,75° ПКВ

Поскольку конструкции и технологии производства ДВС систем

автомобиля носят установившийся характер, при поисках алгоритмов
и законов управления рабочим процессом двигателей внутреннего
сгорания и агрегатами автомобиля необходимо:

• определить структуру системы с информационными, функциональными, логическими и алгоритмическими связями;

• рассматривать агрегаты автомобиля как практически неизменяемые части системы;

• рассматривать системы управления адекватными не статическим, а динамическим математическим моделям управления с
обратными связями;

• определить связи потоков информации от датчиков как единую

систему обмена данными с другими электронными системами
автомобиля. Например, использование информации датчика
скорости движения автомобиля как единую информацию для
всех управляющих и информационных систем.

На рис. 1.1 представлен один из вариантов математической модели бензинового ДВС с микропроцессорной системой управления зажиганием и топливоподачей с нейтрализацией отработавших газов
трехкомпонентным нейтрализатором.

Алгоритм калибровки управления такой микропроцессорной

системы по математической модели двигателя (см. рис. 1.1) имеет
следующие шаги:

• выбор исходной комплектации двигателя (в данном случае это

система зажигания, система впрыскивания топлива, датчики и
исполнительные механизмы);

• определение модели двигателя с проверкой ее адекватности путем экспериментального определения ее параметров. Эти процедуры выполняют на автоматизированных испытательных
(нагрузочных) стендах и беговых барабанах по ездовым циклам (ЕЦ);

• расчет режимов работы ДВС при выполнении ЕЦ с определением «опорных точек» матрицы управления, которые должны
быть заложены в ППЗУ контроллера управления. Основными
параметрами являются углы опережения зажигания, цикловая
подача топлива в зависимости от циклового расхода всасываемого воздуха или положения дроссельной заслонки, температур охлаждающей жидкости, масла, всасываемого воздуха
и т. д.;

1.1. Электронное управление силовым агрегатом автомобиля
9

• расчет оптимального управления с ограничениями по токсичности ОГ на режимах ездового цикла по минимуму функций
Лагранжа;

• формирование поверхности управления для зоны ездовых

циклов;

• расчетная оценка достигнутого уровня показателей. В случае

эффективности управления проводится оптимизация управления, а в случае отсутствия эффективности расчет возобновляется с предыдущих этапов;

• расчетное определение оптимального управления без ограничений по токсичности ОГ вне зоны ездовых циклов с целью получения поверхности регулировок с минимумом расхода топлива
и оптимальной динамикой двигателя;

10
Глава 1. Основные процессы электронного управления...

Рис. 1.1. Математическая модель двигателя внутреннего сгорания как объекта регулирования по минимуму расхода топлива и по ограничениям токсичности ОГ:

1 — контроллер управления ДВС; 2 — блок впрыскивания топлива; 3 — сигнал
датчика давления на всасывании Рк (нагрузки ДВС); 4 — дроссельная заслонка во
всасывающем патрубке ДВС; 5 — цикловая подача топлива (расход топлива) и воздуха (расход воздуха) Gц

т и Gц

в; 6 — система зажигания; 7 — параметры индикаторного и рабочего процесса ДВС (параметры математической модели ДВС): ηi — индикаторный кпд; Рi — индикаторное давление; Рмп — давление механических потерь; Ре —эффективное давление; iпр — передаточное отношение коробки передач;
ω — угловая скорость коленчатого вала; п — частота вращения коленчатого вала
ДВС; ТОГ — температура отработавших газов; О2 — концентрация кислорода;
Ме — эффективный крутящий момент ДВС; TОГ

λ — температура датчика кислорода; 9 — параметры нагрузки ДВС; 10 — выпускной тракт двигателя; 11 — датчик

кислорода в ОГ; 12 — нейтрализатор ОГ