Αισθητήριο θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού

Το αισθητήριο θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού της μηχανής (ECT) παρέχει την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα που απαιτείται για την απαγωγή της θερμότητας.
Οι σύγχρονες μηχανές εσωτερικής καύσεως παράγουν ένα πολύ μεγάλο ποσό θερμότητας. Αυτή η θερμότητα δημιουργείται όταν αναφλέγεται το μίγμα βενζίνης - αέρα στον θάλαμο καύσης. Αυτή η ανάφλεξη  αναγκάζει το έμβολο να κινηθεί προς τα κάτω., Η κίνηση αυτή, μέσω του διωστήρα, μεταδίδει την ενέργεια στον στροφαλοφόρο άξονα, μετατρεπόμενη από ταλάντωση σε κυκλική κίνηση. Οι θερμοκρασίες των μετάλλων γύρω από τον θάλαμο καύσης είναι πιθανόν να υπερβούν τους 550° C. Προκειμένου να αποτραπεί η υπερθέρμανση του ελαίου λίπανσης των  κυλίνδρων, των εμβόλων, των βαλβίδων, και άλλων εξαρτημάτων από αυτές τις ακραίες θερμοκρασίες, είναι απαραίτητο να απαχθεί αποτελεσματικά η πλεονάζουσα θερμότητα. Το αισθητήριο θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού της μηχανής (ECT) παρέχει την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα που απαιτείται για την απαγωγή της θερμότητας. Το αισθητήριο αυτό τροφοδοτεί συνεχώς με πληροφορίες την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECM) του οχήματος για την τρέχουσα θερμοκρασία του κινητήρα. Έτσι, η βέλτιστη απόδοση του κινητήρα επιτυγχάνεται ενώ αυτός θερμαίνεται και μέχρι να φθάσει την κανονική θερμοκρασία λειτουργίας του. Παλαιότερα, πριν αναπτυχθούν οι υπολογιστές, η απόδοση του κινητήρα πριν ζεσταθεί ήταν υπό τον έλεγχο μιας αυτόματης έμφραξης (choke), της οποίας η ρύθμιση ήταν πολύ σημαντική. Ακόμη και όταν ήταν κατάλληλα ρυθμισμένος, ο κινητήρας έπρεπε να ζεσταθεί για να αρχίσει να αποδίδει στο μέγιστο. Συχνά ο κινητήρας έπρεπε να αυξήσει τις στροφές ανά λεπτό χωρίς να μεταδίδει κίνηση στους τροχούς, για να συνεχίσει να λειτουργεί, όταν η εξωτερική θερμοκρασία ήταν πολύ χαμηλή. Ορισμένες φορές παρατηρείτο διακοπή στην λειτουργία του, καθώς θερμαινόταν. Μόλις ο κινητήρας έφθανε στη θερμοκρασία λειτουργίας του, η μόνη πλέον ανησυχία ήταν η υπερθέρμανσή του. Το αισθητήριο θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού του κινητήρα ήρθε να επιλύσει τα παραπάνω προβλήματα συνεπικουρούμενο από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Έτσι, ελέγχεται η απόδοση του κινητήρα μέσω όλων των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων και έτσι επιτυγχάνεται βέλτιστη οικονομία καυσίμων, χαμηλές εκπομπές ρύπων και ομαλή απόδοση του κινητήρα.

Οι πρώτες τεχνολογίες αισθητηρίων

Τα παλαιότερα συστήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών χρησιμοποιούσαν ένα πολύ απλό κύκλωμα που περιλάμβανε ένα διακόπτη θερμοκρασίας.

Ο διακόπτης ήταν ένας θερμικά ευαίσθητος διακόπτης που τοποθετήθηκε στο σύστημα ψυκτικού υγρού  για να ελέγξει τη θερμοκρασία του. Εφόσον η θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού ήταν κάτω από τη  θερμοκρασία λειτουργίας, ο διακόπτης παρέμενε ανοικτός. Αντίθετα, η τάση των 14 V στην επαφή D PCM  (14V που προήλθε από το PCM) πληροφορεί το PCM ότι ο κινητήρας δεν έχει φθάσει στην θερμοκρασία λειτουργίας του (Εικόνα 9).

Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα, όταν αυτός είναι ακόμη κάτω από την θερμοκρασία λειτουργίας, το PCM θα καθυστερήσει το συγχρονισμό σπινθήρων και θα επιλέξει μίγμα καυσίμων  ελαφρά πλουσιότερο, για να βοηθήσει στο αντιστάθμισμα της απόδοσης του κινητήρα σε αυτήν την κατάσταση, ρύθμιση χαρακτηριστική για βενζινοκινητήρα. Το PCM ελέγχει συνεχώς την επαφή των 14 V,  για να καθορίσει πότε ο κινητήρας θα φθάσει την θερμοκρασία λειτουργίας, όπως φαίνεται στην εικόνα 10.

Μόλις ο κινητήρας φθάσει την θερμοκρασία λειτουργίας, ο διακόπτης αποκρίνεται με το κλείσιμο των επαφών, γειώνοντας την επαφή D. Η τάση στην επαφή D μειώνεται σχεδόν στα 0 V. Τα 14 V που παρέχονται από το PCM εφαρμόζονται μέσα στο PCM σε έναν αντιστάτη φορτίων και έτσι καμία ζημιά δεν γίνεται σε αυτό. Μόλις το PCM  εντοπίσει τάση 0 V στην επαφή D, αρχίζει αμέσως να τροποποιεί την τροφοδοσία  καυσίμων, αλλάζοντας το μίγμα καυσίμων και τον συγχρονισμό των σπινθήρων, ώστε να υφίστανται οι κατάλληλοι όροι για μια θερμή μηχανή. Το κύκλωμα είναι πολύ απλό, αλλά έτσι γινόταν ο έλεγχος του υπολογιστή για την βέλτιστη απόδοση  μηχανών με τον έλεγχο για το κλείσιμο ή άνοιγμα των επαφών των διακοπτών. Δεν υπήρχε κάποια ενδιάμεση κατάσταση. Το PCM εντοπίζει ότι ο κινητήρας είναι κρύος, ακόμα και είναι σχεδόν θερμός. Εάν ο διακόπτης είναι κλειστός, το PCM αντιλαμβάνεται ότι η μηχανή είναι θερμή, ακόμη και όταν έχει ελάχιστα θερμανθεί. Ο πεπερασμένος έλεγχος του συγχρονισμού μιγμάτων και σπινθήρων καυσίμων δεν είναι δυνατός με διακόπτη ψυκτικού υγρού.

Θερμική αντίσταση (thermistor): περιγραφή λειτουργίας

Η επόμενη γενεά της τεχνολογίας των αισθητηρίων θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού χρησιμοποίησε μια θερμική αντίσταση (thermistor), η οποία παρέχει μεγαλύτερο έλεγχο της απόδοσης των κινητήρων καθ’ όλη την διάρκεια λειτουργίας τους. Η θερμική αντίσταση είναι μια μεταβλητή αντίσταση φτιαγμένη από υλικό στερεάς κατάστασης, που αλλάζει την αντίσταση ανάλογα με την θερμοκρασία. Το σύμβολο μιας θερμικής αντίστασης είναι ένα σύμβολο αντιστατών με ένα βέλος στο εσωτερικό του, όπως φαίνεται στην εικόνα 11.  

Αν υποτεθεί ότι η σχέση μεταξύ της αντίστασης και της θερμοκρασίας είναι γραμμική, μπορούμε να πούμε ότι: 

ΔR = kΔT 

όπου 

ΔR =  Διαφορά αντίστασης 

ΔT =  Διαφορά θερμοκρασίας 

Κ = συντελεστής θερμοκρασίας της αντίστασης 

Οι θερμικές αντιστάσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους, ανάλογα με τoν συντελεστή θερμοκρασίας Κ. Εάν το Κ είναι θετικό, η αντίσταση αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η θερμοκρασία και η συσκευή καλείται θερμική αντίσταση με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας (PTC). Εάν το Κ είναι αρνητικό, η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται και η συσκευή καλείται θερμική αντίσταση με αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας (NTC).

Περιγραφή λειτουργίας του αισθητηρίου ECT

Το κύκλωμα αισθητηρίων θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού παρουσιάζεται στην εικόνα 11, όπου ο αισθητήρας αναφέρεται ως ECT. Το ECT γειώνεται συνήθως μέσω του PCM. Εάν το ECT έχει μόνο ένα καλώδιο σημαίνει ότι γειώνεται στον κινητήρα στον οποίο τοποθετείται. Μέσα στο PCM και συνδεδεμένος με την επαφή  D είναι ένας αντιστάτης φορτίων 350 Ω, η R1, που συνδέεται με το κύκλωμα αναφοράς 5 V. Ο αντιστάτης R1 και το ECT σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης τροφοδοσίας αναφοράς των 5 V. Δεδομένου ότι η R1 είναι σταθερά 350 Ω, η τάση στην επαφή  D εξαρτάται από την τιμή της τάσης του ECT. Όταν ο κινητήρας είναι κρύος, η αντίσταση ECT είναι πολύ υψηλή. Μερικά οχήματα χρησιμοποιούν ECT που έχει αντίσταση 100.000 Ω, ενώ σε άλλα μπορούν να είναι και 50.000 Ω. Όταν ο κινητήρας είναι κρύος, το ECT έχει τo μεγαλύτερο μέρος της αντίστασης στο κύκλωμα και καταναλώνει τo μεγαλύτερο μέρος της τάσης. Η αντίσταση R1 που είναι μόνο 350 Ω, προκαλεί πολύ μικρή πτώση τάσης σε σύγκριση με το ECT. Αυτό κάνει την τάση στην επαφή D σχεδόν 5 V. Υποτίθεται ότι το ECT έχει αντίσταση 100.000 Ω, όταν είναι κρύο. Δεδομένου ότι ο κινητήρας αρχίζει να θερμαίνεται, η αντίσταση του ECT αρχίζει να μειώνεται. Αυτό οφείλεται στην αρχή λειτουργίας των θερμίστορ. Στα αρχικά στάδια της προθέρμανσης του κινητήρα το ECT μπορεί να έχει τιμή 75.000 Ω, αλλά η αντίσταση  R1 είναι ακόμα 350 Ω. Η τάση στην επαφή D θα είναι ακόμα κοντά στα 5 V. Για να μειωθεί η τάση στην επαφή D σε 2,5 V, απαιτείται η θερμοκρασία του κινητήρα να φθάσει την τιμή λειτουργίας, οπότε το ECT έχει αντίσταση επίσης 350 Ω. Κατόπιν, η αντίσταση  R1, 350 Ω, προκαλεί την κατά το ήμισυ πτώση τάσης και το ECT, 350 Ω, προκαλεί το υπόλοιπο ήμισυ της πτώσης τάσης, δίνοντας στην τάση στην επαφή D  2,5 V.  Εν συνεχεία, η αντίσταση του ECT μειώνεται γρήγορα μέχρι τους 100°C  και  η αντίσταση του ECT μπορεί να είναι μόνο 70-80 Ω. Η τάση στην επαφή D είναι έπειτα περίπου 1,0 V στη θερμοκρασία λειτουργίας. Δεδομένου ότι η τάση ECT αρχίζει να μειώνεται, το PCM είναι προγραμματισμένο για να ρυθμίσει το μίγμα αέρα / καυσίμου καθώς και την ανάφλεξη πολλές φορές κάθε δευτερόλεπτο, για να ανταποκριθεί στις μεταβολές της τάσης των σημάτων ECT. Αυτός ο τρόπος παρέχει πεπερασμένο έλεγχο της απόδοσης των κινητήρων κατά τη διάρκεια της προθέρμανσής τους. Γι' αυτό ένα όχημα με θερμική αντίσταση στο ECT μπορεί να έχει άριστη απόδοση και χαρακτηριστικά κατά τη λειτουργία του σε κρύα κατάσταση. Κατά τη διάρκεια της προθέρμανσης δεν υπάρχει καμία αξιοπρόσεκτη διαφορά στην απόδοση, ακόμα και αν τη συγκρίνουμε με τον κινητήρα να έχει φθάσει την θερμοκρασία λειτουργίας του..

2.6 Έλεγχος καλής λειτουργίας 

Το αισθητήριο θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού (ECT) λειτουργεί με τάση που κυμαίνεται από 0.2-4.8 V. Ένας κωδικός σφαλμάτων θα εμφανισθεί  μόνον εάν η τάση του αισθητηρίου κυμανθεί έξω από αυτές τις τιμές. Αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει με ελαττωματικό αισθητήριο. Αποτέλεσμα αυτού είναι ότι το αισθητήριο (ECT) θα δείχνει μέσω της ECU ότι ο κινητήρας είναι κρύος, δηλαδή ότι λειτουργεί σε χαμηλή θερμοκρασία, ενώ στην πραγματικότητα η θερμοκρασία του θα είναι πολύ υψηλή. Ένα άλλο αποτέλεσμα είναι ότι ο κινητήρας πιθανόν να προσπαθήσει να λειτουργήσει με μίγμα, το οποίο να είναι πολύ πιο πλούσιο από όσο πραγματικά θα χρειαζόταν.

Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) θα ανιχνεύσει την τάση όπως μετρήθηκε στα άκρα των αισθητηρίων και αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα βολτόμετρο ή ένας παλμογράφος για τον έλεγχο του αισθητήρα. Στην εικόνα 17 βλέπουμε έναν φορητό παλμογράφο τύπου Bosch που, χρησιμοποιείται για να εξετάσει το αισθητήριο θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού της μηχανής 
Σε αυτή τη δοκιμή μετράται την πτώση τάσης στα άκρα των αισθητηρίων. Η ανάφλεξη είναι σε λειτουργία, αλλά ο κινητήρας δεν έχει εκκινήσει. Τα καλώδια του αισθητήρα είναι συνδεδεμένα με τον παλμογράφο. Έτσι, η τάση θα είναι υψηλή, επειδή η αντίσταση του αισθητήρα είναι κρύα. Στη συνέχεια ο κινητήρας αρχίζει να θερμαίνει και, καθώς προσεγγίζει τη θερμοκρασία λειτουργίας του, η τάση του αισθητηρίου θα αλλάξει (εικόνα 18).

Κατασκευαστές/Προμηθευτές

 Walker Products Inc.	
   http://www.walkerproducts.com/
   Corporate HQ Walker Products, Inc. 3600 South San Pedro St.
   Los Angeles, CA 90011 USA
 Ametherm 
   http://www.ametherm.com
   3111 N. Deer Run Rd#4 Carson City, NV 89701 USA
 Εταιρεία Quality Thermistor, Inc.
   http://www.thermistor.com
   2108 Century Way ,Boise, ID 83709 USA
 RTI Electronics, Inc. 
   http://www.rtie.com
   1800 E. Via Burton St. Anaheim, CA 92806-1213 USA
 Siemens VDO
   http://www.siemensvdo.com
   Siemens Region Deutschland Nonnendammallee 101 13629 Berlin.
 Mitsubishi Materials Group
   http://www.mmc.co.jp
   Corporate Communications&IR Dept.5-1, Otemachi 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo,100-8117 Japan

Πηγές, παραπομπές

 

 Automotive Computer Controlled Systems, Diagnostic tools and techniques, Allan W. M. Bonnick, Butterworth-Heinemann,  First published 2001 Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP

Understanding Automotive Electronics, William B. Ribbens, Ph.D. With  Contributions to Previous Editions by:Norman P.Mansour,Gerald Luecke, Charles W. Battle, Edward C.Jones, Leslie E. Mansir,
Newnes is an imprint of Butterworth–Heinemann 

Measurement and Instrumentation Principles, Alan S. Morris, Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP

Όργανα μέτρησης
Τεχνολογία οχημάτων