Делаем «вечный» датчик массового расхода воздуха на ATiny13

Делаем «вечный» датчик массового расхода воздуха на ATiny13

Этот проект появился из-за нежелания покупать бывшую в употреблении около 30 (тридцати) лет деталь за совсем немаленькую сумму в 3000 — 5000 руб. Можно сказать что это будет проба пера в схемотехнике и программировании микроконтроллеров. Если интересно — продолжение под катом.

Осторожно много фото!

Итак, начинаем подпирать велосипеды костылями.

Вводные данные

BMW E30 в кузове купе 1986г с мотором M10B18 (4 цилиндра, 1.8л, инжектор):

Проблемы

1. Чихает
2. Не едет
3. Жрет и не толстеет

Годы в России не пощадили её. Высококачественный бензин, соляные ванны, «пористые дороги». Однако, больше всего ей досталось от бывших хозяев и суровых Русских автомехаников, бессмысленных и беспощадных, производивших ремонты сомнительной необходимости и эффективности. Ярким примером одного из таких ремонтов вы можете полюбоваться на КДПВ. А что это там такое беленькое, все в припое? Это керамическая плата— основная деталь ДМРВ , на нее нанесены пленочные резисторы и дорожка по которой должен бегать подвижный контакт. Как видно на фото она треснула, и некто пытался восстановить ее таким вот варварским методом. Безуспешно. Вот он — корень всех проблем! Тут нужно сказать что ДМРВ является основным датчиком, влияющим на смесеобразование.

Немного теории

Наша машинка оснащена чудом Немецкой промышленности системой распределенного впрыска L-Jetronic.

Ну, распределённого — это громко сказано, тут все 4 форсунки соединены параллельно и, соответственно пшикают одновременно, хотя да, это я придираюсь, установлены они каждая напротив своего цилиндра в разных местах впускного коллектора — т.е. распределённо. Мозг здесь довольно глупенький — холостым ходом, зажиганием, прогревочными оборотами не управляет.

Все что ему подвластно — это несколько датчиков и форсунки.

Вернемся к ДМРВ. Здесь установлен электро-механический ДМРВ, в народе именуемый «лопата», очевидно за характерную форму подвижной заслонки.

Принцип действия его довольно прост: воздух потребляемый мотором проходит через входное отверстие, и в зависимости от интенсивности (считай массы воздуха в единицу времени) отклоняет измерительную заслонку на определенный угол. На оси заслонки установлен подвижный контакт, который и бегает по дорожке нашей многострадальной платы из первой картинки.

Варианты решения проблемы:

1. Купить новый ДМРВ — стоит космических денег 35000-60000 руб, сопоставимо со стоимостью авто.
2. Купить БУ ДМРВ — 30 лет эксплуатации, никаких гарантий, стоит 3000 — 5000 руб.
3. Купить новую плату (неоригинал, делают малыми партиями) — цена 300р+пересыл, выглядит так:

Как видно, конструкция отличается от заводской. Надежность под вопросом, в интернете можно найти негативные отзывы о якобы недолговечности сего решения, подтвержденные фотографиями изношенных плат подобного типа.

4. Купить ДМРВ современного типа без движущихся деталей + так называемый конвертер — цена вопроса немного отпугивает, так же необходимо будет адаптировать впускной тракт, наращивать длину патрубков и т. д.

5. Придумать что-то своё.

Для меня выбор был очевиден.

Я решил оставить механическую часть, так как никаких признаков износа не обнаружил. Думаю она прослужит дольше чем остальная машина.

Задача немного упростилась, необходимо преобразовывать угол поворота в напряжение. Хотя нет, постойте, не все так просто… Дело в том что как я уже говорил мозг здесь довольно глупенький и, соответственно на вход он хочет получать максимально готовые данные. Это отразилось в конструкции ДМРВ — график зависимости выходного напряжения от угла поворота оси заслонки нелинеен, и дополнительная сложность — он масштабирован сопротивлением датчика температуры воздуха, который так же встроен в ДМРВ. Соответственно характеристика датчика должна меняться в зависимости от температуры воздуха.

Поиск готового схемотехнического решения не привел к успеху. Проблема с износом ДМРВ подобного типа многих коснулась, много тем на специализированных форумах где на десятках страниц люди обсуждают как же её решить.

Для начала хотелось бы получить данные об угле поворота оси. Переменные резисторы и прочую механику я сразу отбросил, как ненадежные. Оптический датчик — хорошо, но пыль может доставить неприятности, а пыли в дороге хватает. Магнитные датчики — вероятно это то что нужно.

Нашёл вот такой: KMA-200.

С ходу не смог купить его в своей глуши. И случайно наткнулся на вот такой готовый ДПДЗ в котором и применен KMA-200.

В нагрузку получаю магнит с креплением, датчик уже на плате с необходимой обвязкой, покрыт лаком, защищающим от влаги и статики. Нашёл кстати похожий проект.

На выходе у такого датчика напряжение от 0 до 5 вольт зависимость от угла поворота линейная. Нужно как-то преобразовать ее в нужную нам характеристику. Аналоговые схемы в принципе могли бы обеспечить это, но были бы довольно сложны в проектировании и наладке, например какой-нибудь интегратор на операционниках с термокомпенсацией, но это для меня сложновато…

Тут я вспомнил что у меня есть горсть ATiny13, почему бы не использовать их?

Набросал и смоделировал схемку:

Немного о схеме.

• Микроконтроллер тактируется от внутреннего генератора частотой 8МГц.
• Использованы 2 канала АЦП, считывается угол поворота оси заслонки и уровень напряжения на резистивном делителе частью которого является датчик температуры.
• Выходной сигнал ШИМ с частотой около 18кГц

Зачем полевик спросите вы? А кто его знает отвечу вам я! Лишним не будет. С помощью этой схемы я управлял мощной нагрузкой в виде нескольких автомобильных ламп соединенных параллельно просто для проверки что она это тоже может.

Вообще все детали у меня были в наличии кроме датчика поворота.

Время писать прошивку! Это первая моя прошивка МК, так что конечно все не оптимально, и конечно я выбрал немного странноватый инструмент BascomAVR, в котором писать приходится на каком-то псевдо-кубейсике. Очевидно встроенный туда компилятор не очень оптимизирован, прошивка получается жирная, и полиномиальная интерполяция которую я хотел туда впихнуть к сожалению не влезла. Пришлось реализовать аппроксимацию тремя прямыми отрезками. Почему тремя? Потому что больше не влезло (Bascom + 1 кб flash).

Чтобы выяснить уравнения прямых буквально минут за 10 набросал тупую софтинку в Qt Creator, пошевелил контрольными точками, определился с положением прямых.

Красная линия это искомая характеристика, синяя это аппроксимация прямыми. Далее компиляция и заливка прошивки в эмулятор. Все шевелится так как я и ожидал.

На скорую руку разводим плату и расчехляем лазерный утюг.

Травим, паяем, исправляем косяки разводки (ну куда же без них).

Внимательный читатель и опытный радиолюбитель заметит 2 ошибки которые я допустил при запайке.

Далее включение, проверка основных параметров, и суточная прогонка в разных режимах. Проверка показала что все работает так как и задумывалось. Время сборки и установки на авто.

После настройки подстроечником, машина начинает работать так как и должна, в дальнейшем был проверен расход бензина и динамика, все оказалось в норме, те соответствовало заявленным характеристикам. Машинка каталась на юга из средней полосы России, никаких проблем не появилось.

Я считаю, что первый опыт программирования микроконтроллеров, да в принципе и создания схем, был для меня удачен. Конечно есть огрехи: например выбор среды программирования. В следующем проекте я уже использовал CVAVR, прошивка получается намного компактнее. Выбор микроконтроллера тоже можно было бы назвать не удачным, хотя я его и не выбирал, он у меня был, и было желание его использовать. Сразу по окончанию работы с этим проектом я заказал несколько ATiny85, которые имеют в 8 раз больше памяти, но пока шла посылка эту машину внезапно купили, и ДМРВ так и остался с не идеальным алгоритмом).

Устройство и работа датчика расхода воздуха (ДМРВ)

Учитывая тот факт, что АвтоВАЗ щедро натыкал датчиков массового расхода воздуха на все более-менее работящие машины, от десятки до четырнадцатой модели, стоит знать, как устроено и работает это чудо.

Принцип работы ДМРВ использует изменение температуры слоя металла в 0,07мм, наваренного на керамический слой датчика, или тонкой платиновой проволоки под действием потока воздуха. Установлен датчик массового расхода воздуха на специальной державке, и вынесен в центральную часть сечения воздушного коллектора перед дроссельной заслонкой для уменьшения влияния местных завихрений.

Кроме слоя платины, на поверхности кремниевого элемента наклеены два терморезистора для фиксации температур воздуха и чувствительного элемента. Небольшая электросхема управляет процессом измерения, а при определенных условиях она же запускает режим самоочистки датчика от лаковых и масляных пленок грязи. При этом на поверхности платины температура взлетает до 1000 о С, и кислородом воздуха органические вещества переводятся в продукты сгорания.

Принцип работы устройства

Чтобы понять, почему он может влиять на потребление топлива, и как обмануть ДМРВ, попробуем разобраться дальше. За каждый такт работы силового агрегата в него должно попадать примерно 14 частей горючего и 1 часть воздуха. Если взаимоотношение нарушается, это вызовет перерасход топлива или существенное снижение мощности мотора. Именно датчик должен замерять идеальный объем воздуха, поступающего в цилиндры. Он производит подсчеты и передает эти сведения бортовому компьютеру, который рассчитывает требуемый объем бензина, исходя из информации об объеме воздуха.

Найти сам датчик можно на участке между воздушным фильтром и впуском двигателя. При этом, ДМРВ ни на секунду не прекращает своей работы. Ведь с каждым нажатием на педаль акселератора изменяется количество поступающего воздуха, а, соответственно, необходимо заново рассчитать, сколько двигателю требуется горючего.

Поэтому не то, что обмануть, но и настроить датчик просто так не получится. Как уже говорилось выше, он выходит из строя при любом неудачном прикосновении или взаимодействии с агрессивными химическими веществами. Именно отсутствие возможности ремонта является самым существенным недостатком датчика, поскольку стоит он недешево.

Как проверить работоспособность ДМРВ

При появлении в работе двигателя характерных признаков неисправности и выхода из строя расходомера воздуха (ДМРВ), есть несложные методы, как проверить его работоспособность и определить причину неисправности своими силами. Для этого достаточно понимать принципы функционирования данного датчика как компонента системы.

Электронный блок управления двигателем регулирует подачу топлива на основании сигналов MAF-сенсора, а при его отказе переводит систему в аварийный режим. Подача бензина начинает рассчитываться по показаниям датчика положения дроссельной заслонки и датчика коленвала, однако параметры впрыска топлива на основании этих данных получаются очень приблизительными. На некоторых автомобилях в таком режиме работы мотора холостые обороты повышаются до 1500-2000 тысяч.

Для выполнения самостоятельной диагностики достаточно на работающем двигателе отсоединить фишку MAF-сенсора. Если это сопровождается повышением оборотов силового агрегата – датчик работает. Но на некоторых моделях авто подобного может и не происходить, поэтому нужно сделать тест-драйв и обратить внимание на поведение авто. Если динамика разгона заметно улучшилась, значит проблема действительно в ДМРВ.

Дополнительно стоит провести контрольные измерения высокоточным мультиметром, если таковой имеется в наличии. Проверка производится на неработающем двигателе при включенном зажигании. Показания напряжения на выходе исправного датчика должны соответствовать пределам от 0,9 до 1,4 Вольт, превышение этого порога обычно свидетельствует о нарушении работоспособности узла.

Коды ошибок ДМРВ

Чаще всего контроллер выдаёт код ошибки P0100. Это означает неисправность MAF, сделать такой вывод ЭСУД заставляет выход сигналов от датчика за пределы возможного диапазона на протяжении заданного промежутка времени.

При этом общий код ошибки может быть конкретизирован дополнительными:

• P0101 – явно ошибочный уровень сигнала, выход за рабочий диапазон;
• P0102 – низкий уровень в сигнальной цепи;
• P0103 – высокий уровень в сигнальной цепи;
• P0104 – нестабильный сигнал с ошибками.

Однозначно определять неисправность по кодам ошибок не всегда возможно, обычно эти данные сканера служат лишь информацией к размышлению.

К тому же ошибки редко появляются по одной, например, неполадки в ДМРВ могут повлечь изменение состава смеси с кодами что-то вроде P0174 и тому подобными. Дальнейшая диагностика проводится уже по конкретным показаниям датчиков.

2 Типы очистителей – выбираем состав для работы

Чтобы качественно почистить ДМРВ, вам потребуется специальное средство. На рынке представлено множество составов, подходящих для выполнения таких работ. Одной из самых популярных является жидкость Liqui Moly. Под маркой данного бренда выпускается много продукции для автомобилистов, в том числе и специальные очистители для датчиков массового расхода воздуха. Этот очиститель выбирают как профессионалы, так и простые автолюбители, потому что он дает возможность эффективно избавиться от любых загрязнений, вернуть датчику его изначальную работоспособность и избежать его замены. Жидкость от Liqui Moly подходит для очистки как бензиновых, так и дизельных двигателей.

Чтобы не тратиться на дорогостоящие специализированные средства, можно промыть агрегат спиртом. Спирт качественно расщепляет грязь и дает возможность бороться даже с серьезными загрязнениями. Однако сегодня профессионалы не рекомендуют использовать данное средство. Специализированные составы гораздо более эффективны и надежны.

Чтобы снизить затраты на ремонт, можно использовать для очистки датчика специальную жидкость для очистки карбюраторов. Такие очистительные средства намного дешевле специализированных для ДМРВ, однако они достаточно эффективны. С застывшими загрязнениями позволяет бороться и отечественное средство «Жидкий ключ». Этот спрей дает возможность очищать различные узлы и компоненты транспортных средств от грязи. Вместо «Жидкого ключа» можно использовать проверенное средство WD-40. Это универсальный очиститель, который подходит и для прочистки ДМРВ.

Очистка датчика

Если вы наблюдаете признаки неисправности ДМРВ, тогда можно попробовать очистить прибор.

К слову, это самый дорогой датчик из всех в линейке переднеприводных автомобилей ВАЗ. Но если у вас он вышел из строя, не спешите его менять. Есть небольшой шанс на восстановления его «здоровья». Для процесса очистки понадобится специальная жидкость, которая применяется для чистки карбюратора. Также пригодятся ключи типа «звездочка». Отвинтите хомут, а также два болта на «10». Снимите патрубок и доставайте датчик. Побрызгайте жидкостью на проволочку и трубку. Работайте с предельной аккуратностью, подождите, пока эта жидкость полностью испарится и оставьте устройство высохнуть.

Пока прибор высыхает, снимите дроссельный узел. Вы увидите налет внутри дроссельного узла. Его нужно убрать с помощью жидкости. Эта грязь является причиной неполадок всей системы. Из-за нее и появляются проблемы с ДМРВ, признаки неисправности ВАЗ 2115, которые беспокоят начинающих на автомобильных форумах.

Тросик газа не снимайте. Положите узел на тряпочку и обработайте особенно грязные участки жидкостью. Не забудьте промыть регулятор холостого хода и пространство под ним.

Проводите такие профилактики регулярно, и ваш автомобиль скажет вам спасибо.