Функции электронного управления системами автомобиля с бензиновым двигателем.
На современных автомобилях компьютерные системы управления рабочими процессами двигателей применяются для повышения топливной экономичности, динамических качеств автомобилей, обеспечения экологической безопасности в соответствие с действующими нормами.
Регулирование режимов работы и управление функциональными системами обеспечивается с помощью электронных блоков-модулей (контроллеров).
Назначение компьютерного управления заключается в формировании количественного и качественного состава рабочей смеси, а также в определении момента подачи топлива в цилиндры и искры на свечи зажигания с учетом режимов работы двигателя и состава отработавших газов. С помощью датчиков компьютерной системы определяются показатели режимов работы двигателя и автомобиля (количество поступающего в цилиндры воздуха, положение дроссельной заслонки, температура воздуха во впускном трубопроводе, температура охлаждающей жидкости двигателя, частота вращения коленчатого вала и др.), которые преобразуются в электрический сигнал и передаются в электронный блок управления (ЭБУ). В соответствии с заложенной программой ЭБУ обрабатывает полученные сигналы и выдает команды исполнительным устройствам (форсунки, регулятор холостого хода, реле включения вентилятора, свечи зажигания и др.).
Современные электронные системы имеют наиболее полный подбор модулей, образующих систему (сеть) электронного (компьютерного) управления работой автомобиля.
В зависимости от марки, модели, комплектации автомобиля число и назначение основных и вспомогательных модулей может существенно меняться.
Сеть электронного управления работой автомобиля может включать:
модуль управления функциями двигателя (ЭБУ);
центральный электронный модуль, имеющий множество функций и осуществляющий координацию диагностических функций модулей, аккумулирующий информацию об отказах;
модуль электронного управления дроссельной заслонкой;
модуль управления автоматической коробкой передач;
контроллер антиблокировочной тормозной системы и системы стабилизации, управляющий функциями тормозной системы;
модуль переключателя освещения, управляющий освещением и осуществляющий последовательный обмен данными с центральным электронным модулем;
модуль управления устройствами рулевого колеса;
модуль управления устройствами двери водителя;
модуль управления устройствами дверей пассажиров;
модуль управления устройствами электропривода сиденья водителя;
модуль управления функциями системы микроклимата салона;
модуль управления радиоприемником, звуковоспроизводящим оборудованием ;
Модуль управления функциями автомобильного телефона;
модуль управления функциями люка в крыше;
задний электронный модуль, управляющий электрическими устройствами в задней части автомобиля;
модуль информации для водителя, управляющий функциями комбинации приборов;
модуль дорожной информации;
модуль системы безопасности, управляющий надувными подушками безопасности;
верхний электронный модуль, управляющий электрическими устройствами в верхней части кузова;
модуль управления сигнализацией, управляющий сиреной охранной сигнализации, осуществляющий последовательный обмен данными с верхним электронным модулем;
Основой электронного управления системами автомобиля является компьютерная система управления двигателем.
Система управления бензиновым двигателем.
Система управления двигателем состоит из подсистемы управления распределенной подачей топлива (впрыском топлива) и подсистемы управления зажиганием. Обе подсистемы управляются электронным блоком управления (ЭБУ) и обеспечивают работоспособность двигателя.
Как сложная трехэлементная система (элементы обеспечения информацией — датчики; элементы получения информации, обработки ее и выработки управляющих сигналов — электронные блоки (контроллеры, модули); элементы реализации управляющего сигнала — исполнительные механизмы) компьютерная система управления двигателем использует большое число основных и дополнительных датчиков, сложную систему (сеть) электронных модулей и исполнительных механизмов.
Работа современной системы управления двигателем осуществляется в следующем порядке.
С помощью электрического топливного насоса, расположенного, как правило, в топливном баке, бензин, проходя топливный фильтр, поступает в рампу форсунок, откуда подается в цилиндры при электрическом управлении открытием соответствующих форсунок. Давление подаваемого топлива регулируется клапаном регулятора давления и равно 0,285...0,325 МПа. Количество подаваемого в цилиндры топлива зависит от времени открытия электрических клапанов форсунок и строго соответствует количеству поступающего во впускной трубопровод двигателя воздуха, измеряемого датчиком массового расхода воздуха и корректируемого в соответствии с сигналами от датчиков положения дроссельной заслонки и температуры воздуха. Электронный блок управления в соответствии со специальной программой обрабатывает все поступающие в него данные и контролирует включение электрического бензонасоса, вентилятора системы охлаждения двигателя, кондиционера, компрессора турбонаддува и в соответствии с режимами работы двигателя и автомобиля обеспечивает впрыск топлива форсунками, поддерживая заданный состав топливно-воздушной смеси (отношение количества топлива к воздуху равно 1 к 14,7).
Моменты подачи топлива и искры на свечи зажигания, выдаваемые ЭБУ в качестве исполнительных команд на топливные форсунки и катушки зажигания, зависят от входящих в ЭБУ сигналов датчиков синхронизации, фазы, температуры охлаждающей жидкости двигателя, детонации и содержания кислорода в отработавших газах (ƛ(лямбда)-зонда).
В силу сложности компьютерных систем их отказы трудно диагностировать обычными методами, а их последствия (прекращение транспортного процесса, увеличение расхода топлива и токсичности отработавших газов) трудно устранять.
Наиболее часто отказывающими элементами системы управления работой бензиновых двигателей являются:
электрические цепи — окисление контактов и обрыв проводов (35 %),
топливный насос (22 %),
клапан холостого хода (10%),
элементы системы зажигания (9%),
форсунки (8 %),
датчик кислорода (7 %),
датчики и реле (6 %),
электронный блок управления (3 %).
Система впрыска.
Топливные системы с впрыском бензинового топлива классифицируются по различным признакам.
1.По месту привода топлива:
центральный одноточечный (моно-) впрыск с единственной механической или электромагнитной форсункой, расположенной во впускном коллекторе;
распределенный впрыск с числом форсунок, соответствующим числу цилиндров, расположенных во впускном коллекторе перед впускными клапанами;
непосредственный впрыск в цилиндры
2.По способу подачи топлива: непрерывный и прерывистый впрыск.
3.По типу узлов, дозирующих топливо (плунжерные насосы, распределители, форсунки, регуляторы давления и т.д.).
4.По способу регулирования количества смеси: пневматическое, механическое, электронное.
5.По основным параметрам регулирования состава смеси: разрежению во впускной системе, углу поворота дроссельной заслонки, расходу воздуха.
Применение систем впрыска позволяет добиться следующих преимуществ:
обеспечить оптимальное смесеобразование на всех режимах;
повысить мощность двигателя;
уменьшить расход топлива;
уменьшить объем выброса вредных веществ;
облегчить пуск холодного двигателя и др.
К недостаткам систем впрыска следует отнести усложнение конструкции автомобиля, повышение его стоимости, повышение требований к бензину (чистота, октановое число), сложность в обслуживании (необходимость применения специального оборудования).
В настоящее время системы впрыска оснащаются отдельным ЭБУ, функции которого заключаются в обработке информации, поступающей с различных датчиков, управлении исполнительными механизмами, системой зажигания (в современных двигателях системы впрыска топлива и зажигания перестают быть независимыми и становятся компонентами все более усложняющихся интегральных систем управления работой двигателя) и обеспечении требуемых характеристик подачи топлива на различных режимах работы двигателя.
Наиболее эффективными по характеристике расхода топлива и экологическим показателям, а значит и наиболее перспективными, являются двигатели с электронным (компьютерным) управлением распределенным впрыском топлива. Однако характеристика работы большой группы деталей и элементов, формирующих топливную систему с впрыском, повышенные требования к качеству топлива и регулировкам — все это определяет значительный перечень признаков неисправностей системы.
Повышение надежности элементов компьютерной системы, а также предупреждение отказов и неисправностей достигается использованием функций электронного обеспечения работы двигателя, которое позволяет не только оптимально управлять рабочими процессами впрыска, но также осуществлять диагностирование технического состояния как подключением внешнего диагностического оборудования, так и использованием встроенных функций самодиагностики.
При встроенной диагностике ЭБУ фиксирует отклонения рабочих параметров в управлении работой двигателя и регистрирует их в виде кодов неисправностей, сигнализируя при движении автомобиля или при ТО и ремонте об отклонении параметров технического состояния от установленных норм.
Предупреждения о неисправностях в компьютерной системе отображаются загоранием специальной лампы диагностики с рисунком двигателя или надписью «проверь двигатель» {«check engine»).
При использовании специальной технологии контроля, разрабатываемой производителем автомобилей, коды неисправностей считываются с помощью диагностической лампы или специального диагностического сканера (тестера), подсоединяемого к диагностическому разъему.
Результаты диагностирования системы впрыска являются основными при определении комплекса операций ТО и TP топливной системы, что связано с высокой технологической сложностью и стоимостью монтажно-демонтажных, разборочно-сборочных и регулировочных работ системы впрыска, а также с нецелесообразностью частых разборок сопряженных соединений.
Современные системы впрыска оснащены встроенной диагностической системой со следующими функциями: самодиагностикой, функциональными и контрольными испытаниями. Распознавание неисправности происходит путем непрерывного циклового процесса сравнения показателей датчиков и систем на любых режимах работы с заложенными в блоке управления матрицами рабочих значений данных параметров (частота цикла на автомобилях различных производителей может отличаться). Несоответствие полученного рабочего значения требуемому для заданного режима работы распознается как неисправность, о чем водитель информируется характерным сигналом на рабочей панели автомобиля. Появление сигнала (сигналов) говорит о необходимости оперативного считывания и распознавания характера неисправности или отказа элемента автомобиля с использованием средств внутреннего диагностирования (если они предусмотрены в конструкции автомобиля), либо через подключение внешнего диагностического оборудования.
Доступ к диагностической системе осуществляется через гнездо разъем) на диагностическом блоке при включенном зажигании.
Самодиагностика предназначена для оперативного считывания нформации о неисправностях и отказах, накопленных в процессе текущей эксплуатации автомобиля. Для накопления информации о неисправностях используется встроенный диагностический блок управления, который способен запоминать 3...4 неисправности одновременно (общее число неисправностей, которые могут быть обнаружены, составляет 13...15). Функция самодиагностики заложена в электронный блок управления работой двигателя, через который посредством внутрисистемного информационного обмена она может быть применена и для других систем штатного электронного контроля работы автомобиля (автоматическая коробка передач, антиблокировочная система тормозов, противобуксовочная система ведущих колес и система стабилизации движения автомобиля, климат-контроль и т.д.). Коды неисправностей запоминаются при обнаружении сигнала неисправности. Сигнал может незамедлительно отображаться при нажатии испытательной кнопки на диагностическом блоке.
Блок управления снабжен памятью для запоминания кода неисправности и адаптивной программой, которая способна сохранять информацию в течение по меньшей мере 10 мин после прекращения подачи электроэнергии.
Функциональное испытание предназначено для диагностирования системы в режиме имитирования последовательного выхода из строя функциональных элементов, обеспечивающих правильную работу системы впрыска (например, датчика положения дроссельной заслонки, после того, как он выйдет из положения холостого хода или из положения «работы при полной нагрузке»; блока электронного управления системой зажигания; блока управления автоматической коробкой передач).
Контрольное испытание позволяет проверить работоспособность элементов системы впрыска как до, так и после функционального испытания средствами внутреннего диагностирования.
Режим функционального и контрольного испытания включается после комбинации кратковременных нажатий испытательной кнопки диагностического блока внутри автомобиля.
Для поиска неисправностей в системах впрыска топлива в ряде случаев требуется подсоединение специального измерительного блока — диагностического ключа, позволяющего определить место (в проводке, разъемах или самих компонентах, на которых замеры на разъемах блока управления невозможно сделать) и характер неисправности. Диагностический ключ подсоединяется к диагностическому блоку. Считывание и запись кодов неисправностей, обнаруженных в топливной системе, производится при включенном зажигании и с соблюдением необходимых мер, определяющих технологию диагностирования с использованием диагностического ключа. Распознавание и устранение неисправностей производится в соответствии с таблицей кодов неисправностей. Для каждой серии автомобилей производителями автомобилей могут предлагаться принципиально отличающиеся таблицы. Использование диагностического ключа не требует высокой квалификации оператора, так как основным его назначением является распознавание и запись неисправностей, возникших в процессе текущей эксплуатации автомобиля. Поэтому в роли оператора может выступать водитель или владелец транспортного средства.
Для проведения диагностирования необходимо выполнить ряд подготовительных операций, целью которых является привести систему в требуемое для начала диагностирования техническое состояние. Для этого необходимо проверить следующие элементы: систему подачи воздуха (рекомендуется снять регулятор холостого хода, промыть его составом для прочистки карбюраторов и смазать); датчик положения дроссельной заслонки (необходимо убедиться в том, что диск потенциометра чистый); ограничитель хода дроссельной заслонки (возможно, его положение было нарушено, в результате чего выходное напряжение датчика положения дроссельной заслонки вышло за пределы нормы); трос привода дроссельной заслонки (необходимо удостовериться, что привод правильно отрегулирован и имеет требуемый свободный ход); ход рычагов и тяг привода дроссельной заслонки (они должны двигаться свободно и без заедания); ряд других элементов в зависимости от сложности системы.
Чаще всего выявление неисправности в конкретном элементе современной системы впрыска с полностью электронным управлением говорит о необходимости дорогостоящего ремонта этого элемента или его замены. Однако прежде чем принимать решение с замене дорогостоящей запасной части, следует уточнить диагноз.
Одной из наиболее частых неполадок может быть понижение оборотов двигателя на холостом ходу, сопровождающееся загоранием контрольной лампы на панели самодиагностики и высвечиванием кода неисправности, который указывает на неисправность потенциометра дроссельной заслонки. Обычно в этом случае потенциометр рекомендуется заменить.
Потенциометр является устройством, напряжение которого находится в прямой зависимости от угла открытия дроссельной заслонки и изменяется от 0,5 до 4,5 В. При перемещении дроссельной заслонки напряжение должно возрастать плавно. Важно удостовериться, что выходное напряжение находится в требуемых пределах.
Потенциометр проверяют при включенном зажигании с помощью очень чувствительного вольтметра, поскольку достаточно малейшего отклонения выходного напряжения потенциометра от нормы, чтобы произошли нарушения в работе системы впрыска Поэтому обычные тестеры в данном случае непригодны. Лучше всего использовать для этого осциллограф, так как он увереннее воспринимает любые электрические сигналы, включая наведенные. Наведенные электрические сигналы могут имитировать неисправности, даже в том случае, если выходное напряжение соответствует требуемому значению. Шумовой сигнал воспринимается ЭБУ как сигнал потенциометра, что может приводить к нарушению работы регулятора холостого хода. Побочным эффектом этого может стать увеличение расхода топлива.
В большинстве современных систем впрыска выходное напряжение потенциометра дроссельной заслонки используется в качестве сигнала о предстоящем ускорении автомобиля. Поэтому ещё одним признаком неисправности потенциометра является избыточная подача топлива.
Особенностью отказа потенциометра является то, что его невозможно вернуть в рабочее состояние путем очистки или ремонта. Почти всегда это герметичное неразборное устройство, поэтому, если оно действительно неисправно, его можно только заменить.
Другой неисправностью современной системы впрыска, является неустойчивая работа двигателя при холодном пуске, иногда сопровождающаяся обратными хлопками во впускной коллектор. Чаще всего это является следствием обеднения смеси, вызванным ошибками в программном обеспечении ЭБУ. Это может означать как его выход из строя, так и неисправность одной или нескольких форсунок.
Чтобы проверить форсунки необходимо их снять, очистить и убедиться в их исправности. Для такой проверки требуется специальное оборудование. Если проверка показывает, что форсунки исправны, следует проверить программу ЭБУ, так как его ремонт обходится чаще всего дешевле, чем покупка нового. Вместе с проверкой ЭБУ необходимо проверить отсутствие подсоса воздуха в систему впрыска, что может вызвать обеднение смеси. Обычно подобные неисправности проявляются при значительном суммарном пробеге автомобиля, когда двигатель начинает «стареть». Этому способствуют образование нагара на клапанах и общий износ двигателя.
Современные автомобили чаще всего оснащены каталитическими нейтрализаторами и имеют систему ограничения вредных выбросов с обратной связью от ƛ-зонда. Если состав выхлопных газов не соответствует норме (топливная смесь слишком бедная или богатая), то прежде чем проверять на работоспособность ƛ-зонд, необходимо проверить выходное напряжение датчика абсолютного давления.
Считывание может осуществляться с помощью тестера (мотор-тестера, автотестера, сканера), подключенного к диагностическому разъему (расположение диагностического разъема различными производителями определяется по-разному, например перед селектором коробки передач в салоне водителя. При подключении диагностического сканера (тестера) более полно определяется техническое состояние компьютерной системы (коды и их описание), при этом имеется возможность выполнить корректировки по составу топливно-воздушной смеси, углу опережения зажигания и др. Система управления двигателем может иметь 65...135 кодов неисправностей для диагностики. Каждый код неисправности может дать информацию о том, вызвана ли неисправность обрывом, коротким замыканием на электропитание (+) или коротким замыканием на «массу». Это дает в общей сложности 195...405 различных кодов неисправностей.
Применение внешнего диагностического оборудования позволяет на более высоком качественном уровне выполнять в штатном режиме функциональные и контрольные испытания при диагностировании.
Система зажигания.
Система зажигания за последние 15...20 лет претерпела заметную эволюцию: от классической контактной до полностью бесконтактной системы с электронным управлениек всеми функциями.
Развитие системы зажигания определено стремлением добиться оптимизации ряда показателей и характеристик таких как: исключение контактных элементов в цепи системы в целях избежания искрения; минимизация и исключение потерь напряжения в цепи высокого напряжения системы; исключение магнитных колебаний в цепях элекгрооборудования; максимальный контроль за основными показателями системы зажигания на всех режимах работы двигателя: силой пробивного напряжения на электродах свечи, продолжительностью горения искры, регулированием опережения зажигания; максимальная доступность для диагностирования и ремон топригодность; максимальная защита от несанкционированного (процедурно не соблюденного) включения; другие.
Контактная или классическая батарейная система зажигания характеризуется наличием в ее цепи таких элементов, как контактный прерыватель, распределитель (роторного типа), одна (две) трехклеммовая катушка зажигания и т.д. Главными недостатками контактной системы зажигания являются: большой ток, проходящий через прерыватель и вызывающий электроэрозионный износ контактов; искрящиеся высоковольтные контакты в распределителе. Эти недостатки в первую очередь уменьшают срок службы и снижают надежность всей системы зажигания. При увеличении степени сжатия, использовании более бедных рабочих смесей, увеличении частоты вращения коленчатых валов и числа цилиндров контактная система зажигания не обеспечивает решения задач и возросших требований к системе. Поэтому в свое время возникла необходимость применения транзисторных (электронных) систем зажигания.
Функциональное отличие контактно-транзисторной системы зажигания от контактной заключается в том, что в контактно-транзисторной системе зажигания через контакты прерывателя проходят только управляющие импульсы тока (силой около 0,5 А). К первичной цепи катушки зажигания контакты прерывателя не относятся. В цепи контактно-транзисторной системы предусмотрен коммутатор, который позволяет добиться бесконтактного размыкания и замыкания первичной цепи. В ряде случаев коммутатор производится в одном корпусе (блоке) с катушкой зажигания, который монтируется на кронштейне в моторном отсеке. Выполненная в форме блока конструкция позволяет предупредить интерференцию от электромагнитных помех.
Основные особенности контактных систем зажигания при использовании дополнительных электронных блоков: малый ток, протекающий через контакты прерывателя (номинальная сила тока не более 0,3 А); более высокое вторичное напряжение; устройства могут включать в себя электронный октан-корректор (ЭОК); возможность, в случае необходимости, перейти к обычной контактной системе зажигания. Таким образом, электронные блоки в контактных системах зажигания значительно улучшают их характеристики, т.е.: не обгорают контакты прерывателя, так как в несколько раз снижаются протекающие через них токи, делая их только управляющими работой электронного коммутатора (поэтому контакты не обгорают и не требуют частого обслуживания); позволяют существенно увеличить напряжение на свечах, в результате чего допускается некоторое увеличение зазора между электродами свечи; позволяют при затрудненном пуске или в случае пониженного октанового числа, воспользовавшись электронным октан-корректором, непосредственно с места водителя изменить угол опережения зажигания; при пуске или с целью очистки контактов прерывателя можно простым переключением перейти к обычной контактной системе зажигания.
Контактные системы зажигания с дополнительными электронными блоками имеют и недостатки: понижение энергии искры, число элементов системы доходит до 85, что снижает надежность системы зажигания.
Среди основных преимуществ бесконтактных систем зажигания относительно контактных следует выделить следующие.
Контакты прерывателя не обгорают (как при контактной системе) и не загрязняются (как при контактно-транзисторной системе зажигания).
Нет необходимости длительное время устанавливать момент зажигания, не контролируется и не регулируется угол замкнутого (разомкнутого) состояния контактов, в силу их конструктивного отсутствия. В результате двигатель не теряет мощности.
Так как отсутствует размыкание контактов кулачком и нет биения и вибрации ротора распределителя — не нарушается paвномерность распределения искры по цилиндрам, что обеспечивает большую равномерность работы двигателя и, как следствие экономичность и меньшую токсичность.
Современные (бесконтактные) системы зажигания управляются, как и система впрыска, отдельным ЭБУ (контроллером), который для выработки полнофункционального управляющего сигнала должен получать информацию от следующих элементов:
с датчика частоты вращения (положения) коленчатого вал двигателя;
с датчика положения распределительного вала, который подает на блок управления информацию, необходимую для расчет правильной установки зажигания;
с датчика(ов) детонации;
с блока управления автоматической коробки передач, для указания величины снижения крутящего момента при переключении передачи (связь с блоком управления автоматической коробкой передач обеспечивает возможность снижения угла опережения зажигания при переключении передачи);
с блока управления системой впрыска с указанием положения дроссельной заслонки, нагрузки двигателя, температуры охлаждающей жидкости;
со спидометра.
В свою очередь, электронный блок системы зажигания ynpaвляет следующими компонентами:
коммутатором и катушкой зажигания;
реле кондиционера воздуха для временного отключения компрессора кондиционера;
вентилятором системы охлаждения с помощью реле вентилятора;
функцией предупреждения о составе выхлопных газов и др.
Одновременно блок управления системой зажигания выдает информацию на диагностический блок для поиска неисправностей.
Диагностирование электронной системы зажигания производится аналогично технологии диагностирования системы впрыска.
Распознавание неисправностей осуществляется в соответствии с кодами.
Чаще всего выявление неисправности начинается с проверки исправности электрической проводки. Проверяется состояние проводов свечей, которые могут быть протерты или иметь порезы. Проводя проверку системы зажигания, необходимо соблюдать меры безопасности, помня о том, что при запущенном двигателе напряжение в высоковольтной части системы достигает нескольких десятков тысяч вольт. Неосторожность может привести к получению травмы или (и) к выходу из строя электрооборудования.
Следующим этапом подготовки к диагностике является проверка с использованием руководства по ремонту данной системы и при необходимости регулировка величины зазора искрового промежутка. Далее, после выполнения всех подготовительных работ производится непосредственно диагностирование электронной системы зажигания в соответствии с методикой, принятой для данного диагностического оборудования.
Все работы по выявлению и устранению неисправностей электронных систем автомобиля выполняют специально подготовленным персоналом на диагностических постах. Посты оснащаются комплектом приборов и приспособлений.
Для двигателя ВАЗ-21102 данный комплект включает: пробник электричес¬кий, специальный тестер, осциллограф-мультиметр, перемычку, разрядник, пробник для цепи форсунок, топливный манометр, прибор для проверки форсунок, вакуумный насос, съемник высоковольтных проводов, набор адаптеров, манометр для измерения давления в системе выпуска. Восстановление технического состояния системы управления работой двигателя проводится по разработанным производителем автомобилей алгоритмам (диагностическим картам) для каждого кода неисправности.
Применение электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) позволяет снизить расход топлива и токсичность отработавших газов, повысить мощность двигателя, активную безопасность автомобиля, улучшить условия работы водителя.
6.1. ЭСАУ топливоподачей бензиновых двигателей
По типу топливоподачи ЭСАУ делятся на ЭСАУ системами впрыска (непосредственно в камеру сгорания или во впускной тракт) и ЭСАУ карбюраторными системами.
Системы с непосредственным впрыском мало применяются из-за сложности их конструкции. Наибольшее распространение получили системы впрыска во впускной тракт, разделяющиеся на системы с впрыском в зону впускных клапанов и системы с центральным впрыском.
ЭСАУ топливоподачей могут осуществлять управление аппаратным и программным методами.
Аппаратный метод реализации управления называется «жесткой» логикой. При исользовании данного метода алгоритм работы системы управления полностью определяется принципиальной схемой этой системы.
При программном управлении алгоритм управления зависит не только от принципиальной схемы системы управления,но и от информации (программы), записанной в постоянное записывающее устройство (ПЗУ). Например, ЭСАУ топливоподачей программного типа работает следующим образом. С различных датчиков, установленных на двигателе(датчиков частоты вращения коленчатого вала, угла открытия дроссельной заслонки, крутящего момента), ЭСАУ получает информацию и преобразует ее в код, который поступает на вход ПЗУ.В соответствии с этим кодом на выходе ПЗУ появляется информация, используемая для управления форсунками или карбюратором.
ЭСАУ впрыском топлива (система электронного впрыска) обеспечивает необходимую длительность интервала, в течении которого форсунка остается открытой. Так как электрический топливный насос поддерживает постоянное давление (≈ 0,2Мпа),этот интервал определяет количество поступающего в цилиндры топлива. Длительность интервала задается в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости и абсолютного давления.
В электронных карбюраторных системах дозирование горючей смеси осуществляется по химическому составу отработавших газов (рис 6.1)Для этого в выпускную систему двигателя устанавливается датчик кислорода – λ – зонд. Этот датчик реагирует на процентное содержание кислорода в отработавших газах пропорциональное коэффициенту избытка воздуха. При нормальном процентном содержании кислорода каталитический нейтрализатор, установленный в выпускном тракте, обеспечивает качественную очистку отработавших газов (ОГ) от токсичных компонентов СО, СН, NО.
Система работает следующим образом. Если дозирующее устройство вырабатывает стехиометрический состав смеси, то на выходе λ - зонда, установленного в выпускном тракте двигателя, появляется напряжение, равное опорному напряжению U оп. В этом случае на выходе схемы сравнения напряжение U ош равно нулю и дозирующее устройство продолжает вырабатывать прежний стехиометрический состав. Если состав смеси будет отличен от стехиометрического, то по сигналу со схемы сравнения дозирующее устройство изменяет состав смеси до тех пор, пока он не станет опять стехиометрическим.
В качестве λ.-зонда чаще всего используются циркониевые датчики кислорода, недостатком которых является то, что их минимальная рабочая температура составляет 350 °С. Поэтому они либо не используются при прогреве двигателя, либо имеют электрический подогрев.
Рис. 6.1. Структурная схема электронной карбюраторной системы
Введение
В настоящее время техническая оснащенность автомобиля различными электронными системами значительно возросла. Последние достижения в области электроники и микропроцессоров способствовали повышению надежности, эргономичное TM и безопасности автомобиля.
Доля электроники в автомобилях постоянно увеличивается - в 2000 году на нее приходилось 22% стоимости автомобиля, а в 2010 - 35%.
Еще более возрастает роль электронных и микропроцессорных систем, которые во многом определяют активную и пассивную безопасность автомобиля. Так 1 июля 2004 года в Европейском союзе вступило в силу коллективное обязательство автопроизводителей не поставлять на рынок автомобили без антиблокировочных систем. Как ожидается, вскоре аналогичное решение будет принято и по подушкам безопасности.
Не меньшее внимание уделяется экологическим показателям автомобиля, выполнить которые без микропроцессорного управления силовым агрегатом невозможно.
1. Общие сведения об электронных и микропроцессорных системах автомобиля
Понятие электронной системы является более общим, нежели понятие микропроцессорной системы. В самом общем смысле под электронной системой понимается система, построенная на радиоэлектронных элементах.
Электронная система автомобиля - система (узел) автомобиля, алгоритм функционирования которой определяется принципиальной электрической схемой блока управления или всего узла. При этом технически электронный блок управления (ЭБУ) или весь узел может быть выполнен на дискретных и (или) интегральных радиоэлементах, а изменение алгоритма работы системы или узла невозможно без изменения электрической схемы.
Микропроцессорная система автомобиля - система автомобиля, алгоритм функционирования которой определяется программой процессора электронного блока управления (ЭБУ). Таким образом, в данной системе всегда есть блок управления на основе микропроцессора и для изменения алгоритма работы системы требуется изменить программу микропроцессора.
Основные компоненты электронных и микропроцессорных систем автомобиля.
Современный автомобиль обладает значительным количеством электронных и микропроцессорных систем различного назначения и уровня сложности, что определило разнообразие в элементной базе устройств и технологиях их изготовления.
Рассмотрим основные критерии классификации электронных компонентов автомобиля.
По типу элементов: дискретные и интегральные электронные компоненты.
По типу рабочего сигнала : цифровые и аналоговые компоненты.
По условиям применения: стандартные (универсальные) и специальные компоненты.
Более подробно рассмотрим интегральные микросхемы (ИС), которые в настоящее время являются преобладающими в автомобильной электронике.
В подавляющем большинстве сейчас используются монолитные интегральные микросхемы (1С- integrated circuit), то есть выполненные на едином кристалле полупроводника (чаще кремния) по планарной технологии. Данная технология позволяет производить в микросборке все полупроводниковые элементы, а также пассивные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. Выделяют пять уровней интеграции микросхем:
- низкая (SSI);
- средняя (MSI);
- высокая (LSI);
- сверхвысокая (VLSI);
- ультравысокая (ULSI).
В настоящее время производятся последние три группы интегральных микросхем. Аналоговые интегральные микросхемы чаще всего делятся по назначению: операционные усилители, стабилизаторы напряжения, усилители низкой частоты, компараторы и т. д.
Цифровые интегральные микросхемы имеют, как правило, два критерия классификации:
- по технологии полупроводников: биполярные, на основе полевых транзисторов и гибридные.
- по назначению: логические, триггеры, регистры, шифраторы, мультиплексоры, микросхемы памяти, высокомощные микросхемы.
Отдельным классом цифровых интегральных микросхем стоят микропроцессоры.
Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление этим процессом, реализованное в одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).
Микропроцессорная ЭВМ (или микроЭВМ) - это ЭВМ, включающая микропроцессор, полупроводниковую память, средства связи с периферийными устройствами и, при необходимости, пульт управления и блок питания, объединенные одной несущей конструкцией.
В зависимости от способа конструирования микроЭВМ делят на:
- однокристальные, выполненные на одном кристалле,
- одноплатные, реализованные на одной плате,
- многоплатные, когда микропроцессор и основная память располагаются на одной плате, средства связи с периферийными устройствами - на других.
Микропроцессорная система (МПС) - информационная, измерительная, управляющая или другая специализированная цифровая система, включающая микроЭВМ и средства сопряжения с обслуживаемым объектом.
Программное обеспечение МПС (ПО МПС) - совокупность программ, которые находятся в памяти системы и реализуют алгоритм функционирования системы.
2. Системы управления двигателем
2.1 Основные принципы управления двигателем
Автомобильный двигатель представляет собой систему, состоящую из отдельных подсистем: системы топливоподачи, зажигания, охлаждения, смазки ит.д. Все системы связаны друг с другом и при функционировании они образуют единое целое.
Схема двигателя как объекта автоматического управления приведена на рис.2.
Входные параметры (угол открытия дроссельной заслонки j др, угол опережения зажигания q , цикловой расход топлива G т и др.) - это те параметры, которые влияют на протекание рабочего цикла двигателя. Их значения определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны водителя или системы автоматического управления, поэтому они называются также управляющими.
Выходные параметры , называемые управляемыми, характеризуют состояние двигателя в рабочем режиме. К ним относятся: частота вращения коленчатого вала, крутящий момент Ме, показатель топливной экономичности g е и токсичности отработавших газов (например, содержания СО), а также многие другие.
Кроме входных управляющих параметров, на двигатель 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), свойств топлива и масла и т.д.
Для двигателя внутреннего сгорания характерна периодическая повторяемость рабочих циклов. Как объект управления двигатель считается нелинейным, так как реакция на сумму любых внешних воздействий не равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности. Учитывая, что двигатель в условиях городской езды работает на нестационарных режимах, возникает проблема оптимального управления им. Возможность оптимального управления двигателем на нестационарных режимах появилась с развитием электронных систем управления.
Управление двигателем нельзя рассматривать в отрыве от управления автомобилем. Скоростные и нагрузочные режимы работы двигателя зависят от скоростных режимов движения автомобиля в различных условиях эксплуатации, которые включают в себя разгоны и замедления, движение с относительно постоянной скоростью, остановки.
Водитель изменяет скоростной и нагрузочный режим двигателя, воздействуя на дроссельную заслонку. Выходные характеристики двигателя при этом зависят от состава топливо-воздушной смеси и угла опережения зажигания, управление которыми обычно осуществляется автоматически.
Входные параметры - это те параметры, которые влияют на протекание рабочего цикла двигателя. Их значения определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны водителя или системы автоматического управления, поэтому они называются также управляющими.
Выходные параметры, называемые управляемыми, характеризуют состояние двигателя в рабочем режиме. К ним относятся: частота вращения коленчатого вала, крутящий момент, показатель топливной экономичности и токсичности отработавших газов (например, содержания СО), а также многие другие.
2.2 Электронные системы впрыскивания бензина
Применение систем впрыскивания топлива взамен традиционных карбюраторов обеспечивает повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Они позволяют в большей степени по сравнению с карбюраторами с электронным управлением оптимизировать процесс смесеобразования. Однако следует отметить, что системы впрыскивания топлива сложнее систем топливоподачи с использованием карбюраторов из-за большего числа подвижных прецизионных механических элементов и электронных устройств и требуют более квалифицированного обслуживания в эксплуатации.
По мере развития систем впрыскивания топлива на автомобили устанавливались механические, электронные и цифровые системы. К настоящему времени структурные схемы систем впрыскивания топлива в основном стабилизировались При распределенном впрыскивании топливо подается в зону впускных клапанов каждого цилиндра группами форсунок без согласования момента впрыскивания с процессами впуска в каждый цилиндр (несогласованное впрыскивание) или каждой форсункой в определенный момент времени, согласованный с открытием соответствующих впускных клапанов цилиндров (согласованное впрыскивание). Системы распределенного впрыскивания топлива позволяют повысить приемистость автомобиля, надежность пуска, ускорить прогрев и увеличить мощность двигателя.
При распределенном впрыскивании топлива появляется возможность применения газодинамического наддува, расширяются возможности в создании различных конструкций впускного трубопровода. Однако у таких систем по сравнению с центральным впрыскиванием больше погрешность дозирования топлива из-за малых цикловых подач.
Идентичность составов горючей смеси по цилиндрам в большей степени зависит от неравномерности дозирования топлива форсунками, чем от конструкции впускной системы. При центральном впрыскивании топливо подается одной форсункой, устанавливаемой на участке до разветвления впускного трубопровода. Существенных изменений в конструкции двигателя нет. Система центрального впрыскивания практически взаимозаменяема с карбюратором и может применяться на уже эксплуатируемых двигателях. При центральном впрыскивании обеспечивается большая точность и стабильность дозирования топлива.
Особенно эффективна в отношении повышения топливной экономичности система распределенного впрыскивания топлива в сочетании с цифровой системой зажигания.
В мировой практике разработкой электронных систем впрыска топлива занимаются многие фирмы, однако наиболее известны в Европе: BOSCH, Siemens, поэтому чаще всего используют их обозначение систем. Общепринятым международным обозначением электронных систем впрыска является Jetronic. В настоящее время в массовом производстве преобладает система под названием LH-Jetronic, которая является системой распределенного впрыска топлива во впускной трубопровод. Применяется как синхронный и асинхронный впрыск топлива. Главной чертой этой системы является термоанемометрический расходомер воздуха, взамен расходомера на основе потенциометра с заслонкой.
2.3 Микропроцессорные системы управления бензиновым двигателем
Сейчас практически отказались производители от отдельных электронных систем впрыска и производят электронные системы управления двигателем (МСУД), объединяющие управление впрыском топлива и зажиганием бензинового двигателя. Такие системы обозначаются Motronic. Производятся на современном этапе три типа систем:
-M-Motronic - микропроцессорная система управления зажиганием и распределенным впрыском топлива;
-ME-Motronic - микропроцессорная система управления зажиганием и распределенным, последовательным впрыском топлива, с X- регулированием и электронным дросселем (система ETC);
-MED-Motronic- микропроцессорная система управления зажиганием и непосредственным впрыском топлива в цилиндры (Direct injection, DI).
Рассмотрим особенности систем ME-Motronic и MED-Motronic.
Система ME-Motronic
Кроме основных своих функций система ME-Motronic выполняет и целый ряд дополнительных функций с разомкнутой и замкнутой системами управления. В качестве примера можно назвать:
-регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу; регулирование коэффициента избытка воздуха (замкнутая система управления);
-улавливание топливных паров; рециркуляция отработавших газов для снижения содержания оксидов азота;
-контроль за работой вспомогательной воздушной системы для снижения содержания углеводородов в отработавших газах;
-автоматическое регулирование скорости движения (круиз-контроль).
Система MED-Motronic
При оснащении бензинового двигателя с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива системой MED-Motronic расход топлива может быть снижен не менее чем на 20 % по сравнению с двигателем, имеющим впрыск топлива во впускной трубопровод.
При этом может быть достигнут длительный эффект снижения выбросов диоксида углерода (СО2) во время движения автомобиля.
При непосредственном впрыске топлива должна осуществляться возможность скоординированного выбора между вариантами применения неоднородной смеси (послойного заряда) при неполной нагрузке и однородной (гомогенной) смеси при полной нагрузке и наоборот.
Основными требованиями при использовании системы MED-Motronic являются:
-точное дозирование потребного количества впрыскиваемого топлива;
-создание необходимого давления впрыска;
-управление моментом впрыска;
-впрыскивание топлива непосредственно в камеру сгорания.
Так же должны быть согласованы требования к величине крутящего момента двигателя, с тем, чтобы затем имелась возможность проведения необходимых регулировочных операций на данном двигателе.
Принцип работы электронной системы управления двигателем
Электронная система управления двигателем (ЭСУД) может быть системой управления как бензиновым, так и дизельным двигателем. Указанная система управления состоит из входных датчиков, ЭБУ, а также исполнительных устройств.
Развитие электронных систем управления ДВС стало возможным благодаря активному внедрению в конструкцию силовых агрегатов электронных компонентов. Еще одним фактором развития электронного управления стали экологические нормы и стандарты, полного соответствия которым можно добиться только при условии высокоточной работы управляющих систем.
На раннем этапе система управления двигателем представляла собой решение, в котором конструктивно были объединены система зажигания и система впрыска топлива. Сегодня ЭБУ двигателем контролирует большое количество систем и механизмов ДВС, среди которых:
- система впуска;
- система топливного впрыска;
- система зажигания;
- система охлаждения;
- система EGR;
- система выпуска;
- тормозная система и т.д.
Система управления двигателем работает по следующему принципу. В различных механизмах ДВС установлены входные датчики. Среди основных выделяют:
- датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ);
- датчик расхода воздуха (сегодня используется массовый воздухорасходомер ДМРВ);
- датчик давления топлива;
- датчик положения распредвала (датчик Холла, ДПРВ);
- датчик коленвала;
- датчик детонации;
- кислородные датчики;
- датчики температуры ОЖ, моторного масла, воздуха и т.д.
Указанные датчики осуществляют замер параметров работы мотора, после чего происходит преобразование в электрический сигнал. На современных автомобилях сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым. Данные от датчиков являются основой, которая позволяет ЭБУ контролировать работу двигателя на разных режимах. Показания отдельно взятых датчиков могут служить для управления как одной, так и одновременно несколькими системами силового агрегата.
Современный автомобиль состоит из четырех основных агрегатов: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), кузова, шасси и ходовой части. Эти агрегаты состоят из различных функциональных систем, которые обеспечивают выполнение главной функции автомобиля - перевозку грузов и пассажиров. Для того чтобы перевозки были безопасными, а для пассажиров и комфортными, чтобы агрегаты, узлы, блоки, системы работали безотказно, на автомобиле широко используются электротехнические устройства и средства электрон пой автоматики.
В последние годы техническая оснащенность автомобилей электронной бортовой автоматикой значительно возрастает.
Совсем недавно микропроцессорные системы зажигания, электронные системы управления гидравлическими тормозами, системы впрыска бензина, бортовая сам oil и а гностика считались последними достижениями в области автомобильного аппарате и приборостроения. Теперь их относят к классическим системам и устанавливают почти на каждый серийный автомобиль.
В наши дни на вновь разрабатываемые модели автомобилей дополнительно начинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические системы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцессорным обеспечением; спутниковая навигационно-поисковая система; радарные и ультразвуковые системы зашиты автомобиля от столкновений и угона; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круиз-контроля; система «электронная карта»; мультиплексная электропроводка.
Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных технологий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобразователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических переменных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естественном (английском) или искусственном (компьютерном) языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микро ЭВМ это позволяет повысить точность и скорость (быстроту) обработки сигналов. Как следствие, значительно усложнился интерфейс, и возникла необходимость в ведении CAN- пpoтокола в мультиплексную систему.
На базе электронных систем автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) и тормозами (ЭСАУ-Т) разработана и уже применяется гироскопическая система VDC для повышения курсовой устойчивости автомобиля на дороге в сложных условиях движения. Система VDC работает по принципу запрограммированного под нештатные условия движения совместного воздействия на крутящий момент ДВС (посредством системы ASR) и на антиблокировочную систему тормозов ABS, чем исключается боковой увод (снос) автомобиля при поворотах на большой скорости или на скользкой дороге. Водителю в таком случае отводится роль активного наблюдателя, контролирующего н корректирующего поведение автомобиля.
Интенсивно ведутся научные исследования возможности применения электромагнитных клапанов с электронным управлением в газораспределительном механизме (ГРМ) поршневого ДВС. Идею заменить классические механические клапаны электромагнитными еще в 50-х гг. XX в. предложил профессор Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ), доктор технических наук Владимир Митрофанович Архангельский. Что это дает поршневому ДВС, хорошо известно теоретически . Но практическая реализация идеи оказалась исключительно трудоемкой задачей, над решением которой работают специалисты многих зарубежных фирм и отечественные разработчики. Теоретические и экспериментальные исследования уже завершены. Теперь идут разработки конструкторских вариантов исполнения ГРМ с электромагнитными клапанами.
Наряду с усовершенствованием автомобильных бензиновых ДВС все более активизируются работы по созданию экологически чистых силовых установок для электромобилей. Полагают, что достойной заменой городскому автомобилю может стать гибридный электромобиль, электронные системы управления которым также относятся к современным новациям в области автомобилестроения.
В современных условиях глобальным требованием к новейшим автомобильным электрическим и электронным системам является неукоснительное исполнение международных стандартов OBD-II (США) и EOBD-II (EU), которые также продолжают совершенствоваться.
Помимо специфики выполняемых функций новейшие системы автомобильной бортовой автоматики кардинально отличаются от классических, чисто электронных систем широким разнообразием принципов действия входящих в них составных подсистем. В зависимости от решаемой задачи в новую систему в качестве основных компонентов могут входить не только электрические и электронные узлы и блоки, по и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуковые и любые прочие устройства, имеющие неэлектрическую природу функционирования. Их роль в реализации заданной функции управления главная, хотя все информационные процессы в системе реализуются на уровне электронных блоков управления (ЭБУ), а в новейших системах - в бортовых микропроцессорах. Такие крупные составные комплексы управления не могут относиться ни к механическим, ни к электрическим, ни к электронным, ни к любым другим «чистым» по принципу действия системам. В этой связи новейшие системы автомобильной бортовой автоматики, устанавливаемые на концептуальные автомобили, получили повое название - автотронные системы.
Автотронная система, управляя неэлектрическими процессами через неэлектрическую периферию на выходе, сама управляется от сигналов, имеющих неэлектрическую природу, которые формируются неэлектрической входной периферией.
Например, автотропная система VDC (управления курсовой устойчивостью движения автомобиля), функциональные взаимосвязи которой с водителем и дорогой показаны на рис. 1.1, использует в качестве входной информации скорость движения, углы наклонения кузова, разность частот вращения колес, угол поворота руля, атмосферные условия, а в некоторых вариантах - давление в шинах и состояние дорожного покрытия.
Описание условных обозначений, принятых на рис 1.1.
1. Географические условия: извилистость дороги, спуски, подъемы, повороты, перекрестки дорог, переезды.
2. Дорожные условия: тип дорожного покрытия (гравий, бетон, асфальт); асфальт сухой, мокрый, обледенелый; освещение дороги; плотность транспортного потока.
3. Климатические условия: атмосферные - температура, влажность, давление; температура асфальта.
4. Техногенные условия: сцепление колес с дорогой но состоянию протекторов шин; скорость вращения колес; скорость рыскания; боковой увод автомобиля, боковой увод колес, боковое ускорение.
A. Блок датчиков: угла поворота руля; угла поворота кузова автомобиля вокруг вертикальной оси (гироскоп); бокового ускорения.
B. УВР - управляющие реакции водителя, являющиеся откликом субъективного мышления на дорожные условия движения; проявляются индивидуально в зависимости от физического и психического состояния человека.
C. Блок датчиков: температуры, давления, влажности в атмосфере, температуры асфальта (по давлению в шинах).
D. Блок колесных датчиков (ДК) ABS и вычисляемых в ЭБУ системы VDC неэлектрических входных параметров.
E. Центральный боковой компьютер (микропроцессор МП), в который интегрированы все логические и вычислительные функции четырех автоматических систем управления VDC, ADS, ASR, ABS. Содержит оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.
F. Блок оконечных преобразователей электрических сигналов в неэлектрические воздействия:
а) ДИС/ВП - драйверы информационной системы водителя (ДИС) и визуальный преобразователь (ВП) электрического сигнала в оптическое изображение;
б) ЭДД/КД - электродвигатель (ЭДД) и клапан (КД) демпфирования активной подвески (системы ADS);
в) ЭДН/НД - электродвигатель (ЭДН) и нагнетатель (НД) высокого давления в системе VDC;
г) ЭДТ/ГК - электродвигатель (ЭДТ) и гидроклапаны (ГК) системы ABS;
д) ШЭД/ДР - шаговый электродвигатель (ШЭД) и дроссельная заслонка (ДР) системы ASR.
G. Блок водительских органов управления: ВИ - визуальные индикаторы (стрелочные, электронные, дисплей и пр.); РК - рулевое колесо; ПТ - педаль тормоза; ПГ -- педаль акселератора (газа).
Все это неэлектрические проявления условий движения автомобиля, которые с помощью входных неэлектрических преобразователей перерабатываются в неэлектрические информационные сигналы: скорость движения - в круговую частоту вращения колес; углы вертикального наклонения - в механические перемещения инерционных элементов в гироскопическом устройстве; угол поворота руля - в движение (поворот) светомодулирующего (колирующего) диска; давление в шинах - в прогиб упругой мембраны и т. д.
Полученные таким образом неэлектрические информационные сигналы посредством входных датчиков (рис. 1.1, поз. А, С, D) преобразуются в электрические сигналы: поворот кодирующего диска на руле - в цифровой электрический код; круговая частота вращения колес - в последовательность электрических импульсов с изменяющейся частотой следования; перемещение инерционных элементов гироскопа, упругой мембраны датчика давления - в аналоговые электрические сигналы, которые далее с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) перерабатываются в цифровые электрические сигналы, пригодные для подачи на вход микропроцессора МП.
Микропроцессор - это центральный орган управления (мозг) автотронной системы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических информационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об интенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектрические органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непосредственного управления неэлектрическими органами непригодны.
Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой в аналоговую форму. Эту функцию выполняют цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы), которые одновременно являются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов.
Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектрические органы управления, вслед за ЦАПами устанавливаются оконечные преобразователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектрические воздействия. Оконечные преобразователи (блок F на рис. 1.1) являются выходными исполнительными устройствами автотронной системы, но не являются ее информационным окончанием. В отличие от электронной системы автотронная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, которые и являются оконечными потребителями информации. Применительно к рассматриваемой системе управления устойчивостью движения автомобиля, оконечными потребителями информации являются: система подачи топлива в двигатель 4, тормозная система 2 автомобиля и информационная система водителя с визуальными индикаторами (ВИ) и оптическим (зрительным) каналом управления (ОКУ). Эти три системы представляют собой выходную исполнительную периферию автотронной системы, которая (периферия) под автоматическим управлением микропроцессора, при крайне ограниченном (посредством коррекции положения руля) участии водителя, обеспечивает наиболее оптимальный режим движения автомобиля в сложных дорожных условиях или в аварийной ситуации (более подробно система VDC описана в главе 8).
Другой пример - автотронное управление насос-форсунками, которые используются в системах впрыска бензина под большим давлением непосредственно в камеру сгорания для реализации внутреннего смесеобразования. Начиная с 2000 года такие форсунки стали устанавливаться в двигателях экспериментальных легковых автомобилей фирмы TOYOTA (Япония).
Насос-форсунка (рис. 1.2), являясь гидромеханическим устройством, приводится в действие от кулачка 10 распределительного вала ДВС, а управляется от электронной системы S автотронного управления впрыском (ЭСАУ-В) посредством быстродействующего электрогидравлического клапана 2.
Насос-форсунка является ярким примером составного компонента автотронной системы. Входными неэлектрическими сигналами здесь служат: частота вращения и угловое положение распределительного вала; абсолютное давление (разрежение) во впускном коллекторе; температура двигателя и положение водительской педали газа. Эти неэлектрические величины с помощью соответствующих датчиков и АЦП преобразуются в числоимульсную последовательность электрических сигналов и подаются на вход микропроцессора ЭСАУ-В. В микропроцессоре путем математической обработки входных сигналов происходит формирование последовательности управляющих импульсов для электрогидравлического клапана насос-форсунки.
В данном случае ЦАП на выходе микропроцессора не применяется, но управляющие импульсы усиливаются в усилителе мощности и подаются на обмотку электромагнита гидроклапана 2. Гидроклапан представляет собой выходное исполнительное устройство автотронной системы. Однако объектом управления является не гидрокланан, а точно отмеренная по массе и распределенная по времени струя 21 распыленного бензина, поступающая в объем цилиндра через дисковый запорный клапан 17 форсунки. Управление струей позволяет получить так называемый послойный впрыск бензина, суть которого состоит в строго дозированной подаче топлива отдельными порциями и в строго определенное время. При этом за один цикл впрыска бензин подается не сплошной однородной струей, как в обычной форсунке с электронным управлением, а несколькими частями, каждая из которых образует «свой» коэффициент избытка воздуха р. В объеме цилиндра образуется послойная структура ТВ-смеси с разной концентрацией компонентов. Преимущество прямого послойного впрыска бензина состоит в том, что в первый момент воспламенения в зоне центрального электрода 19 свечи зажигания 18 имеет место стехиометрическая (нормальная) ТВ-смесь с коэффициентом (3=1), которая легко возгорается. Далее процесс горения бензина при значительном избытке кислорода (р = 2,0) поддерживается за счет «открытого огня», образовавшегося в первый момент воспламенения. Такой процесс сгорания ТВ-смеси позволяет получить значительную экономию бензина (до 35%), понизить выброс в атмосферу угарного газа СО и углеводородов СН, а также увеличить удельную мощность двигателя.
1 - фрагмент блока цилиндров в зоне камеры сгорания; 2 - магнитоэлектрический гидроклапан в сливном канале; 3 - главная бензомагистраль; 4 - подающая бензомагистраль; 5 - сливной канал (обратная бензомагистраль); 6 - корпус насос-форсунки; 7 - возвратная пружина плунжера; 8 - опорная тарелочка пружины плунжера; 9 - толкатель плунжера; 10 - кулачок распредвала; 11- запорное кольцо опорной тарелочки; 12 - поршень плунжерного насоса; 13 - рабочая полость насос-форсунки; 14 - гидромеханическая форсунка закрытого типа высокого давления (100-150 бар);
15 - перепускной канал из полости плунжерного насоса в полость форсунки; 16 - возвратная пружина запорного клапана форсунки; 17 - дисковый запорный клапан форсунки; 18 - свеча зажигания (СЗ); 19 - центральный электрод СЗ; 20 - боковой электрод; 21 - конус (струя) распыленного бензина; L - ход плунжера.
Из приведенных примеров очевидно, что автотронная система является совокупностью самых различных по принципу действия устройств, объединенных в единый комплекс с целью выполнения требуемой специфической функции управления, регулирования или текущего контроля на борту автомобиля. Современные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автоматического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подавляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются автотронными, входными воздействиями для которых являются неэлектрические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управления) - неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные отличия автотронных систем от чисто электронных и электрических.
Говоря о тенденциях и перспективах развития автомобильных бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершенствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже скоро в бортсеть автомобиля будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных устройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мультиплексная электропроводка и т. п. Ясно, что при повышении напряжения электропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 на 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому - выпуск 12-вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства и, главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили оборудованы 12-вольтовьши потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио-, радио-, видеоаппаратура, бортовая самодиагностика и т. п.).
Единой стратегии перевода бортсети автомобиля на более высокое напряжение пока нет. Полагают, что некоторое время на автомобиле будет два напряжения: 12 вольт - для классического электрооборудования, и 42 вольта - для новейших мощных потребителей. Такой подход широко используется па многотонных грузовых автомобилях, где мощные электропотребители 24-вольтовые, а освещение - от 12 вольт. Еще более яркий пример - электромобили. Здесь главная тяговая аккумуляторная батарея, управляющий контроллер и тяговый электродвигатель рассчитаны па напряжение 120...380 В и соединены между собой отдельными цепями. При этом бортсеть остается 12-вольтовой.
Из приведенных примеров ясно, что функциональное многообразие бортовых электрических устройств неизбежно приводит к необходимости применения на автомобиле нескольких первичных источников электроэнергии с различными рабочими напряжениями. При этом не исключено, что будет использоваться и переменное синусоидальное напряжение для специальных потребителей.
Под новые напряжения в первую очередь будут модернизированы бортовые электромашины. Уже в наши дни значительно видоизменен электростартер. В нем не применяется последовательное возбуждение, которое заменено возбуждением от постоянных магнитов. Жесткая механическая характеристика электродвигателя +12В стартера согласовывается с пусковым моментом ДВС посредством планетарного редуктора (редуктора Джемса). Давно нет коллекторных генераторов постоянного тока, их заменили многофазные синусоидальные генераторы с полупроводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. Но и такие генераторы могут значительно видоизмениться при появлении второго рабочего напряжения или если необходимость в высоковольтном переменном напряжении станет реальной.
Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартер-генератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в бортсеть после запуска ДВС.
Современная микропроцессорная система зажигания с низкоуровневым многоканальным распределением энергии по свечам является наиболее совершенным решением проблемы принудительного электроискрового воспламенения ТВ-смеси в цилиндрах поршневого ДВС. Но и это не предел достижений. Уже испытаны лазерные свечи зажигания, которые работают непосредственно от электронной схемы управления без промежуточного энергонакопителя. Это позволит значительно повысить надежность и КПД системы зажигания, а также избавить ее от высокочастотных электроискровых помех на другие узлы и блоки бортовой электронной автоматики. Электронной схемой управления может стать магнитный модулятор сжатия, работающий на ферромагнитных сердечниках насыщения. Схема такого модулятора показана на рис. 1.3, основным элементом в которой является высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками.
Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется.
Выходной трансформатор имеет два изолированных друг от друга магнитопровода - М, и М 2 , охваченных общей первичной обмоткой W,. Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления (W B " и W B ") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W 2 " и W 2 ")
Когда по управляющей обмотке W," протекает ток, достаточный для насыщения сердечника М, а обмотка W B " обесточена, то высокое напряжение будет наводиться только во вторичной обмотке W 2 ". Если обесточить управляющую обмотку W EJ " и пропустить ток насыщения по обмотке W B ", то насытится сердечник М и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W 2 .
Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом.
В заключение следует отметить, что не все известные разработки бортовых систем вышли из стадии экспериментальных исследований. Они используются в основном на фирменных моделях спортивных и концептуальных автомобилей. Но, как и прежде, почти все новации, испытанные на концепткарах, рано или поздно начинают применяться на серийных автомобилях.
Таковы тенденции развития автомобильной техники и, в частности, систем бортового электрического, электронного и автотронного оборудования.
Рис. 1.3. Магнитный модулятор системы зажигания
Применение электронных систем автоматического управления (ЭСАУ двигателем, трансмиссией, ходовой частью и дополнительным оборудованием) позволяет:
снизить расход топлива;
токсичность отработавших газов,
повысить мощность двигателя,
активную безопасность автомобиля,
улучшить условия труда водителя.
Соблюдение требований ограничивающих токсичность отработавших газов и расход топлива требует поддержания стехиометрического состава горючей смеси, отключения подачи топлива на режиме принудительного ХХ, точного и оптимального регулирования момента зажигания или впрыска топлива.
Выполнения этих требований невозможность без использования ЭСАУ.
Применяемые ЭСАУ двигателем включают системы управления:
топливоподачей,
зажиганием (в бензиновых двигателях),
клапанами цилиндров,
рециркуляцией отработавших газов.
Наибольшее распространение получили первые две системы.
Системы управления клапанами применяются для отключения группы цилиндров с целью экономии топлива и для регулирования фаз газораспределения. Системы управления рециркуляцией отработавших газов обеспечивают возврат во впускной трубопровод потребного количества отработавших газов для смешивания их со свежей горючей смесью.
ЭСАУ облегчает пуск холодного двигателя, уменьшает время прогрева перед движения.
Антиблокировочные системы позволяют уменьшить в 2 раза тормозной путь на скользкой дороге, исключая возникновения заноса.
6.2. Электронное управление двигателем
Электронные системы управления топливоподачей бензиновых двигателей
Применение электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) топливоподачей бензиновых двигателей обусловлено необходимостью снижения токсичности отработавших газов и повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания. ЭСАУ позволяют в большей степени оптимизировать процесс смесеобразования и делают возможным применение трехкомпонентных нейтрализаторов, эффективно работающих при постоянном коэффициенте избытка воздуха а близком к 1.
Кроме того, ЭСАУ двигателем, позволяют повысить приемистость автомобиля, надежность холодного пуска, ускорить прогрев и увеличить мощность двигателя.
ЭСАУ топливоподачей бензиновых двигателей разделяют на системы впрыска (во впускной трубопровод или непосредственно в камеру сгорания) и карбюраторные системы с электронным управлением.
Принцип действия системы электронного управления карбюратором заключается в согласованном управлении воздушной и дроссельной заслонками.
Так система Ecotronic фирмы Bosch поддерживает на большинстве режимов стехиометрический состав рабочей смеси, обеспечивает необходимое обогащение смеси на режимах пуска и прогрева двигателя. В системе предусмотрены функции отключения подачи топлива на принудительном холостом ходу и поддержания на заданном уровне частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу.
Наибольшее распространение получили системы впрыска во впускной трубопровод. Они разделяются на системы с впрыском в зону впускных клапанов и с центральным впрыском (рис. 6.1, где: а - центральный впрыск; б - распределенный впрыск в зону впускных клапанов;в - непосредственный впрыск в цилиндры двигателя; 1 - подача топлива; 2 - подача воздуха; 3 - дроссельная заслонка; 4 - впускной трубопровод; 5 - форсунки; 6 - двигатель).
Система с впрыском в зону впускных клапанов (другое название распределенный или многоточечный впрыск) включает в себя количество форсунок равное числу цилиндров, система с центральным впрыском - одну или две форсунки на весь двигатель. Форсунки в системах с центральным впрыском устанавливаются в специальной смесительной камере, откуда полученная смесь распределяется по цилиндрам. Подача топлива форсунками в системе распределенного впрыска может быть согласована с процессом впуска в каждый цилиндр (фазированный впрыск) и несогласованна - форсунки работают одновременно или группой (нефазированный впрыск).
Системы с непосредственным впрыском из-за сложности конструкции долгое время не применялись на бензиновых двигателях. Однако ужесточение экологических требований к двигателям делает необходимым развитие этих систем.
Современные ЭСАУ двигателем объединяют в себе функции управления впрыском топлива и работой системы зажигания, поскольку принцип управления и входные сигналы (частота вращения, нагрузка, температура двигателя) для этих систем являются общими.
В ЭСАУ двигателем используется программно-адаптивное управление. Для реализации программного управления в ПЗУ блока управления (БУ) записывается зависимость длительности впрыска (количества подаваемого топлива) от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. На рис. 6.2 представлена обобщенная регулировочная характеристика бензинового двигателя по составу смеси.
Зависимость задается в виде таблицы (характеристической карты) разработанной на основании всесторонних испытаний двигателя. Данные в таблице представлены с определенным шагом, например 5 мин -1 , промежуточные значения БУ получает интерполяцией. Аналогичные таблицы используются и для определения угла опережения зажигания. Выбор данных из готовых таблиц является более быстрым процессом, чем выполнение вычислений.
Непосредственное измерение крутящего момента двигателя на автомобиле связано с большими техническими трудностями, поэтому основным датчиком нагрузки являются датчики расхода воздуха и (или) датчик давления во впускном трубопроводе. Для определения частоты вращения коленчатого вала двигателя обычно используется счетчик импульсов от датчика положения коленчатого вала индукционного типа или от датчика-распределителя системы зажигания.
Полученные по таблицам значения корректируются в зависимости от сигналов датчиков температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки, температуры воздуха, а также напряжения бортовой сети и других параметров.
Адаптивное управление (управление по обратной связи) используется в системах с датчиком кислорода (λ-зондом). Наличие информации о содержании кислорода в отработавших газах позволяет поддерживать коэффициент избытка воздуха а (λ) близким к 1. При управлении топливоподачей по ОС БУ первоначально определяет длительность импульсов по данным датчиков нагрузки и частоты вращения КВ двигателя, а сигнал от датчика кислорода используется для точной корректировки. Управление впрыском топлива по обратной связи осуществляется только на прогретом двигателе и в определенном диапазоне нагрузки.
Принцип адаптивного управление применяется также для стабилизации частоты вращения коленчатого вала в режиме холостого хода и для управления углом опережения зажигания по пределу детонации.
Современные ЭСАУ топливоподачей бензиновых двигателей имеют функцию самодиагностики. БУ проверяет работу датчиков и исполнительных устройств и идентифицируют неисправности. При обнаружении неисправности БУ заносит в память соответствующий код и включает аварийную лампу CHECK ENGINE на панели приборов.
Диагностический прибор позволяет получать информацию от БУ:
считывать коды неисправностей;
определять текущие значения параметров двигателя,
активизировать исполнительные механизмы.
функции диагностического прибора ограничены возможностями БУ.
Применение ЭСАУ повышает надежность работы двигателя за счет обеспечения возможности его работы в «усеченном» режиме. В случае возникновения неисправности в одном или нескольких датчиках, БУ определяет, что их показания не соответствуют действительности и отключает эти датчики. В «усеченном» режиме работы информация от неисправных датчиков замещается эталонным значением или косвенно рассчитывается по данным от других датчиков. Например, при неисправности датчика положения дроссельной заслонки его показания можно имитировать расчетом по частоте вращения коленчатого вала и расходу воздуха. При выходе из строя одного из исполнительных механизмов используется индивидуальный алгоритм обхода неисправности. При дефекте в цепи зажигания, например, отключается впрыск в соответствующий цилиндр, с целью предотвращения повреждения каталитического нейтрализатора.
При работе двигателя в «усеченном» режиме возможно снижение мощности, ухудшение приемистости, затрудненный пуск холодного двигателя, увеличение расхода топлива и др.
Для компенсации технологического разброса в характеристиках элементов ЭСАУ и двигателя, учета их изменения при эксплуатации в программе БУ предусмотрен алгоритм самообучения. Как упоминалось выше, сигнал от датчика кислорода используется для корректировки значения длительности впрыска полученного по таблице из ПЗУ БУ. Однако при значительных расхождениях такой процесс занимает много времени.
Самообучение заключается в сохранении в памяти БУ значений коэффициента корректировки. Весь диапазон работы двигателя разбивается, как правило, на четыре характерные зоны обучения:
холостой ход, высокая частота вращения при малой нагрузке, частичная нагрузка, высокая нагрузка.
При работе двигателя в любой из зон, происходит корректировка длительности импульсов впрыска до тех пор, пока реальный состав смеси не достигнет оптимального значения. Полученные таким образом коэффициенты корректировки характеризуют конкретный двигатель и участвуют в формировании длительности импульса впрыска на всех режимах его работы. Процесс самообучения применяется также для управления углом опережения зажигания при наличии обратной связи по детонации. Основная проблема функционирования алгоритма самообучения заключается в том, что иногда неправильный сигнал датчика может быть воспринят системой как изменение параметра двигателя. Если ошибка сигнала датчика недостаточно велика, чтобы был зарегистрирован код неисправности, повреждение может остаться необнаруженным. В большинстве систем корректирующие коэффициенты не сохраняются при отключении питания БУ.