Ремонт электронных систем. Тенденции развития автомобильного бортового электронного оборудования Для чего используются электронные системы управления автомобилем

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

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

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

• преобразование химической энергии топлива в механическую энергию тяговой или тормозной мощности автомобиля;
• управление эффективной мощностью двигателя за счет управления его рабочим процессом;
• контроль величины эффективной мощности двигателя посредством анализа информации о частоте вращения коленчатого вала двигателя, его температурном и нагрузочном режиме (абсолютное давление во всасывающем трубопроводе или массовый расход топлива), составе смеси, режимах работы в зависимости от условий движения по транспортным магистралям;
• управление с помощью обратных связей уровнем детонации и поддержанием стехиометрического состава смеси (с помощью датчиков детонации и ^-зонда) в бензиновых и газовых ДВС;
• формирование сигналов, управляющих зажиганием, опережением впрыска дизельного топлива, цикловой подачей топлива, количеством отработавших газов для рециркуляции, улавливанием паров испаряющегося топлива, датчиками режимов ДВС и подачей топлива к дозирующей системе бензиновых и дизельных ДВС;
• анализ работы датчиков и исполнительных механизмов с целью их диагностики;
• преобразование команд управления водителя в изменение мощности двигателя, изменение траектории движения автомобиля;
• управление скоростью движения автомобиля.

Двигатель как объект автоматического управления по входным параметрам вырабатывает управляемые характеристики (мощност-ные, экологические и динамические) двигателя внутреннего сгорания. Остальные агрегаты автомобиля выполняют функции обеспечения безопасности движения и комфортных условий для водителя и пассажиров в салонах автомобилей.

Входные параметры, измеряемые датчиками электронных систем управления, например угол открытия дроссельной заслонки ср др, угол опережения зажигания 0, цикловой расход топлива (7 Т и другие параметры, влияют на формирование протекания рабочего процесса двигателя и других агрегатов автомобиля. Значения входных параметров определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны водителя или системы автоматического управления, поэтому они называются управляющими.

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

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

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

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

Источник погрешности	Виды погрешностей
	Погрешность преобразования	Максимальная погрешность квантирования
Датчик массового расхода воздуха
Датчик абсолютного давления во всасывающем патрубке
Датчик положения коленчатого вала ДВС
Датчик температуры охлаждающей жидкости
Датчик детонации
Системный таймер контроллера
Электромагнитная форсунка подачи топлива	±4 % статическая; ±6 % динамическая
Регулятор подачи дополнительного воздуха на всасывании
Угол опережения зажигания	(по коленчатому валу)

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

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

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

Поскольку конструкции и технологии производства ДВС систем автомобиля носят установившийся характер, при поисках алгоритмов и законов управления рабочим процессом двигателей внутреннего сгорания и агрегатами автомобиля необходимо:

• определить структуру системы с информационными, функциональными, логическими и алгоритмическими связями;
• рассматривать агрегаты автомобиля как практически неизменяемые части системы;
• рассматривать системы управления адекватными не статическим, а динамическим математическим моделям управления с обратными связями;
• определить связи потоков информации от датчиков как единую систему обмена данными с другими электронными системами автомобиля. Например, использование информации датчика скорости движения автомобиля как единую информацию для всех управляющих и информационных систем.

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

Алгоритм калибровки управления такой микропроцессорной системы по математической модели двигателя (см. рис. 1.1) имеет следующие шаги:

• выбор исходной комплектации двигателя (в данном случае это система зажигания, система впрыскивания топлива, датчики и исполнительные механизмы);
• определение модели двигателя с проверкой ее адекватности путем экспериментального определения ее параметров. Эти процедуры выполняют на автоматизированных испытательных (нагрузочных) стендах и беговых барабанах по ездовым циклам (ЕЦ);
• расчет режимов работы ДВС при выполнении ЕЦ с определением «опорных точек» матрицы управления, которые должны быть заложены в ППЗУ контроллера управления. Основными параметрами являются углы опережения зажигания, цикловая подача топлива в зависимости от циклового расхода всасываемого воздуха или положения дроссельной заслонки, температур охлаждающей жидкости, масла, всасываемого воздуха и т. д.;

Рис. 1.1.

/ - контроллер управления ДВС; 2 - блок впрыскивания топлива; 3 - сигнал датчика давления на всасывании Р к (нагрузки ДВС); 4 - дроссельная заслонка во всасывающем патрубке ДВС; 5- цикловая подача топлива (расход топлива) и воздуха (расход воздуха) С" и С 1 ,); 6 - система зажигания; 7 - параметры индикаторного и рабочего процесса ДВС (параметры математической модели ДВС): Г|, - индикаторный кпд; РI - индикаторное давление; Р мп - давление механических потерь; Р е -эффективное давление; / пр - передаточное отношение коробки передач; со - угловая скорость коленчатого вала; п - частота вращения коленчатого вала ДВС; Т ог - температура отработавших газов; 0 2 - концентрация кислорода; М е - эффективный крутящий момент ДВС; 7ог - температура датчика кислорода; 9 - параметры нагрузки ДВС; 10 - выпускной тракт двигателя; 11 - датчик

кислорода в ОГ; 12 - нейтрализатор ОГ

• расчет оптимального управления с ограничениями по токсичности ОГ на режимах ездового цикла по минимуму функций Лагранжа;
• формирование поверхности управления для зоны ездовых циклов;
• расчетная оценка достигнутого уровня показателей. В случае эффективности управления проводится оптимизация управления, а в случае отсутствия эффективности расчет возобновляется с предыдущих этапов;
• расчетное определение оптимального управления без ограничений по токсичности ОГ вне зоны ездовых циклов с целью получения поверхности регулировок с минимумом расхода топлива и оптимальной динамикой двигателя;
• формирование базовой матрицы управления зажиганием и впрыскиванием топлива.

Полученные значения «опорных точек» управления закладывают в постоянную программируемую память (ППЗУ) контроллера управления ЭСАУ с учетом технологических допусков на детонационную стойкость топлива и городской езды (интенсивность).

Особое значение при разработке программного обеспечения контроллера ЭСАУ имеет статическая и динамическая погрешности датчиков, а также и исполнительных устройств. В табл. 1.1 представлены погрешности основных датчиков и исполнительных устройств на примере микропроцессорной системы управления бензиновым ДВС. Эти значения погрешностей измерения параметров окружающей среды и режимов работы ДВС получены в результате большого количества испытаний, в том числе на неустановившихся режимах работы автомобиля.

С появлением встроенной в контроллер управления системы самодиагностики датчиков, исполнительных устройств и программы регулирования алгоритмы управления комплексных систем автомобилей еше более усложнились. Применение линии связи CAN всех систем управления автомобиля позволили использовать информацию датчиков других систем автоматики и тем самым связать линиями обмена информацией все системы электроники для обеспечения, в том числе комфорта в салоне и управляемости автомобилей при сложных дорожных условиях. Особое значение приобрел обмен информацией по линиям связи CAN с появлением на транспортных средствах комбинированных силовых установок, которые позволили сократить расход топлива и снизить токсичность ОГ в условиях интенсивного городского движения.

Устройство ЭСАУ двигателем.

Ведущий производитель систем впрыска фирма Bosch.

Системы L-Jetronic - это система распределенного нефазированного впрыска топлива рис. 6.3. Она состоит из: 1 - топливный бак; 2 - 3 - топливный. фильтр; 4 - 5- форсунка; 6 - топливная рампа с регулятором давления топлива; 7- впускной трубопровод; 8- клапан холодного пуска; 9-датчик положения дроссельной заслонки; 10- датчик расхода воздуха; 11 - датчик кислорода (λ-зонд); 12 - термо­реле; 13 - 14 - 15- регулятор добавочного воздуха (регулятор холо­стого хода); 16 -аккумуляторная батарея; 17- выключатель зажигания.

Топливо из бензобака 1 насосом 2 через фильтр 3 подается под давлением 250 кПа в топливную рампу и распределяется по форсункам 5 . На конце топливной рампы расположен регулятор давления поддерживающий разность давления в рампе и впускном коллекторе на уровне 0,5 атм. Т.о, количество подаваемого топлива определяется дли­тельностью открытия форсунки. Остатки топлива возвращаются в бак по сливной магистрали. В БУ 4 поступают сигналы от датчика расхода воздуха 10, датчика положения дроссельной заслонки 9 по которым определяет нагрузка двигателя. Датчик положения дрос­сельной заслонки позволяет различать режим ХХ и полной нагрузки. Информация о частоте вращения КВ двигателя поступает от датчика-распределителя системы зажи­гания. Для обогащения смеси при пуске холодного двигателя ис­пользуется клапан холодного пуска 8, который управляется термо­реле 12. Термореле обеспечивает 8 с работы клапана при темпе­ратуре -20°С. Датчик температуры двигателя 13 подключенный к БУ позволяет обогащать смесь на режиме прогрева двигателя.

Управление частотой вращения на режиме ХХ осу­ществляется регулятором добавочного воздуха 15 с заслонкой управляемой биметаллической пластиной. Для корректировки качества рабочей смеси используется датчик кислорода 11.

Система L3-Jetronic (рис.6.4) является модификацией представленной системы. Отличие от L-Jetronic - БУ выпол­ненный в одном корпусе с датчиком расхода воздуха и располо­женный в моторном отсеке.

Конфигурация системы: 1 - топливный бак; 2 - электрический топливный насос; 3 - топливный фильтр; 4 - форсунка; 5 - топливная рампа; 6 - регулятор давления топ­лива; 7- впускной трубопровод; 8 - датчик положения дроссельной за­слонки; 9- датчик расхода воздуха; 10- электронный блок управления; 11 - 12 - датчик температуры двигателя; 13 - датчик-распределитель системы зажигания; 14 - регулятор добавочного воздуха (регулятор холостого хода); 15- аккумуляторная батарея; 16- выключатель зажигания

В системе используется алгоритмы диагностики датчиков и «усеченного» режима работы. В системе отсутствует клапан холод­ного пуска. Обогащение смеси при пуске холодного двигателя осуществляется увеличением подачи топлива через ос­новные форсунки.

Система LH-Jetronic (рис.6.5). Нагрузка двига­теля определяется датчиком массового расхода воздуха термоанемометрического типа. В отличие от датчика системы L-Jetronic, опре­деляющего объем проходящего воздуха этот датчик определяет непосредственно массу воздуха, и не требует дополнительной кор­ректировки по его плотности.

Рис. 6.5. Система LH-Jetronic:

Система представляет собой: 1 - топливный бак; 2- электрический топливный насос; 3 - топливный фильтр; 4 5 -форсунка; 6 - топливная рампа; 7 8- впускной трубопровод; 9-датчик положения дроссельной заслонки; 10 -датчик массового расхода воздуха; 11- датчик кислорода (λ - зонд); 12 - датчик температуры двигателя; 13 -датчик-распределитель системы зажигания; 14 - поворотный регулятор холостого хода; 15- аккумуляторная батарея; 16- выключатель зажигания

Для регулировки частоты вращения коленчатого вала на ХХ в системе LH-Jetronic используется поворотный клапан с приводом от реверсивного электродвигателя (трехпроводной). БУ периодически переключает направление вращения электродвига­теля, что предотвращает заброс клапана в любую из крайних пози­ций. Требуемое положение клапана регулируется изменением соотношения времени включения электродвигателя в различных на­правлениях.

Система KE-Jetronic (рис.6.6), является прототипом гидромеханической системы K-Jetronic, дополненной ЭБУ и датчи­ком кислорода. Система включает в себя: 1 - топливный бак; 2 - электрический топливный насос; 3 - топливный аккумулятор; 4 - топливный фильтр; 5 - регулятор начального давления; 6 - форсунка; 7 - впускной трубопровод; 8- клапан холодного пуска; 9 -дозатор-распределитель топлива; 10- датчик расхода воздуха; 11 - электрогидравлическое управляющее устройство; 12- датчик кисло­рода (λ -зонд); 13- термореле; 14 - датчик температуры двигателя; 15 - датчик-распределитель системы зажигания; 16- регулятор добавоч­ного воздуха (регулятор холостого хода); 17- электронный блок управле­ния; 18 - датчик положения дроссельной заслонки; 19 - аккумуляторная батарея; 20- выключатель зажигания.

В БУ поступают сигналы о положении паруса рас­ходомера, крайних положениях дроссельной заслонки, частоте вращения двигателя, температуре охлаждающей жидкости и со­держании кислорода в отработавших газах. Воздействие БУ на со­став рабочей смеси осуществляется с помощью электрогидравли­ческого управляющего устройства закрепленного на дозаторе-распределителе топлива (рис. 6.7, где: 1 - парус расходомера; 2 - дозатор-распределитель топлива; 3 - поступ­ление топлива от регулятора начального давление; 4 - подача топлива к форсункам; 5 - возврат топлива в регулятор начального давления; 6 - жиклер; 7 - верхняя камера дифференциального клапана; 8- нижняя камера дифференциального клапана; 9 - диафрагма; 10 - регулятор дав­ления; 11 - управляющая пластина; 12 - выпускной канал; 13 - электромагнит; 14 - воздушный зазор). Так для обогащения смеси по сигналу от БУ управляющая пластина 11 закрывает выпускной ка­нал 12 тем самым, снижая давление в нижних камерах дифферен­циального клапана 8. Мембраны 9 прогибаются вниз, и количество топлива поступающего к форсункам 4 увеличивается. Управляющее устройство сконструировано таким образом, что при выходе из строя цепи электромагнита будет обеспечиваться стехиометрический состав смеси и двигатель сохранит работоспособность.

Система центрального впрыска Mono-Jetronic.

Cистема имеет одну форсунку, расположенную перед дроссельной заслонкой, рис.6.8,где 1 - топливный бак; 2 - топливный насос; 3 - фильтр; 4 - регулятор давления топлива; 5 - форсунка; 6 - датчик темпе­ратуры воздуха; 7 - электронный блок управления; 8 - ЭП дроссельной заслонки (регулятор ХХ); 9 - потенциометрический датчик положения дроссельной заслонки; 10 - клапан продувки адсорбера; 11 - угольный адсорбер; 12- датчик кислорода (λ - зонд); 13 - датчик температуры двигателя; 14 - датчик-распределитель системы зажигания; 15 -аккумуляторная батарея; 16- выключатель зажигания; 17 - реле; 18 -диагностический разъем; 19 -устройство центрального впрыска.

Качество смеси задается длительностью импульса открытия фор­сунки. Топливо подается под более низким давлением, нежели в описанных системах - 0,1 МПа. Измерения расхода воздуха система не произво­дит. Количество топлива вычисляется:

· по положению дроссельной заслонки;

· частоте вращения КВ.

ЭБУ обрабатывает информацию от датчика положения дроссельной заслонки, датчи­ка-распределителя системы зажигания, датчиков температуры воз­духа и ОЖ, а также датчика кислорода.

Топливно-воздушная смесь обогащается при холодном пуске и прогреве двигателя увеличением длительности цикла топливоподачи. Минимальная частота вращения в режиме ХХ поддерживается путем изменения положения дроссельной заслон­ки с помощью шагового электродвигателя.

При средних нагрузках и прогретом двигателе подача топлива корректируется обратной связью по датчику кислорода.

Полное открытие дроссельной заслонки переводит БУ в режим обогащения рабочей смеси. Для обеспечения приемистости авто­мобиля БУ определяет ускорение перемещения педали управления дроссельной заслонкой и адекватно изменяет подачу топлива.

В режиме принудительного ХХ система работает по общепринятой схеме.

Для ограничения выделения углеводородов (СН) из топливного бака в используется система улавливания паров бен­зина, к которой относятся емкость с активированным углем - ад­сорбер 11 и электромагнитный клапан продувки адсорбера 10. Па­ры бензина из топливного бака поступают в адсорбер. При работе двигателя БУ открывает клапан продувки адсорбера и накопившие­ся пары топлива удаляются во впускной трубопровод. БУ регулиру­ет степень продувки адсорбера в зависимости от режима работы двигателя.

Комплексные системы управления двигателем, Motronic.

Основная функция всех систем Motronic - согласованное управление зажиганием и впрыском топлива. Система обеспечивает:

Регулировку частоты вращения холостого хода;

Поддержание стехиометрического состава смесипо сигналу датчика кислорода;

Управление системой улавливания паров топлива;

Регулирование угла опережения зажигания посигналу датчика детонации;

Рециркуляцию отработавшихгазов для снижения эмиссии ок­сидов азота (NO x);

Управление системой подачи вторичного воздуха для сниже­ния эмиссии углеводородов (СН);

Поддержание заданной скорости движения (круиз-контроль). При более высоких требованиях система может дополняться функциями:

Управление турбонагнетателем, а также изменением конфигу­рации впускного тракта для повышения мощности двигателя;

Управление фазами газораспределения для снижения токсич­ности отработавших газов, расхода топлива и повышения мощно­сти двигателя;

Детонационное регулирование, ограничение частоты вращения и скорости для защиты двигателя и автомобиля.

Система поддерживает работу БУ дру­гих систем автомобиля. Взаимодействуя с АБС и противобуксовочной (ПБС) системами Motronic создает повышенную безо­пасность при езде.

Система ME-Motronic

ME-Motronic (рис.6.9) сочетает в себе систему рас­пределенного фазированного впрыска топлива в зону впускных клапанов и систему зажигания с низковольтным распределением и индивидуальными катушками. Конструкция: 1 - угольный адсорбер; 2 - отключающий клапан; 3 - клапан продувки адсорбера; 4 - датчик давления во впускном коллекторе; 5 - топливная рам­па с форсунками; 6 - свеча зажигания с индивидуальной катушкой; 7 - фазовый дискриминатор; 8- насос вторичного воздуха; 9 - клапан вторичного воздуха; 10 - пленочный датчик массового расхода воздуха; 11- модуль дроссельной заслонки; 12 - клапан рециркуляции; 1 3- датчик детонации; 14 - 15 - датчик темпера­туры двигателя; 16 - датчик кислорода (λ - зонд); 17- электронный блок управления; 18 - диагностический интерфейс; 19- аварийная лампа; 20 - к иммобилайзеру; 21 - датчик давления в бензобаке; 22- погружной электрический топливный насос; 23 - модуль педали управления дроссельной заслонкой; 24 – аккумулятор.

Частота вращения КВ и синхрони­зация системы определяется по сигналу индукционного датчика положения КВ 14. Для определения такта впуска в каждом цилиндре, что необходимо при организации фазированно­го впрыска топлива и зажигания, используется датчик положения распределительного вала - фазовый дискриминатор 7 .

Для расчета нагрузки двигателя используется пленочный датчик массового расхода воздуха 10, датчик давления во впускной трубе 4 , и датчик положения дроссельной заслонки. Основным отличием системы является отсутствие жесткой механической связи между дроссельной заслонкой и педалью, ею управляющей. Положение педали управления дроссельной заслонкой определяется с помо­щью двух закрепленных на ней потенциометров 23. БУ устанавли­вает дроссельную заслонку 11 в оптимальное положение в зависи­мости от нагрузки и других параметров двигателя.

Используется два датчика кислорода 1,. установка датчика после нейтрализатора повышает надежность работы обратной связи по содержанию ки­слорода, так как этот датчик лучше, защищен от загрязнения отра­ботавшими газами. Наличие второго датчика позволяет системе проводить самодиагностику основного датчика стоящего перед нейтрализатором.

БУ имеет интерфейс последовательной передачи данных (CAN) для взаимодействия с БУ других систем автомобиля.

Систе­ма непосредственного впрыска топлива в цилиндры двигателя MED-Motronic рис.6.10, где: 1 -топливо под высоким давлением; 2- топливная рейка (аккумулятору давления); 3 - форсунка; 4 - свеча зажигания с индивидуальной катушкой; 5 - фазовый дискриминатор; 6 - датчик давления топлива; 7 - датчик детонации; 8- датчик положения коленчатого вала; 9 -датчик температуры двигателя; 10 -датчик кислорода (перед катализатором); 11 - трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; 12 - датчик температуры выхлоп­ных газов; 13- NО х каталитический нейтрализатор; 14- датчик кислорода (после нейтрализатора)). В сравнении с традиционными системами впрыска бензиновых двигателей, системы непосредственного впрыска позволяют снизить расход топлива до 20% и уменьшить выбросы оксидов углерода.

Топливо непосредственно впрыскивается в цилиндр в любой момент времени с помощью электромагнитных форсунок.

Масса воздуха может свободно регулироваться с помощью электронного модуля дроссельной заслонки. Точное из­мерение массы всасываемого воздуха выполняется с помощью пленочного датчика расхода воздуха.

Состав топливо-воздушной смеси контролируется датчиками ки­слорода в выпускной системе, расположенными перед и после ка­талитического нейтрализатора.

Топливоподкачивающий насос и регулятор дав­ления, расположенные в бензобаке, обеспечивают подачу топлива под давлением 0,35 МПа к насосу высокого давления увеличивающего давле­ние с 0,35 МПа до 12 МПа, после чего топливо поступает в топливную рампу. На топливной рампе расположен ре­гулятор давления, который поддерживает давление в системе во всем диапазоне работы двигателя независимо от количества впры­скиваемого топлива и производительности насоса.

Давление топлива измеряется датчиком, предо­ставляющим собой сварную диафрагму из высококачественной стали с тензорезисторами.

Форсунки высокого давления подсоединя­ются непосредственно к рампе, время начала впрыска и количест­во топлива определяются сигналами от БУ.

Низкое потребление топлива и высокая мощность двигателя достигаются путем организации работы в:

Ø режиме малой нагрузки . При повышении нагрузки увеличивается количество впрыски­ваемого топлива, облако смеси становится бо­лее богатым, что вызвает увеличение содержания вредных веществ в отработавших газах, особенно сажи. Поэтому на высоких нагрузках двигатель переводится на работу на гомоген­ной смеси;

Ø режиме высокой нагрузки . Во время перехода между этими режимами для стабилизации момента необходимо контролировать количество впрыскиваемого топлива, поступающего воздуха и угол опережения зажигания, используется электроуправляемая дроссельная заслонка, как и в ME-Motronic.

Особенностью системы непосредственного впрыска является об­разование оксидов азота (NO x), для уменьшения NO x в выхлопе используется каталитический нейтрализатор аккумулирующего действия.

Электробензонасосы

Электробензонасос постоянно нагнетает топливо из топливного бака. Он может быть встроен непосредственно в топливный бак (погружной) или расположен снаружи (магистральный).

Применяемые в настоящее время погружные насосы (рис. 6.19 и 6.20) смонтированы в баке вместе с датчиком уровня топлива и завихрителем, служащим для отделения пузырьков пара в слив­ном канале. двухступенчатый электробензонасос с шестернями внутреннего зацепления, у которого: 1 - первая ступень (секция с боковым каналом); 2- главная ступень (шес­терни внутреннего зацепления; 3 - якорь; 4 - коллектор; 5 - обратный клапан; 6 – штекер. А на рис. 6.20 изображен вухступенчатый электробензонасос периферийного нагнетания, состоящего из: 1 - всасывающая крышка со штуцером; 2- крыльчатка; 3 - первая ступень(секция с боковым каналом); 4- главная ступень (с периферийным нагнета­нием); 5 - корпус; 6 - якорь; 7 - обратный клапан; 8- крышка подключения со штуцером. Во избежание перегрева при применении магист­ральных насосов, в топливный бак может быть встроен насос подкачки, который подает топливо к главному насосу под малым давлением.

Для обеспечения требуемого давления на любых режимах, к двигателю подается значительно больше топлива, чем он макси­мально расходует. Включение электробензонасоса осуществляется по сигналу от БУ двигателя.

Электробензонасосы состоят из насосной части, электродвига­теля постоянного тока и крышки подключения.

Электродвигатель и насосная часть электробензонасоса имеют общий корпус и постоянно омываются топливом. Это благоприятно сказывается на охлаждении электродвигателя. Отсутствие кисло­рода в корпусе исключает возможность образования взрывоопас­ной смеси. В крышке подключения смонтированы электрические контакты, обратный клапан, нагнетательный и сливной штуцеры. Обратный клапан определенное время сохраняет давление в сис­теме после отключения электробензонасоса во избежание образо­вания паровых пробок. Дополнительно в крышке подключения мо­жет быть установлено помехоподавительное устройство.

В зависимости от требований к системам применяются насосы различных принципов действия (рис. 6.21, а - роликовый насос; б - периферийный насос; в - шестеренныйнасосвнутреннего зацепления; г - насос с боковым каналом).

Объемные насосы. Роликовые насосы и шестеренчатые насо­сы внутреннего зацепления относятся к группе объемных насосов.

Действие насоса состоит в том, что вращающиеся камеры ме­няющейся величины открывают впускной канал и за счет увеличе­ния камеры засасывают топливо. Когда достигается максимальное заполнение, впускной канал закрывается и открывается нагнета­тельный канал. Посредством уменьшения камер топливо выталки­вается. В роликовых насосах камеры образуются за счет вращаю­щихся роликов, находящихся в сепараторе. Под влиянием центро­бежной силы и топливного давления они прижимаются к эксцентри­ческой поверхности статора. Эксцентриситет между сепаратором и статором обуславливает увеличение и уменьшение объема камер.

Шестеренчатый насос внутреннего зацепления состоит из одной внутренней приводной шестерни, находящейся в зацеплении с экс­центрично установленным ротором, который имеет на один зуб больше. Боковые стороны зуба при вращении образуют в своих про­межутках меняющиеся камеры. Роликовые насосы могут применять­ся при давлении топлива до 650 кПа, шестеренчатый насос внутрен­него зацепления до 400 кПа, что вполне достаточно для использова­ния в системах впрыска топлива во впускной трубопровод.

Лопастные насосы. К лопастным насосам относятся перифе­рийные и насосы с боковым каналом. В них топливо ускоряется лопастями крыльчатки и вытесняется в один канал. Периферийные насосы отличаются от насосов с боковым каналом большим коли­чеством лопастей, формой крыльчатки и наличием распределен­ных по окружности каналов. Периферийные насосы могут создать давление топлива только до 300 кПа, но они отличаются малошум­ной работой и находят свое применение благодаря непрерывному, практически не пульсирующему течению топлива. Насосами с боко­вым каналом создается давление только до 100 кПа. Их применяют как подкачивающие насосы в системах с магистральным насосом и как первую ступень при двухступенчатых погружных насосах в ав­томобилях с проблемами горячего пуска, а также в системах с од­ноточечным впрыском.

Электроуправляемые форсунки

При распределенном впрыске бензина каждый цилиндр двига­теля имеет электромагнитную форсунку. Она впрыскивает топливо строго дозированно и в определяемый блоком управления момент времени непосредственно перед впускным (ыми) клапаном (нами) цилиндра. Электромагнитная форсунка имеет клапанную иглу с на­саженным магнитным сердечником (рис. 6.22 и 6.23). Она очень точно прилегает к корпусу распылителя. Спиральная пружина прижимает клапанную иглу в спокойном состоянии к уплотнительному седлу корпуса распылителя и закрывает, таким образом, выходное топливное отверстие во впускной трубопровод двигателя.

Как только блок управления подключает обмотку форсунки, сер­дечник с клапанной иглой поднимается на 60...100 мкм, вследствие чего топливо впрыскивается через калиброванное отверстие.

В зависимости от способа впрыска, частоты вращения и нагруз­ки двигателя время включения составляет 1,5...18 мс при частоте срабатывания 3...125 Гц.

В зависимости от особенностей системы имеются различные типы форсунок.

Форсунка с верхним подводом топлива. В такой форсунке то­пливо подается сверху по ее вертикальной оси. Верхний конец форсунки вставляется в соответствующей формы отверстие топ­ливной рампы, нижний - во впускной трубопровод двигателя. Фор­сунка притягивается пружинным фиксатором к топливной рампе. Уплотнение обеспечивается резиновыми кольцами.

Форсунка с боковым подводом топлива. Встроенная в топ­ливную рампу форсунка такого типа омывается топливом. Подвод топлива осуществляется сбоку. Топливная рампа монтируется не­посредственно на впускном коллекторе. Форсунка крепится прижи­мом или крышкой топливной рампы, в которой может располагаться также и электрический разъем. Два уплотнительных кольца предот­вращают утечку топлива. Наряду с хорошими характеристиками горячего пуска и работы за счет охлаждения топливом, конструкция модуля, состоящего из топливной рампы и форсунок, отличается меньшей высотой.

По способу дозирования различают форсунки с кольцевым, однодырчатым и многодырчатым распылением (рис. 6.24, где: 1 - распылитель с кольцевым каналом; 2- однодырчатый распылитель; 3 - многодырчатый распылитель; 4 - многодырчатый двухфакельный распылитель).

Для оптимизации топливоподачи на двигателях с двумя впускны­ми клапанами используется многодырчатый двухфакельный распы­литель.

При выборе типа топливного дозирования учитывается требование наименьшего образования пленки на стенках впускного канала при хорошей одно­родности топливовоздушной смеси. Форсунки с обтеканием воздухом позволяют добиться дальнейшего улучшения смесеобразования. С этой целью воздух из впускной трубы перед дроссельной заслонкой всасывается со звуковой скоростью через калиброванную щель прямо у шайбы распылителя. Благодаря молекулярному взаимодействию топлива и воздуха топливо очень мелко распыляется.

Форсунки непосредствен­ного впрыска. В ЭСУ топливо-подачей для организации непо­средственного впрыска топлива в цилиндры двигателя исполь­зуются форсунки с электромаг­нитным или пьезоэлектриче­ским приводом. Конструкция электромагнитной форсунки системы топливоподачи для дизельных двигателей Com­mon Rail фирмы Bosch пред­ставлена на рис. 6.25. Она состоит из: 1- сливной штуцер; 2 – разъем; 3 – электромагнит; 4 – резьбовой штуцер; 5 – клапан; 6 - сливное отверстие; 7 – жиклер; 8 – управляющая камера; 9 – плунжер; 10 – топливный канал; 11 – запорная игла. Топливо под давлением 1350 кПа пода­ется к резьбовому штуцеру 4, откуда поступает к распылите­лю через канал 10 и в управ­ляющую камеру 8 через жиклер 7 . Управляющая камера соеди­нена со сливным штуцером 1 через отверстие 6, закрываемое электромагнитным клапаном 5. При закрытом сливном отверстии к плунжеру 9 приложена гидравлическая сила, прижимающая иглу 11 к седлу.

Открытие электромагнитного клапана приводит к уменьшению давления в управляющей камере 8, поднятию плунжера 9 под дей­ствием давления со стороны распылителя и впрыску топлива в ци­линдр. При отключении электромагнита 3 сливное отверстия за­крывается под действием возвратной пружины. Давление в управ­ляющей камере повышается, и форсунка переходит в закрытое со­стояние. Применение электрогидравлического управления обу­словлено необходимостью создания значительного усилия для бы­строго открытия форсунки.

В системе Common Rail третьего поколения используются пьезофорсунки нового образца. Расположение пьезоэлемента в непо­средственной близости к игле форсунки позволило увеличить ско­рость ее срабатывания, снизить массу и число подвижных деталей. Развитие систем непосредственного впрыска направлено на орга­низацию ступенчатого открытия форсунки в зависимости от режима работы двигателя.

Исполнительные механизмы управления частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу

Регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу в ЭСАУ бензиновых двигателей осуществляется подачей до­полнительного воздуха в обход дроссельной заслонки или управ­ление ее положением.

В первом случае небольшое количество воздуха направляется во впускной коллектор в обход дроссельной заслонки. В этом кана­ле устанавливается клапан регулировки оборотов холостого хода. При изменении количества воздуха, проходящего через клапан, частота вращения коленчатого вала также изменяется.

В системах К, L-Jetronic фирмы Bosch количество добавочного воздуха регулировалось заслонкой, управляемой биметаллической пластиной (рис. 6.26, где: 1 - разъем; 2- электронагревательный элемент; 3 - биметаллическая пластина; 4 - заслонка). Впоследствии стал применяться трехпроводной клапан регулировки холостого хода (рис. 6.27) Электродвига­тель клапана вращается по или против часовой стрелки в зависи­мости от подключенной обмотки. БУ периодически переключает направление вращения двигателя, что предотвращает перемеще­ние клапана в любое из крайних положений. Изменяя соотношение времени включения одной или другой цепи, БУ может установить клапан в любое требуемое положение.

В некоторых модификациях систем впрыска используется двух­проводной клапан управляемый электромагнитом с возвратной пружиной.

БУ подает на электромагнит клапана управляющие импуль­сы напряжения с постоянной частотой (около 110 Гц). При включе­нии электромагнит преодолевает усилие пружины и открывает кла­пан. Время открытого состояния клапана определяется скважно­стью импульса (т.е. относительным временем подачи напряжения). Чем больше скважность импульсов, тем большее количество воз­духа пройдет через клапан. При неисправности электромагнита клапан останется в закрытом положении. Даже при полностью за­крытом клапане, через него проходит небольшое количество возду­ха для обеспечения базовой частоты вращения коленчатого вала на режиме холостого хода.

В современных системах для управления холостым ходом ис­пользуются шаговые электродвигатели. Шаговый электродвигатель может использоваться для открытия-закрытия клапана, регулирую­щего поступление воздуха во впускной коллектор или ступенчатого перемещения дроссельной заслонки.

На рис. 6.28 представлен регулятор холостого хода с шаговым электродвигателем (а ) и схема его работы (б ). Он состоит: 1- клапан; 2, 3- обмотки шагового электродвигателя; 4 - ротор шагового электродвигателя; 5- пружина; 6 - РХХ; 7 - дроссельный патрубок;5 -дроссельная заслонка; 9- клапан; 10- разъем; А - поступающий воздух.

На статоре электродвигателя размещены об­мотки, имеющие четыре выхода. В продольных пазах ротора уста­новлены постоянные магниты с чередующимся расположением по­люсов. Управление двигателем ведется с помощью электрических импульсов различной полярности подаваемых на обмотки в опре­деленной последовательности. Винтовая передача преобразует вращение вала в поступательное движение клапана.

Датчики для определения нагрузки двигателя

Одной из основных величин для расчета цикловой подачи топ­лива и угла опережения зажигания является нагрузка двигателя;

Для определения нагруз­ки двигателя используются следующие чувствительные элементы:

Датчик количества воздуха;

Нитевой датчик массового расхода воздуха;

Пленочный датчик массового расхода воздуха;

Датчик давления во впускной трубе;

Датчик положения дроссельной заслонки.

Датчик количества воздуха. Датчик устанавливает­ся между воздушным фильт­ром и дроссельной заслон­кой и производит измерение объема воздуха (м 3 /ч), по­ступающего в двигатель (рис. 6.29, где: 1 - дроссельная заслонка; 2- датчик расхода воздуха; 3- сигнал терморезистора; 4 - блок управления; 5- сигнал потенциометра; 6- воздушный фильтр. q l - поступающий воздух; α - угол отклонения заслонки). Проходящий поток воздуха отклоняет за­слонку, противодействуя по­стоянной силе возвратной пружины. Угловое положе­ние заслонки регистрируется потенциометром. Напряже­ние с него передается на блок управления, где произ­водится его сравнение с пи­тающим напряжением по­тенциометра. Это отноше­ние напряжений является мерой для поступающего в двигатель объема воздуха. Определение отношений напряжений в блоке управления исключает влияние изно­са и температурных характеристик сопротивлений потенциометра на точность. Чтобы пульсации проходящего воздуха не вели к колеба­тельным движениям воздушной заслонки, она стабилизируется противовесной заслонкой. С целью учета изменения плотности посту­пающего воздуха при изменении температуры датчик расхода оснащен терморезистором.

По сопротивлению терморезистора проводит­ся корректировка показаний датчика. Датчик количества воздуха дол­гое время был составной частью большинства систем Motronic и Jetronic, выпускаемых серийно. Согласно современным требованиям показания датчика расхода воздуха не должны зависеть от атмо­сферного давления, температуры пульсаций и обратного потока воз­духа, возникающих при работе двигателя. Поэтому в настоящее вре­мя датчик количества воздуха с заслонкой заменен более совершен­ными датчиками массового расхода воздуха.

Датчики массового расхода воздуха. Датчиками массового расхода воздуха называют нитевые или пленочные термоанемометрические датчики. Они устанавливаются между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и измеряют массу воздуха, по­ступающего в двигатель (кг/ч). Принцип действия обоих датчиков одинаков. В потоке поступающего воздуха находится электрически нагреваемое тело, которое охлаждается воздушным потоком.

Схема регулирования тока нагрева рассчитана таким образом, что всегда имеется положительная разность температуры измерительно­го тела относительно проходящего воздуха. В данном случае ток на­грева является мерой для массы воздушного потока. При таком ме­тоде измерения производится учет плотности воздуха, так как она также определяет величину теплоотдачи нагреваемого тела. Отсут­ствие в датчике подвижных частей делает его более надежным.

Нитевой датчик массового расхода воздуха. У данного дат­чика нагреваемым элементом является платиновая нить толщиной 70 мкм. Для учета температуры поступающего воздуха производит­ся ее измерение встроенным компенсационным терморезистором. Нагреваемая нить и терморезистор включены в мостовую схему. Рис. 6.30 – отражает компоненты нитевого датчика массового расхода воздуха: 1 - компенсационный терморезистор; 2- кольцо с нагреваемой нитью; 3 - прецизионный резистор; Q м - поступающий воздух. Рис. 6. 31 – мостовая схема нитевого датчика массового расхода воздуха: R н - нагреваемая нить; R к - компенсационный терморезистор; R м - прецизионный резистор; R 1 , R 2 - балансировочные резисторы; (U м - выход­ное напряжение; Q м - поток воздуха. Нитевой датчик массового расхода воздуха приведен на рис. 6.32, где: 1 – электронный модуль; 2 – крышка; 3 – металлическая вставка; 4 – внутренняя труба с нагреваемой нитью; 5 – кожух; 6 – защитная решетка; 7 – стопорное кольцо. Ток нагрева образует на прецизионном резисторе падение напряжения, пропорциональное массе проходящего воздуха. С целью предупреждения дрейфа за счет отложения загрязнений на платиновой нити после отключения двигателя осуществ­ляется ее нагрев «прожиг» в течение нескольких секунд до темпе­ратуры, ведущей к испарению или осыпанию отложений и тем са­мым ее очистке.

Пленочный датчик массового расхода воздуха. У такого датчика нагреваемым элементом является пленочный платиновый резистор, который находится вместе с другими элементами мостовой схемы на керамической подложке. Рис. 6.33. - пленочный датчик массового расхода воздуха: а – корпус; б – чувствительный элемент с нагреваемой пленкой (смонтирован в центре корпуса); 1 – радиатор; 2 – промежуточная деталь; 3 - силовой блок; 4 – электронный модуль; 5 - чувствительный элемент.

Рис. 6.34 - чувствительный элемент с нагреваемой пленкой: 1 – керамическая подложка; 2 – паз; R к – компенсационный терморезистор; R 1 – резистор моста; R Н – нагреваемый резистор; R S – терморезистор.

Рис. 6.35 - . Схема пленочного датчика массового расхода воздуха: R к - компенсационный терморезистор; R н - нагреваемый резистор; R 1 , R 2 , R 3 - резисторы моста; U м - выходное напряжение; I н - ток нагрева; t L - температура воздуха; Q м - поток воздуха.

Температура нагреваемого элемента измеряется терморезисто­ром, который включен в мостовую схему. Раздельное исполнение нагревательного элемента и терморезистора удобно для организа­ции управления. Для измерения температуры воздуха используется компенсационный терморези­стор, также расположенный на подложке, но отделенный канав­кой. Напряжение на нагреваемом элементе является мерой для массы воздушного потока. Это напряжение преобразовывается электронной схемой изм

В конструкциях автомобилей все более широкое применение находят электронные системы управления. По прогнозам специалистов в ближайшее десятилетие только 15…18 % изменений конструкции автомобилей будет отдано механике, основные изменения будут касаться электронных систем управления автомобилем.

При упрощенном рассмотрении электронной системы управления автомобилем можно выделить четыре основных блока (рис. 1): входные сигналы - датчики, системы передач данных, электронный (электронные) блок (блоки) управления (ЭБУ), исполнительные механизмы (ИМ).

Рис. 1.

Электронный блок управления является самым сложным прибором систем управления двигателем или отдельных систем автомобиля и координирует их работу. Основу блока составляет центральный процессор или микрокомпьютер.

ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков или генераторов в ожидаемом интервале значений, оценивает их, затем проводит вычисление пусковых сигналов для исполнительных устройств (приводов).

Входные сигналы могут быть цифровыми, аналоговыми и импульсными (рис. 2).

Рис. 2.

Цифровые входные сигналы - это входные сигналы, которые имеют только два состояния: «высокий уровень» и «низкий уровень». Примеры цифровых входных сигналов: сигналы включения/ выключения, сигналы цифровых датчиков (например, импульсы от датчика Холла). Такие сигналы обрабатываются непосредственно микропроцессором.

Аналоговые входные сигналы в пределах заданного диапазона принимают значения напряжения. Физические величины, которые Н - высокий уровень сигнала; L - низкий уровень сигнала; FEPROM - программируемая память (постоянное запоминающие устройство, ПЗУ); EEPROM - постоянная память (ПМ); RAM - оперативная память (ОП); A/D - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); CAN - электронная цифровая шина данных рассматриваются как аналоги измеренных значений напряжения: массовый расход воздуха на впуске, напряжение аккумуляторной батареи, давление во впускном коллекторе и давление наддува, температура охлаждающей жидкости и воздуха на впуске. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует эти значения в цифровые сигналы, с которыми затем микропроцессор проводит расчеты.

Разновидностью аналоговых сигналов являются быстро изменяющиеся сигналы напряжения, называемые импульсными входными сигналами . Импульсные входные сигналы от индуктивных датчиков, содержащие информацию о частоте вращения и положении вала (по метке), обрабатываются в их собственном контуре в ЭБУ. Здесь ложные импульсы подавляются, импульсные сигналы преобразуются в цифровые прямоугольные сигналы.

Для работы микропроцессору требуется программа, которая хранится в программируемой (перезаписываемой ) памяти (постоянное запоминающие устройство - ПЗУ, или FEPROM). Эта память предназначена только для считывания информации. Она также содержит специальные фиксированные данные (индивидуальные данные, характеристические и программируемые матрицы, значения поправочных коэффициентов и данные, необходимые процессору для расчетов длительности управляющих импульсов форсунок, угла опережения зажигания и т.п.), которые не могут быть изменены во время управления автомобилем. Перезаписывающая память является энергонезависимой, т.е. вся занесенная в нее информация сохраняется при отключении энергопитания сколь угодно долго.

Оперативная память (RAM) служит для хранения таких изменяющихся данных, как численные значения сигналов. Для правильной работы ОП требуется постоянное электрическое питание. При отключении зажигания или выключателя пуска ЭБУ выключается и, следовательно, теряется вся память (так называемая испаряющаяся память). Адаптирующие значения величин, т.е. те, которые «обучаются» системой во время работы и касаются работы двигателя рабочих режимов, должны быть восстановлены при включении ЭБУ в работу.

Данные, которые нельзя терять (например, коды иммобилайзера и данные кодов неисправности), должны храниться в устройстве EEPROM (ПМ) - данные в ПМ не теряются даже в случае отсоединения аккумуляторной батареи.

Блок текущего контроля ЭБУ оснащается следящим контуром, который встроен в специализированную интегральную схему, которая оснащается повышенной оперативной памятью (extra RAM), усовершенствованными входными и выходными блоками и может генерировать и передавать сигналы широтно-импульсной модуляции. Микропроцессор и блок текущего контроля следят друг за другом и, как только обнаруживается неисправность, любой из них может выключить подачу топлива независимо от другого.

Используя выходные сигналы , микропроцессор запускает задающие каскады. Выходные сигналы обычно являются достаточно мощными, чтобы непосредственно управлять исполнительными устройствами или реле. Задающие каскады защищены от короткого замыкания на массу или аккумуляторную батарею и разрушения при электрической перегрузке. Такие нарушения в работе вместе с обрывами цепи или неисправностями датчиков определяются контроллером задающих каскадов, затем эта информация передается в микропроцессор. Выходные сигналы могут быть переключающими и сигналами широтно-импульсной модуляции.

Переключающие сигналы используются для включения и выключения исполнительных устройств (например, электровентилятора системы охлаждения двигателя). Сигналы широтно –импульсной модуляции (PWM signals ) - это прямоугольные сигналы с постоянным периодом, но переменные по времени (рис. 3). Они могут быть использованы для пуска электромагнитных приводов (например, клапана системы рециркуляции ОГ - отработавших газов).

Встроенная диагностика . Одной из важных функций блока управления является непрерывная самодиагностика не только входных и выходных цепей компонентов, но и некоторых показателей внутреннего состояния системы. В современных ЭБУ осуществление самодиагностики занимает до 50 % ресурсов микрокомпьютера. В случае нахождения неисправностей в какой-либо цепи (например, отсутствие или несоответствие заданному уровню сигнала одного из датчиков) микропроцессор записывает соответствующий данной неисправности цифровой код в специальную область памяти, а для того чтобы получить информацию о характере неисправности, необходимо осуществить считывание кода из памяти компьютера.

Рис. 3. а - постоянный период; b - длительность сигнала

ЭБУ постоянно контролирует исправность всех его компонентов, но ошибка помимо своего информационного значения несет флаг статуса, т.е. ошибки могут быть статические (текущие) и случайные (спорадические, накопленные).

Каждый раз при включении зажигания ЭБУ начинает анализировать работу своих датчиков и исполнительных устройств. Такой анализ длится все время, пока работает двигатель. При обнаружении дефекта ЭБУ фиксирует неисправность, выставляет код ошибки и использует аварийную ветвь программы управления. В случае если какой-либо входной сигнал отсутствует или заведомо неправильный, блок управления рассчитывает и использует вместо него некоторое теоретическое значение, что позволяет ему продолжать дальнейшее управление двигателем. Например, при выходе из строя датчика давления во впускном коллекторе для определения времени впрыска используется значение, рассчитанное исходя из частоты вращения коленчатого вала и положения дроссельной заслонки.

После выключения зажигания блок управления сохраняет код в ОЗУ.

2. Системы передачи данных

Современное автомобилестроение интенсивно внедряет инновационные технологии в системах управления. Общая тенденция в области автоматизации автомобилей состоит в замене традиционной централизованной системы управления распределенной системой управления путем соединения блоков управления интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностирования автомобилей и снижением надежности. Увеличивающееся применение электронных систем управления автомобилей с обратной и без обратной связи требует, чтобы индивидуальные ЭБУ работали в сети друг с другом. Такие системы управления включают:

• управление коробкой передач;
• электронное управление двигателем или регулирование подачи топлива;
• антиблокировочную систему тормозов (ABS);
• противобуксовочную электронную систему (TCS);
• электронную систему курсовой устойчивости (ESP);
• систему управления тормозным моментом (MSR);
• электронный иммобилайзер (EWS);
• бортовой компьютер и т.д.

Обмен информацией между системами уменьшает общее количество необходимых датчиков и улучшает управление отдельными системами. Интерфейсы систем передачи информации, проектируемые для применения в автомобилях, могут быть подразделены на четыре категории:

1. обычная передача данных;
2. последовательная цифровая передача данных, т.е. сеть контроллеров (CAN);
3. широкополосные шины передачи данных с временным разделением каналов (шина FlexRay);
4. оптическая передача данных (шина типа МОSТ).

Обычная передача данных в автомобиле (рис. 4) характеризуется тем, что каждый сигнал имеет свой собственный канал связи (провод). При этом с каждой дополнительной информацией возрастает также число проводов и количество контактов на блоке управления, поэтому подобный тип передачи информации оправдывает себя только в случае ограниченного объема передаваемых данных.

Рис. 4.

Увеличение обмена данными между электрическими компонентами автомобиля уже достигли таких объемов, что дальнейшие попытки управления через обычные интерфейсы уже не удовлетворяют современные системы управления, поэтому стали применяться шины передачи данных.

В связи с возросшими требованиями передачи информации в автомобильных системах управления, вместо обычной электропроводки в современных автомобилях используется последовательная цифровая передача данных . Все более широкое распространение находят электронные цифровые шины данных CAN (Controller Area Network). Цифровая передача данных значительно надежнее обычной аналоговой, так как шина лучше защищена от помех, контакты надежно изолированы от внешних воздействий.

Шина данных CAN является открытой системой, к которой могут быть подключены как медные провода, так и стекловолоконные проводники. CAN-шина облегчает диагностику и ремонт вышедших из строя компонентов системы управления автомобилем. Универсальная проводка подходит и для разных комплектаций одного автомобиля - дополнительные устройства просто подключаются к нужным разъемам.

В зависимости от приоритетов и требований к скорости передачи данных шина CAN может быть одноили двухпроводной.

Если для работы систем достаточно низкой скорости передачи данных, то используются шины с одним проводом связи, если скорость передачи должна быть высокой - шины с двумя проводами связи. Второй провод используется для проверки правильности переданной модулем управления информации и для самоконтроля модуля. Данные передаются по обоим проводам одновременно. Сигнал на первом проводе представляет собой перевернутое повторение сигнала, передаваемого по второму проводу.

Все связанные через шину CAN блоки управления подключаются к ней параллельно. Один из проводов шины CAN называется верхним - CAN H (High), другой - нижним - CAN L (Low). Два невзаимозаменяемых скрученных провода (рис. 5) образуют пару (Twisted Pair).

Рис. 5.

Скручивание проводов производится для того, чтобы ослабить помехи электромагнитного характера, а также излучающие помехи. Скручивание позволяет также устранить излучение шины, способное создать помехи в работе других устройств.

По проводу CAN H информация передается в виде электрических сигналов напряжением от 2,5 до 3,5 В, а по проводу CAN L - от 1,5 до 2,5 В (рис. 6). Разность напряжений, равная нулю, дает уровень логического нуля, а разность напряжений 2,0 В - уровень логической единицы.

Рис. 6.а - напряжение; б - разность напряжений; А, С - логический уровень равен 0; B - логический уровень равен 1

CAN - мультимастерная шина, т.е. без центрального управляющего устройства. Все подключаемые к центральному или центральным блокам электронные блоки разных систем (или контроллеры) равноправны - любой имеет доступ к передаваемым данным и может сам их передавать.

CAN-шина относится к типу последовательных; передача данных в шине выполняется по протоколу в виде обмена сообщениями между блоками управления через очень короткие промежутки времени. Протокол состоит из последовательности бит* информации, передающихся друг за другом. Число бит в протоколе передачи данных зависит от размера поля данных.

* Бит - базовая единица измерения количества информации, равная количеству информации, содержащемуся в опыте, имеющем два равно вероятных исхода (да или нет).

Данные передаются бит за битом и в такой же последовательности принимаются. Биты составляют отдельные поля (рис. 7), из них складываются так называемые кадры - основные информационные единицы.

Начало кадра обозначает начало протокола передачи данных.

Арбитражное поле используется для обозначения приоритета протокола передачи данных. Например, если двум блокам управления требуется отправить сообщения одновременно, то первым отправляет сообщение в блок управления с более высоким приоритетом. Кроме того, арбитражное поле используется для определения содержания сообщения (например, частоты вращения коленчатого вала двигателя).

Рис. 7.1 - начало кадра (1 бит); 2 - арбитражное поле (11 бит); 3 - неиспользуемое (запасное) поле (1 бит); 4 - поле управления (6 бит); 5 - поле данных (64 бита); 6 - поле обнаружения ошибок CRC (16 бит); 7 - поле сигнала приемника передатчику ACK (2 бита); 8 - конец кадра (7 бит)

В поле управления (контрольное поле ) в виде кода записывается количество элементов информации в поле данных. Этим обеспечивается возможность для каждого приемника проверить, были ли получены все необходимые данные.

В поле данных передаются элементы данных, являющиеся важными для других блоков управления. Оно содержит больше всего информации: от 0 до 64 бит (от 0 до 8 байт).

Поле CRC используется для обнаружения ошибок в процессе передачи данных.

Поле ACK содержит сигнал приемника передатчику о том, что протокол данных был успешно выполнен. В случае обнаружения ошибки информация об этом немедленно поступает в передатчик и отправка сообщения повторяется.

Конец кадра предназначен для проверки передатчиком протокола данных и отправки приемнику подтверждения о его безошибочном выполнении. В случае обнаружения ошибки передача данных немедленно прекращается, а затем выполняется повторно. После этого протокол передачи данных считается выполненным.

Один кадр может включать несколько параметров, например, кадр, выдаваемый ЭБУ системы впрыска топлива, может состоять из следующих параметров:

• частота вращения коленчатого вала двигателя;
• средний эффективный крутящий момент двигателя;
• заданная водителем скорость движения;
• состояние системы круиз-контроля (включена или не включена);
• разрешение на включение компрессора кондиционера;
• величина крутящего момента двигателя без учета воздействия автоматической коробки передач.

Рис. 8. 1 - идентификационный код послания (11 бит); 2 - содержание послания (до 8 × 8 бит); 3 - контрольная сумма (16 бит); 4 - подтверждение приема послания (2 бит)

Некоторые кадры выдаются периодически (например, кадр системы впрыска топлива - через каждые 10 с), другие - при наступлении какого-либо события (например, кадр, генерируемый ЭБУ подушек безопасности, выдается в случае удара, при этом выключается топливный насос, происходит разблокировка замков дверей и запрещается блокировка рулевой колонки).

Обмениваемая информация состоит из отдельных посланий, которые могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления. Каждое из посланий (рис. 8), составленное согласно протоколу, содержит данные о каком-либо физическом параметре, например, о частоте вращения коленчатого вала.

Примером идентификационного кода послания может быть: двигатель, частота вращения коленчатого вала двигателя. В этом же послании могут содержаться и другие данные (например, указания о холостом ходе, передаче крутящего момента и других режимах работы двигателя). При этом величина частоты вращения представляется в двоичной форме, т.е. как последовательность нулей и единиц или бит (рис. 9). Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число 00010101.

Рис. 9.

Пример упрощенной передачи данных на примере угла положения дроссельной заслонки, который показывает, как строится информация, дан в табл. 1. Положение дроссельной заслонки от 0° до 102° передается с шагом 0,4° 8 битами, таким образом возможно 256 вариантов комбинаций битов.

Таблица 1. Зависимость изменения данных в шине от положения (угла) дроссельной заслонки

В современных автомобилях, как правило, применяются три вида шин, работающие с разными скоростями (рис. 10). Наиболее важные устройства и системы (антиблокировочная система тормозов, система курсовой устойчивости и др.) подключаются к скоростной магистрали с пропускной способностью 500…1000 Кб/с, практически обеспечивающей работу системы в реальном времени. Менее быстрые и важные приборы - система «Комфорт» или информационно-командная система (радио, монитор на центральной консоли, система навигации и кондиционирования) - завязаны на вторую шину со скоростью 95,2…100,0 Кб/с. Для остальных «медленных» устройств - система «Комфорт» (дверных замков, систем освещения, стеклоподъемников) - служит третья шина со скоростью 33,3…100,0 Кб/с.

Рис. 10.(на примере автомобиля Polo модели 2002 г.): 1 - шина наиболее важных устройств; 2 - шина информационно-командной системы; 3 - шина системы комфорта; БУ - блок управления; ЗУ - запоминающее устройство

Вместо ключа зажигания в автомобилях, оборудованных CAN-шинами, используют электронный брелок, который взаимодействует с блоком управления двигателем через цифровую шину. Возросшие требования к скорости передачи и безопасности данных требуют применения широкополосных шин передачи данных с временным разделением (временным управлением) каналов (для сравнения: CAN представляет собой событийно-управляемую шину данных).

Шина FlexRay - это последовательная, детерминистическая и устойчивая к сбоям шина передачи данных для применения в автомобиле; скорость передачи данных составляет 10 Мб/с, что в 20 раз превышает скорость передачи по высокоскоростной шине CAN (500 Кб/с).

Важной особенностью FlexRay является также гарантированное время реакции или латентный период реагирования, т.е. время, которое требуется на прохождение сообщения от отправителя до получателя. В связи с этим говорят также о детерминистической (предопределенной, регламентированной) передаче. Это означает, что данные поступают к адресату или адресатам в строго определенный или предварительно заданный момент времени (возможно применение в режиме реального времени).

Шина FlexRay двухпроводная: плюсовой провод обозначают красным цветом, минусовой - синим. Уровень напряжения на обоих проводах колеблется (рис. 11) от минимума (2,2 В) до максимума (2,8 В) (для сравнения в высокоскоростной шине CAN 1,5…3,0 В). Уровень разностного напряжения составляет не менее 600 мВ (в высокоскоростной шине CAN 2 В).

Рис. 11.

FlexRay работает с тремя состояниями сигнала:

• холостой сигнал - уровень напряжения обоих проводов шины составляет 2,5 В (режим холостого хода). Рецессивный сигнал означает, что уровень напряжения может быть превышен (перезаписан) другим блоком управления;
• 1 - плюсовой провод имеет высокий, а минусовой - низкий доминирующий уровень напряжения;
• 0 - плюсовой провод имеет низкий, а минусовой - высокий доминирующий уровень напряжения.

Доминирующий сигнал означает, что этот уровень напряжения не может быть превышен (перезаписан) другими блоками управления.

При таких параметрах уровня напряжения время передачи 1 бит составляет 100 нс (наносекунд) (для сравнения в высокоскоростной шине 2000 нс).

Центральный блок информационно-командной системы может соединяться с процессором навигационной и других систем посредством оптического кабеля - шины типа МОSТ (Media Oriented Systems Transport). Это необходимо для защиты линии передачи данных от помех. Для передачи данных через оптический кабель следует преобразовать аналоговую информацию в серии световых импульсов, которые затем могут распространяться по стеклянным волокнам кабеля. Длина световых волн меньше длины радиоволны, поэтому они не создают электромагнитных помех и сами являются невосприимчивыми к таковым.

Вокруг любого проводника, по которому проходит электрический ток (рис. 12), возникают поля, поэтому проложенные параллельно или перекрещивающиеся проводники тока создают взаимные помехи. Помехи создаются также электромагнитными волнами, генерируемыми, например, мобильным телефоном. При использовании волоконно-оптической связи такие помехи отсутствуют.

Рис. 12. Передача тока по волоконно-оптическому (а) и металлическому (б) проводникам: 1 - цифровая информация; 2 - оптический кабель; 3 - аналоговая или цифровая информация; 4 - металлический проводник; 5 - электромагнитное поле проводника

Преимуществом современных волокно-оптических систем, кроме отсутствия помех, является также скорость передачи данных, достигающая 21,2 Мб/с, что позволяет передавать информацию в виде цифрового сигнала. Такая связь применяется при приеме аудио- и видеопередач, что требует скорости передачи данных порядка 6 Мб/с и больше, в то время как шина CAN при большом количестве жил в жгуте проводов может передавать данные со скоростью не более 1 Мб/с.

Светодиод - один из основных компонентов волокно-оптической системы (рис. 13) предназначен для преобразования сигнала по напряжению в световой сигнал. Длина волны выработанных световых сигналов около 650 нм и их видно как красный свет. Световод предназначен для отправки световых волн, вырабатываемых в передатчике одного блока управления, на приемник другого блока управления. Фотодиод предназначен для преобразования световых волн в сигналы по напряжению.

Рис. 13.1 - световод; 2 - фотодиод; 3 - светодиод; 4 - трансивер

Недостатком волокно-оптической системы является требование плавных изгибов; радиус изгиба световода не должен превышать 25 мм.

Шина типа MOST представляет шину последовательной передачи данных (аудио- и видеосигналов, голосовых сигналов) по оптическому кабелю (рис. 14). С точки зрения физического исполнения в случае шины MOST речь идет о кольцевой структуре (топологии) сети. Шина типа MOST может включать до 64 устройств.

Рис. 14. Шина типа MOST (на примере Touareg 2011 Volkswagen): 1 - ЭБУ в комбинации приборов; 2 - диагностический интерфейс шин данных; 3 - ЭБУ информационной электронной системы; 4 - ТВ-тюнер; 5 - DVD-чейнджер; 6 - головное устройство аудиосистемы; 7 - ЭБУ цифровой аудиосистемы

← Вернуться