Воздействия на электронную систему автомобиля. Для безопасности дорожного движения разрабатываются новые электронные системы безопасности для автомобиля. Электронные системы впрыскивания бензина

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

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.

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

Современные автобусы и грузовые машины буквально «начинены» всевозможной электроникой. Микропроцессоры улучшают ходовые параметры ТС, снижают эксплуатационные расходы, повышают комфортабельность работы водителя и делают ТО более эффективным. Они воздействуют на:

• Электрику: зажигание, освещение и прочие узлы.
• Механику: мотор, ходовая часть и другие системы, отвечающие за управляемость и безопасность ТС.
• Логистику: контроль работы техники, учет пассажиров.

Чтобы обеспечить сбор информации, на каждом автобусе или грузовике последних моделей устанавливается бортовая сеть, способная отправлять и получать сообщения по определенным наборам соглашений интерфейса. Официально они называются протоколами.

За счет подобной унификации процесса, различные электронные системы автомобилей, которых в машине может насчитываться до 10 штук, могут «понимать» друг друга. Если сообщение, отправленное по одному протоколу, надо конвертировать (преобразовать) в другой, то для этого имеются специальные шлюзы.

Бортовые системы электронного управления работой мотора или трансмиссии изначально монтировались на автомобиль заводом-изготовителем. Логистические компоненты (fleet management) довольно долго устанавливались сторонними организациями. Однако, на сегодняшний день, ведущие фирмы, такие как Scania или MAN, начали оборудовать стандартные версии своей техники и этими электронными системами автомобилей. Теперь передачу информации по беспроводной связи (GPS/GSM/WI-FI/RFID) о параметрах работы ТС на диспетчерский пункт обеспечивает Fleet management собственного производства.

Электронные системы автомобилей имеют достаточно большой расчетный срок службы. Он заметно превышает аналогичный показатель механических агрегатов и узлов и не зависит от пробега. Однако на практике продолжительность работы оказывается меньшей из-за воздействия влажности, вибрации и грязи. Если микропроцессоры выходят из строя, то качественную диагностику может выполнить только профессионал с необходимым оборудованием.

Нередко бывает так, что механики и водители не видят разницы между понятиями «электронный» и «электрический». К автоэлектрике относятся аккумуляторы, стартер, фары, электродвигатели для вентилятора и отопления, лампы накаливания, соединители, переключатели, проводка. Для управления ими в схему включаются электрические реле, которые срабатывают после определенного воздействия.

По мере усовершенствования транспортных средств, управление с помощью реле оказалось неэффективным. Вместо него появились устройства на микропроцессорах (ECU или ECM), с программным обеспечением и блоком памяти. Следующей ступенью развития бортовых электронных систем была их интеграция в единую управляющую систему.

После этого процесс стал выглядеть так. Например, во время переключения КПП, происходит обмен данными между ECU трансмиссии и ECU двигателя. В итоге мгновенно уменьшается крутящий момент, обеспечивая плавный переход на другую передачу.

Устройства разных изготовителей пользуются протоколами, от вида которых зависит степень интеграции. ECU двигателя получает команды от акселератора, датчиков температуры масла, антифриза, воздуха, турбокомпрессора, скорости. В результате топливная система моментально приспосабливается к изменившимся условиям и впрыскивает солярку в точно определенное время.

Благодаря этому, эффективность работы мотора увеличивается, а содержание вредных примесей в отработанных газах снижается. Кроме того, в памяти ECU двигателя хранятся параметры работы агрегата и коды неисправностей. После подключения микропроцессора к тестеру или ноутбуку, их можно считывать, для проведения точной диагностики.

ECU трансмиссии определяет момент изменения передаточных отношений. Этот микропроцессор тоже получает данные из разных источников: джойстика КПП, газовой педали, датчиков двигателя, скорости автомобиля и угловой скорости на выходном валу. В процессе «принятия решений» учитывается вес машины, мощность силового агрегата, вязкость и нагрев масла в КПП, коэффициент трения дисков сцепления. Результатом комплексной обработки полученных данных является последовательное и плавное переключение передач, благодаря чему экономится топливо.

ABS (антиблокировочная система) была разработана в 1975 году. Сегодня это штатное оборудование большинства современных автобусов и грузовиков. В ее задачи входит контроль скорости вращения колес при движении. Первые версии были ненадежными. Но алгоритмы и микропроцессоры все время совершенствовались, в результате чего на сегодняшний день ABS эффективно предотвращает блокировку после резкого нажатия на педаль тормоза. Это повышает управляемость ТС в критической ситуации. Система работает следующим образом. На каждом колесе есть датчик, посылающий информацию о скорости вращения на ECU ABS. Если значение данного параметра падает до нуля, ECU сигнализирует в тормозную систему о том, что надо снизить давление на тормозе этого колеса.

Давление сбрасывается, колесо начинает вращаться, ECU опять применяет торможение, после чего снова сбрасывает давление. Подобный цикличный процесс выполняется за очень малые промежутки времени и продолжается до полной остановки машины. Для повышения эффективности работы, ABS обменивается данными с системой контроля тяги (АТС).

Микроконтроллеры установлены даже на таких, казалось бы, «второстепенных» системах, как кондиционирование, вентиляция и отопление. Раньше, если в кабине было холодно, водитель просто нажимал на кнопку, чтобы включить печку. Становилось жарко - выключал ее или, опять-таки вручную, понижал степень нагрева. Сегодня комфортабельная температура в салоне поддерживается автоматически.

Этим занимается климат-контроль, который можно запрограммировать так, чтобы результаты отвечали потребностям водителя и пассажиров. Это более всего актуально в рефрижераторных фурах, внутри которых должна точно поддерживаться определенная температура. Единственный минус системы HVAC (Heating Ventilation Air-Conditioning) заключается в том, что ее диагностика пока еще достаточно трудоемкая.

Для объединения всех электронных систем автомобиля в единый комплекс предусмотрена мультиплексированная шина данных, которая заменяет несколько кабелей разного типа. Благодаря ей системы могут обмениваться друг с другом различной информацией. Они подключаются к шине по тому же принципу, как компьютеры в офисе присоединяются к локальной сети. Это еще одно важное отличие электроники от электрики, потому что в последнем случае от каждого устройства, фары или стартера, идет отдельный провод. Эти провода затем собираются в жгуты и выводятся на панель с управляющими реле.

Скорость движения и грузоподъемность ТС постоянно растет. Повышаются требования к безопасности движения, экологичности транспорта и комфорту работы водителя. Бортовые системы автомобилей - это незаменимые помощники, позволяющие современным грузовикам и автобусам соответствовать самым высоким стандартам.

Видео: Аренда спецтехники и услуги грузоперевозки без посредников!

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.

← Вернуться