Главная

Двигатель

Трансмиссия

Тормозная система

Рулевое управление

Безопасность комфорт

Другие электронные системы

Диагностика (новый)

Чип-тюнинг (новый)

Термины и сокращения

 

Во всех системах без исключения впрыск осуществляется форсункой - инжектором. Форсунка состоит изкорпуса, в котором установлены игольчатый клапан, стальной якорь, винтовая пружина и обмотка электромагнита. Количество вспрыскиваемого топлива определяется временем открытия электромагнитного клапана форсунки, поскольку сечение точно калибровано, а давление поддерживается постоянным. Впрыск осуществляется во впускной трубопровод на расстоянии 100-150 мм от впускного клапана. Электронный блок управления обрабатывает информацию о режиме работы двигателя и формирует электронный импульс, определяющий момент и продолжительность впрыска. Основная информация о режиме работы двигателя -частота вращения коленчатого вала двигателя и давление во впускном трубопроводе или расход воздуха (в зависимости от имеющихся датчиков).Все преимущества электронного впрыска обусловлены возможностью корректировать количество впрыскиваемого топлива в зависимости от различных факторов (рис.1)

Рис. 1. Коррекция впрыска топлива:
а - по напряжению питания; б - по температуре охлаждающей жидкости;
в - по температуре воздуха

 

В большинстве случаев впрыск топлива обеспечивается синхронно: за один оборот коленчатого вала двигателя выполняется один впрыск. Такой впрыск называется синхронным. Время синхронного впрыска включает в себя базовое (основное) время впрыска с учетом коэффициента коррекции и время t на изменение напряжения питания. За базовое время впрыска во впускной трубопровод поступает количество топлива, требуемое для создания теоретически необходимого коэффициента избытка воздуха. Время t впрыска на изменение напряжения питания U обусловлено изменением времени срабатывания электромагнитной форсунки (рис. 1,а).
Корректировать впрыск по изменению производительности топливного электронасоса не следует, так как в системе подачи топлива имеется регулятор давления, поддерживающий постоянное давление впрыска.
Коррекция на время прогрева холодного двигателя в зимнее время необходима с целью увеличения количества впрыскиваемого топлива, коррекция после пуска двигателя осуществляется с целью стабилизации частоты вращения коленчатого вала двигателя непосредственно после пуска. Она прекращается через определенное время после пуска. Коррекция для увеличения приемистости двигателя во время прогрева осуществляется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Во избежание перегрева двигателя, нейтрализатора и других деталей при движении в режиме максимальной мощности необходимо обогащение горючей смеси. Коррекция с учетом температуры всасываемого воздуха (рис. 1, в) необходима в связи с увеличением заряда воздуха, вызванного повышением его плотности.
Коррекция соотношения воздух - топливо обеспечивается методом обратной связи. Чтобы с помощью трехкомпонентного нейтрализатора одновременно достигнуть высокой степени очистки отработавших газов по компонентам СО, НС и N02, необходима точная регулировка коэффициента избытка воздуха X таким образом, чтобы состав смеси был максимально близок к стехиометрйческому - оптимальному соотношению между массами веществ, вступающих в химическую реакцию. С этой целью с помощью датчика, установленного в выпускной системе (лямбда-зонд), измеряется концентрация кислорода в отработавших газах. Таким образом организуется обратная связь в системе автоматической стабилизации стехиометрического состава горючей смеси. Датчик кислорода не работает, пока его температура низка. Поэтому до окончания прогрева реальное соотношение воздух -топливо определяется ЭБУ без использования датчика кислорода. При работе датчика его сигналы изменяются в зависимости от состава смеси. Подача топлива может прекращаться в двух случаях: при высокой частоте вращения коленчатого вала и в режиме принудительного холостого хода. Частота вращения коленчатого вала ограничивается во избежание преждевременного изнашивания двигателя. Режим принудительного холостого хода при не отключенной подаче топлива приводит к повышенному его расходу. Поэтому при высокой частоте вращения коленчатого вала, включенной передаче и закрытой дроссельной заслонке подача топлива прекращается. Когда частота вращения коленчатого вала двигателя падает ниже заданной, подача топлива возобновляется.
Датчики
Назначение и устройство. Датчики служат для преобразования неэлектрических показателей в электрические. В системах управления бензиновым двигателем устанавливаются свыше десяти датчиков, которые могут быть объединены в следующие группы: расходомеры воздуха, датчики температуры, угла открытия дроссельной заслонки, угла поворота коленчатого вала и детонации.
Принципиально различаются четыре типа расходомеров:
1. Потенциометр, управляемый поворачивающейся под воздействием воздуха заслонкой;
2. Датчик изменения перепада давления во впускном трубопроводе;
3. Датчик Кармана, измеряющий число вихрей, создаваемых воздушным насосом;
4. Термоанемометрический датчик, реагирующий на изменение сопротивления платиновой проволоки,

 

В датчике 1-го типа воздух, проходящий в двигатель через воздушный фильтр, изменяет угол поворота подвижной заслонки, на которую, кроме скоростного напора воздуха, воздействует тарированная пружина, препятствующая повороту заслонки. При этом расход воздуха V преобразуется в соотношение напряжений Us/Uc плеч потенциометра, который непосредственно соединен с осью заслонки (рис.2,а).

Рис. 2. Характеристики датчиков:

а - расходомера воздуха; б - давления; в - Кармана; г - температуры охлаждающей жидкости

В датчике 2-го типа преобразователем давления служит кремниевый кристалл, на поверхности которого сформирован мостик сопротивлений, ток через который изменяется под действием деформаций (пьезорезистивный эффект), вызванных изменением давления р, Этот ток усиливается и вводится температурная компенсация (рис. 2,6).
Расходомер 3-го типа - датчик Кармана имеет генератор воздушных вихрей - завихритель, установленный в поток потребляемого двигателем воздуха. Число вихрей почти пропорционально расходу всасываемого воздуха. Датчик считает эти вихри и преобразует их в выходные электрические сигналы (импульсы) с резонансной частотой f (рис. 2,в).
Основой конструкции датчика 4-го типа является помещенная в поток поступающего в двигатель воздуха платиновая проволока, нагреваемая электрическим током и охлаждаемая воздухом. Сопротивление проволоки изменяется под воздействием температуры пропорционально скорости воздушного потока. Поэтому по измеренной силе тока, протекающего через проволоку, косвенно судят о количестве воздуха, поступающего в двигатель.
Датчики температуры охлаждающей жидкости и воздуха представляют собой полупроводниковый элемент, сопротивление которого резко почти линейно, изменяется (рис. 2,г).
Датчик угла открытия дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, ползун которого связан с осью заслонки. Характеристика датчика линейная. Датчик кислорода - лямбда-зонд - устанавливается в выпускной системе. Он выдает данные о концентрации кислорода в отработавших газах, реагируя на отклонение от стехиометрического состава горючей смеси, попадающей в цилиндры. Датчик кислорода (рис. 3,а) представляет собой элемент из порошка 3, спеченного в виде пробирки, наружная 1 и внутренняя 4 стороны которой покрыты пористой пластиной. Наружная поверхность элемента подвергается воздействию отработавших газов. В датчике используется сильная зависимость ЭДС твердотелого гальванического элемента из двуокиси циркония или титана от концентрации кислорода. Такая электрохимическая ячейка реагирует на атомы кислорода и создает разность между корпусом 2 и внутренней стороной 4 пробирки до 1 В. Эта разность и служит управляющим сигналом (рис. 3,6), заставляющим электронный модуль изменять подачу топлива в двигатель до тех пор, пока в отработавших газах не останется свободного, т.е. не вступающего в химическую реакцию кислорода. Таким образом автоматически поддерживается стехиометрический состав рабочей смеси во всех диапазонах нагрузок и частоты вращения двигателя.

Рис.3. Устройство (а) и характеристика (б) датчика кислорода:
1 и 4 - соответственно наружная и внутренняя стороны пробирки; 2 - корпус;
3 - порошок; I и II - соответственно высокий и низкий уровни напряжения

 

Датчик угла поворота коленчатого вала двигателя размещается в корпусе распределителя зажигания и состоит обычно из двух катушек и двух роторов - магнитов. Одна пара катушка-ротор выдает сигнал G угла поворота коленчатого вала, другая - сигнал Ne скорости вращения коленчатого вала двигателя (рис.4). Поскольку распределитель вращается в два раза медленнее, чем коленчатый вал, то ротор датчика скорости имеет два выступа и за каждый оборот подает два имлульса. Поэтому число импульсов равно числу оборотов коленчатого вала.
 

Рис.4. Сигналы датчика скорости (а) и угла поворота коленчатого вала (б)

Датчик угла поворота коленчатого вала имеет 24 выступа и за один оборот подает 24 импульса, т.е. через 15° поворота распределителя и 30° - коленчатого вала.
Датчик детонации - представляет собой пьезоэлемент, установленный в жестком корпусе, частота собственных колебаний которого равна частоте колебаний при детонации. В этот период пьезоэлемент вырабатывает максимум напряжения, так как испытывает максимальные нагрузки (рис.5).
 

Рис.5. Характеристика датчика
детонации (вертикальная линия обозначает
резонансную частоту)

Если двигатель имеет широкий диапазон детонационных частот f, то применяются датчики детонации нерезонансного типа.
Датчики положения. Многие автомобильные системы управления дроссельной заслонкой используют сегодня электрическую цепь для передачи сигнала управления от педали управления подачей топлива к электронной системе впрыска топлива. Определенному положению педали соответствует определенное значение подаваемого на блок управления ситала. Если сипчал будет неправильным, но его значение будет находиться в определенных для системы пределах, установить ошибочность сигнала невозможно.
Для исключения такой возможности фирмы «Wiliams Controls» и «Navistar International Transportation» объединили свои усилия и разработали прибор, в котором интегрируется выключатель режима холостого хода (IVS - idle valedation switch) с устройством управляемого педалью передачей топлива тока. Этот прибор посылает раздельные избыточные сигналы в ЭБУ. Устройство IVS объединено с датчиком положения педали (APS - accelerator position sensor). Оба компонента остаются электрически изолированными, но связаны с педалью единой механической связью.
Интегральный ключ IVS и датчик положения APS располагаются на единой подложке. Подложка несколько увеличена для встраивания ключа, но никаких новых элементов не содержит. Выгоды приведенной интеграции включают простоту изготовления, более легкое обслуживание, меньшую стоимость и повышенную совместимость с различными исполнениями педалей.
Потенциометры. Потенциометры просты по конструкции и работе (представляют собой щетку, скользящую по резистивной поверх-ности), они имеют массу преимуществ: высокотемпературный диапазон, низкую стоимость, высокий уровень сигнала и почти безграничное разрешение в сравнении с магнитными или оптическими датчиками. Потенциометрический датчик является лучшим для указания положения, но имеет наименьший срок службы. Кроме того, обычные потенциометры иногда теряют свою линейность под воздействием некоторых условий, например вибрации двигателя. Они могут выдержать только 10 млн, циклов (колебаний). Нарушение линейности является результатом разрушения резистивного элемента и роста в этой точке электрического сопротивления.
Используя специальную резину, графит и наполнители, фирма «Alps Electric Co» разработала потенциометр со сроком службы при вибрации более 1 млрд. циклов колебаний. Были исследованы характеристики условий скольжения этого нового датчика, Контактное сопротивление оставалось в пределах 2% от начального после 40 млн. циклов при температуре 175° С, через 10 млн. циклов оно сохраняло свое начальное значение до 100 млн. циклов, после чего сопротивление стало заметно возрастать.
Самыми долговечными должны быть датчики положения клапана рециркуляции газов, дроссельной заслонки и высоты пола кузова над дорожным покрытием.
Датчики углового положения (RPS). Они обычно применяются в системах ДВС для определения положения дроссельной заслонки, распространяются и на системы управления «без проводов». Обычные потенциометры углового положения основываются на контакте между резистивным элементом и трущимся о него контактом, что сопровождается соответствующим стиранием. Микровыключатели, работающие на бесконтактных датчиках углового положения, являются альтернативой сегодняшних устройств. Линейный выход в соединении с магниточувствительной схемой обеспечивают линейность и стабильность магнитного поля, большой срок службы и компенсацию механических допусков.
Такие датчики состоят из интегральной микросхемы на эффекте Холла с линейным выходом, возбуждаемой неодимовым магнитом и расположенной вблизи него на роторе датчика, точность формы которого выдерживается в пределах 1% для обеспечения необходимой линейности сигнала. Зазор между ними является компромиссом между минимальной разницей в чувствительности при разных положениях (что требует большого зазора) и максимальной силой (что требует малого зазора).
Линейные датчики включают элементы тонко и толстопленочной технологий для достижения высокой чувствительности, точной установки нуля, хорошей температурной компенсации и электронной совместимости с электронными блоками управления. Они способны к работе уже при питании напряжением 5 В и в диапазоне температур -40...+150° С. Возвратная пружина датчика обеспечивает стабильность зазора ротора, что гарантирует минимальный гистерезис характеристик.
Датчики были испытаны в течение 10 млн. циклов без заметного изменения их параметров. Стабильность выхода при закрытой дроссельной заслонке обеспечивается калибровкой и составляет несколько градусов мертвой зоны во всем температурном диапазоне.
Датчики качества топлива. Фирма «Mitsubishi Electrik» разработала датчик состава топлива, измеряющий коэффициент преломления и диэлектрическую постоянную топлива. Он будет способен определять концентрацию метанола (многотопливные двигатели) или качество бензина у автомобилей.
Принцип работы датчика состоит в следующем. Параллельный световой пучок, излучаемый инфракрасным диодом с коллиматор-ными линзами, проходит через стержневую призму, изготовленную из оптического стекла, к границе поверхности, на которую поступает топливо, подлежащее измерению. После отражения под углом, пропорциональным коэффициенту преломления топлива, луч света отражается от зеркала, преломляясь на той же граничной поверхности. Затем он снова проходит через стержневую призму и фокусируется конденсаторной линзой на светочувствительном детекторе позиционирования (PSD - position sensitive detektor).Положение падающего на детектор пучка соотносится с коэффициентом преломления топлива. Поскольку этот коэффициент зависит от температуры, в устройстве для температурной компенсации предусмотрен малогабаритный термистор высокого разрешения. Диапазон измеряемых коэффициентов преломления зависит от угла среза призмы. Поэтому для этанола и бензина можно применять один и тот же датчик, различающийся лишь углом среза призмы.
Датчик малогабаритен, чувствителен, имеет достаточно линейный выход в используемом диапазоне коэффициентов преломления. Основным преимуществом таких фотопозиционных детекторных систем является устойчивость к загрязнениям оптических систем, прочность и унифицированность конструкции для контроля как концентрации метанола, так и качества бензина.
Датчики качества масла. Подобно датчику топлива фирма «Ford» разрабатывает датчик загрязнения масла, определяющий диэлектрическую постоянную не бензина, а масла. Датчик, реагируя на химические или физические параметры моторного масла, оповещает водителя об ухудшении свойств масла, помогает избежать использования нестандартного масла, контролирует, не разбавлено ли масло топливом или охлаждающей жидкостью, отслеживает, насколько хорошим поддерживается состояние масла в картере •.
Чувствительным элементом датчика является миниатюрный воздушный конденсатор, монтируемый в промежуточной кольцевой прокладке между масляным фильтром и блоком цилиндров двигателя. Электронная схема преобразует изменения диэлектрической постоянной в изменения частоты. Кольцевая прокладка поддерживает положение датчика в области интенсивного масляного потока на выходе его из маслонасоса двигателя, чтобы исключить попадание датчика в застойные зоны, где может накапливаться шлам.
Устройство достаточно чувствительно для обнаружения доливки одного литра масла, полной его смены или работы двигателя с пониженным уровнем масла.
Одного параметра недостаточно для определения необходимости смены масла. Современные системы управляются алгоритмом, учитывающим ряд параметров, в том числе интегрально температуру масла двигателя в зависимости от передачи, для решения о необходимости смены масла. Однако, конденсаторный датчик состояния масла может обеспечивать микропроцессор системы контроля масла химическими параметрами, расширяя возможности действующих систем.

Исполнительные механизмы. Подача бензина. Этот процесс обеспечивается распределенным впрыском, центральным впрыском или карбюратором. Распределенный впрыск имеет на каждый цилиндр свою форсунку. Центральный впрыск отличается от распределенного тем, что форсунка одна и устанавливается в корпусе карбюратора. Поскольку электронный впрыск намного дороже карбюратора, разрабатываются и выпускаются системы управления карбюратором, удовлетворяющие требованиям по расходу бензина и составу отработавших газов.
Управление карбюратором заключается в регулировании соотношения воздух - топливо путем изменения пропускной способности топливных или воздушных жиклеров. Примером может служить карбюратор «General Motors», в котором электромагнитный клапан управляется ЭБУ. При пропускании тока через обмотку клапана отверстие жиклера закрывается, а при отключении тока открывается. Однако при управлении карбюратором в принципе нельзя достигнуть результатов управления впрыском бензина, так как реализуемое соотношение воздух - бензин сильно колеблется, особенно на переходных режимах, а карбюратор слишком инерционная система.
Зажигание. Электронный блок управления подает сигналы на транзисторный коммутатор для изменения угла опережения зажигания. В свою очередь транзисторный коммутатор управляет током первичной цепи катушки зажигания: при открывании выходного транзистора ток проходит по первичной цепи и в магнитном поле катушки накапливается энергия. При закрывании выходного транзистора ток прерывается и во вторичной цепи происходит индуцирование высокого напряжения, которое подается к свечам. Оптимальный угол опережения зажигания
а = OyСТ + Да
где ОуСТ- установочный угол опережения зажигания; Да - поправка угла опережения зажигания.
Установочный угол опережения зажигания определяется по характеристике двигателя и выставляется или корректируется вручную при установке зажигания. Поэтому он и называется установочным. Поправка же Да многофункциональная. Она зависит от частоты вращения коленчатого вала п (рис.6,а), температуры t охлаждающей жидкости (рис.6,б,в), расхода воздуха, детонации (сорта топлива) и др.
 

Рис.6. Изменение угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (а), изменения температуры холодного (б) и горячего (в) двигателей: I и И - соответственно раннее и позднее зажигание

Изменение угла опережения зажигания осуществляется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, изменения температуры холодного и горячего двигателей. При обеспечении оптимального угла опережения зажигания в электронный блок управления ЭБУ (рис.7) поступают электрические сигналы от соответствующих датчиков Д, в которых эти сигналы обрабатываются (происходит алгебраическое сложение) и результирующий сигнал подается в качестве управляющего на транзисторный коммутатор ТК, который и прерывает ток в катушке зажигания КЗ.
 

Рис.7. Схема системы зажигания с электронным управлением: Д - датчики; ЭБУ - электронный блок управления впрыском топлива; ТК - транзисторный коммутатор; ДС -датчик импульсов, синхронных с частотой вращения коленчатого вала; КЗ - катушка зажигания; СЗ - свечи зажигания; ДВС - двигатель внутреннего сгорания

Электронные блоки управления
Микропроцессоры, входящие в состав ЭБУ, питаются постояв ным напряжением 5В. Поскольку бортовая сеть автомобиля питается напряжением 12 В или 24 В, в ЭБУ имеется стабилизированный источник питания, преобразующий напряжение бортовой сети источник питания, на выходе которого напряжение 5 В. Обычно этот источник имеет два выхода (рис.8): основной (рабочий) и дополнительный (резервный).
 

Рис.8. Схема системы управления автомобилем с бензиновым(двигателем):

БИ ЭЭ - бортовой источник электроэнергии; ДД - датчик детонации; ЦВ -цифровые входы;СВО - схема входной обработки (схема обработки входных Сигналов); ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; АВ - аналоговые входы; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЭВМ - 8-разрядная однокристальная ЭВМ; ЦП - центральный процессор; COBC - схемы обработки выходных сигналов; И - инжектор; КЗ - коммутатор зажигания; СД - система информации контроля диагностики; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; ЭВМ детонации - 4-разрядная однокристальная ЭВМ для выявления детонации; СПД - схема преобразования сигнала детонации; ИП - источник питания

МикроЭВМ обычно выполняется на одном кристалле, содержащем основные функциональные элементы: ПЗУ, ЦП, ОЗУ и др. Эти ЭВМ классифицируются на ЭВМ общего применения и заказные. Поскольку от датчиков могут поступать электрические сигналы, которые в микроЭВМ вводить нельзя, ЭВМ общего применения для автомобиля малопригодно. Были разработаны несколько типов специальных однокристальных микроЭВМ с необходимыми входными и выходными функциями, предназначенные для применения в системах управления автомобилем. В АЦП поступают аналоговые сигналы от датчиков расхода воздуха, напряжения бортовой сети, температуры охлаждающей жидкости, температуры поступающего в двигатель воздуха, угла открытия дроссельной заслонки и др. Зти сигналы преобразуются в цифровые следующим образом.
Возьмем в качестве примера аналоговый сигнал датчика расхода воздуха. Сигнал в виде напряжения потенциометра и опорное напряжение подаются на АЦП. Этот сигнал является основным при управлении впрыском топлива и необходимы высокие разрешающая способность и точность его измерения. Поэтому для обработки используется, например, 11-разрядный АЦП. Продолжительность преобразования должна быть малой (порядка 4 мс), чтобы успевать за быстрыми изменениями входного сигнала.
Цифровые сигналы, поступающие с датчиков угла поворота коленчатого вала, частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу, системы зажигания, кислорода, скорости автомобиля, включения кондиционера, стартера и нейтральной передачи, давления масла, стоп-сигнала, ключа зажигания, поступают на СВО (см. рис.8). Дело в том, что эти сигналы нельзя подавать на вход микроЭВМ, так как она работает от стабилизированного источника напряжения питания +5 В, а сигналы датчиков имеют различные значения напряжения, превышающие допустимое (+12 В), или переменной полярности, которые в ЭВМ вводить нельзя. Эти сигналы, пройдя схемы входной обработки, преобразуются в сигналы, которые могут быть введены в микроЭВМ (рис.9)
 

Рис.9. Формы входных и выходных сигналов:
а - превышающего напряжения; б - переменной полярности; в - содержащих
помехи; г- содержащих пиковые напряжения

Сигнал датчика детонации обрабатывается 4-разрядной микроЭВМ и затем подается в 8-разрядную микроЭВМ. На основе входных ситалов эта микроЭВМ рассчитывает для данного состояния двигателя оптимальные значения количества впрыскиваемого топлива, угол опережения зажигания, частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу и другие параметры. Затем управляющие сигналы, пройдя СОВС, воздействуют на форсунки, коммутацию зажигания, клапан управления частотой холостого хода и т.д. Последовательность работы такой ЭВМ показана на рис.10.
Выходные сигналы времени впрыска топлива и угла опережения зажигания выдаются в оптимальной временной последовательности за счет обработки, при которой приоритет отдается зажиганию, а не впрыску. Если во время расчета коррекции впрыска необходимо выдать выходной сигнал об угле опережения зажигания, то расчет коррекции впрыска останавливается, производится расчет и выдается сигнал об изменении угла опережения зажигания. Затем продолжается расчет коррекции впрыска. Выходные сигналы микроЭВМ в большинстве случаев не могут быть использованы для привода исполнительных механизмов, так как напряжение на выходе микроЭВМ равно 5 В, а номинальное напряжение исполнительных механизмов - форсунок, транзисторных коммутаторов, шаговых электродвигателей - 14 В. Поэтому между микроЭВМ и исполнительными механизмами устанавливается электронный усилитель.
 

Рис. 10. Последовательность работы блоков микроЭВМ

 

Системы управления бензиновым двигателем.

Этот раздел сайта посвящен электронным системам управления двигателя. А именно, описанию, устройству и принципу работы  электроных систем управления бензиновым двигателем...