Система управление двигателем

ВЕДЕНИЕ

      Системой управления двигателем называется электронная система управления, которая обеспечивает работу двух и более систем двигателя. Система является одним из основных электронных компонентов электрооборудования автомобиля.

       Свою историю система управления двигателем ведет от объединенной системы впрыска и зажигания. Современная система управления двигателем объединяет значительно больше систем и устройств. Помимо традиционных систем впрыска и зажигания под управлением электронной системы находятся:

• топливная система;
• система впуска;
• выпускная система;
• система охлаждения;
• система рециркуляции отработавших газов;
• система улавливания паров бензина;
• вакуумный усилитель тормозов.

     Термином "система управления двигателем" обычно называют систему управления бензиновым двигателем. В дизельном двигателе аналогичная система называется система управления дизелем.

      Вся история развития автомобильных бензиновых двигателей связана с попытками решить две основные задачи: подать как можно больше воздуха в цилиндры двигателя и обеспечить его эффективное использование. Первым устройством, используемых в автомобилях для подачи топлива, был фитильный карбюратор. Он представлял собой емкость, заполненную пористым материалом, погруженным одним концом в легко испаряющийся бензин. Другой конец фитиля находился в потоке воздуха, поступающий в двигатель. Управление составом смеси осуществлялось путем разбавления воздуха, насыщенного парами бензина, чистым воздухом и осуществлялось водителем вручную. Следующим шагом в развитии систем подачи топлива стало использование в карбюраторах поплавковой камеры и топливных жиклеров, установленных воздушном диффузоре. И хотя эти карбюраторы были достаточно простыми, к 1915 году они уже имел все атрибуты присущие современным карбюраторам. Естественно, что обеспечить требуемый состав смеси во всем диапазоне условий работы двигателя первые карбюраторы не могли. Развитие конструкции карбюраторов было, прежде всего, направлено HS улучшение соответствия состава смеси, приготовляемой карбюратором, условиям работы двигателя, однако до конца решить эту венным недостатком карбюратора являлось то, что для образования топливоздушной смеси использовалась энергия поступающего в двигатель воздуха, что приводило к уменьшению циклового наполнения и следовательно, к падению максимальной мощности двигателя Решение задачи улучшения соответствия состава смеси условиям работы двигателя и повышения наполнения конструкторы систем питания двигателей стали искать нового пути использования внешних источников энергии для распыления топлива и приготовления топливовоздушной смеси. Так появились механические системы впрыска, использующие для приготовления топливной смеси энергию давления топлива, создаваемую топливным насосом высокого давления. И хотя, в этом случае, удалось достичь значительного увеличения мощности двигателя за счет повышения циклового наполнения проблемы связанные с управлением количеством подаваемого топлива также не были решены.

        Решение задачи улучшения соответствия состава смеси условиям работы двигателя и повышения наполнения конструкторы систем питания двигателей стали искать нового пути использования внешних источников энергии для распыления топлива и приготовления топливовоздушной смеси. Так появились механические системы впрыска, использующие для приготовления топливной смеси энергию давления топлива, создаваемую топливным насосом высокого давления. И хотя, в этом случае, удалось достичь значительного увеличения мощности двигателя за счет повышения циклового наполнения проблемы связанные с управлением количеством подаваемого топлива также не был решены.

         В последние годы в конструкции автомобиля произошли значительные изменения ввязанные с повсеместным внедрением электроники в устройства управления двигателем и автомобилем в целом. Радикальное решение проблемы управления топливоподачей и зажиганием стало возможно благодаря применению электрически управляемые исполнительных устройств работающих под управлением микропроцессора. И если первые электронные системы управления подачей топлива и зажиганием были электрически управляемым аналогом карбюратора, вакуумного и центробежного регуляторов зажигания, то, в настоящее время они, по сути дела, являются системами управления рабочим процессом двигателя, осуществляющими управление подачей топлива, зажиганием, наполнением цилиндров, рециркуляцией отработавших газов и многими другими параметрами. Это стало возможным благодаря применению микропроцессоров позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления, учитывающие большинство факторов, влияющих на рабочий процесс двигателя и осуществить управление ими. Замена механических устройств управления рабочим процессом двигателя электрически управляемыми устройствами не только повысила их надежность но и позволила реализовать управление рабочим процессом двигателя на цикловом уровне.

     Тем не менее, для того чтобы полностью реализовать возможности, предоставляемые применением при управлении рабочим процессом двигателя современной электроники, необходимо рассматривать систему управления рабочим процессом двигателя как неотъемлемую часть системы управления автомобилем в целом. Только в этом случае возможно создать систему управления рабочим процессом двигателя, способную удовлетворить все требования, предъявляемые к современному автомобилю.

 

 

Системы управления бензиновым двигателем.

Во всех системах без исключения впрыск осуществляется форсункой - инжектором. Форсунка состоит из корпуса, 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

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 твердо тело 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 импульса. 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.