Система управление двигателем

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСТОЧНИКИ

Сайт: http://awtoel.narod.ru/Dvig/indexDvBenz.html

Сайт: http://systemsauto.ru/electric/control_engine.html

Литература : Теория управления автомобильным бензиновым двигателем (автор : Гирявец А.К.)