СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ
В данном разделе
рассматриваются принципы построения
и функционирования современных
систем управления топливоподачей
и зажиганием, а также комплексных
систем, осуществляющих одновременно
несколько различных функций
управления бензиновым ДВС. Чёткое
понимание процесса работы современного
двигателя как сложного комплекса, включающего
механическую часть, различные вспомогательные
подсистемы (охлаждения, смазки и т.п.),
а в большинстве случаев и электронную
систему управления с сетью входных (информационных)
и выходных (исполнительных) элементов,
является решающим условием для осуществления
эффективного поиска неисправностей,
качественного ремонта и квалифицированного
технического обслуживания автомобиля.
В сущности процесс управления бензиновым
ДВС заключается в изменении (регулировании)
значений некоторого числа входных параметров
для достижения необходимых значений
некоторого числа выходных параметров.
К выходным параметрам относятся мощность,
крутящий момент, частота вращения коленчатого
вала, содержание токсичных компонентов
в отработавших газах и другие.
Важнейшие входные
параметры - угол открытия дроссельной
заслонки, момент зажигания смеси
в цилиндрах, состав топливовоздушной
смеси. В зависимости от режима
и условий работы двигателя
необходимо изменять значения
входных параметров. Например, при
движении автомобиля водитель
изменяет угол открытия дроссельной
заслонки, а также передаточное
отношение в коробке передач
(для автомобилей, оборудованных
механической КП), и, в конечном
итоге, получает от двигателя
необходимые для движения в
данном режиме мощность и крутящий
момент. Таким образом, изменение
одного из входных параметров
системы - угла открытия дроссельной
заслонки, задаётся водителем.
Соответственно количеству
поступающего в цилиндры воздуха
необходимо изменять как минимум
ещё два входных параметра,
а именно: количество подаваемого
в цилиндры топлива и момент
воспламенения смеси (т.е. угол
опережения зажигания), в противном
случае становится невозможным
получение необходимых значений
выходных параметров. В принципе,
функции управления дозированием
топлива и моментом зажигания
можно также возложить на водителя.
Такое решение использовалось
на некоторых автомобилях, выпускавшихся
вплоть до конца 30-х годов.
Однако в этом случае управление
автомобилем превращается в тяжелую
работу, снижается безопасность
движения, а характеристики управления
далеки от оптимальных. Очевидно,
что большая часть входных параметров
должна изменяться автоматически, в соответствии
с режимом и условиями работы двигателя.
В первую очередь
это относится к таким параметрам
как момент зажигания и состав
топливовоздушной смеси. Поэтому
автоматическое приготовление смеси
необходимого состава и регулирование
момента зажигания на различных
режимах используется на автомобилях
уже несколько десятилетий.
На водителя возлагается
только функция управления углом открытия
дроссельной заслонки, а на автомобилях
с механической КП — ещё и выбора соответствующей
передачи (в современных системах управления,
таких как противобуксовочная система
(ПБС), на некоторых режимах электроника
берёт на себя и функции управления дроссельной
заслонкой). Реализация этих систем долгое
время осуществлялась на уровне жестких
автоматов, т.е. устройств, в которых "программа"
управления закладывалась при изготовлении
и не могла быть изменена в сколь-нибудь
существенной степени. В качестве примера
можно привести карбюратор, в котором
"программа" дозирования топлива
на различных режимах работы двигателя
жестко определена различными кинематическими,
пневматическими и гидравлическими связями,
т.е. конструкцией.
Точно так же масса
грузиков и жесткость пружин
центробежного автомата распределителя
зажигания определяют характеристику
(т.е. "программу") управления моментом
зажигания в зависимости от
частоты вращения коленчатого
вала. Такие системы получили
самое широкое распространение,
однако главным их недостатком
является недостаточная гибкость
и точность регулирования. Дальнейшее
совершенствование, развитие, а затем
и видоизменение систем управления
ДВС было обусловлено энергетическими
кризисами, ухудшением состояния
окружающей среды и введением
жестких норм на содержание
токсичных компонентов в отработавших
газах. В настоящее время получение
от двигателя тех или иных
значений выходных параметров
— мощности, крутящего момента
и т.п, ограничивается обязательным
соблюдением норм на токсичность выхлопа.
С точки зрения управления это потребовало,
во-первых, введения целого ряда новых
входных параметров (например, количество
рециркуляционных газов, углы открытия
и закрытия клапанов и т.д.), а во-вторых,
точного и эффективного управления этими
параметрами.
Последнее условие
вызвало самое широкое применение
достижений микроэлектроники и
вычислительной техники для управления
ДВС. В ряде случаев это позволило
осуществить управление на программно-адаптивном
уровне, т.е. реализовать регулирование
с обратной связью. В качестве
примера можно привести топливодозирование
с использованием обратной связи по составу
смеси и управление моментом зажигания
с обратной связью по сигналам датчика
детонации. Дальнейшее развитие автомобильной
техники неизбежно движется по пути развития
комплексных систем управления, причем
не только различными системами автомобиля
(например, антиблокировочная система
тормозов, круиз контроль, управление
двигателем и трансмиссией), но также их
совокупностью, а в перспективе и автомобилем
как единой системой.
3.1. Системы зажигания
Для воспламенения
рабочей смеси в автомобильных
четырехтактных бензиновых ДВС используется
энергия искры высоковольтного электрического
разряда, возникающего между электродами
свечи зажигания. Функции формирования
энергии искры и управления моментом искрообразования
выполняет система зажигания. В основе
работы практически всех современных
систем зажигания лежит принцип преобразования
электрической энергии аккумуляторной
батареи (а при работающем двигателе и
энергии генератора) сначала в энергию
накопителя с последующей её передачей
на искровой промежуток свечи. Поэтому
такие системы называются батарейными.
Преобразование энергии в большинстве
батарейных систем происходит циклически,
синхронно с работой цилиндров двигателя.
В качестве накопителей энергии в современных
системах используются либо катушка индуктивности,
либо электрический конденсатор. В подавляющем
большинстве серийных систем зажигания
используется накопление энергии в магнитном
поле индуктивности, т.е. применяется катушка
зажигания. Небольшая часть систем зажигания
использует накопление энергии в электрическом
поле конденсатора, тем не менее в таких
системах также используется катушка
(катушки) зажигания, выполняющая только
роль высоковольтного трансформатора.
Батарейные системы
зажигания классифицируются по
следующим осноеным признакам: 1. По
способу формирования момента искрообразования
— контактные и бесконтактные. 2. По способу
коммутации накопителя энергии — контактные,
тиристорные, транзисторные. 3. По способу
управления моментом зажигания - механические
и электронные (в т.ч. цифровые и микропроцессорные).
4. По способу распределения высоковольтной
энергии – с механическим и со статическим
распределением. Ниже рассматривается
работа наиболее распространенных систем
зажигания с накоплением энергии в магнитном
поле катушки зажигания. Системы с накоплением
энергии в электрическом поле конденсатора
ввиду своего незначительного распространения
не рассматриваются.
3.1.1. Классическая контактная
система зажигания
Классическая контактная
система зажигания получила наибольшее
распространение в прошлые годы
и лишь в последние 15+20 лет
утратила свои позиции. Однако
на дорогах всего мира продолжают
эксплуатироваться десятки миллионов
автомобилей с такими системами.
Процессы, происходящие в классической
системе зажигания, являются ключевыми
для понимания работы всех
систем зажигания с накоплением
энергии в магнитном поле катушки
индуктивности. В силу того, что
катушка зажигания представляет
собой трансформатор, во вторичной
обмотке также наводится э.д.с.
взаимоиндукции с большой амплитудой
(участок в).
Напряжение во вторичной
обмотке имеет отрицательную
полярность, но практически все
диагностические приборы (автомобильные
осциллоскопы и мотортестеры) для
удобства наблюдения инвертируют сигнал
вторичной цепи, т.е. представляют его
аналогично показанному. При условии отсутствия
нагрузки во вторичной цепи (режим открытой
цепи) напряжение во вторичной обмотке
может достигать значений 25+30 кВ. Однако
в реальных условиях этого не происходит,
так как уже при значении порядка 5+15 кВ
(в зависимости от конструкции и режима
работы двигателя) происходит пробой искрового
промежутка свечи (точка А). Пробой приводит
к возникновению между электродами канала
горячей плазмы с высокой проводимостью,
шунтированию вторичного контура и резкому
падению напряжения между электродами
свечи (участок д).
Необходимо отметить,
что при более строгом рассмотрении
процесса искрового разряда он
разбивается на три фазы (ёмкостной,
дуговой, тлеющий), однако данное
упрощение оправдано с точки
зрения возможностей современной
диагностической аппаратуры для
автосервиса. Участок времени
t 2-t3 (пиния е) отражает длительность искрового
разряда, т.е. наличия канала плазмы между
электродами свечи, В это время катушка
— накопитель энергии отдает её. поддерживая
протекание тока через свечу. Обычно длительность
искрового разряда в контактных системах
составляет величину порядка 1,0+1,5 мс.
После прекращения
искры (момент t 3 ) небольшое количество
энергии, оставшейся в магнитном поле
катушки рассеивается в виде колебаний.
Частота колебаний в первичном контуре
определяется в основном его параметрами
(Ц, С,), так как вторичная цепь разомкнута
и не вносит заметного влияния в процессы,
происходящие в первичном контуре. Теперь
катушку вновь можно рассматривать как
трансформатор, поэтому колебания первичного
контура повторяются (естественно, с большей
амплитудой) и на выводе вторичной обмотки.
Так как в первичном контуре имеется активное
сопротивление потерь R-] (сопротивление
первичной обмотки), колебания довольно
быстро затухают. Процесс затухания занимает
интервал времени t3-t4 . В момент времени
t5 контакты прерывателя вновь замыкаются
и весь процесс повторяется.
Величина периода t
r t 2 , выраженная в градусах угла поворота
ротора распределителя зажигания называется
углом замкнутого состояния контактов
(УЗОК). Для четырех цилиндровых двигателей
УЗОК составляет обычно 50+55°. Нетрудно
подсчитать, что при частоте вращения
коленчатого вала 6000 мин- 1 период времени
между двумя искрообразованиями составляет
всего 5 мс, а это значит, что при постоянной
времени катушки Ц = 5 мс ток в первичной
обмотке в момент размыкания контактов
(т.е. ток разрыва) будет достигать значения
0,5+0,6 от 1 т а х . Следовательно, энергия,
запасаемая в магнитном поле катушки зажигания
W3 м = I2 L/2, уменьшится в 3+4 раза по сравнению
с режимом 600+800 мин"1. Это является одним
из главных недостатков классической
системы. Компенсировать уменьшение запасаемой
энергии путем увеличения периода замкнутого
состояния контактов и увеличения величины
тока (уменьшение не удается из-за сильной
эрозии контактной группы. Кроме этого,
классическая система обладает и рядом
других недостатков - необходимостью периодических
регулировок, нестабильностью момента
искрообразования и т.д 3.1.2. Транзисторные
системы зажигания. В этих системах функции
коммутации тока в первичной обмотке катушки
зажигания выполняет мощный транзистор.
Сформирование момента
искрообразования здесь может
осуществляться как обычной контактной
группой — в этом случае
система называется контактно-транзисторной,
так и с помощью специальных
датчиков — в этом случае
система называется бесконтактной.
Контактно- транзисторные системы
являлись промежуточным решением
и широкого распространения не
получили.
Принципиальное отличие
транзисторных систем от контактных
состоит в том, что коммутирование
и разрыв тока в первичной
обмотке катушки осуществляется
не замыканием и размыканием контактов,
а открыванием (т.е. переходом в проводящее
состояние) и запиранием (отсечкой) мощного
выходного транзистора. Это позволяет
в принципе увеличить значение тока разрыва
до 8+11 А, что обеспечивает увеличение энергии,
запасаемой катушкой, в 3+4 раза по сравнению
с контактными системами. В таких системах
наиболее широкое распространение получили
три типа датчиков: индукционный, датчик
Холла, оптический. Устройство и работа
этих типов датчиков подробно рассматриваются
ниже. Временные диаграммы работы простейшей
транзисторной системы зажигания с датчиком
Холла мало отличаются от диаграмм классической
контактной системы.
Существенно различаются
лишь диаграммы напряжения на
первичной обмотке катушки зажигания.
На диаграмме первичного напряжения
практически отсутствуют колебания
на участке t 2-t3 . Это объясняется
тем, что в транзисторных системах емкость
конденсатора, подключаемого между участком
коллектор-эмиттер выходного транзистора
для защиты его от лавинного пробоя, имеет
величину 0,05+0,10 мкФ против 0,25+0,30 мкФ в классической
системе. Кроме этого, выходной транзистор,
как правило, имеет специальные элементы,
обеспечивающие его защиту как от перенапряжения,
так и от действия напряжения отрицательной
полярности. Наиболее распространенным
является включение стабилитрона VD1. В
этом случае имеет место ограничение амплитуды
первичного напряжения на уровне 300+400
В. Наличие стабилитрона также способствует
изменению формы колебаний на участке
t 2-t3 . Контактно-транзисторные системы,
как следует из их названия, имеют фиксированное
значение угла замкнутого состояния контактов.
В простейших бесконтактных транзисторных
системах значение угла протекания тока
по первичной обмотке катушки зажигания
(эквивалент УЗСК) также является постоянным.
Такие системы относятся к разряду "Constant
Dwell", т.е. "постоянный УЗСК". В таком
виде транзисторные системы применялись
очень редко и непродолжительное время.
Большая часть современных
транзисторных бесконтактных систем
использует принцип постоянства
накапливаемой энергии. Такие
системы получили обозначение
"Constant Energy". В этих системах, использующих
специальную схемотехнику, момент начала
протекания первичного тока t, регулируется
таким образом, чтобы к моменту искрообразования
t2 ток в первичной обмотке всегда достигал
одной и той же величины lp, необходимой
для накопления в магнитном поле первичной
обмотки заданного значения энергии, определяемого
по формуле