Практически все современные
системы впрыска, а тем более
комплексные системы управления,
включают в себя подсистемы
автоматического регулирования
частоты вращения коленчатого
вала на режиме холостого хода.
Подавляющее большинство таких
подсистем используют для регулирования
принцип изменения сечения байпасного
воздушного канала. Встречаются также
системы, где регулирование осуществляется
путем непосредственного воздействия
на дроссельную заслонку (например, двигатели
объемом 4,1-4,5-4,9 л для автомобилей CADILLAC,
системы Mono-Jetronic и Mono-Motronic фирмы BOSCH, системы
EFP для автомобилей MERCEDES-BENZ и другие). Управление
исполнительными элементами в системах
холостого хода осуществляется электронным
блоком системы впрыска (в более ранних
моделях - отдельным блоком) по специальным
алгоритмам на основании сигналов группы
датчиков. Основным входным параметром
является частота вращения коленчатого
вала. Для стабилизации частоты вращения
на холостом ходу в блок управления также
поступает информация о положении дроссельной
заслонки. Для этой цепи может использоваться
специальная пара контактов, замыкающаяся
при посадке рычага дроссельной заслонки
на упор-ограничитель, либо потенциометр.
Система регулирования
обеспечивает автоматическое увеличение
оборотов двигателя после холодного
пуска, их уменьшение по мере
прогрева двигателя, компенсацию
изменения частоты вращения при
включении различных нагрузок (кондиционер,
гидроусилитель руля, потребители электрической
энергии, переход с положений Р или N в
автоматической коробке передач и т.п)
и некоторые другие функции. В качестве
исполнительных элементов в системах
регулирования сечения байпасного канала
используются специальные регуляторы
поворотного типа, клапаны-соленоиды осевого
перемещения, шаговые электродвигатели,
реверсивные двигатели постоянного тока.
На рис. 3.84 изображен регулятор на основе
моментного двигателя фирмы BOSCH. На клеммы
регулятора подается импульсный сигнал
с неизменной частотой (обычно от 100 до
200 Гц) и скважностью, изменяемой в зависимости
от необходимой степени изменения сечения
канала. Изменение скважности управляющего
сигнала приводит к изменению величины
среднего тока, протекающего по обмоткам
регулятора и изменению положения регулирующего
сегмента. Другим распространенным типом
регулятора являются клапаны-соленоиды
с продольным перемещением регулирующего
плунжера. Сечение проходного канала таких
регуляторов также определяется значением
среднего тока, протекающего по обмотке
соленоида (сигнал управления имеет более
сложную форму по сравнению с рис. 3.86, что
объясняется несколько иной схемотехникой
выходного каскада блока управления).
Компоненты систем топливоподачи Основными
компонентами систем топливоподачи являются
бензонасосы, форсунки и датчики.
3.2.7.1. Бензонасосы
В современных системах
впрыска используются только
электрические бензонасосы. По
принципу действия они делятся
на два типа - объемные и центробежные.
Отличия в конструкции насосов
касаются в основном качающей
части, то есть собственно - насоса.
Работа насосов объемного типа
основана на изменении объемов
всасывающей и нагнетающей полостей.
К этому типу относятся роликовые
и шестеренчатые насосы. При вращении
эксцентрично расположенного ротора
1 по мере движения ролика 2 по
часовой стрелке происходит увеличение
объема, а, следовательно, появление
разряжения в полости 3, куда
засасывается топливо. В полости
4 происходит уменьшение объема,
а, следовательно, увеличение
давления. Из этой полости топливо
подается на выход бензонасоса.
Шестеренчатый насос работает
аналогично масляному насосу
двигателя.
Роликовые насосы способны
развивать максимальное давление
до 0,6+1,0 МПа, шестеренчатые - до 0,4
МПа. Такие насосы нашли широкое
применение в системах распределенного
впрыска. Турбинный или центробежный
насос подобен насосу охлаждающей
жидкости. Максимальное давление, развиваемое
турбинными насосами, не превышает
0,3 МПа, однако они отличаются
стабильным потоком, практически
без пульсаций давления. Поэтому
такие насосы часто используются
в качестве первой ступени
насосов систем распределенного
впрыска, а также в качестве
насосов в системах центрального
впрыска. Бензонасосы обеспечивают
максимальное давление в 1,3+2 раза
больше рабочего давления в
системе. Рабочее давление в
системах впрыска обеспечивается
перепуском топлива через специальный
регулятор давления. Производительность
современных бензонасосов существенно
превышает потребность двигателей
даже на режиме максимальной
мощности и в зависимости от
объема двигателя составляет 1+2 л/мин.
3.2.7.2. Электромагнитные форсунки
На современных автомобилях
применяется достаточно большое
число форсунок различной конструкции,
однако принцип их действия
одинаков. Все электромагнитные
форсунки имеют подпружиненный запирающий
элемент, перекрывающий в нормальном состоянии
отверстие (или отверстия) для распыливания
топлива. Для отпирания выходного отверстия
(т.е. подъема запирающего элемента - клапана)
используется втягивающее усилие соленоида.
Наиболее важным конструктивным отличием
разных типов форсунок является форма
нижней части запирающего клапана, которая
может быть конусной, сферической или
плоской.
Соответствующую форму
имеет и седло, на которое
садится запирающий клапан. Кроме
этого, число и форма распыливающих
отверстий также может быть различной,
что в совокупности с конструкцией запирающего
элемента определяет число струи, угол
распыливания и степень дробления частичек
топлива на выходе форсунки. Другой важнейшей
характеристикой форсунки является ее
быстродействие. Быстродействие определяется
прежде всего жесткостью возвратной пружины,
массой запирающего элемента и конструкцией
электромагнитной системы. Кроме этого
быстродействие форсунки зависит от индуктивности
обмотки, т.е. в конечном счёте от числа
ее витков. Поэтому все быстродействующие
форсунки имеют малое сопротивление обмотки
(4 Ом и менее).
3.2.7.3. Датчики расхода
воздуха
Одним из самых распространенных
измерителей расхода воздуха
является датчик лопастного или
флюгерного типа. Он применяется
на автомобилях многих фирм (BMW,
OPEL, FORD, NISSAN, TOYOTA и другие). Основу
конструкции составляет поворачивающийся
флюгер 1, на оси которого закреплен
скользящий контакт 3 специального
потенциометра 5. Поворот флюгера
на определенный угол приводит
к изменению выходного сигнала
потенциометра. Отклонение флюгера
является результатом воздействия
на него потока воздуха, засасываемого
цилиндрами двигателя.
Для уравновешивания
вращающего момента, создаваемого
потоком воздуха, используется
спиральная пружина 4. Цикличность
работы цилиндров двигателя приводит
к пульсациям потока всасываемого
воздуха; для их сглаживания
служит вспомогательная лопасть
8 флюгера, перемещающаяся в специальной
демпфирующей камере 7. Выходная
характеристика такого расходомера
может быть близкой к логарифмической
(т.е. максимальная чувствительность достигается
в зоне малых расходов воздуха) или линейной,
причем как с восходящей, так и с подающей
характеристикой. Фактически флюгерные
расходомеры измеряют объемный расход
воздуха. Поскольку один и тот же объем
воздуха при разной температуре имеет
разную массу, для корректировки значения
расхода воздуха используется датчик
температуры всасываемого воздуха, который
устанавливается на входе расходомера.
Для регулирования
состава топливной смеси на
режиме холостого хода используется
винт 9, при вращении которого
изменяется количество воздуха,
проходящего по обводному каналу
6. В некоторых конструкциях лопастных
расходомеров байпасный канал отсутствует,
а для регулировки используется специальный
потенциометр, установленный в верхней
части корпуса. Отсутствие каких-либо
регулировочных винтов указывает на то,
что данная система управления является
адаптивной. Другим распространенным
типом датчиков расхода воздуха являются
приборы, часто обозначаемые как MAF-метры,
т.е. измерители массового расхода воздуха
(Mass Air Flow Meter). Наибольшее распространение
получили датчики типа HOTWIRE (горячая проволока)
и НОТ FILM (горячая пленка). Принцип действия
этих датчиков основан на изменении сопротивления
измерительного элемента (платиновая
проволока или пленочный резистор) при
охлаждении его потоком воздуха, проходящего
через сечение расходомера. Для увеличения
чувствительности расходомера температура
его измерительного элемента поддерживается
на 70+150°С выше температуры проходящего
воздуха (отсюда и названия приборов).
Изменение сопротивления
преобразуется встроенным в корпус
расходомера электронным блоком
в выходной сигнал (в большинстве
случаев - в выходное напряжение,
реже - в сигнал импульсной формы
с изменяемой частотой следования
импульсов). В более поздних конструкциях
наблюдается тенденция размещения
измерительного элемента (проволока
или пленка) в специальном байпасном
канале. Как уже указывалось выше, такие
расходомеры позволяют измерять непосредственно
массовое количество поступающего в цилиндры
воздуха. Кроме этого, они обладают целым
рядом других преимуществ: отсутствие
подвижных частей, малая инерционность
измерения, незначительное сопротивление
проходящему воздушному потоку. Однако
термоанемометры требуют высокой степени
фильтрации поступающего воздуха. Пыль
и мелкие частицы, поступающие через неисправный
воздушный фильтр, вызывают нарушение
характеристик, повреждение и выход из
строя датчиков расхода этого типа.
3.2.7.4. Датчики абсолютного
давления
Датчики давления применяются
в системах, использующих косвенный
принцип измерения расхода воздуха.
Наибольшее распространение для
датчиков такого типа получила
конструкция с использованием
мембраны с напылёнными на неё тензорезисторами.
При изменении перепада давления между
верхней и нижней частью мембраны изменяется
сопротивление резисторов и R2, что приводит
к разбалансировке измерительного моста.
Дальнейшее усиление и дополнительная
обработка сигнала (если это необходимо)
осуществляются встроенным в датчик электронным
блоком. Другим типом такого датчика (автомобили
FORD) являются приборы, у которых под действием
перепада давлений меняется емкость специального
конденсатора; выходным параметром таких
датчиков является частота следования
импульсов.
Датчики положения дроссельной
заслонки
Датчики положения
дроссельной заслонки можно разбить
на две основные группы —
датчики концевого типа и потенциометрические
датчики. Датчики концевого типа
используются для регистрации
режимов "холостой ход" и
"полная нагрузка". В положении
"холостой ход" замкнуты
контакты А и В датчика, а в положении "полная
нагрузка" - контакты В и С. В промежуточном
положении оба контакта разомкнуты, что
трактуется блоком управления как "частично
открытый дроссель". На некоторых автомобилях
(AUDI, MERCEDES-BENZ) контакты холостого хода и
полной нагрузки могут выполняться обособленными,
устанавливаются раздельно и приводятся
в действие посредством контакта с рычагом
дроссельной заслонки. Потенциометрические
датчики, кроме (функций, упомянутых выше,
обеспечивают блок управления информацией
о точном угловом положении дроссельной
заслонки и, что особенно важно, о скорости
ее открытия и закрытия. Это необходимо
для коррекции состава смеси при ускорении
и торможении двигателем, особенно у систем,
использующих косвенные методы определения
расхода воздуха.
Чаще всего датчик-потенциометр
закрепляется непосредственно на
оси дроссельной заслонки, реже
встречается вариант привода
через промежуточные звенья. Наиболее
сложную конструкцию имеют потенциометры,
используемые в системах центрального
впрыска Mono- Jetronic и Mono-Motronic фирмы BOSCH.
В этих системах расчет расхода воздуха
осуществляется исключительно на основании
сигналов об угловом положении дроссельной
заслонки и частоты вращения коленчатого
вала. Поэтому к таким потенциометрам
предъявляются жесткие требования по
точности, стабильности и надежности.
Данная осциллограмма получена при открывании
и последовательном закрывании дроссельной
заслонки. Потенциометр содержит две резистивные
дорожки. Одна дорожка используется при
малых (до 20°) углах открытия, что повышает
точность измерения углового положения
заслонки на наиболее важных и часто употребляемых
режимах движения. Вторая дорожка используется
в оставшемся (20+90°) интервале углов открытия.
Существуют также комбинированные датчики
дроссельной заслонки, сочетающие потенциометр
и концевой выключатель.
Наибольшее применение
такие датчики находят на автомобилях
японских производителей. Кроме
описанных выше датчиков в
системах управления впрыском
обязательно используются датчики
частоты вращения/ положения коленчатого
вала, температуры охлаждающей жидкости
и всасываемого воздуха. Комплексные
системы управления бензиновыми
двигателями. Логичным продолжением
развития микропроцессорных систем управления
впрыском топлива и зажиганием стало появление
систем, где обе эти функции осуществляются
единым блоком управления. Это было вызвано,
в первую очередь, стремлением производителей
уменьшить стоимость систем управления
в массовом производстве. С точки зрения
сбора и обработки входной информации
и в системах управления впрыском, и в
системах управления зажиганием используется
практически идентичная совокупность
датчиков: частоты вращения/положения
коленчатого и распределительного валов,
расхода воздуха или абсолютного давления
за дроссельной заслонкой, температуры
охлаждающей жидкости и всасываемого
воздуха, положения дроссельной заслонки.
В комплексных системах используется
единая сеть датчиков, а обработка входной
информации, расчет необходимых для управления
величин (время открытия форсунок, угол
опережения зажигания и другие) и формирование
управляющих сигналов осуществляются
единым блоком управления. Комплексные
системы первого поколения (1983+1985 гг.) выполняли,
как минимум, три функции: управление топливодозированием,
зажиганием и системой холостого хода.
Современные конструкции
дополнительно обеспечивают функции
управления системами рециркуляции
отработавших газов, продувки
угольного адсорбера, поддержания
заданной температуры охлаждающей
жидкости, а нередко и автоматической
коробки передач. В настоящее
время подавляющее большинство
производителей использует для
управления комплексные системы.
Пожалуй, самой консервативной
в этом смысле является компания
MERCEDES-BENZ, большинство моделей которой
(особенно, высшего класса) оснащаются
или оснащались раздельными системами
впрыска (К-, KE-Jetronic, LH-Jetronic) и зажигания
(различные версии систем EZ и EZK). Аналогичные
решения применяются на автомобилях PORSCHE
и VOLVO. Тем не менее, даже эти фирмы в последние
годы выпускают все больше моделей с комплексными
системами. В заключение рассмотрим основные
принципы построения блоков управления
современных систем управления двигателем.
В качестве примера используем широко
распространенный блок EEC-IV, применяемый
на автомобилях FORD как американского,
так и европейского производства. Основу
блока составляет центральный процессор
или микрокомпьютер. "Сердцем" микрокомпьютера
является специализированный 16 разрядный
микропроцессор 8061 фирмы INTEL, разработанный
совместно с фирмой FORD.