Глазунов Д.В. управление техническими системами автомобиля

Датчики частоты вращения Дч.в и углового положения коленчатого вала Ду.п являются индукционными и имеют общий ротор с зубьями. Датчик Дч.в генерирует электрические импульсы напряжения при прохождении в его магнитном поле зубьев диска ротора, частота следования которых пропорциональна частоте вращения коленчатого вала nк.в. У диска ротора имеется 58 зубьев с шагом 6°. При таком шаге на диске помещается 60 зубьев, но два зуба срезаны для создания импульса синхронизации, который необходим для согласования работы контроллера с ВМТ поршней в первом и четвертом цилиндрах. Блок управления по сигналам датчиков Дч.в и Ду.п определяет частоту вращения коленчатого вала и выдает импульсы управления на форсунки.

Датчик концентрации кислорода Дк.к устанавливается на приемной трубе глушителя. Он воспринимает содержание остаточного кислорода Qв потоке отработавших газов. Датчик является электролитической ячейкой, состоящей из окиси циркония, используемой в качестве электролита, и платиновых электродов. В зависимости от разности концентрации кислорода в атмосфере и в отработавших газах датчик вырабатывает сигнал в виде напряжения. Оно изменяется приблизительно от 0,1 В(высокое содержание кислорода – бедная смесь) до 0,3 В (малое содержание кислорода – богатая смесь). Для обеспечения нормальной работы температура датчика должна быть не ниже 360 ° С (633 К). Поэтому для быстрого прогрева после пуска двигателя в датчик встроен нагревательный элемент. Отслеживая выходное напряжение датчика концентрации кислорода, блок управления определяет, какую команду по корректировке состава рабочей смеси подавать на форсунки.

Современный уровень интеграции элементов в микросхемах позволяет объединить конструктивно в одном блоке микропроцессорный контроллер, входные и выходные коммутаторы, устройства согласования, ряд информационных преобразователей и выходных каскадов усилителей исполнительных устройств.

Блок управления непрерывно обрабатывает информацию от датчиков и управляет агрегатами ДВС, обеспечивая эксплуатационные показатели автомобиля. В блок управления поступает следующая информация: о положении и частоте вращения коленчатого вала, массовом расходе воздуха двигателем, температуре охлаждающей жидкости, положении дроссельной заслонки, содержании кислорода в отработавших газах, наличии детонации в двигателе, напряжении в бортовой сети ав-

163

томобиля, скорости автомобиля, положении выключателя кондиционера. На основе полученной информации блок формирует команды, поступающие на устройства воздействия следующих систем:

топливоподачи (форсунки и электробензонасос); зажигания; пуска двигателя;

компрессора кондиционера (если он есть на автомобиле). Центральный контроллер управляет рядом локальных регуля-

торов первого уровня управления: регулятором холостого хода РХХ, регулятором температуры системы охлаждения двигателя РТ.

Блок управления включает в себя выходные транзисторные усилители, предназначенные для согласования выходных сигналов с характеристиками входов исполнительных устройств. С выхода центрального контроллера снимаются управляющие команды y1...y12, которые подаются на соответствующие устройства воздействия систем управления агрегатами двигателя.

В блоке управления имеются три вида запоминающих устройств: постоянное ПЗУ, оперативное ОЗУ и постоянное перепрограммируемое ППЗУ. В ПЗУ информация записана физическим методом, например прожиганием некоторых элементов в микросхемах при изготовлении блока управления, и не может быть изменена. Постоянная память содержит в виде микропрограммы полные алгоритмы управления двигателем и не нуждается в питании для сохранения записанной информации. Оперативная память используется процессором контроллера при работе. Процессор обращается к ОЗУ при необходимости, записывая или считывая информацию. Для сохранения записанной информации необходимо подключение питания. При отключении питания хранящиеся в оперативной памяти коды неисправностей и другие данные стираются. Перепрограммируемая постоянная память содержит различную калибровочную информацию об автомобиле и находится в отдельном блоке – в запоминающем устройстве констант, которое может отсоединяться от блока управления. Она применяется для того, чтобы одну модель блока управления можно было устанавливать на различных моделях автомобилей. Запоминающее устройство констант содержит информацию о массе автомобиля, двигателе, трансмиссии, главной передаче и некоторые другие данные. Если блок управления (без запоминающего устройства) может применяться на различных автомобилях, то запоминающее устройство констант специфично для каждого автомобиля. Поэтому при замене блока управления запоминающее устройство констант меняться не должно.

164

Система питания состоит из электробензонасоса В4, топливного фильтра Фт, топливопроводов, регулятора давления РД и электромагнитных форсунок, включающих в себя электромагниты Y1, клапаны В1 и дроссели Др. Электробензонасос подает топливо через фильтр к форсункам. В системе питания имеется штуцер для присоединения манометра, контролирующего давление топлива. Блок управления включает форсунки по очереди, попарно через каждые 180° поворота коленчатого вала. Когда блок управления включает форсунку, то клапан форсунки поднимается и открывает отверстия в направляющей пластине, через которые распыляется топливо. Коническая струя тонкораспыленного топлива направлена на впускной клапан. Здесь топливо испаряется, соприкасаясь с нагретыми деталями, и в парообразном состоянии попадает в камеру сгорания.

Регулятор давления топлива предназначен для поддержания постоянного перепада давлений топлива в форсунках и воздуха во впускной трубе. Регулятор представляет собой мембранный клапан Вб. С одной стороны на мембрану действует давление топлива, а с другой – усилие пружины и давление воздуха из ресивера, с которым регулятор соединен шлангом. Чем больше давление воздуха в ресивере (т.е. чем больше нагрузка на двигатель), тем выше давление топлива. При уменьшении нагрузки на двигатель, когда давление топлива превышает суммарное усилие от пружины и выше давления воздуха, клапан регулятора открывается и избыток топлива по сливной магистрали возвращается в топливный бак.

Система пуска двигателя включает в себя устройство управления УУ, тяговый электромагнит Y5, обгонную муфту В11. Во время пуска добавочное топливо и добавочный воздух поступают соответственно через клапан В2и заслонку ВЗ, управляемые электромагнитами Y2, Y3.

Регулятор холостого хода состоит из клапана с конусной иглой В8, управляемого шаговым электродвигателем М2. Регулятор регулирует частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, изменяя количество воздуха, проходящего в обход закрытой дроссельной заслонки. Когда игла регулятора выдвинута, клапан полностью перекрывает проход воздуха. Когда игла вдвигается, то обеспечивается расход воздуха, пропорциональный числу шагов отхода иглы от седла.

Регулятор температуры охлаждающей жидкости РТ по командам с центрального контроллера через моторный исполнительный механизм МЗ управляет производительностью вентилятора В9.

Система зажигания с электронным распределением высоковольтной энергии работает следующим образом. Блок управления по

165

сигналам датчиков определяет момент зажигания и выдает управляющие импульсы на модуль зажигания, в котором объединены «катушки» (трансформаторы) Тр1...Тр4 зажигания и коммутатор цилиндров. Такая система зажигания не имеет каких-либо подвижных деталей и поэтому не требует обслуживания и регулировок в эксплуатации. Для точного расчета момента зажигания блок управления использует информацию о частоте вращения и положении коленчатого вала, массовом расходе воздуха (нагрузке на двигатель), температуре охлаждающей жидкости, наличии детонации. Модуль зажигания по сигналам блока управления выдает импульсы высокого напряжения на свечи зажигания В7. При использовании двухвыводных «катушек» включаются сразу две свечи: первого и четвертого или второго и третьего цилиндров. Искрообразование происходит одновременно в цилиндре, находящемся в конце такта сжатия (рабочая искра), и в цилиндре, где заканчивается такт выпуска (холостая искра).

Если на автомобиле установлен кондиционер, то сигнал о включении поступает от выключателя кондиционера SA2, установленного на панели приборов. При включении выключателя SA2 блок управления сначала подстраивает регулятор холостого хода, чтобы компенсировать дополнительную нагрузку на двигатель от компрессора кондиционера, а затем включает реле К2, управляющее через муфту B10 работой компрессора кондиционера.

Электронный блок управления имеет встроенную систему диагностики. Он может распознавать неполадки в работе системы, предупреждая о них водителя через контрольную лампу CHECKENGINE(A2). Кроме того, он хранит в ПЗУ информационно-поисковой системы диагностические коды, указывающие области возможных неисправностей, что облегчает обслуживающему персоналу поиск и устранение отклонений от нормального технического состояния ДВС. Информацию о неполадках в работе систем двигателя можно получить через колодку диагностики, к которой подключается специальный диагностический прибор. На современных системах в запоминающем устройстве ИПС регистрируются все отказы, случившиеся при эксплуатации. Возможно несколько режимов работы ИПС:

считывание информации, записанной в память отказов и поступающей на индикатор диагностической системы с предварительной обработкой и выдачей кодов неисправностей;

проверка узлов и агрегатов на работающем или остановленном двигателе.

На четвертом уровне в систему управления входят системы контроля и измерения, информация с которых выводится на со-

166

ответствующие индикаторы: показывающие I1 (показания тахометра) и сигнализирующие А1. Информация с центрального контроллера может выводиться на дисплей IR. Кроме указанных систем на объектах могут использоваться независимые системы контроля и измерительные приборы.

Работает система управления ДВС следующим образом. Количество топлива, подаваемого форсунками, регулируется электрическим импульсным сигналом от блока управления. Блок управления отслеживает множество данных о состоянии двигателя, рассчитывает потребность в топливе и определяет необходимую длительность подачи топлива форсунками. Для увеличения количества подаваемого топлива ширина импульса удлиняется, а для уменьшения подачи топлива – сокращается. Ширина (длительность) импульса подбирается блоком управления в зависимости от различных условий работы двигателя (например, таких как пуск, мощностное обогащение рабочей смеси, торможение, работа в условиях высокогорья и т.д.). Обычно к форсункам подается один импульс на один опорный импульс от датчика положения коленчатого вала. Импульсы подаются поочередно сразу на две форсунки. Например, сначала на форсунки первого и четвертого цилиндров, затем через 180° на форсунки второго и третьего цилиндров, затем через 180° снова на форсунки первого и четвертого цилиндров и т.д. Впрыск топлива может осуществляться двумя способами: синхронно с опорными импульсами от датчика положения коленчатого вала и асинхронно, независимо от опорных импульсов. Синхронный впрыск – наиболее распространенный способ подачи топлива. Асинхронный впрыск применяется в том случае, когда необходимо дополнительное топливо при резком открытии дроссельной заслонки, о чем сигнализирует датчик положения дроссельной заслонки. Этот впрыск топлива подобен подаче топлива ускорительным насосом карбюратора при резком открытии дроссельной заслонки. Независимо от метода впрыска подача топлива определяется состоянием двигателя, т.е. режимом его работы. Эти режимы обеспечиваются блоком управления и описаны ниже.

Режим пуска двигателя. При включении зажигания блок управления включает на 2 с реле К1топливного насоса, и насос создает давление в магистрали подачи топлива форсункам. Блок управления учитывает показания датчиков температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки и определяет правильное соотношение воздух/топливо для пуска. После начала вращения коленчатого вала блок управления будет работать в пусковом режиме, пока его частота вращения не превысит заданное значение, в противном случае возможно переключение на режим продувки двигателя.

167

Режим продувки двигателя. Если двигатель залит топливом, он может быть запущен в работу путем полного открытия дроссельной заслонки при одновременном проворачивании коленчатого вала. В этом режиме от блока управления на форсунку не поступают импульсы впрыска топлива, в результате залитый двигатель очищается. Такой режим поддерживается, пока частота вращения коленчатого вала будет ниже заданного значения и дроссельная заслонка полностью открыта.

Режим управления без обратной связи. После пуска двигателя

(когда частота вращения вала больше заданного значения) блок управления будет управлять системой подачи топлива в режиме открытого цикла. На этом режиме он не учитывает сигнал от датчика концентрации кислорода и рассчитывает длительность импульса на форсунку по сигналам датчиков положения коленчатого вала, массового расхода воздуха, температуры охлаждающей жидкости, а также преобразователя положения дроссельной заслонки.

На рассматриваемом режиме расчетная длительность импульса может давать соотношение воздух/топливо, отличное от 14,7:1. Это будет, например, на холодном двигателе, так как в этом случае для получения хороших нагрузочных характеристик необходима обогащенная смесь. Блок управления будет оставаться в режиме открытого цикла до тех пор, пока не будут выполнены следующие условия: сигнал датчика концентрации кислорода начал изменяться, показывая, что он достаточно прогрет для нормальной работы; температура охлаждающей жидкости стала больше 305 К; двигатель проработал определенный период времени после пуска. Это время может варьироваться от 6 с до 5 мин в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в момент пуска.

Режим управления с обратной связью. На этом режиме блок управления сначала рассчитывает длительность импульса на форсунки на основе сигналов от тех же датчиков, что и в режиме управления без обратной связи. Отличие состоит в том, что в этом режиме дополнительно используется сигнал от датчика концентрации кислорода для корректировки и тонкой регулировки расчетного импульса, чтобы точно поддерживать соотношение воз-топливо на уровне 14,6...14,7:1. Это позволяет каталитическому нейтрализатору работать с максимальной эффективностью.

Режим ускорения. Блок управления следит за резкими изменениями положения дроссельной заслонки и расходом воздуха, обеспечивает подачу добавочного количества топлива за счет увеличения длительности импульса открытия форсунок. Если возросшая потребность в топливе слишком велика из-за резкого открытия дроссельной за-

168

слонки, то блок управления может добавить асинхронные импульсы на форсунки в промежутках между синхронными импульсами. При нормальной работе ДВС один синхронный импульс приходится на каждый опорный импульс от датчика положения коленчатого вала.

Режим мощностного обогащения. Для определения моментов, в

которые необходима максимальная мощность двигателя, блок управления следит за положением дроссельной заслонки и частотой вращения коленчатого вала. Для развития максимальной мощности требуется более богатый состав воздушно-топливной смеси, чем 14,7:1, т.е. больше топлива. В этом режиме блок управления изменяет состав смеси (соотношение 12:1) и не учитывает сигнал от датчика концентрации кислорода, так как тот показывает на переобогащенность смеси.

Режим торможения. Когда благодаря закрытой дроссельной заслонке частота вращения коленчатого вала уменьшается, то оставшееся топливо во впускной трубе может быть причиной увеличения токсичности отработавших газов. Блок управления отслеживает поворот заслонки на закрытие, а также уменьшение расхода воздуха, и снижает подачу топлива сокращением длительности импульсов на форсунки.

Торможение двигателем. При торможении двигателем при включенных сцеплении и передаче блок управления может кратковременно прекратить подачу импульсов на форсунки. Такой режим наступает, когда выполняются следующие условия: температура охлаждающей жидкости выше 293 К, частота вращения коленчатого вала выше 1800 мин-1, скорость автомобиля более 20 км/ч, дроссельная заслонка закрыта, массовый расход воздуха более 43 г/с. Возобновление импульсов впрыска топлива произойдет при наличии любого из следующих условий: частота вращения коленчатого вала ниже 1600 мин-1; скорость автомобиля меньше 20 км/ч; дроссельная заслонка открыта на 2% или более; массовый расход воздуха больше 38 г/с; выключено сцепление, что определяется по быстрому снижению частоты вращения коленчатого вала.

Режим корректировки напряжения аккумуляторной батареи.

При понижении напряжения аккумуляторной батареи форсунки открываются медленнее. Блок управления компенсирует это увеличением длительности импульсов на форсунки и частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу. Кроме того, увеличивается время накопления тока на катушках модуля зажигания.

169

Рис. 11.20. Конструктивная схема системы управления двигателем с рас-

тельного воздуха в режиме холостого хода; 9 – потенциометр регулировки содержания выхлопных газов в режиме холостого хода; 10 – датчик массового расхода воздуха;11– топливный фильтр;12 – реле топливного насоса; 13 – топливный насос; 14 – топливный бак; 15 – аккумуляторная батарея; 16 – замок за-

тавших газов; 24 – датчик концентрации кислорода.

Режим отключения подачи топлива. Топливо не впрыскивается форсунками при выключенном зажигании, чтобы не происходило самовоспламенения топлива в цилиндрах. Кроме того, не подаются импульсы на форсунки, если блок управления не получает опорных импульсов от датчика положения коленчатого вала, что означает остановку двигателя. Режим отключения подачи топлива возможен также при предельной частоте вращения коленчатого вала для защиты двигателя от разноса.

В последнем случае подача топлива возобновляется, как только частота вращения вала станет ниже предельно допустимой.

170

Конструктивная схема системы управления двигателем с распределенным впрыском топлива представлена на рис. 11.20.

11.7. УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА

Возможный вариант объединенной схемы системы управления ДВС с центральным впрыском топлива приведен на рис. 11.21.

Современная технология производства интегральных схем позволяет в микропроцессор контроллера включать коммутаторы сигналов, устройства согласования датчиков с МП (УС01), а иногда и устройства согласования МП с исполнительными устройствами (УС02), которые являются усилителями мощности.

В систему входят также агрегаты и узлы двигателя, а именно: объекты управления 1; индукционные датчики начала отсчета 2 и частоты вращения коленчатого вала 3; датчик температуры охлаждающей жидкости 4; датчик положения дроссельной заслонки 5; встроенный в блок топливоподачи регулятор 6 расхода воздуха в режимах холостого хода, прогрева и пуска двигателя; встроенная в блок топливоподачи электромагнитная форсунка 7; датчик температуры воздуха, поступающего в двигатель 8; регулятор стабилизации перепада давлений топлива 9; датчик абсолютного давления во впускном трубопроводе 10; двухвыводные катушки зажигания 11; датчик обнаружения детонации 12; датчик концентрации кислорода в отработавших газах 13; датчик температуры отработавших газов 14; нейтрализатор отработавших газов 15;топливопроводы 16; бензобак 17; электрический бензонасос 18; реле включения бензонасоса 19; топливный фильтр 20 и микропроцессорное устройство управления (контроллер) 21.

Микропроцессорный блок управления топливоподачей и зажиганием получает сигналы от датчиков частоты вращения коленчатого вала, начала отсчета, температуры воздуха на впуске, температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки, абсолютного давления во впускном трубопроводе, обнаружения детонации и концентрации кислорода. Обработав их, блок формирует электрические импульсы определенной длительности, предназначенные для управления форсункой в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и абсолютного давления во впускном трубопроводе, а также корректирует длительность управляющих импульсов в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и воздуха на впуске. При наличии датчика концентрации кислорода коррекция идет с учетом сигнала этого датчика, а также датчика температуры отработавших газов.

171

Рис. 11.21. Объединенная схема системы управления ДВС

Угол опережения зажигания регулируется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя и абсолютного давления во впускном трубопроводе, а корректируется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. При наличии в системе датчика обнаружения детонации коррекция угла опережения зажигания ведется также с учетом и его сигнала.

Микропроцессорный блок управляет также регулятором расхода воздуха на режимах холостого хода, пуска и прогрева двигателя, обеспечивая заданные частоты вращения коленчатого вала на этих режимах. Коррекция управления осуществляется с учетом температуры охлаждающей жидкости двигателя.

11.8. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТЬЮ

172

ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Факторы, влияющие на токсичность отработавших газов ДВС

На токсичность отработавших газов (ОГ) влияет ряд факторов: состав горючей смеси, конструктивное совершенство систем ДВС, качество изготовления деталей и сборки, использование специального оборудования для нейтрализации токсичных веществ в отработавших газах. Наиболее вредными считаются оксиды азота, обозначаемые условно NOx, оксид углерода (СО) и углеводороды (СН) (несгоревшее топливо).

На ДВС используется ряд локальных систем автоматического управления концентрацией названных выше компонентов в отработавших газах. С применением на современных ДВС системы впрыска топлива и микропроцессорной системы управления открываются широкие возможности управления составом ОГ.

В настоящее время значительно снижаются выбросы токсичных веществ при использовании на автомобиле «гибридной» силовой установки. Установка включает в себя ДВС, электрогенератор и аккумуляторную батарею достаточно большой емкости. В такой установке ДВС частично или полностью передает энергию электрогенератору, что позволяет стабилизировать режим работы ДВС. Использование электропривода и батареи позволяет компенсировать увеличение нагрузок в переходных режимах.

Рециркуляция отработавших газов

Если часть отработавших газов из системы выпуска направить во впускной трубопровод, то изменяется состав горючей смеси и концентрация топлива уменьшается. Это приводит к понижению максимальной температуры в цилиндрах двигателя и количества кислорода в горючей смеси, что способствует уменьшению образования NOx и снижению их концентрации в ОГ. Чрезмерно большая доза отработавших газов в канале рециркуляции вызывает увеличение выбросов углеводородов и ухудшает топливную экономичность ДВС. Рециркуляция ОГ наиболее эффективна на режимах частичных нагрузок, когда максимальная температура смеси при сгорании довольно высока и в ней имеется избыток кислорода. Поэтому для управления рециркуляцией используется система автоматического регулирования расхода ОГ, поступающих в цилиндры двигателя в зависимости от нагрузки на двигатель.

173

Система регулирования рециркуляции отработавших газов (рис. 11.22) содержит датчик разрежения во впускном трубопроводе РЕ, устройство управления и сравнения СY, задающее устройство Z, исполнительное устройство М и клапан В. Отработавшие газы поступают во впускной трубопровод за дроссельной заслонкой. В таких системах могут использоваться механические, электрические и электронные элементы. На холостом ходу и самых малых нагрузках давление и температура в цилиндре малы, а смесь в нем содержит большое количество остаточных газов. Выброс NOxневелик и необходимости в рециркуляции на этих режимах нет. По мере увеличения нагрузок до средних и близких к полным, характерных для режимов разгона и дающих наибольшие выбросы NOx, количество перепускаемых газов должно постепенно увеличиваться. На режиме полной нагрузки рециркуляцию целесообразно прекратить, чтобы не падала мощность двигателя. Это практически не влияет на суммарный выброс окислов азота, так как время работы двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой невелико, особенно в городских условиях. Кроме того, на режимах полной нагрузки карбюратор приготавливает обогащенную смесь, в которой почти нет излишнего кислорода, что снижает образование окислов азота.

Рис. 11.22. Система регулирования рециркуляцииотработавших газов

Конструктивная схема пневмомеханической системы регулирования рециркуляции отработавших газов представлена на рис. 11.23. Воз-

174

дух, поступающий в смесительную камеру карбюратора 1 и имеющий давление ниже атмосферного, через заборное отверстие 2, расположенное у кромки приоткрытой дроссельной заслонки 3, подводится к мембране 9. Мембрана воспринимает сигнал и преобразует его в перемещение штока 8, связанного с профилированным запорным клапаном 7. Он образует с седлом кольцевую щель для прохода отработавших газов из выпускного коллектора 5 через каналы 6 и 10 во впускной трубопровод 4. Роль задающего устройства выполняет пружина. На холостом ходу в заборном отверстии разрежения нет, клапан рециркуляции закрыт и несмотря на большой перепад давлений между впускным и выпускным коллекторами, перепуска ОГ не происходит.

Рис. 11.23. Конструктивная схема пневмомеханической системы регулирования рециркуляции отработавших газов

Впроцессе открытия дроссельной заслонки в заборном отверстии образуется низкое давление, которое воздействует на мембрану. Мембрана преодолевает заданное сопротивление пружины и перемещает шток с клапаном. Рециркулирующие газы поступают во впускной трубопровод.

Требуемый закон регулирования рециркуляции ОГ обеспечивается подбором расположения заборного отверстия, усилия пружины и профиля клапана.

Всовременных двигателях с микропрограммным контроллером можно реализовать оптимальное дозирование перепускных газов, при этом удается обеспечить не только нормы на выброс токсичных веществ, но и хорошие показатели топливной экономичности.

Управление составом отработавших газов по концентрации кислорода

175

Управлять составом ОГ, а значит, и токсичностью можно путем нейтрализации токсичных компонентов. Для автомобильных ДВС применяются каталитические нейтрализаторы, в которых химические катализаторы ускоряют протекание реакции окисления СО и СН, а также восстановление N0x. Нейтрализатор устанавливается в системе выпуска сразу за приемной трубой глушителя.

В трехкомпонентных нейтрализаторах в первой секции происходит реакция, преобразующая оксиды азота NOx в кислород и азот, во второй секции – дожигание СО и СН. Для эффективной работы нейтрализаторов состав смеси должен выдерживаться с высокой степенью точности. Обогащенная смесь вызывает повышение выброса СО и СН, обедненная смесь – повышение выброса N0x.

Существует очень узкий диапазон состава смеси, когда количество кислорода, освобождаемого при восстановлении N0x, достаточно для окисления СО и СН.

Для поддержания требуемой точности состава топливновоздушной смеси применяются системы регулирования концентрации кислорода в выпускном трубопроводе (рис. 11.24). Это возможно осуществить с помощью системы впрыска топлива с микропроцессорным управлением.

Рис. 11.24. Система регулирования концентрации кислорода в выпускном трубопроводе

Система включает в себя датчик расхода воздуха FE, датчик концентрации кислорода в выхлопном трубопроводе (λ-зонд) QE, устройство управления и обработки информации (контроллер) SYZ, привод клапана М, клапан форсунки В. По сигналам с датчиков расхода воздуха x1(Fв), концентрации кислорода х2(Qк) и частоты вращения вала

176

х3(nк.в), а также, исходя из требуемой концентрации Qzкислорода, устройство управления определяет режим работы двигателя и на режиме частичных нагрузок формирует команды с использованием широтноимпульсной модуляции у(τ) на корректировку состава рабочей смеси. Исполнительный механизм М открывает на заданное время клапан форсунки В. Если смесь бедная (низкая разность потенциалов на выходе датчика), то дается команда на обогащение смеси. Если смесь богатая (высокая разность потенциалов), дается команда на обеднение смеси. Этим обеспечивается заданная концентрация кислорода в выпускном трубопроводе и нормальная работа каталитического нейтрализатора КН.

Рис. 11.25. Диаграммы процесса двухпозиционного регулирования: а – сигнал датчика; б – сигнал на входе клапана форсунки.

Диаграммы, поясняющие процесс двухпозиционного регулирования, приведены на рис. 11.25. Если в устройстве датчика концентрации кислорода применяется чувствительный элемент из двуокиси циркония, то на его выходе в зависимости от парциального давления кислорода в ОГ вырабатывается напряжение. При бедной смеси, когда в ОГ высокое содержание кислорода, датчик выдает сигнал Umin, при богатой смеси, когда в ОГ малое содержание кислорода, – сигнал Umax. Моменты перехода выходного сигнала (рис. 11.25, а) от Umin к Umaxи наоборот соответствуют α = 1. Эти переходы используются системой управления в качестве команд для переключения топливоподачи на уменьшение или увеличение. При сигнале от датчика концентрации кислорода Uminтопливоподача увеличивается со скоростью К1определяемой углом наклона прямой на участке 1–2 (рис. 11.25, б). Затем, когда сигнал от датчика начнет увеличиваться, подача топлива

177

уменьшается. Между временем подачи отработавших газов к датчику и временем изменения длительности импульса впрыска топлива существует запаздывание, вносящее фазовый сдвиг T. В теории автоматического регулирования выведены аналитические зависимости для определения основных параметров процесса двухпозиционного регулирования. Максимальные отклонения фактического состава смеси от заданных в процессе регулирования вычисляются по формулам: А1= К1ΔТ;

А2= К1Tг.

11.9. УПРАВЛЕНИЕ ФАЗАМИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Втрадиционных конструкциях ДВС узкий диапазон изменения фазовых соотношений в газораспределительной системе не позволяет обеспечить устойчивую работу ДВС на низких частотах вращения и получение максимальной мощности двигателя на высоких частотах вращения. Для получения оптимальных показателей ДВС на всех скоростных режимах необходимо изменять фазы газораспределения в процессе его работы.

Внастоящее время используются несколько типов систем управления фазами газораспределения. Принципиально они подразделяются на два класса: системы управления клапанами через распределительный вал и системы непосредственного управления клапанами. Различают бесступенчатые (непрерывные) и ступенчатые (двухпозиционные) системы управления.

Всистемах с распределительным валом используется несколько типов устройств газораспределения. Непрерывные устройства можно подразделить на управляемые конструкции распределительного вала, управляемые конструкции привода распределительного вала и регулируемые механические приводы распределительного вала. Известны несколько конструкций распределительного вала, в которых с помощью электрогидромеханического привода изменяется его угловое положение относительно коленчатого вала или имеется возможность продольного смещения распределительного вала с переменным профилем кулачков вдоль длины вала. Известны конструкции с изменяемой кинематикой привода клапанов, в которых поверхности коромысел взаимодействуют

содноплечими рычагами, имеющими возможность поворота в плоскости их качания. При использовании зубчатоременных механизмов передачи вращения на распределительном валу используют две регулировочные звездочки. При перемещении привода звездочек одна из них натягивает свою ветвь ремня и смещает ее относительно ведомой звездочки. Таким образом, она дополнительно поворачивает на небольшой угол

178

ведомую звездочку. В результате изменяются моменты открытия и закрытия клапанов. Другая звездочка служит для компенсации дополнительного натяжения.

Вдвухпозиционных системах управления диапазон фаз газораспределения разбивается на два поддиапазона благодаря установке в двигателе двух распределительных (кулачковых) валов для разных диапазонов частоты вращения (высоких и низких частот). Это позволяет получить увеличение мощности при высоких частотах вращения. Многоклапанные системы обеспечивают получение более высокой мощности и оптимальное использование топливно-воздушной смеси. Подобные двигатели отличаются большой эффективностью как на низкой, так

ина высокой частоте вращения коленчатого вала благодаря использованию систем регулирования впуска смеси, механизма синхронизации регулирующих клапанов и механизма регулирования высоты их подъема.

Революционным техническим решением является исключение механического программного устройства из газораспределительной системы (распределительного вала с кулачками) и, соответственно, его привода.

Известны устройства, где клапаны приводятся в действие электромагнитами, управление которыми ведется с помощью центрального контроллера. Однако создание компактных, быстродействующих и дешевых электромагнитов с относительно большими усилиями остается трудной технической задачей. В настоящее время известны системы управления газораспределением, которые уже находят применение в ДВС, где клапаны перемещаются с помощью гидроцилиндров одностороннего действия и возвратных пружин. Управление гидроцилиндрами осуществляется электромагнитными клапанами небольшой мощности. Время открытия и закрытия клапанов в такой системе определяется микропроцессорным контроллером.

Известны гидроэлектрические системы управления клапанами с использованием жидких металлов.

Разработана система управления количеством смеси, поступающей в двигатель, путем изменения хода впускного клапана с помощью электропривода, что позволяет не включать в конструкцию впускной магистрали дроссельную заслонку.

Кроме управления фазой газораспределения, управление клапанами применяется для изменения мощности в многоцилиндровых ДВС путем отключения цилиндров.

Внастоящее время в газораспределительную систему внедрены автоматические гидравлические компенсаторы тепловых зазоров. Механизм газораспределения с такими элементами в приводе клапанов, по-

179

мимо автоматического непрерывного поддержания необходимого зазора, обладает еще целым рядом существенных преимуществ. Гидрокомпенсаторы обеспечивают значительное снижение шума, повышают срок службы деталей распределительного механизма, уменьшают трудоемкость и стоимость технического обслуживания, избавляя обслуживающий персонал от необходимости регулирования зазоров при каждом ТО.

11.10. РЕГУЛЯТОРЫ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ

Карбюраторные двигатели имеют существенное положительное саморегулирование (Фд>0, где Фд – фактор устойчивости двигателя). Такие двигатели, как правило, не требуют регулирования частоты вращения вала. У дизелей фактор устойчивости либо положителен, но мал по абсолютной величине, либо имеет отрицательное значение (Фд<0).

Вэтих случаях необходима установка автоматического регулятора.

Взависимости от типа чувствительного элемента, непосредственно воспринимающего изменение частоты вращения, регуляторы делятся на механические, пневматические, гидравлические и электрические. По количеству значений задающего параметра (режима работы ДВС) они могут быть однорежимными, двухрежимными и всережимными.

Однорежимные (предельные) регуляторы являются двухпозиционными САР и, как правило, устанавливаются на двигателях с искровым

зажиганием. Они срабатывают при частоте вращения вала nк.в>nmax. На дизели ставят двухрежимные и всережимные регуляторы. Двухрежимные регуляторы обеспечивают ограничение максимальной и минимальной частоты вращения вала. Эти регуляторы не воздействуют на рейку топливного насоса в основном диапазоне частот вращения между

nmin>nк.в>nmах.

В настоящее время достаточно широко распространены механические регуляторы частоты вращения с датчиками центробежного типа. В современных автомобильных системах автоматического регулирования частоты вращения вала, которая неразрывно связана со скоростью движения автомобиля, используются микроэлектронные элементы.

11.11.РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

ВСИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ

180