Электронные системы впрыска Мотроник

Производительность современных микропроцессоров позволяет осущест­влять управление функциями впрыска топлива и зажигания посредством еди­ного электронного устройства (блока управления), благодаря этому снижается стоимость аппара­туры и, кроме того, используется общий источник питания. Реализовать эту рациональную идею стало возможно, т.к. многие из входных сигналов при­годны для регулирования как впрыска, так и зажигания. Использование еди­ного электронного устройства повышает надежность системы управления двигателем и позволяет уменьшить затраты на сборку. На практике это озна­чает отказ от механического и пневматического регулирования опережения зажигания. Вместо него используется бесконтактная, полностью электронная, управляемая микропроцессором система зажигания, которая функционирует на основе информации, поступающей от индукционного датчика частоты вращения и углового положения коленчатого вала. Микропроцессор элек­тронного блока управления преобразует поступающую информацию в так на­зываемые параметрические поверхности (трехмерные графические характери­стики), которые учитывают действия водителя и нагрузку на двигатель.

Для реализации возможно большего числа функций управления требу­ется разнообразная входная информация. Одна из разновидностей электронной система управле­ния, представлена на рис. 9

Рис.9 Схема системы впрыска Мотроник:

1 - реле зажигания; 2 - центральный переключатель; 3 - аккумуляторная батарея; 4 - нейтрализатор ОГ; 5 - датчик кис­лорода; 6 - воздушный фильтр; 7 - датчик массового расхода воздуха; 8 - колодка диагностики; 9 - регулятор холостого хода; 10 - датчик положения дроссельной за­слонки; 11 - дроссельный патрубок; 12 - модуль зажигания; 13 - датчик фаз; 14 - форсунка; 15 - регулятор давления топлива; 16 - датчик температуры ОЖ; 17 - свеча; 18 - датчик положения коленчатого вала; 19 - датчик детонации; 20 - топлив­ный фильтр; 21 - контроллер; 22 - датчик скорости; 23 - топливный насос; 24 - реле включения топливного насоса; 25 - бензобак.

В систему впрыска Мотроник могут поступать следующие данные:

• включено или выключено зажигание;

• положение распределительного вала;

• частота вращения коленчатого вала;

• скорость движения автомобиля;

• диапазон изменения передаточного отношения (в случае наличия ав­томатической трансмиссии);

• номер включенной передачи;

• информация о включении кондиционера и т. п.;

• напряжение аккумуляторной батареи;

• температура воздуха на впуске;

• расход воздуха;

• угловое положение дроссельной заслонки;

• напряжение сигнала кислородного датчика;

• сигнал датчика детонации.

Входные каскады электронного блока управления осуществляют подго­товку поступивших от датчиков сигналов, характеризующих режимные па­раметры, микропроцессор обрабатывает эти данные, определяет рабочий режим двигателя и производит расчет параметров необходимых управляю­щих сигналов, которые передаются на выходные каскады усиления, а затем поступают к исполнительным устройствам. Исполнительные устройства воздействуют на характеристики систем питания и зажигания, обеспечивая точное дозирование топлива и опти­мальный момент зажигания.

Датчиками системы Мотроник являются датчики, аналогичные описанным для системы впрыска L-Джетроник. Однако, ввиду отсутствия прерывателя-распределителя, для определения частоты вращения коленчатого вала здесь применяется индукционный датчик (рис. 10 ).

Рис.10 Индуктивный датчик частоты вращения:

1 – постоянный магнит; 2 – корпус; 3 – кар­тер двигателя; 4 - магнитомягкий сердеч­ник; 5 – обмотка; 6 – воздушный зазор; 6 - зубчатое колесо с точкой отсчета; 7 - магнитное поле; 8 – задатчик угловых импульсов (зубчатый диск) с отметчиком - пропуском зубьев

Индуктивный датчик содержат стержневой постоянный магнит 1 с по­люсным сердечником из магнитомягкой стали и обмотку индуктивности 5 с дву­мя выводами.

Датчик обычно распо­ложен рядом с маховиком двигателя при зазоре Датчик устанавливается непосредственно напротив ферромагнитного зубчатого диска - задатчика угловых импульсов 8, от которого его отделяет небольшой воздуш­ный зазор (0,8-1,5 мм). Сердечник соединен также с постоянным магнитом 1, и магнитное поле проходит через сердечник и зубчатый диск - задатчик импульсов 8. Интенсивность магнитного потока, проходя­щего через обмотку, зависит от того, нахо­дится ли датчик напротив зуба на диске или напротив промежутка (пропуска зубьев). Поскольку магнитный поток концентрируется зубьями диска, что приводит к увеличению магнитного потока через обмотку, то при подходе пропуска зубьев он ослабевает. Следовательно, при вращении зубчатого диска возникают колебания магнитного по­тока, которые, в свою очередь, генерируют синусоидальные колебания напряжения в электромагнитной обмотке, пропорциональ­ные скорости изменения магнитного потока (рис. 48). Амплитуда колебаний переменного напряжения увеличивается строго пропор­ционально увеличению скорости вращения зубчатого диска (от нескольких мВ до 100 В). Для генерирования достаточного уровня сиг­нала требуется, по крайней мере, 30 мин¹.

Количество зубьев на задатчике угловых импульсов зависит от конкретного приме­нения. Очень большой пропуск зубьев (8) устанавливается для определения поло­жения коленчатого вала и служит как отметка для синхронизации в ЭБУ.

Существует другой вариант задатчика угло­вых импульсов, который имеет один зуб на ци­линдр. Следовательно, в случае четырехци-линдрового двигателя задатчик имеет четыре зуба и, соответственно, генерируются четыре импульса на один оборот зубчатого диска.

В роли задатчика может выступать и маховик с равномерно установленными сталь­ными штифтами. Обычно они идут че­рез каждые 10°, т.е. устанавливается 36 штифтов.

Геометрия зубьев задатчика и магнитного сердечника должны соответствовать друг другу. Электронная схема в ЭБУ преобразу­ет синусоидальное напряжение, которое ха­рактеризуется четко меняющимися ампли­тудами, в среднеквадратичный сигнал с постоянной амплитудой для его оценки в микропроцессоре ЭБУ.

Если один штифт преднамеренно пропус­тить (или установить вместо одного два штиф­та), изменение частоты импульсов укажет на прохождение верхней мертвой точки (ВМТ). Ме­стоположение пропущенного штифта не обяза­тельно находится в ВМТ. Оно может быть сме­щено относительно ВМТ на любой угол, записанный в памяти блока управления.

Современные системы обычно имеют один индуктивный датчик, но в некоторых ранних версиях уста­навливались два датчика: датчик частоты вра­щения и датчик положения коленчатого вала.

Амплитуда переменного напряжения дат­чика изменяется прямо пропорционально час­тоте вращения. Напряжение может изменяться от 5 В на холостом ходу до 100 В при частоте вращения 6000 об/мин. Поскольку для процес­сора предпочтителен цифровой сигнал (вклю­чено/выключено), переменное напряжение преобразуется в аналого-цифровом преобразо­вателе (АЦП) (рис.11 ).

Рис.11 Переменное напряжение на выходе индукционного датчика

Индуктивный датчик может также использоваться в каче­стве задающего генератора для выдачи базо­вого сигнала на зажигание и впрыск топлива.

В системах Мотроник предусмотрены также дополнительные функции системы впрыска. Необходимость в дополнительных функциях управления и регулиро­вания обусловлена жесткими требованиями, предъявляемыми к составу отработавших газов (ОГ), а также стремлением обеспечить наибольший комфорт и точное соответствие мощности двигателя условиям движе­ния. В настоящее время используются следующие дополнительные функции:

• регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу;

• регулирование топливоподачи с обратной связью по составу смеси;

• управление углом опережения зажигания по детонации;

• рециркуляция ОГ для снижения выброса с отработавшими газами оксидов азота (NOX);

• управление турбокомпрессором;

• управление длиной впускных каналов;

• регулирование фаз газораспределения соответствующим воздействием на газораспределительный механизм;

• ограничение подачи топлива при достижении заданной частоты вра­щения коленчатого вала.

Если система управления и регулирования наделена этими разнообразными функциями, речь идет уже не столько об управлении двигателем, сколько об управлении автомобилем в целом, ибо командные сигналы вмешиваются в функционирование и других узлов автомобиля. При этом ста­новится возможным реализовать связь управляющего устройства с автома­тической коробкой передач, что, в частности, способствует уменьшению ударных нагрузок при переключении передач, создавая благоприятный ре­жим эксплуатации. Оказывается возможным также регулирование крутя­щего момента на ведущих колесах. Кроме того, можно обеспечить и упра­вление функционированием регуляторов скорости автомобиля, которые в будущем станут весьма сложными устройствами, выполня­ющими при помощи радара автоматические функции управления движени­ем с целью максимального облегчения вождения.

Общим для любых систем впрыска с электронным управлением являет­ся наличие датчика положения дроссельной заслонки, который в простей­ших системах служит ос­новным источником информации о нагрузке двигателя. Вместе с тем боль­шое значение имеет датчик давления, пневматически соединенный с впу­скным трубопроводом и регистрирующий абсолютное давление в нем. Для определения нагрузки двигателя особенно важно измерение количест­ва проходящего через впускную систему воздуха. В системах впрыска Мотроник в зависимости марки и от модели автомобиля могут применять­ся следующие датчики расхода воздуха:

• объемные расходомеры воздуха (LMM);

• термоанемометрические массовые расходомеры воздуха с нагревае­мой нитью (LHM);

• термоанемометрические массовые расходомеры воздуха с нагревае­мой пленкой (HFM).

Работа системы впрыска Мотроник

Пуск двигателя. В течение всего процесса пуска двигателя осуществляется расчет коли­чества впрыскиваемого форсунками топлива. Кроме того, для первых ко­мандных импульсов на впрыскивание в отсутствие вращения коленчатого вала устанавливается режим «синхронного впрыска». Повышенное количе­ство топлива, впрыскиваемого в соответствии с низкой температурой дви­гателя, обусловлено образованием топливной пленки на внутренних стенках впускного трубопровода и необходимостью компенсации повышенной по­требности в топливе двигателя при работе с низкой частотой вращения. Не­посредственно после начала вращения коленчатого вала вплоть до заверше­ния режима пуска по мере увеличения частоты вращения осуществляется постепенное уменьшение порции впрыскиваемого топлива.

Система Мотроник осуществляет также согласование параметров зажи­гания с параметрами процесса пуска. Угол опережения зажигания регули­руется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и частоты вращения коленчатого вала так, чтобы был обеспечен легкий пуск и быст­рый прогрев двигателя.

Послепусковой период. В течение послепускового периода (фазы, начинающейся непосредст­венно после завершения стадии пуска) осуществляется постепенное сниже­ние количества впрыскиваемого топлива в зависимости от температуры ох­лаждающей жидкости и промежутка времени, прошедшего с момента за­вершения стадии пуска. Угол опережения зажигания изменяется в соответ­ствии с количеством впрыскиваемого топлива. Послепусковой период, та­ким образом, плавно переходит в стадию прогрева двигателя.

Прогрев двигателя. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и системы вы­пуска отработавших газов режим прогрева может быть реализован разными способами. Решающими факторами для расчета параметров управления дви­гателем при прогреве является его готовность к началу движения, а также оп­тимизация состава отработавших газов и расхода топлива. Сочетание бедной рабочей смеси с более поздним зажиганием при прогреве двигателя повыша­ет температуру отработавших газов. Другую возможность повышения их тем­пературы предоставляет использование богатой смеси вместе с нагнетанием дополнительного воздуха, который подается в систему выпуска за выпускны­ми клапанами спустя короткое время с момента пуска двигателя. Для подачи воздуха, например, может использоваться специальный насос. Избыток воз­духа при достаточном разогреве системы выпуска приводит к окислению СН и СО и достижению желаемой высокой температуры отработавших газов.

Оба мероприятия обеспечивают быстрое приведение каталитического нейтрализатора в рабочее состояние. Наряду с воздействием на угол опережения зажигания и параметры впрыска ускоренный разогрев нейтрализа­тора может быть реализован также и за счет повышения частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу. При достижении необходимой темпе­ратуры каталитического нейтрализатора осуществляется регулирование впрыска, обеспечивающее коэффициент избытка воздуха, равный 1, и ус­танавливается соответствующий угол опережения зажигания.

Корректировка впрыска топлива при ускорении и замедлении движения автомобиля. Часть впрыскиваемого топлива при очередном открытии впуск­ного клапана сразу не попадает в цилиндр, а остается на стенках трубопровода в виде жидкой пленки. Количество топлива, по­стоянно находящегося в виде та­кой пленки, резко возрастает с повышением нагрузки и с увели­чением количества впрыскивае­мого топлива. Во избежание обед­нения горючей смеси, обуслов­ленного оседанием части топлива на стенках впускной системы, во время разгона автомобиля должен быть обеспечен впрыск соответст­вующего дополнительного коли­чества топлива. Для улучшения ус­ловий смесеобразования иногда применяются форсунки с допол­нительным пневматическим распыливанием топлива, что позво­ляет уменьшить количество топ­лива, оседающего на стенках впускного трубопровода. Такая рабочая форсунка в разрезе показана на рис. . При снижении нагрузки происходит высвобождение осевшего на стен­ках впускного трубопровода топлива. Поэтому при замедлении движения время впрыска должно быть соответственно сокращено. Во время движе­ния в режиме торможения двигателем (ПХХ) впрыск топлива прекращает­ся полностью.

Рис.9 Форсунка с подачей воздуха:

А – направление подачи воздуха; Б – направление подачи топлива

Управление частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу. Управление частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу долж­но обеспечивать соответствие между крутящим моментом и реальной нагруз­кой. Последняя на холостом ходу складывается из различных внутренних нагрузочных моментов, моментов сил трения в кривошипно-шатунном меха­низме, приводе клапанов и дополнительных агрегатов (например, насоса си­стемы охлаждения, кондиционера или гидроусилителя рулевого управления). Внутренние моменты сил трения в течение срока службы двигателя претер­певают постепенное изменение и, кроме того, они сильно зависят от рабочей температуры. На процесс регулирования частоты вращения оказывают влия­ние положение дроссельной заслонки и температура охлаждающей жидкости, а также сигналы датчиков нагрузки, поступающие от дополнительных агрегатов. Заданному значению частоты вращения коленчатого вала двигате­ля для каждого режима соответствует определенный расход воздуха.

Регулирование фаз газораспределения воздействием на распределительный вал. За счет регулирования фаз газораспределения воздействием на распреде­лительный вал появляется возможность оказать влияние на наполнение ци­линдров, чтобы обеспечить возможность максимального повышения мощно­сти и крутящего момента при минимальном расходе топлива и низкой ток­сичности отработавших газов. При этом гидравлические или электрические исполнительные механизмы, управляемые системой Мотроник, поворачива­ют впускной и выпускной распределительные валы относительно коленчато­го на угол, определяемый частотой вращения коленчатого вала или наполне­нием цилиндров.

Регулирование угла опережения зажигания по детонации. Электронное управление моментом зажигания предоставляет возможность очень точно регулировать угол опережения зажигания в зависимости от час­тоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры охлаждающей жид­кости. Тем не менее необходимо обеспечивать еще более узкий допуск на управление углом опережения зажи­гания для надежной работы двига­теля в пределах, исключающих де­тонацию. Такое управление необ­ходимо, чтобы при склонности к детонации, обусловленной допус­ком на размеры деталей двигателя, их износом, внешними условиями, качеством топлива, отложением нагара, ни один из цилиндров не перешел границы детонации. Дат­чик детонации предоста­вляет возможность регулирования по детонации за счет улавливания возникающей при этом вибрации. Детонационное сгорание топлива приво­дит к установке более позднего момента зажигания в соответствующем ци­линдре. Как только детонация прекращается, происходит постепенное воз­вращение момента зажигания к более раннему, вплоть до исходного угла опе­режения зажигания. Для двигателей с турбокомпрессором также имеется ком­бинированная возможность регулирования по детонации за счет варьирова­ния момента зажигания и давления наддува. Регулирование давления надду­ва, к тому же в определенных диапазонах частичной нагрузки двигателя, ока­зывается выгодным, поскольку приводит к сокращению расхода топлива.

Рециркуляция отработавших газов. Во время перекрытия клапанов некоторая часть отработавших газов вы­талкивается из камеры сгорания во впускной трубопровод. В этом случае при последующем открытии впускного клапана наряду со свежей смесью всегда будет происходить всасывание в цилиндр определенного количества отрабо­тавших газов. Варьирование доли отработавших газов возможно за счет их возврата во впускную систему и далее в камеру сгорания посредством клапана рециркуляции, управляемого электронной системой.

Улавливание топливных испарений. В современные системы впрыска, согласно требованиям «Евро-3» и «Евро-4»,устанавливается система улавливания топливных испарений, состоящая из угольного адсорбера и электромагнитного клапана продувки адсорбера. С помощью указанной системы происходит улавливание испаряющихся углеводородов из топливного бака, их адсорбирование и подача во впускной трубопровод через электромагнитный клапан, который открывается по сигналам блока управления.

Крышка топливного бака выполняется герметичной. Пары топлива улавливаются емкостью с древесным углем. По мере испарений пары адсорбируются в емкости и затем по сигналу блока управления выводятся через электромагнитный клапан во впускной трубопровод и затем в цилиндры двигателя. Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу и защитить каталитический нейтрализатор от переообогащения смеси, клапан закрывается, а на режимах прогретого двигателя и больших нагрузок открывается.

Рецеркуляция отработавших газов. В целях снижения выбросов оксидов азота, количество которых зависит главным образом от температуры сгорания топливовоздушной смеси, в систему выпуска двигателя устанавливают клапана перепуска (рецеркуляции) отработавших газов, которые работают по сигналам блока управления. Перепуск части отработавших газов во впускной трубопровод, на определенных режимах работы двигателя, позволяет снизить температуру цикла, а значит и выброс оксидов азота.