НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ

Гаврилин Денис Викторович (Россия, г. Омск) – студент группы ТЛб-14А1 ФГБОУ ВО «СибАДИ»

(644080, г. Омск, пр. Мира, д. 5), pn151@yandex.ru).

Лутошкина Надежда Андреевна (Россия, г. Омск) – студент группы ТЛб-14А1 ФГБОУ ВО «СибАДИ»

(644080, г. Омск, пр. Мира, д. 5), e-mail Nadezhda_Lutoshkina@mailru).

Пономарев Николай Александрович (Россия, г. Омск) – студент группы ТЛб-14А1 ФГБОУ ВО «СибАДИ»

(644080, г. Омск, пр. Мира, д. 5, e-mail pn151@yandex.ru).

Gavrilin Denis Viktorovich (Russian Federation, Omsk) – the student The Siberian state automobile and highway academy (SibADI) (644080, Omsk, Mira Ave., 5).

Lutoshkina Nadezhda Andreevna (Russian Federation, Omsk) – the student The Siberian state automobile and highway academy (SibADI) (644080, Omsk, Mira Ave., 5).

Ponomarev Nikolai Aleksandrovich (Russian Federation, Omsk) – the student The Siberian state automobile and highway academy (SibADI) (644080, Omsk, Mira Ave., 5).

УДК 62-573

ЭЛЕКТРОННЫЕ БЛОКИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

В.Д. Мадеев, И.В. Лазута

ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск

Аннотация. В статье рассматривается устройство, структура и принцип действия электронных блоков управления двигателями современных автомобилей. Приводится история их возникновения, структурная схема, сравнительный компонентный анализ электронных блоков управления. Приведены достоинства и недостатки системы управления двигателем, оснащенной электронным блоком управления. Предложены пути совершенствования электронных блоков управления.

Ключевые слова: электрооборудование, автомобиль, электронный блок управления, система управления двигателем, структурная схема.

Введение

С каждым годом автомобили делают колоссальные шаги в своем развитии. Вместе с тем, как развивается автомобиль, развивается его электрооборудование и электронные системы. Основной системой современного автомобиля является электронная система управления двигателем, появление которой было обусловлено непрерывно возрастающими требованиями экономичности расхода топлива и экологических стандартов. Данная система автоматически обеспечивает высокоточный впрыск топливной смеси требуемой консистенции в цилиндры двигателя согласно заданному режиму работы и изменяющимся внешним нагрузкам, обеспечивая максимальную полноту сгорания топлива и, тем самым, сводя к минимуму его удельный расход и количество вредных выбросов в атмосферу.

Основным конструктивным элементом электронной системы управления двигателем (ЭСУД) является электронный блок управления (ЭБУ) или Engine Control Unit (ECU).

Первые ЭБУ двигателем были созданы в середине 50-х годов итальянской компанией Alfa Romeo для модели автомобиля «6C 2500» [1]. Постепенно электронные блоки совершенствовались, «учились» охватывать показания все большего числа датчиков, управлять системой охлаждения и зажигания, становились производительнее и так далее. Если первые ЭБУ имели возможность лишь управлять системой зажигания, то современный ЭБУ позволяет управлять двигателем в целом, и объединен с блоками управления другими системами автомобиля в единую электронную систему управления. В условиях современных темпов развития электронного оборудования автомобиля изучение структуры, закономерностей развития, компонентного анализа и решение сопутствующих проблем при проектировании ЭБУ является на сегодняшний день актуальной задачей.

Ведущими современными производителями ЭБУ являются фирмы «Bosch» и «General Motors». Такие электронные блоки устанавливались на большинство автомобилей европейского,

НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ

американского и отечественного производства, до момента начала самостоятельной разработки собственных блоков управления. Развитие ЭСУД на отечественных автомобилях началось еще в 1997 году, благодаря сотрудничеству с вышеназванными фирмами. На данный момент, производство ЭБУ для отечественных автомобилей осуществляется в России такими фирмами как ООО «НПП ИТЭЛМА», ООО «НПП ЭЛКАР» и ООО «НПП АВТЭЛ» [2, 3, 4, 5].

Конструкция и принцип работы всех современных ЭБУ довольно схож. Различия проявляются в зависимости от типа двигателя, системы зажигания и электрооборудования самого автомобиля. К примеру, автомобили ВАЗ 2112 оборудованы системой попарнопараллельного зажигания и имеют модуль зажигания, состоящий из двух катушек зажигания: одна предназначена для подачи искры зажигания в 1 и 4 цилиндры, а вторая – во 2 и 3 цилиндры. При этом ЭБУ имеет два транзисторных электронных ключа, которые в нужный момент времени подают ток, соответственно, на первую и вторую катушки модуля зажигания

(рис.1) [6].

Автомобили ВАЗ 2170 «Лада Приора» и более поздние модели имеют схожие по конструкции с ВАЗ 2112 двигатели, однако, имеют систему зажигания с индивидуальными катушками зажигания для каждого цилиндра двигателя, и, следовательно, ЭБУ двигателем имеют по четыре электронных ключа, для каждой катушки зажигания по отдельности (рис.2) [6].

Рис. 1. Плата блока управления двигателем ВАЗ 2112

НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ

Рис. 2. Плата блока управления двигателем автомобиля ВАЗ 2170 «Лада-Приора»

Устройство электронного блока управления

ЭСУД позволяет автоматизировать процесс настройки и управления двигателем, оптимизировать динамические показатели (мощность, крутящий момент) и показатели по расходу топлива (удельный расход), снизить количество вредных выбросов в атмосферу и др.

ЭБУ двигателем, являясь, по сути, контроллером автоматической системы ЭСУД, принимает информацию от множества входных датчиков, обрабатывает ее в соответствии с определенным алгоритмом и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства различных систем двигателя. Структура ЭСУД с ЭБУ представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема электронной системы управления двигателем с электронным блоком управления

НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ

ЭБУ выполнен в виде металлического корпуса, внутри которого находится печатная плата с электронными компонентами. Жгут проводов от датчиков, исполнительных устройств и бортовой сети автомобиля подключается к блоку управления многополюсным штекерным разъемом.

Основными узлами ЭБУ двигателем являются [7, 8]: процессорную часть (микроЭВМ); формирователи входных и выходных сигналов; источник питания.

В процессорной части происходит все самое главное в работе электронного блока двигателем. Основой процессорной части является однокристальная микроЭВМ. Она называется так из-за того, что большинство компонентов микропроцессорной структуры находятся на одном кристалле микросхемы (чипе). В процессорной части ЭБУ используются 8-, 16или 32-разрядные микроЭВМ.

Основные компоненты микроЭВМ [7, 8]:

•центральный процессор. Производит выборку команд и данных из памяти программ и памяти данных, производит арифметические и логические операции над данными, управляет сигналами на внутренней шине адреса и данных;

•постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). То место, где хранится программа управления двигателем, которая представляет собой совокупность всех алгоритмов управления двигателем и калибровочные таблицы, которые участвуют в процессе расчетов и выбираются как управляющие параметры;

•оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Область памяти, где хранятся данные, которые в процессе работы изменяются. Это могут быть промежуточные результаты вычислений или значения, полученные от датчиков;

•аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Однокристальная микроЭВМ не может работать с аналоговыми сигналами, поэтому в АЦП происходит дискретная выборка мгновенных значений непрерывного аналогового сигнала и преобразование их в цифровой код;

•порты ввода/вывода. Служат для организации взаимодействия микроЭВМ с другими компонентами контроллера. Через них происходит считывание входных и выдача выходных сигналов и информации;

•таймеры/счетчики – это устройства, необходимые для измерения интервалов времени или подсчета числа событий;

•генератор тактовой частоты. Вырабатывает тактовые импульсы синхронизации работы всей системы. От точности его работы зависит точность измерения всех интервалов времени.

Формирователи входных сигналов предназначены для приема и преобразования сигналов с датчиков основных контролируемых и регулируемых параметров. Кроме того, входные формирователи выполняют защитную функцию от перенапряжения. Различают формирователи дискретных, аналоговых и частотных сигналов [7, 8].

Сигнал от датчика – это преобразованное в электрический сигнал значение физической величины. В контроллере ЭБУ этот сигнал проходит через формирователь, где происходит согласование уровней (усиление или ослабление) – преобразование до той величины, которая необходима для нормальной работы процессорной части [7, 8].

Дискретные (цифровые) сигналы – сигналы, имеющие несколько фиксированных значений, изменяющихся во времени скачкообразно. Например, сигнал включения зажигания или сигнал запроса кондиционера датчиком контроля кондиционера (ДКК). Такие сигналы поступают после преобразователей напрямую в процессорную часть на входы портов ввода/вывода [7, 8].

Аналоговые сигналы – сигналы, значение которых во времени непрерывно меняется. Например, сигнал с датчика массового расхода воздуха (МАР), датчика температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) или с датчика положения дроссельной заслонки (ДПДЗ). Эти сигналы после предварительной обработки поступают в процессорную часть на входы АЦП [7, 8].

Частотные сигналы – это сигналы, частота изменения которых несет информацию об изменении физической величины, измеряемой датчиком. Например, частота сигнала с датчика положения коленчатого вала (ДПКВ) пропорциональна скорости вращения двигателя. Для дальнейшей обработки таких сигналов важно, чтобы эти сигналы не имели импульсных помех. Во входном формирователе частотный сигнал ограничивается по амплитуде (амплитудное значение такого сигнала не несет необходимой информации) и поступает в процессорную часть на вход таймера/счетчика [7, 8].

Помимо обработки этих сигналов, ЭБУ отправляет сигналы различным устройствам [7, 8]:

НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ

•зажигание – это может быть, как одна катушка, так и сразу несколько (зависит от типа силового агрегата). Данный узел отвечает за своевременную подачу искры со свечи в цилиндры мотора.

•световой индикатор – его назначение состоит в выдаче уведомлений о наличии ошибок, причем как в двигателе, так и непосредственно в блоке.

•форсунки – посредством них осуществляется впрыск горючего в цилиндры. При этом частота изменения количества этого горючего постоянно меняется, ведь зависит от различных условий. В данном случае на первый план выходят характеристики форсунок (реакция их управляющих компонентов на перемены команд из ЭБУ, а т акже скорость их функционирования).

•тестеры – оборудование диагностического назначения подключается через специальный разъем, если возникает необходимость в проверке мотора и электронного блока управления двигателем.

Эти формирователи выходных сигналов преобразуют сигналы с портов ввода/вывода процессорной части в сигналы достаточной мощности для непосредственного управления исполнительными устройствами. В плане технической реализации выходные формирователи – это современные микросхемы (драйверы), которые, кроме основных функций, усиления по мощности, еще выполняют функции защиты выходов контроллера от замыкания на массу или на плюс батареи, а также от перегрузки. Эти драйверы называют «интеллектуальными», так как

вслучае ненормальной работы, когда срабатывают защитные функции, они информируют процессор об этом. В контроллере используются различные типы формирователей выходных сигналов в зависимости от необходимой мощности. Формирователь канала диагностики необходим для согласования уровней электрических сигналов диагностического оборудования с уровнями сигналов процессора [7, 8].

Источник питания является «сердцем» ЭБУ. Поскольку процессорная часть и микросхемы формирователей имеют рабочее напряжение питания +5 вольт, в электронном блоке управления предусмотрен источник питания. Он выдает стабильное напряжение при изменении напряжения в бортовой сети в широком диапазоне. Просадка напряжения до 6 вольт во время холодного пуска двигателя с не полностью заряженной батареей не приводит к отключению контроллера ЭСУД [7, 8].

Также, более современные автомобили имеют ЭБУ двигателем со встроенным интерфейсом CAN – интерфейсом для связи электронного блока управления двигателем с другими электронными блоками управления, бортовым компьютером и щитком приборов [7, 8].

ЭСУД, оснащенная ЭБУ, имеет ряд достоинств и недостатков [1]. К достоинствам можно отнести следующее:

•автоматизированная оптимизация динамических показателей двигателя;

•снижение расхода топлива двигателя;

•простота запуска двигателя (прогрев мотора зимой или режим холостого хода);

•повышение показателей экологической чистоты двигателя.

К недостаткам можно отнести следующее:

•дороговизна компонентов ЭБУ;

•достаточно сложный, а в большинстве случаев невозможный ремонт ЭБУ;

•потребность в дорогом и сложном оборудовании для диагностики ЭБУ и специально обученных специалистах;

•высокие требования к качеству электропитания.

Проведенный анализ конструкции и схемных решений современных ЭБУ выявил следующие конструктивные особенности: схемная реализация ЭБУ – неразборная одноплатовая, силовые электронные ключи находятся в непосредственной близости с процессорной частью, как и источник питания блока управления. Данная конструктивная особенность негативно сказывается на надежности, ремонтопригодности и помехозащищенности преобразовательных и вычислительных элементов блока. В связи с этим, в данной статье предлагается совершенно новый подход к конструктивной реализации ЭБУ. То есть, предлагается конструкция электронного блока не в виде единой платы с электронными компонентами, а в виде набора отдельных модулей, представляющих собой самостоятельно функционирующие узлы, подключающиеся в единую электронную систему ЭБУ (рис.4).

НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ

Рис. 4. Структурная схема модульного электронного блока управления

Каждый из модулей имеет свое функциональное назначение, как и в одноплатном решении. Для повышения ремонтопригодности предлагаемой конструкции ЭБУ отдельные модули должны быть съемными, заменяемыми и должны обладать универсальным интерфейсом подключения (рис. 5).

Рис. 5. Блок-схема модульного электронного блока управления

Заключение

Совершенствование характеристик быстродействия, точности работы, качества и надежности ЭБУ является на сегодняшний день актуальной задачей Предлагаемое в статье конструктивное решение повысит ремонтопригодность и надежность ЭБУ и снизит затраты при его ремонте.

Библиографический список

1. ЭБУ: принцип работы, достоинства и недостатки, причины поломок [Электронный ресурс].

АвтоМотоПроф, 2016. Режим доступа: http://avtomotoprof.ru/elektronnyie-sistemyi-avtomobilya/ebu-printsip- rabotyi-dostoinstva-i-nedostatki-prichinyi-polomok/ (дата обращения: 05.05.2016)