Соснин - Автотроника

оборудование", так как термин "автотронное" — это

двигателя на холостом ходу. В автотронной системе

синоним таких обобщающих определений, как "ком-

впрыска с электронным управлением электрические

бинированное" или "комплексное".

сигналы (как на входе, так и на выходе) выполняют

Автотронное оборудование автомобиля состоит

роль промежуточных (опосредованных) носителей ин-

из отдельных автотронных систем, которые в свою

формации для неэлектрических устройств (внешней пе-

очередь

состоят из

отдельных

составных частей риферии). При этом сама неэлектрическая периферия

(компонентов).

выполняет основные функции автотронной системы

Автотронные системы принято

классифицировать

впрыска:

дозирование

количества впрыскиваемого

по основной исполнительной функции. Например: ав-

бензина при изменении неэлектрических параметров

тотронная система впрыска топлива; автотронная си-

двигателя или под воздействием водительской педали

стема антиблокировки тормозов; автотронная систе-

газа. Описанию автотронных систем и их составных

ма очистки выхлопных отработавших газов и т.д.

компонентов посвящены главы 13...27.

Компонентами автотронных систем могут являть-

• В приложении рассмотрен двигатель внутренне-

ся самые разнообразные технические устройства,

го сгорания как объект автоматического управления.

отличающиеся друг от друга как по принципу дейст-

Это позволит читателю легко ориентироваться в

вия, так и по конструктивному исполнению. Это могут

сложных вопросах взаимосвязи силового агрегата

быть и электрические, и электронные, и электронно-

автомобиля с бортовыми автотронными системами.

вычислительные, и механические, и пневматичес-

• Книга написана по конспекту лекций, читае-

кие, и гидравлические, и любые другие технические

мых автором для студентов Московского автомо-

изделия,

способные

выполнять

соответствующие

бильно-дорожного института (Технического универ-

функции автотронной системы.

ситета) и в ряде других учебных заведений. Но из-

Автотронные системы имеют одно общее свойст-

ложение материала в данной книге ориентировано

во — они управляют неэлектрическими процессами,

не только на вузовскую аудиторию, но и на само-

но сами управляются от электронной автоматики, при

стоятельное изучение новой автомобильной техни-

этом первичными источниками управляющих сигна-

ки и специалистами по ремонту современных лег-

лов являются человек (водитель), программа, зало-

ковых автомобилей, и ремонтниками-автомобилис-

женная в электронную память, и входные неэлектри-

тами. В качестве дополнительной учебной литера-

ческие воздействия.

туры книга будет полезна студентам технических

Каждая автотронная система имеет широко раз-

вузов. Она будет интересна также слушателям ав-

ветвленную периферию и электронно-вычислитель-

томобильных колледжей, любознательным учащим-

ный блок управления с постоянной и оперативной па-

ся средней школы, владельцам импортных и совре-

мятью — бортовой компьютер. Для согласования

менных отечественных легковых автомобилей. Сло-

входной периферии с компьютером и компьютера с

вом, такая книга — это подспорье каждому, кто за-

выходной

периферией

применяется интерфейсная

хочет познать все то новое, чем оборудован совре-

(соединительная) подсистема.

менный легковой автомобиль.

Из сказанного ясно, что автотронная система —

• В работе над учебным пособием автор учел за-

это бортовой комбинированный комплекс автоматиче-

мечания и полезные советы кандидатов технических

ского управления, включающий в свой состав различ-

наук Фещенко А.И. и Попова О.Ю. (преподаватели

ные технические устройства, которые соединены в

МАДИ-ТУ), ведущего специалиста по "Автотронике"

единое целое с целью выполнения конкретного неэле-

Московского учебного центра КТиЗ Правительства

ктрического действия. Например, автотронная систе-

Москвы Триодина Н.П., начальника технического от-

ма впрыска топлива — это не только электронный блок

дела Автопредприятия № 1 при Управлении делами

управления впрыском, и не только электрическая схе-

Президента РФ Быкова В.И., научного консультанта

ма соединений, но и входные датчики, работающие от

журнала "Ремонт и Сервис" Митина В.А. Всем пере-

неэлектрических сигналов первичных задатчиков; это

численным коллегам автор выражает глубокую при-

и сами неэлектрические задатчики с механическими

знательность за сотрудничество.

соединителями; это выходные исполнительные устрой-

Особая благодарность рецензенту книги, заведу-

ства неэлектрического принципа действия, например

ющему кафедрой "Автоматизация производствен-

форсунки впрыска, а также все гидравлические и

ных процессов" МАДИ-ТУ, доктору технических наук,

пневматические клапаны системы; это и механическое

профессору Воробьеву В. А. за прочтение и принци-

устройство привода дроссельной заслонки при работе

пиальные

исправления

рукописи книги.

В.1. Предварительные замечания

томобиле установлен бензиновый двигатель), которая

преобразует энергию постоянного тока бортовой се-

Бортовое оборудование по функциональному на-

ти в импульсное напряжение высоковольтного искро-

значению и по месту, которое оно занимает, можно

вого разряда на свечах зажигания.

подразделить на комфортное (внутреннее оборудо-

• Перечисленные

электротехнические

устройства

вание кузова), навесное (оборудование двигателя) и

принято относить к навесному оборудованию двигате-

функциональное (оборудование кузова, шасси и хо-

ля, так как все они (кроме аккумуляторной батареи)

довой части).

установлены на двигателе. К навесному оборудова-

По принципу действия и устройству бортовое обо-

нию относятся также некоторые устройства системы

рудование может быть механическим, пневматичес-

топливного питания, например карбюратор с воздуш-

ким, гидравлическим, электрическим, электронным и

ным фильтром или форсунки впрыска топлива, а так-

автотронным.

же подсистема выпуска отработавших газов.

По выполняемым функциям устройства, входящие

• К комфортному оборудованию кузова относят

в состав автомобильного бортового оборудования,

подсистему электроподогрева сидений;

внутреннее

исключительно разнообразны. Работа многих из них

освещение и отопление; вентиляцию и кондициони-

связана с необходимостью использования какого-ли-

рование;

электроприводы стеклоподъемников, люка

бо вида энергии. Самым удобным видом энергии для

на крыше, радиоантенны; центральный замок две-

применения на борту автомобиля является электри-

рей; прикуриватели; средства противоаварийной за-

ческая энергия. Поэтому значительная часть борто-

щиты водителя и пассажиров, а также все средства

вого оборудования относится к электрооборудова-

теле-аудио-видео-радио и телефонной техники. В ком-

нию автомобиля.

фортное оборудование включают также и противо-

• Для обеспечения электроэнергией автомобиль

угонные устройства*.

оснащен автономной бортовой электроэнергетичес-

• Третьей группой бортового оборудования авто-

кой системой, которую принято называть системой

мобиля является так называемое функциональное

электроснабжения. В эту систему входят: бортовая

оборудование. По отношению к кузову функциональ-

аккумуляторная батарея, электрогенератор, а также

ное оборудование — это все устройства наружного

подсистема соединительных проводов с моноблоком

освещения и сигнализации, наружные зеркала, ос-

предохранителей и набором коммутационных уст-

текление кузова, стеклоочистители и стеклоомывате-

ройств. Таким образом, эта система представляет

ли, бампера, молдинги и прочее. Из этой группы в

собой электрическую бортовую сеть.

электрооборудование включают систему

наружного

• Второй электроэнергетической частью бортового

освещения, приборы наружной световой и звуковой

оборудования является система электростартерного

сигнализации, а также электропривод и электроподо-

пуска двигателя внутреннего сгорания. В эту систему

грев наружных зеркал заднего вида.

входят: стартерный электродвигатель, механическая

Внутри кузова к функциональному электрообору-

подсистема передачи вращения от электродвигателя

дованию относятся контрольно-измерительные при-

кдвигателювнутреннегосгорания, стартерная аккуму-

боры, водительский пульт управления, внутренняя

ляторная батарея, подсистема управления стартером

световая и звуковая сигнализация.

и большеточные соединительные электропровода.

* Почти все устройства

комфортного оборудования

АЛЯ

завела, вы-

• В электрооборудование автомобиля входит так-

пускающего

автомобиль,

являются

покупными изделиями,

и при рас-

же система электроискрового зажигания (если на ав-

смотрении

бортового оборудования,

как правило,

не описываются.

Введение

• Немалая часть функционального оборудования

Таким образом, второе поколение автомобильно-

установлена на шасси и на ходовой части автомоби-

го электрооборудования — это первый этап внедре-

ля. Здесь устройства функционального оборудования

ния полупроводниковых устройств и релейных

в основном механического или гидромеханического

средств автоматики в автомобильные электросети.

принципа действия. Прежде эти устройства рассмат-

Ко второму поколению относят также полупроводни-

ривались как составные части механических агрега-

ковые выпрямительные схемы электрогенераторов и

тов и никакой автоматикой не оснащались. Но в по-

первые контактно-транзисторные системы зажига-

следние годы чисто механические устройства (короб-

ния. Сюда же включают электронные и релейные ус-

ка переключения передач, гидравлические тормоза,

тройства управления вспомогательными бортовыми

подвеска автомобиля) автоматизируются с примене-

подсистемами, имеющими общее название "элект-

нием электронного управления. Появились совер-

ропакет"*. На автомобиле стало широко использо-

на 50-е годы XX века, когда бортовая комплектачаще называют "автотронным оборудованием".

ция автомобиля электрическими устройствами ста-

Особенностью автотронного оборудования явля-

ла заметно расширяться. Появились самые разно-

ется то, что оно создается с применением самых

образные электротехнические средства дополни-

разнообразных физических принципов и средств ав-

тельной бортовой

механизации:

электрозеркала,

томатического управления и регулирования, а управ-

электроантенны, электрические

стеклоподъемни-

ляется электронной цифровой автоматикой, в осно-

ки, электролюки, электроустановка и электроподо-

ве которой лежит бортовой компьютер с постоянной

грев сидений,

электровентиляторы,

кондиционеры

и оперативной памятью.

и т.п. Управление электросхемами и электроприво-

• Но фантазии автомобилестроителей этим не ог-

дами этих устройств потребовало применения в

раничиваются. Появились первые признаки приме-

электрических

схемах

автомобиля

значительного

нения на автомобиле суперсложной автоматики уп-

количества электромагнитных реле и полупровод-

равления четвертого поколения. Уже опробованы

никовых приборов, которые к этому времени уже

идеи применения систем радарно-компьютерной и

выпускались

серийно.

Так

на

борту

автомобиля спутниковой автонавигации и систем определения

стали применяться средства электроавтоматики и

* Электропакет — разговорный

технический

термин. Широко ис-

электроники.

пользуется в быту и в газетных

рекламных

объявлениях.

Обозна-

*

Классическими

принято называть

такие

излелия,

которые широчает совокупность технических устройств

вспомогательного

(чаше

ко

применялись

ранее

и послужили прототипами АЛЯ разработкивсего комфортного) назначения,

которые

в

состав классического

новой современной

техники.

оборудования не включаются.

координатнаместностидляупрощенияавтоматизиро-

автомобиля в режиме автопилота, самозащита ав-

ванного передвижения автомобиля по городским и

томобиля от аварийных ситуаций, электронное ре-

шоссейным автодорогам, а также для поиска и нахож-

зервирование функций управления и многое, мно-

дения нуждающегося в помощи автотранспорта. Для

гое другое.

ряда крупнейших городов мира составлены "элек

-

• На рис. В.1 приведена условная классификация

тронные карты", которые записаны на лазерных дис-

автомобильного бортового оборудования по поколе-

ках. С помощью дисковода, компьютера и цветного

ниям.

дисплеямаршрутдвижениявыдаетсяводителюавто-

Признаком классификации по поколениям являет-

матически. Переключается система от реперных ме-

ся поэтапное внедрение новой техники:

ток на местности.

1. Первое поколение — электрофикация автомо-

В четвертое поколение бортового оборудова-

биля; создание классического электрооборудования.

ния автомобиля, основным признаком которого

2. Второе поколение — внедрение аналоговой по-

будет полная компьютеризация процессов управ-

лупроводниковой схемотехники на дискретных ра-

ления, регулирования и контроля, войдут также и

диоэлементах: создание простейших электронных

такие специальные системы, как самоуправление

схем для управления электрическими устройствами.

Введение

3. Третье поколение — широкое внедрение на

тродвигателя ЭД. Но в этой трехзвенной модели не

борту автомобиля электронного оборудования циф-

менее сложным оказалось создать устройство уп-

рового принципа действия. Создание новых систем

равления VV. Кроме того, было совершенно не яс-

бортовой

автоматики,

таких

как:

электронныйно, от чего и где можно будет подзаряжать ХАКБ.

впрыск топлива, цифровое управление зажиганием,

Стали также подвергать критическому анализу глав-

электронное управление

тормозами, экологические

ное преимущество электромобилей перед автомо-

системы

автомобиля,

бортовая

самодиагностика,

билями — экологическое. Сначала как аксиома бы-

схемотехническое резервирование и т.п.

ло принято предположение, что электромобиль аб-

4. Четвертое поколение — полная компьютериза-

солютно чистое транспортное средство, наподобие

ция процессов автоматического управления, контроля

троллейбуса без проводов. Однако ходовые бата-

и регулирования с применением центрального борто-

реи и станции их обслуживания сами по себе могут

вого компьютера и со значительным расширением вы-

стать источниками ядовитого загрязнения окружа-

полняемых функций. Оборудование автомобиля радар-

ющей среды. Нетрудно себе представить, что будет

ными средствами. Создание совершенно новых прин-

с Москвой, когда хотя бы каждый третий из 3 мил-

ципов управления автомобилем и его агрегатами.

лионов столичных автомобилей станет электромоби-

лем. В среднем 20 тысяч тонн сернокислотного эле-

В.З. Электромобили

ктролита, будут кататься по московским улицам. В

Москве ежедневно регистрируется до 20-30 аварий

с крупными повреждениями автомобилей. В мос-

Следует сказать отдельно о новых, еще не разра-

ковские реки будет выливаться около тонны серной

ботанных моделях автомобилей. Это эвристические

кислоты в сутки. Значит, и в атмосфере прибавится

модели будущего (концепткары).

загрязнений.

В среде автомобилестроителей уже давно диску-

К этому надо добавить, что ежедневная подзаряд-

тируется вопрос о целесообразности широкого ис-

ка ХАКБ для одного миллиона электромобилей потре-

пользования электромобилей вместо автомобилей.

бует от Мосэнерго дополнительно электроэнергии

• Классическая схема

электромобиля

показана еще столько же, сколько оно вырабатывает.

на рис. В.2. Схема включает высоковольтную (не ни-

• В настоящее время ведется ряд научных разра-

же 100 вольт) ходовую аккумуляторную

батарею боток в направлении поиска новых химических ис-

ХАКБ, электродвигатель ЭД (либо монотипа, либо ко-

точников тока (ХИТ). Опробованы на электромобилях

лесный — для каждого ведущего колеса отдельно) и

и щелочные аккумуляторы, и солнечные батареи, и

устройство управления VV (контроллер), которое уп-

топливные элементы. Топливные элементы — это од-

равляет энергией ходовой АКБ при ее подаче к элек-

норазовые химические источники тока (ХИТ), кото-

тродвигателюЭД.

рые работают по принципу превращения энергии вы-

Первоначально считалось, что такой электромо-

сокотемпературной химической реакции в электри-

биль предельно прост и вся проблема сведется к

ческую энергию. Обладают малыми габаритами и ве-

разработке новых конструкций ходовой АКБ и элек-

сом, интенсивной токоотдачей, но непродолжитель-

ны в действии. Широко применяются в специальной

военной аппаратуре. Для электромобилей могут ока-

заться перспективными щелочные воздух-алюминие-

вые топливные элементы, в которых "выгорает" лис-

товой алюминий и в которых можно легко и быстро

сменить реагенты. Такой топливный элемент может

быть многоразовым. Однако применяемость его в

электромобилях ограничена высокой стоимостью ка-

тализаторов, входящих в состав воздух-алюминие-

вых ХИТ, и сложностью реализации многократных ос-

тановок химической реакции на непродолжительное

время (стояночный режим электромобиля). Однако с

использованием перечисленных источников тока до-

стичь для электромобиля уровня технических показа-

Рис. В.2.

телей автомобиля-прототипа пока не удается. Из ска-

занного ясно, что классический электромобиль —

Классическая схема электромобиля:

это не автомобиль будущего.

ХАКБ — ходовая аккумуляторная батарея; YV — электрон-

• Теперь идет поиск других вариантов. Например,

ное устройство управления

(контроллер);

ЭД

— ходовой

электродвигатель.

на

автомобиль (рис. В.З) устанавливается обычный

ДВС (1), но работает он не грямо на ходовую часть, а

на мощный электрогенератор (2). Этот электрогенера-

мощью ходовой электрической машины, которая пе-

тор запитывает через электронное устройство управ-

реводится из режима двигателя в режим генерато-

ления (3) электродвигатель (4), сочлененный через ко-

ра; кинематическая энергия массы движущегося

робку переключения передач КПП (5) с обычной ходо-

электромобиля преобразуется в электрическую с це-

вой частью (7) автомобиля. Возможен и такой вари-

лью заряда ХАКБ.

ант компоновки узлов и агрегатов бензоэлектромоби-

Теперь водителю не надо будет беспокоиться —

ля, при которой на трансмиссию будут работать два

доедет ли его электромобиль до зарядной станции.

двигателя — бензиновый и электрический.

Для бензоэлектромобиля емкость ходовой АКБ может

Какие преимущества это дает перед классичес-

быть значительно снижена. А значит, вес, габариты

кимавтомобилем?

ХАКБ и литраж перевозимого по городу электролита

Во-первых, так как ДВС работает на электрогене-

можно будет свести к разумной норме. При меньших

ратор, режимы ДВС тривиальны: холостой ход, сред-

габаритах для ХАКБ на борту транспортного средства

няя ходовая нагрузка (городской режим движения) и

найдется аварийно безопасное место. Остается одна

полная нагрузка. Этим трем режимам могут соответ-

проблема — утилизация отработавших ХАКБ.

ствовать три совершенно точных по исполнению сво-

. Отечественный завод "Ижмаш" на базе универ-

их функций режима работы системы впрыска топли-

сального автомобиля ИЖ-21261 создал бензоэлект-

ва и электроискрового зажигания. Более того, бен-

ромобиль с

гибридной

силовой установкой

зиновый двигатель электромобиля может работать и

ДВС+ЭДВ+АКБ (8x12 В) и с параллельным соединени-

в стационарном режиме, т.е. с постоянным числом

ем двигателей через специальный редуктор. Экспе-

оборотов коленвала.

риментальные образцы выпускаются с 1998 года.

Одно это позволит получить не только экономию

Недостатки: высокая стоимость, малый запас элект-

топлива, но главное — более чистый по составу вы-

рохода (12 км); возможность попадания агрессивной

хлоп отработавших газов. Таким образом, двигатель,

среды в салон, отсутствие багажного отделения, тя-

ожидаемое преимущество бензоэлектромобиля пе-

энергоустановки, низкая приемистость. Преимущест-

ред обычным автомобилем.

ва: уменьшенный расход бензина 3 л/100 км (у про-

Во-вторых, электрогенератор будет работать не

тотипа 6,5 л/100 км).

только на электропривод автомобиля, но и на заряд

. Что же может статься с бортовым оборудовани-

ходовой АКБ. Следовательно, может быть эффектив-

ем будущего бензоэлектромобиля? Ясно, что роль

но решена проблема подзарядки ХАКБ.

бортовых электрических устройств резко возрастет.

В тех случаях, когда бензоэлектромобиль будет

Особенно это касается устройств ходового электро-

заезжать в центр города, ему не обязательно дви-

привода и его управления. Некоторые системы видо-

гаться с работающим ДВС. Переключив электропри-

изменятся, например система стартерного пуска

вод на ХАКБ, можно достаточно долго перемещаться

ДВС может стать другой, так как пуск можно будет

от энергии химического источника тока (ХИТ). Допол-

осуществлять от ходового электродвигателя и борто-

нительная подзарядка ходовой батареи при тормо-

вой ХАКБ. Навесное оборудование ДВС (впрыск топ-

жении может осуществляться и в режиме рекупера-

лива, зажигание, утилизация отработавших газов)

ции. Рекуперация — возврат части энергии процесса

может упроститься, так как число рабочих режимов

движения для повторного использования. Рекупера-

ДВС будет ограничено. Что касается навигационного

тивное торможение электромобиля реализуется с по-

и комфортного оборудования, оно может и не пре-

терпеть изменений. Возможно, приобретут большее

значение электросистемы внутрисалонной вентиля-

ции, изменится конструкция самого кондиционера,

будут установлены аварийные средства пожарной

безопасности и защиты от короткого замыкания в

электрических цепях больших токов.

« Однако не исключено и такое развитие событий,

при котором электромобильная схема силового при-

вода все-таки не найдет широкого применения на лег-

Рис. В.З.

ковых автомобилях. Альтернативой электромобилю

может стать автомобиль с двигателем на водородном

Бензоэлектромобиль:

топливе. Или будет разработан настолько совершен-

1—бензиновыйДВС; 2—электрогенератор; 3—контрол

-

ный легкотопливный двигатель, что его замена на ав-

лер (ЭБУ); 4 — ходовой электродвигатель; 5 — коробка пе-

томобиле станет нецелесообразной. Так, если будет

реключенияпередач;6—ходоваяАКБ;7—дифференциал

разработан бензиновый двигатель с чисто электрон-

ведущего моста; К — ведущие колеса (движители).

ным управлением клапанами газораспределительна