|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 101-150
Введение в автомобильную электронику.
Х. Сига, С. Мидзутани. 1989 г.
Глава 3. Управление двигателем и трансмиссией.
3.1. Управление бензиновым двигателем
Управление бензиновым двигателем представляет собой базирующуюся на микроЭВМ систему комплексного регулирования впрыска топлива, угла опережения зажигания, детонации, частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу.
Эта система выполняет также функции диагностики и обеспечивает оптимальные условия работы двигателя, улучшает его рабочие характеристики, повышает чистоту отработавших газов, экономичность и другие параметры.
На рис. 3.1 показан пример электронной системы управления двигателем.
Центральной частью этой системы является электронный блок управления (ЭБУ). Его внешний вид представлен на рис. 3.2,
а блок-схема — на рис. 3.3.
Ниже мы более подробно опишем работу этой системы.
3.1.1. Управление впрыском топлива.
С целью улучшения рабочих характеристик двигателя, повышения чистоты отработавших газов, экономичности, мощности система управления впрыском топлива рассчитывает на основании сигналов датчиков количество впрыскиваемого топлива для получения оптимального соотношения топлива и воздуха в горючей смеси.
Количество впрыскиваемого топлива определяется временем открытия электромагнитного клапана форсунки.
(1) Параметры
На практике в большинстве случаев впрыск топлива осуществляется синхронно: на один оборот коленчатого вала двигателя выполняется один впрыск. Но во время ускорения автомобиля для повышения мощности двигателя наряду с синхронным осуществляется асинхронный впрыск. Время синхронного впрыска определяется формулой (3.1):
Продолжительность синхронного впрыска = основное (базовое) время впрыска Х коэффициент коррекции + поправка времени впрыска на изменение напряжения питания. (3.1)
1) Основное время впрыска — это время, соответствующее (как показано в разд. (2)) количеству топлива, требуемому для создания теоретически необходимого коэффициента избытка воздуха (соотношения воздух — топливо). При этом массовый заряд воздуха, поступающий в цилиндр за цикл, рассчитывается по данным датчика расхода воздуха и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Эти соотношения представлены формулой (3.2):
Основное время впрыска = К (коэффициент) X расход воздуха/частота вращения коленчатого вала двигателя. (3.2)
2)Поправка времени впрыска на изменение напряжения питания
Поскольку время срабатывания электромагнитной форсунки изменяется в зависимости от напряжения питания, необходимо введение соответствующей корректировки. Величина поправки в функции напряжения питания представлена на рис. 3.4.
3) Коррекция количества впрыскиваемого горючего
С целью улучшения характеристик двигателя во время его прогрева (стабильности работы, приемистости, состава отработавших газов и т. п.) выполняются разного рода коррекции количества впрыскиваемого топлива относительно основного времени впрыска. Ниже приводятся примеры такой коррекции.
а. Коррекция на время прогрева
Для улучшения работы холодного двигателя в зимнее время на основании сигналов датчика температуры охлаждающей жидкости количество впрыскиваемого горючего увеличивается. После завершения прогрева введение данной коррекции прекращается. Изменение коррекции показано на рис. 3.5.
б. Коррекция после пуска двигателя
Благодаря этой коррекции стабилизируется частота вращения коленчатого вала двигателя непосредственно после пуска. Зависимость коррекции от температуры охлаждающей жидкости обеспечивается в соответствии с графиком, показанным на рис. 3.6.
Она прекращается через определенное время после пуска.
в. Коррекция для увеличения приемистости двигателя во время прогрева
Для увеличения приемистости двигателя во время его прогрева обеспечивается зависимость коэффициента коррекции от температуры охлаждающей жидкости, показанная на рис. 3.7.
г. Коррекция для предотвращения перегрева
Во избежание перегрева двигателя, нейтрализатора и других деталей автомобиля при движении в режиме максимальной мощности необходимо обогащение топливной смеси. Для этого вводится специальная коррекция времени впрыска в зависимости от сигналов датчиков расхода воздуха, частоты вращения коленчатого вала и др.
д. Коррекция с учетом температуры всасываемого воздуха
Поскольку плотность воздуха изменяется с изменением его температуры, проводится коррекция, показанная на рис. 3.8.
е. Коррекция соотношения воздух-топливо методом обратной связи
На рис. 3.9 показана зависимость выброса компонентов отработавших газов от коэффициента избытка воздуха (лямбда) , характеризующего состав горючей смеси.
Для того чтобы с помощью трехкомпонентного нейтрализатора достигнуть одновременно высокой степени очистки отработавших газов по компонентам СО, НС и NOx, необходима при различных условиях работы двигателя точная регулировка коэффициента избытка воздуха таким образом, чтобы состав смеси был максимально близок к стехиометрическому. С этой целью с помощью датчика, установленного в выпускной системе, измеряется концентрация кислорода в отработавших газах. Таким образом организуется обратная связь в системе автоматической стабилизации стехиометрического состава горючей смеси.
На рис. 3.10 показаны схема системы управления соотношением воздух — топливо с обратной связью от датчика кислорода и форма выходного сигнала датчика кислорода.
Однако датчик кислорода не работает, пока его температура низка. Поэтому до окончания прогрева реально имеющее место соотношение воздух — топливо определяется ЭБУ без использования датчика кислорода.
4) Прекращение подачи топлива
а. Прекращение подачи топлива при снижении скорости
Производится для повышения топливной экономичности за счет прекращения впрыска топлива на принудительном холостом ходу, когда при высокой частоте вращения двигателя полностью закрывается дроссельная заслонка. Когда частота вращения коленчатого вала двигателя падает ниже заданной величины, подача топлива возобновляется. На рис. 3.11 показан реализуемый закон управления прекращением подачи топлива.
б. Прекращение подачи топлива при высокой частоте вращения
Для предотвращения повреждения двигателя из-за превышения частоты вращения коленчатого вала, впрыск топлива прекращается, как только частота вращения превысит заданную величину.
5) Характеристики впрыска при пуске двигателя
При пуске двигателя задается количество впрыскиваемого топлива (время впрыска), определяемое температурой охлаждающей жидкости (рис. 3.12).
После того как частота вращения двигателя превысит заданную величину, продолжительность синхронного впрыска возвращается к прежнему значению.
6) Система впрыска горючего
В многоцилиндровых автомобильных двигателях в основном используется система синхронного впрыска, в которой для всех цилиндров за один оборот коленчатого вала производится одна подача топлива. На рис. 3.13 показана фазовая диаграмма впрыска 6-цилиндрового двигателя.
Кроме того, существуют системы независимого впрыска для каждого цилиндра или групп из двух-трех цилиндров.
7) Асинхронный впрыск
Обычный (синхронный) впрыск используется при пуске двигателя, когда благодаря обогащению смеси сразу после включения стартера улучшаются пусковые характеристики двигателя. В системе, изображенной на рис. 3.1, для этого применен специальный электромагнитный клапан (форсунка холодного пуска).
При ускорениях автомобиля впрыск задается в зависимости от величины ускорения с учетом сигналов с датчиков. Таким образом, улучшаются динамические характеристики автомобиля.
(2) Датчики
1) Расходомер воздуха
Количество расходуемого воздуха определяется из соотношения напряжений на клеммах потенциометра. Конструкция расходомера показана на рис. 3.14,
схема и характеристика — на рис. 3.15.
Воздух, проходящий в двигатель через воздушный фильтр, изменяет угол поворота подвижной заслонки, на которую кроме скоростного напора воздуха действует тарированная пружина. При этом величина расхода воздуха преобразуется в соотношение напряжений потенциометра, который непосредственно соединен с осью заслонки.
Расход воздуха = Vs/Vc
2) Датчик угла поворота коленчатого вала
Обычно датчик угла поворота коленчатого вала конструктивно размещается в корпусе распределителя зажигания и состоит из двух катушек и двух роторов из магнитного материала.
Одна пара катушка — ротор выдает сигнал угла поворота коленчатого вала G, другая — сигнал скорости вращения коленчатого вала двигателя Ne.
На рис. 3.16 показан пример конструкции датчика-распределителя,
на рис. 3.17 —устройство каждой из пар,
а на рис. 3.18 — формы их выходных сигналов.
В приведенном примере G-ротор имеет два выступа с угловым промежутком 180°С, а Ne-ротор — 24 выступа с промежутком 15°, и оба насажены на вал распределителя, за один оборот которого на выходе датчика появляются два импульса сигнала G и 24 импульса сигнала Ne.
В ЭБУ скорость вращения коленчатого вала определяется из измерений промежутка времени между импульсами сигнала Ne.
3) Датчик температуры охлаждающей жидкости
Обычно датчик температуры устанавливается поблизости от термостата, и в качестве чувствительного элемента в нем используется материал, сопротивление которого существенно зависит от температуры. Конструкция и характеристика датчика температуры охлаждающей жидкости показаны на рис. 3.19.
4) Датчик температуры воздуха
Датчик температуры имеет термочувствительный элемент с характеристикой, аналогичной термометру датчика температуры охлаждающей жидкости. Он входит обычно в конструкцию датчика расхода воздуха (см. рис. 3.14).
5) Датчик угла открытия дроссельной заслонки
Датчик размещается около дроссельной заслонки. Данные об угле открытия дроссельной заслонки выдаются в виде напряжения с потенциометра, связанного с заслонкой. На рис. 3.20 показаны конструкция и схема датчика.
6) Датчик кислорода
Датчик устанавливается в выпускной системе. Он выдает данные о концентрации кислорода в отработавших газах, реагируя на отклонение от стехиометрического состава горючей смеси, попадающей в цилиндры.
На рис. 3.21 показан внешний вид датчика кислорода,
а на рис. 3.22—его конструкция и характеристика.
Датчик кислорода представляет собой элемент из порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя стороны которой покрыты пористой платиной.
Наружная поверхность элемента подвергается воздействию отработавших газов. Используется сильная зависимость ЭДС твердотельного гальванического элемента на двуокиси циркония от концентрации кислорода.
(3) Исполнительные устройства
1) Форсунка
На рис. 3.23 показана конструкция форсунки.
Сигнал на начало впрыска с выхода ЭБУ подается на катушку, смонтированную в металлическом корпусе. Катушка притягивает якорь, и игольчатый клапан (запорная игла), прикрепленный к якорю, открывается. При этом происходит впрыск горючего, так как давление горючего, создаваемое топливным насосом при работающем двигателе, составляет обычно около 2 атм (2,026*10*5 Па).
Поскольку величина подъема игольчатого клапана задана, количество впрыскиваемого топлива пропорционально времени открытия клапана. Таким образом, количеством впрыскиваемого топлива можно управлять, изменяя длительность сигнала, подаваемого от ЭБУ на обмотку форсунки.
В связи с тем, что обмотка форсунки обладает индуктивностью, может возникнуть задержка закрытия клапана после прекращения сигнала. Для повышения быстродействия срабатывания форсунки необходимо уменьшить число витков обмотки и ее индуктивность. Однако при этом уменьшается и сопротивление обмотки и ток становится слишком большим. Поэтому последовательно с обмоткой включается резистор, который ограничивает величину тока (рис. 3.24).
(4) Датчики расхода воздуха
Для управления впрыском топлива чрезвычайно важно измерение расхода воздуха с высокой точностью, так как измеренная величина используется в качестве базы для управления соотношением воздух — топливо.
В разд. (2) рассказывалось о потенциометрическом датчике расхода воздуха. Существуют и другие принципы работы расходомеров, например принцип перепада давления во впускном трубопроводе, завихрений Кармана, нагретой проволоки и др.
1) Принцип перепада давления во впускном трубопроводе
Разрежение во впускном трубопроводе за дроссельной заслонкой измеряется датчиком давления. Эти данные и данные о частоте вращения коленчатого вала двигателя обрабатываются в ЭБУ. Таким образом косвенно рассчитывается расход воздуха. Этот метод называется также методом потребления или методом «скорость — плотность».
На рис. 3.25 показаны конструкция и характеристика полупроводникового датчика давления.
В преобразователе давления на кремниевом кристалле используется пьезорезистивный эффект. На поверхности кристалла сформирован мостик сопротивлений, ток через которые изменяется под действием деформации. Этот ток усиливается и вводится температурная компенсация. Таким образом формируется выходной сигнал.
2) Датчик Кармана
Пример такого датчика показан на рис. 3.26,
а его характеристика — на рис. 3.27.
Если в поток потребляемого двигателем воздуха поместить генератор вихрей (завихритель), то за ним образуются несимметричные упорядоченные вихри, которые называются рядом Кармана. Число вихрей почти пропорционально расходу всасываемого воздуха. В примере, показанном на рисунке, ультразвуковые волны генерируют вихри, количество которых преобразуется в выходные электрические сигналы (импульсы) датчика.
3) Термоанемометрический датчик
На рис. 3.28 показана конструкция такого датчика.
Основой его конструкции является помещенная в поток поступающего в двигатель воздуха платиновая проволока, нагреваемая электрическим током. Проволока охлаждается в зависимости от расхода воздуха, и ее сопротивление изменяется. Таким образом, расход воздуха можно определять по величине тока. Нагреваемая проволока, представляющая собой одно плечо измерительного мостика, обладает малой теплоемкостью и, следовательно, малой тепловой инерционностью. Другим важным преимуществом термоанемометра является возможность измерять массовый расход воздуха. Недостатком же является оседание на проволоке взвешенной в воздухе пыли, что снижает точность измерения, а также возможность сжигания проволоки при вспышках горючей смеси во впускной системе двигателя.
|
