|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50
Система впрыска топлива «Mono-Motronic»
Д.Соснин
Система "Mono-Motronic" представляет собой комплексную систему управления бензиновым двигателем для легковых автомобилей среднего потребительского класса. В ее состав входят компоненты электроискрового зажигания и центрального одноточечного впрыска топлива.
Как только в различные системы управления автомобильным двигателем стали внедрять электронную автоматику, сразу стало ясно, что многие функции этих систем одинаковые. Например, для нормального функционирования системы зажигания требуется постоянно определять частоту вращения и нагрузку двигателя. Но то же самое необходимо определять и при работе системы впрыска.
Функцию определения частоты вращения двигателя выполняет датчик Холла или любой другой бесконтактный электроимпульсный датчик. Таким образом, датчик частоты вращения становится общим для двух электронных систем автоматического управления на двигателе. Совершенно очевидно, что создавать две во многом одинаковые системы управления нецелесообразно. Проще и дешевле все функции управления двигателем свести в единую систему. Так на автомобильных двигателях появились ЭСАУ — комплексные электронные системы автоматического управления .
*Фирма BOSCH выпускает универсальные электронные блоки управления (ЭБУ) для ЭСАУ-двигателем под общим названием "Авторегулятор Motronic". Такие ЭБУ обеспечивают работу любой системы впрыска (К, КЕ, Mono, L) совместно с электронно-цифровой системой зажигания.
• Система "Mono-Motronic", функциональная схема которой показана на рис. 1, является типичным представителем ЭСАУ для двигателей легковых автомобилей не выше среднего потребительского класса.
Как видно из рисунка, в эту систему интегрированы функции двух систем управления — системы зажигания и системы моновпрыска топлива. Поэтому второе слово в названии системы — "Motronic" (от MOnoelekTRONIC — единое электронное управление) — символизирует тот факт, что электронный блок 27 выполнен в виде моноблока для двух систем управления. Система разработана фирмой BOSCH на основе системы впрыска "Mono-Jetronic" и системы зажигания (TSZ). Начиная с 1978 года, система "Mono-Motronic" устанавливается на тех же легковых автомобилях, что и система "Mono-Jetronic".
• По принципу действия система "Mono-Motronic" мало чем отличается от своих прототипов. Главный функциональный блок — центральный впрыскивающий узел 8, кото рый подробно описан в [1], в обеих системах один и тот же. Но в компонентном составе систем есть принципиальные отличия. Если система оборудована механическим датчиком-распределителем, то теперь он не содержит вакуумного регулятора, функции которого выполняет датчик 14 положения дроссельной заслонки. Но чаще в системе "Mono-Motronic" датчик-распределитель отсутствует, а его функции выполняют два новых устройства: индуктивный датчик коленвала 25 и многоканальный модуль зажигания 26. Контроллер 27 системы "Mono-Motronic" помещен в такой же защитный кожух, как и системы "Mono-Jetronic". Внешнее отличие контроллеров сводится к различию соединительных разъемов по числу выводов: в "Mono-Motronic" 35 выводов, а в "Mono-Jetronic" — 32.
•Наиболее существенным является отличие в подсистемах топливоподачи. Так, система впрыска в "Mono-Motronic" (для автомобилей с ДВС объемом до 1,6 л) обо рудована подсистемой дополнительной подкачки бензина. В бензобаке 1 установлен вспомогательный подкачивающий электробензонасос 2 (см. рис. 1). Этот насос обеспечивает давление 0,25 бара и прокачивает около 65 л в час (при напряжении 12 В и токе 2 А). Второй (основной) электробензонасос 3 расположен под днищем автомобиля рядом с бензобаком. Этот насос потребляет ток 5 А при напряжении 12 В и создает рабочее давление в прямой топливоподающей магистрали 1,2...1,5 бар (производительность 80 л/ч). Несколько измененная подсистема топливного питания (рис. 2) оборудована двумя электробензонасосами 4 и 12, а также двумя топливными фильтрами 10 и 13, один из которых (10) используется как резервная емкость (200 мл). Назначение резервной емкости — обеспечивать топливом систему впрыска при значительном боковом крене автомобиля (более 40°) и при прохождении поворотов на большой скорости. Интересно отметить, что обратный слив топлива производится не прямо в бензобак, а через резервную емкость 10. Этим обеспечивается снижение нагрузки на подкачивающий бензонасос 4 и уменьшение потребляемого им тока. На автомобилях с вертикальным бензобаком (например, на "Audi-80") подкачивающий насос и второй фильтр с резервной емкостью не применяются.
•На автомобилях с мощным двигателем (объемом более 1,8 л) в бензобак устанавливается универсальный бензонапорный узел (БНУ), а подсистема топливоподачи собирается по схеме, показанной на рис. 2, но без резервной емкости 10 и с прямым сливом бензина в бензобак. Начиная с 1989 г., такой подсистемой оборудуются автомобили "Volkwagen Corrado G60", а с 1992 года — автомобили "Audi" серии " А".
На рис. 3 показан бензонапорный узел в разрезе.
Корпус 4 БНУ является гидроаккумулятором 7 с емкостью 600 мл. На его боковую наружную поверхность установлен датчик 10 уровня топлива с поплавком 27. Крепится корпус БНУ к днищу 1 бензобака с помощью специального поворотного затвора 2. С прямым 14 и обратным 15 бензоштуцерами бензоподающий узел соединен через герметичную крышку — платформу 13 посредством шлангов 12 и 18 из бензостойкой резины. Внутри корпуса БНУ смонтированы два бензонасоса с приводом от общего электродвигателя 21. Первый подкачивающий бензонасос 5 лопастной, а основной 6 — шестеренчатый (с внутренним зацеплением зубьев). Производительность основного насоса при работе с системой "Mono-Motronic" 80 л/ч, давление 1,2...1,5 бар. Напряжение питания 12 В подается от бортсети по электропроводам 19. Ток потребления 5 А. Выходной канал 25 служит для вытеснения паровых и воздушных пробок, а также излишнего бензина из гидроаккумулятора. Как и в старых конструкциях одноступенчатых электробензонасосов (см. [2]), через электродвигатель прокачивается весь поток бензина.
• Важным отличием систем топливного питания современных легковых автомобилей является наличие в них подсистемы утилизации паров бензина с управлением от кислородного датчика. В старых моделях автомобилей без герметизации бензобака пассивные потери топлива (за счет испарения из бензобака и слабых уплотнений в других узлах системы питания) составляют 10...15% от общих выбросов вредных веществ в атмосферу. Бензобак современного легкового автомобиля обязательно герметизирован. Это требует установки в подсистему топливоподачи специальных средств за щиты бензобака как от расширения парами бензина, так и от сжатия его стенок разрежением. Разрежение устраняется специальными воздушными клапанами на горловине бензобака, а пары бензина отводятся в специальный резервуар, наполненный активированным углем. Так организуется приточно-вытяжная вентиляция бензобака, работу которой можно пояснить на примере функционирования трехкомпонентного пневмоклапана ТПК. В состав ТПК (рис. 4) входят три отдельных воздушных клапана:
перепускной, атмосферный и гравитационный.
Пока давление Рп паров в бензобаке равно атмосферному (Ра=Рп), трехкомпонентный пневмоклапан ТПК закрыт (рис. 4, а).
Перепускной клапан срабатывает при излишнем давлении паров бензина в бензобаке. Это может быть следствием как высокой температуры воздуха в атмосфере, так и нагрева той части бензина, которая возвращается в бензобак по обратной магистрали от системы впрыска. При этом давление Рп паров в бензобаке выше атмосферного Рп>Ра (рис. 4, б), и подвижная платформа 7, преодолевая сопротивление пружины 9, приподнимается вверх и пары бензина перепускаются через штуцера 1 и 10 в угольный фильтр.
Если в бензобаке возникает разрежение (Ра>Рп, рис. 4, в), то платформа 7 под действием пружины 9 опускается вниз и плотно прижимает уплотнитель 11 к опоре 5. При этом вступает в работу атмосферный клапан.
Эластичная шайба 6 атмосферного клапана под напором атмосферного давления прогибается вниз и воздух через жиклер 8, кольцевую щель 12 и далее через штуцер 1 поступает в бензобак.
Гравитационный клапан (рис. 4, г) предназначен для предотвращения утечки топлива из бензобака через пневмоклапан в угольный фильтр при большом крене автомобиля (более 40°) или при его опрокидывании во время аварии. Этот клапан содержит гравитационный каток 3 (металлический шарик), который свободно перека тывается внутри подвижной платформы 4. Сама платформа при наклоне автомобиля перемещается по наклонной плоскости 2, приподнимается вверх и перекрывает эластичным уплотнителем (конусным затвором) 13 перепускную кольцевую щель 12 к угольному фильтру (к штуцеру 10).
• Подсистема утилизации паров бензина из бензобака, которая применяется в системе "Mono-Motronic", показана на рис. 5.
Гранулы 14 активированного угля обладают свойством легко улавливать и удерживать частицы бензина и также легко их отдавать в подвижный поток 18 воздуха. Это свойство используется для накопления паров бензина из бензобака в угольном фильтре 16, пока двигатель не работает. При работе двигателя угольный фильтр продувается потоком 18 чистого всасываемого воздуха. При этом пары бензина покидают угольный фильтр и, попадая во впускной коллектор, несколько обогащают приготовленную центральным впрыскивающем узлом 1 ТВ-смесь. Чтобы обогащение происходило в нужное время, подсистема утилизации паров бензина оборудована запорно-тактовым клапаном 6, который обеспечивает перепуск паров бензина отдельными порциями на тех режимах работы двигателя, при которых датчик концентрации кислорода (ДКК) 10 указывает на необходимость обогащения ТВ-смеси. Как и все устройства с электронным управлением, запорно-тактовый клапан 6 подсистемы утилизации срабатывает от импульсных сигналов ЭБУ 11. Частота тактирования формируется в ЭБУ по сигналу от датчика концентрации кислорода 10 таким образом, что обогащение ТВ-смеси парами бензина не выходит за рамки допустимого значения для коэффициента «a».
Последовательность работы подсистемы утилизации следующая.
Когда зажигание не включено, запорно-тактовый клапан 6 закрыт. Пары бензина 19 из бензобака под действием температурного расширения по резиновому шлангу 17 канализируются в угольный фильтр 16, где осаждаются на частицах 14 активированного угля. При включении зажигания на провод 15 подается напряжение 12 В, но запорно-тактовый клапан остается закрытым, так как с массой его разобщает закрытый транзистор в ЭБУ. Клапан откроется во время работы ДВС по сигналу от ЭБУ, когда системе впрыска потребуется обогащение ТВ-смеси. В это время пары бензина сдуваются с поверхности гранул 14 активированного угля атмосферным воздухом 18 во впускной коллектор и по цепочке — шланг 7, открытый клапан 6, шланг 9 — начнут поступать в задроссельную зону центрального впрыскивающего узла 1 и далее во впускной коллектор и в цилиндры ДВС. Если же температура двигателя, которая измеряется датчиком 8 ДТД, ниже +60°С, то сигнал от ЭБУ на запорно-тактовый клапан 6 не поступает, чем не допускается переобогаще ние ТВ-смеси. Таким образом, система утилизации паров бензина срабатывает на прогретом двигателе при форсированных режимах его работы. Аналогичная подсистема утилизации паров бензина применяется и в ранее описанной [1] системе "Mono-Jetronic".
• В системе "Mono-Motronic" стабилизация оборотов холостого хода с помощью электросервопривода дополнена функцией управления по углу опережения зажигания. Электросервопривод подсистемы стабилизации холостого хода включается в работу после замыкания контакта концевого выключателя. При этом если температура охлаждающей жидкости в ДВС ниже -28°С, то толкатель сервопривода открывает дроссельную заслонку на 20 угловых градусов. После прогрева двигателя (Тд=85°С) исходное положение дроссельной заслонки на холостом ходу не превышает 3° от положения полного закрытия. Отсюда ясно, что максимальное перемещение дроссельной заслонки с помощью сервопривода не превышает 17°. Сервопривод срабатывает только тогда, когда частота вращения двигателя на холостом ходу отклоняется от номинальной на ±30 мин—1. Для современных двигателей с устойчивой частотой вращения на холостом ходу не более 600 мин—1 этого недостаточно.
Именно поэтому в системе "Mono-Motronic" применена подсистема стабилизации оборотов холостого хода по углу опережения зажигания. Она работает в интервале изменений угла ±12° от установившегося значения для номинальных оборотов холостого хода. Скорость срабатывания такой подсистемы стабилизации очень высокая. Частота вращения двигателя восстанавливается за 2.3 мс (что не превышает временного интервала между соседними вспышками в свече зажигания). Если бы такая же чувствительность была заложена в управление электросервопроводом, то ДВС стал бы работать неустойчиво с нарастанием и падением оборотов по пилообразному закону (что иногда имеет место на реальном двигателе при некоторых неисправностях в подсистеме стабилизации холостого хода).
Как уже отмечалось, контроллер системы "Mono-Motronic" включает в себя функции управления параметрами системы зажигания. Известно, что с увеличением оборотов двигателя зажигание становится более ранним. При увеличении нагрузки зажигание становится более поздним. Информация обо всех возможных текущих значениях угла опережения зажигания при изменении частоты вращения и нагрузки двигателя заложена в блоке постоянной памяти ЭБУ в виде эталонной трехмерной характеристики зажигания (см. [3]).
•В системе "Mono-Motronic" нагрузка двигателя определяется по сигналу от датчика положения дроссельной заслонки (дроссельного потенциометра), в некоторых модификациях системы — по датчику разрежения в задроссельной зоне впускного коллектора (датчик МАР). В качестве датчика частоты вращения в системе "Mono-Motronic" для двигателей автомобилей среднего потребительского класса обычно используется датчик Холла в механическом датчике-распределителе. По сигналу датчика Холла с помощью ЭБУ корректируется угол опережения зажигания по каждому цилиндру в отдельности. Диапазон регулирования —50...+ 11 угловых градусов относительно верхней мертвой точки (ВМТ). Но есть системы, в которых частота вращения и угловое положение коленвала определяются не датчиком Холла на распределителе, а индуктивным датчиком с зубчатым диском на коленчатом вале двигателя.
• Конструктивное исполнение компонентов системы зажигания может быть реализовано в двух вариантах. Первый вариант — с механическим датчиком-распределителем, когда сигнал о частоте вращения и положении коленвала формируется датчиком Холла, а распределение высоковольтного напряжения по свечам осуществляется механическим ротационным распределителем. В этом случае выходной каскад системы зажигания выполняется как самостоятельный конструктивный узел, в котором объединены воедино транзисторный компаратор и катушка зажигания.
Второй вариант — без датчика-распределителя (см. рис. 1). Здесь частота вращения и положение коленвала фиксируются с помощью одного или двух индуктивных датчиков, расположенных у коленчатого вала (датчик 25 ДКВ), а распределение высокого напряжения по свечам статическое, с помощью многоканального модуля 26 зажигания и двухвыводных катушек зажигания 20. Индуктивные датчики (если их два) располагаются над роторным диском коленвала либо над зубцами венечной шестерни маховика двигателя. Если применяется роторный диск, то он может быть расположен как на переднем, так и на заднем торце вала двигателя. Ферромагнитные впадины роторного диска активируют магнитоэлектрическую систему датчика и он вырабатывает пик напряжения на каждую впадину. Один из датчиков ДКВ предназначен для определения частоты вращения (датчик ДОД), а другой — для фиксации момента начала отсчета угла опережения зажигания (датчик ДНО). Роторный диск имеет две дорожки впадин, а на маховике для датчика ДНО устанавливается специальный ферромагнитный штырек.
Возможен вариант исполнения с одним датчиком коленвала. При этом роторный диск имеет одну дорожку активаторов, но с пропуском двух (или наличием дополнительного) в том месте, которое находится за 50° до ВМТ первого цилиндра, и тогда от места пропуска активаторов (или дополнительного активатора) формируется импульсный сигнал начала отсчета для УОЗ.
• Датчик температуры охлаждающей жидкости ДВС помимо работы в системе впрыска используется для коррекции угла зажигания в сторону опережения. Краевой контакт в электросервоприводе, сигнализирующий о закрытом состоянии дроссельной заслонки (датчик режима холостого хода), является датчиком для включения подсистемы электронной стабилизации оборотов на холостом ходу по коррекции зажигания. В режиме принудительного холостого хода этим же сигналом вводится в действие режим торможения двигателем, при котором впрыск топлива прекращается, а угол зажигания переводится в сторону опережения.
В системе "Mono-Motronic" предусмотрено выключение центральной форсунки впрыска (ЦФВ) и в тех случаях, когда частота вращения двигателя становится выше допустимой (6500...7000 мин-1). Это делается не только с целью защиты двигателя от перегрузки, но и для защиты окружающей среды от интенсивного выброса токсичных газов. Дело в том, что на предельных оборотах (режим полной нагрузки двигателя) система впрыска бензина работает с максимальным обогащением ТВ-смеси и кислородный датчик, работающий на понижение токсичности, блокируется в ЭБУ. При этом токсичность ОГ заметно повышается.
Двигатель, работающий под управлением системы "Mono-Motronic", помимо кислородного датчика обязательно содержит в выпускном тракте трехкомпонентный каталитический газонейтрализатор.
• Электронная автоматика управления зажиганием в системе "Mono-Motronic" содержит в своем составе электронную схему регулирования времени протекания тока в индуктивном накопителе. Такое регулирование [4] обеспечивает максимально возможное при данном режиме работы ДВС накопление энергии в катушке зажигания. Кроме того, для электропитания ответственных электронных схем в ЭБУ "Mono-Motronic" имеется стабилизатор напряжения на 5 В. Это обеспечивает устойчивую работу систем впрыска и зажигания при значительном падении напряжения в бортсети автомобиля (например, при пуске двигателя зимой).
• К важным преимуществам системы "Mono-Motronic" относится ее способность перенастраивать работу двигателя под: изменяющиеся атмосферные условия (температура, влажность, давление); эксплуатационный износ деталей; изменение октанового числа бензина; неконтролируемое нарушение герметичности впускного коллектора; частичную потерю компрессии в цилиндрах. ЭСАУ с такими свойствами называются адаптивными или самообучающимися, так как они способны осуществлять автокоррекцию исходных регулировок ДВС.
Двигатель, оборудованный адаптивной ЭСАУ, может эксплуатироваться без регулировки оборотов холостого хода и без проверки содержания токсичных веществ в отработавших газах.
• Для регистрации дефектов и неполадок, вызывающих значительные (заштатные) отклонения эксплуатационных параметров и характеристик двигателя, в авторегуляторе системы "Mono-Motronic" имеется регистратор неисправностей.
Регистратор занимает часть объема оперативной памяти и представляет собой запоминающее устройство с интерфейсом для бортовой самодиагностики. Все регистраторы неисправностей сохраняют информацию и после выключения зажигания, но информация "разрушается", если от бортсети отключить аккумуляторную батарею. Информация регистратора может быть "стерта" и по специальной команде. В отличие от средств самодиагностики с чек-кодированием* (применяется в системе "Mono-Jetronic") в системе "Mono-Motronic" коды неисправностей подаются на специальный диагностический разъем (см. рис. 1, поз. 30) и могут быть считаны в виде текстово-цифровой информации дефекточитающим сканером "V.A.G.1551-BOSCH" c дисплеем на жидких кристаллах. Сканер имеет четыре режима работы: Function 1 (F1) — подготовка к работе и диагностика в режиме чек-кодирования;
Function 2 (F2) — работа с текстово-цифровой информацией;
Function 3 (F3) — диагностика исполнительных звеньев;
Function 4 (F4) — установка зажигания и считывание полного объема информации из регистратора неисправностей.
В режиме F1 сканер проверяется и подготавливается к работе.
В режиме F2 поочередной диагностике могут быть подвергнуты следующие устройства: ЭБУ (контроллер "Mono-Motronic"); концевой выключатель электросервопривода; электродвигатель сервопривода; дроссельный потенциометр (датчик ДПД); датчик температуры воздуха (ДТВ); датчик температуры двигателя (ДТД); датчик Холла (ДОД); датчик концентрации кислорода (ДКК); электронная схема (подсистема) регулирования коэффициента b (избытка воздуха); электронная схема управления электробензонасосом.
Режим F3 предназначен для проверки работоспособности и поиска неисправностей в следующих сервоприводе дроссельной заслонки; реле электроподогрева впускного коллектора; цепи электроподогрева кислородного датчика; в запорно-тактовом клапане подсистемы утилизации паров бензина из бензобака. В этом же режиме на перечисленные устройства можно подавать электрические сигналы управления с целью проверки их работоспособности.
В режиме F4 сначала осуществляется проверка установочного (штатного) значения угла опережения зажигания (УОЗ). При этом сканер на работающем двигателе отключает всю электронную автоматику управления и выдает на дисплей текстовую команду "Grundeinstellung einleiten" ("приступить к исходной регулировке"). Если система "Mono-Motronic" оборудована датчиком-распределителем с приводным валиком, то
необходимо его поворотом установить штатное (исходное) значение УОЗ, которое для данного типа двигателя указывается на дисплее сканера.
Изменяющиеся при регулировке значения УОЗ также отображаются на дисплее. После установки УОЗ или если его номинальное значение не нарушено, а также если проверке подвергается система "Mono-Motronic" без датчика-распределителя, то на дисплей сканера выводится полный объем диагностической информации из регистратора неисправностей. Высвечивается 10 цифровых фаз, каждая из которых представляет собой код результата проверки конкретного компонента комплексной ЭСАУ. Расшифровку фраз проводят с помощью таблицы кодов неисправностей, которая прилагается к инструкции по ремонту и эксплуатации автомобиля.
• В заключение следует отметить, что с использованием принципа комплексного автоматического управления параметрами и характеристиками автомобильного двигателя создан целый ряд систем моновпрыска бензина. Все они подобны вышеописанной системе "Mono-Motronic". Выпускают такие системы и японские, и американские, и некоторые западноевропейские заводы автомобильного приборостроения. Делают системы моновпрыска бензина и в России.
Литература
1. Д.Соснин. Системы впрыска топлива для бензиновых двигателей. —Ремонт&Сервис, 2000, №2,
с. 51—58
2. Д.Соснин. Автомобильный электробензонасос. —Ремонт&Сервис,
1998, №2, с. 51—54
3. Д.Соснин. Автомобильные системы зажигания. —Ремонт&Сервис,
1999, №12, с. 49—56
4. Ю.П.Чижков, А. В.Акимов. Электрооборудование автомобилей. — Издательство "За рулем",
1999.
РЕМОНТ&СЕРВИС-3'2000
|
