Экономайзер принудительного холостого хода с электронным управлением

В процессе движения автомобиля значительное время занимает режим принудительного холостого хода, когда коленчатый вал двигателя вращается за счет кинетической энергии автомобиля. Этот режим наблюдается, например, при движении автомобиля с высокой скоростью при включенной передаче и отпущенной педали управления подачей топлива, т. е. когда двигатель работает в тормозном режиме. Экономайзер принудительного холостого хода предназначен для прекращения подачи топлива в двигатель на ре­жиме принудительного холостого хода.

Рис. 6.11. Функциональная схема ЭПХХ

 

При этом обеспечиваются уменьшение эксплуатационного рас-хода топлива на 2...3% и снижение выброса токсичных веществ на

15...30%. Режим принудительного холостого хода в ЭПХХ определяют исходя из двух условий: частота вращения коленчатого вала двигателя должна быть больше частоты, соответствующей холостому ходу, а дроссельная заслонка должна быть закрыта.

Прекращение подачи топлива обеспечивается электромагнитными клапанами, установленными в каналах холостого хода карбюратора в ЭПХХ автомобиля ЗИЛ-130. На легковых автомобилях для прекращения подачи топлива используются два клапана. Один из них, вакуумный, устанавливается в канале холостого хода, а другой, электромагнитный, - в магистрали, соединяющей впускной коллектор с диафрагменной камерой вакуумного клапана. На рис. 6.11 приведена функциональная схема ЭПХХ автомобиля ВАЗ- 2108, а на рис. 6.12 - схема блока управления ЭПХХ 50.3761.

На основе информации о частоте вращения коленчатого вала, получаемой от первичной цепи системы зажигания КЗ (см. рис. 6.12) и о положении дроссельной заслонки, получаемой отдатчика положения дроссельной заслонки Д электронный блок управления вырабатывает сигнал, управляющий электромагнитным клапаном ЭМК, который в свою очередь открывает и закрывает подачу топлива в систему холостого хода карбюратора. Датчик положения дроссельной заслонки представляет собой микровыключатель, ме-ханически связанный с приводом дроссельной заслонки, замыкающийся при полностью отпущенной педали управления подачей топлива (режим холостого хода).

Блок управления ЭПХХ структурно состоит из двух компараторов напряжения, цепи обратной связи и несимметричного триггера.

Блок управления работает следующим образом (см. рис. 6.12).

Входной сигнал с прерывателя системы зажигания подается на вывод 4 микросхемы А1. На выходе микросхемы А1 (вывод 3) формируются импульсы постоянной длительности, частота повторения которых соответствует частоте входных сигналов.

На транзисторах VT1 и VT2 построен ключ, который во время действия импульса на выходе микросхемы А1 разряжает времязадающий конденсатор С1. В паузе между импульсами конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2. Максимальное напряжение, до которого заряжается конденсатор С1, увеличивается с уменьшением частоты входного сигнала.

На транзисторах VT3 и VT4 построен пороговый элемент. Когда напряжение на конденсаторе С7 превысит опорное значение, равное примерно 8 В, эти транзисторы открываются. Таким образом, при уменьшении частоты входного сигнала ниже порога включения, конденсатор С1 успевает зарядиться до напряжения, превышающего опорное значение порогового элемента. При этом транзисторы VT3 и VT4 открываются и через микросхему А2 на базу транзистора VT6 подается сигнал, который открывает транзистор VT6 и, следовательно, транзистор VT8, в результате чего на нагрузку подается напряжение питания.

Рис. 6.12. Электрическая принципиальная схема электронного блока управления 50.3761

 

При соединении штекера 5 с «массой» (через контакты датчика положения дроссельной заслонки) выходное напряжение на электромагнитном клапане изменяется в зависимости от входной часто-ты. При отключении штекера 5 от массы закрывается транзистор VT7, а транзистор VT5 открывается. Соответственно открывается

выходной транзистор VT8. При этом «+» от аккумуляторной батареи постоянно подключен к электромагнитному клапану независимо от частоты входного сигнала. Включенное состояние клапана обеспечивает открытие канала холостого хода карбюратора.

Таким образом, на режиме принудительного холостого хода при частоте вращения коленчатого вала, превышающей порог срабатывания компаратора электронного блока управления, электромагнитный клапан будет обесточен и топливо подаваться не будет. При снижении частоты вращения ниже порога срабатывания компаратора, электромагнитный клапан откроется и подача топлива возобновится.

Когда дроссельная заслонка будет открыта, топливо будет подаваться независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

К недостаткам ЭПХХ следует отнести повышенный расход масла при торможении двигателем, происходящий в результате резкого увеличения разрежения в цилиндрах двигателя при работе на этом режиме.

6.2.3. Электронные системы управления топливоподачей дизелей

Применяемые ЭСАУ дизельными двигателями позволяют снизить токсичность отработавших газов, уменьшить дымность, шум, стабилизировать работу двигателя на холостом ходу. Они выполняют функции управления количеством впрыскиваемого топлива, моментом начала впрыска, частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу, работой свечей накаливания.

По схемотехническому решению эти системы делятся на три типа: аналоговые системы, состоящие в основном из операционных усилителей; цифровые регуляторы, построенные на элементах средней степени интеграции; микропроцессорные системы.

Аналоговым системам, несмотря на их простоту, присущи следующие недостатки: зависимость качества регулирования от точности изготовления применяемых элементов (резисторов, конденсаторов и др.); зависимость электрических параметров элементов от внешних факторов; невозможность выполнения системой функций, не предусмотренных при проектировании, т. е. узкая специализированность системы.

Цифровые регуляторы позволяют в основном избавиться от этих недостатков, поскольку их точность определяется только выбранной разрядностью и не зависит от влияния внешней среды и времени эксплуатации. Однако это весьма сложные в конструктивном отношении системы, состоящие из значительного числа микросхем и их надежность при использовании на автомобиле невысока. Та­кие системы также не могут перенастраиваться на другой режим эксплуатации либо на другой тип дизеля.

Для автоматического управления автомобильным дизельным дви­гателем необходима система, осуществляющая не только ком­плексную автоматизацию двигателя (объединение функций систем топливоподачи, защиты и рециркуляции в одном блоке), но также обеспечивающая эффективную работу дизеля в широком диапазо­не скоростных и нагрузочных режимов при допустимом уровне ток­сичности отработавших газов. Поэтому аналоговые и цифровые системы находят применение на двигателях, работающих в ста­ционарных условиях, например на дизель-генераторных установ­ках, судах и тепловозах.

На автомобильных дизелях находит все более широкое приме­нение микропроцессорная система управления (рис. 6.13). Она вклю­чает в себя микропроцессор (МП), осуществляющий все арифмети­ческие операции и общее управление устройствами, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для хранения промежуточных ре­зультатов вычислений, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения программ управления всей системы в целом. Для сбора информации о работе двигателя в системе предусмот­рены три типа датчиков: режимных параметров, коррекции и защи­ты. К первому типу относятся датчики частоты вращения коленча­того вала л, положения рейки ТНВД /7_рейки и положения педали управления подачей топлива Vпедали по сигналам этих датчиков вы­числяется предварительное значение управляющего воздействия на исполнительный механизм. Для более точного регулирования необходимо корректировать управляющее воздействие в зависи­мости от того, в каких условиях работает двигатель. Коррекция производится по сигналам от датчиков температуры топлива Г_{топпива}, температуры всасываемого воздуха ^ и атмосферного давления Ратм- Информация от этих датчиков позволяет корректировать необ­ходимую дозу впрыскиваемого топлива.

Датчик температуры масла Т_масла в системе смазки двигателя служит для оценки условий пуска двигателя. Для предупреждения аварийных режимов работы двигателя служат датчик температуры охлаждающей жидкости Г_охл и датчик давления масла в системе смазки Р масла- Для связи с аналоговыми датчиками в системе предусмотрен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и коммутатор, поскольку в каждый отдельный момент времени АЦП может получать информацию только с одного датчика.

В процессе выполнения программы коммутатор опрашивает последовательно все аналоговые датчики. Для подключения датчика частоты вращения коленчатого вала предусмотрен цифровой тай-мер. Непосредственное управление перемещением рейки топлив-ного насоса обеспечивается исполнительным механизмом. Контроллер прерываний осуществляет синхронизацию работы программы управления в соответствии с сигналами, снимаемыми с датчиков.

Особо важной задачей топливоподачи дизельного двигателя является качественное обеспечение переходных процессов, так как это непосредственно связано с технико-экономическими показателями работы двигателя. Поэтому в системе производится управление по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону с целью устранения статических ошибок регулирования и получения наилучших динамических характеристик регулятора. Интегральная составляющая закона управления формируется в виде суммы всех управляющих воздействий, предшествующих рассчитываемому в данный момент. Дифференциальная составляющая формируется в виде приращений регулируемого параметра за единицу времени, поэтому в системе необходимо иметь устройство измерения време­ни. Эту функцию выполняет таймер, выдающий сигналы отметок времени, которые, поступая на контроллер прерываний, приостанав­ливают работу основной программы управления для замера прира­щения регулируемого параметра через равные промежутки времени.

Аварийные датчики также подключаются к контроллеру преры­ваний. В случае превышения каким-либо параметром предельно допустимого значения выполнение основной программы приоста­навливается и запускается программа автоматической защиты дви­гателя. Так, например, при достижении температуры охлаждающей жидкости 105°С обеспечивается плавное снижение частоты враще­ния коленчатого вала до холостого хода с включением аварийной световой и звуковой сигнализации. При недопустимом падении давления масла в системе смазки включается аварийная сигнали­зация и двигатель останавливается.

Регулирование в зоне частичных характеристик сводится к вы­числению расчетного положения рейки топливного насоса, сравне­нию этого расчетного значения с реальным положением рейки и приведению рейки в нужную точку по оптимальному закону в соот­ветствии с рассогласованием.

Структурная схема системы показана на рис. 6.14. Она состоит из программного задатчика положений рейки /73, вычисляемых по значениям частоты вращения коленчатого вала двигателя л, поло­жению педали управления подачей топлива \|/_Пе_Дали и информации от датчиков коррекции ДК\ регулятора Р, вычисляющего рассогла­сование между расчетным значением положения рейки /?_расч и дей­ствительным /?_д; исполнительного механизма ИМ, включенного в контур регулятора и формирующего интегральную составляющую топливного насоса высокого давления ТНВД и двигателя Д.

 

 

Рис. 6.14. Структурная схема пропорционально-интегрально ­дифференциального регулятора топливоподачи

 

Микропроцессорная система управления дизелем изменяет угол опережения впрыска топлива по оптимальному закону в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала (рис. 6.15).

 

 

Рис. 6.15. Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыска топлива

 

Реализация подобного за­кона с помощью центробежной муфты опережения впрыска топлива не представляется возможной.

Среди существующих ЭСАУ автомобильных дизелей можно выделить системы двух типов: с рядным насосом вы­сокого давления и с рампой- аккумулятором.

Система впрыска Bosch с рядным топливным насосом высокого давления (ТНВД), применяемая как на грузовых, так и на легковых автомобилях показана на рис 6.16.

Рис. 6.16. Система впрыска Bosch с рядным топливным насосом I высокого давления:

1 - топливный бак; 2 - топливоподкачивающий насос; 3 - топливный фильтр; 4 - рядный топливный насос высокого давления;

5 - электромагнитный клапан отключения топливоподачи; 6 - датчик тем­пературы топлива; 7 - датчик положения рейки; 8 - управляющий элек­тромагнит; 9 - датчик частоты вращения; 10 - форсунка; 11 - датчик тем-, пературы охлаждающей жидкости; 12 - датчик положения педали управ­ления топливоподачей; 13 - датчики включения рабочего тормоза, вспо- v могательного тормоза, сцепления; 14 - пульт управления; 15 - аварийная ^ лампа и диагностический разъём; 16 - датчик скорости автомобиля;

17 - электронный блок управления; 18 - датчик температуры воздуха;

19 - регулятор давления наддува; 20 - турбокомпрессор; 21 - аккумуля­торная батарея; 22 - выключатель стартера и приборов

 

Основ­ным управляющим механиз­мом системы является встроенный в ТНВД электромагнит 4 (рис. 6.17). Количество подаваемого топлива определяется положением рейки ТНВД 7, которая жестко связана с якорем электромагнита. Из­меняя силу тока в цепи электромагнита, БУ задает перемещение рейки и соответственно количество впрыскиваемого топлива. Усилие электромагнита уравновешивается действием возвратной пружины 2. В ТНВД также встроены индукционный датчик частоты вращения 5 и датчик положения рейки 3. БУ обрабатывает сигналы от пьезорези­стивного датчика давления воздуха 19, датчика положения педали управления топливоподачей 27, датчиков температуры топлива 6, охлаждающей жидкости 1 7, воздуха 18. В некоторых модификациях используются сигналы с выхода фазы генератора и датчика скорости автомобиля. БУ также получает информацию о включении рабочего или вспомогательного тормозов, сцепления.

В системе предусмотрен пульт управления скоростью движения автомобиля 14 (круиз-контроль) и изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода.

 

Рис 6.17. Электромагнитное устройство управления рейкой ТНВД:

1 - рейка; 2- возвратная пружина; 3- датчик положения рейки; 4 - управляющий электромагнит; 5 - датчик частоты вращения; 6- зубчатое колесо датчика частоты вращения; 7- кулачковый вал ТНВД

 

Для отключения топливоподачи при остановке двигателя ис­пользуется электромагнитный клапан 5 в топливоподкачивающей магистрали.

Основными параметрами, используемыми БУ при вычислении положения рейки ТНВД являются нагрузка и частота вращения ко­ленчатого вала двигателя. В ПЗУ БУ записаны карты управления для режима пуска, холостого хода, полной нагрузки и др. БУ выпол­нен универсальным и может применяться для широкой номенкла­туры двигателей и автомобилей.

В системе используется принцип самодиагностики и усеченного режима работы. Так при выходе из строя датчика частоты враще­ния в ТНВД его заменяет сигнал с фазы генератора.

Примером ЭСАУ топливоподачей дизельного двигателя с рам- пой-аккумулятором может служить система Common Rail фирмы Bosch (рис 6.18).

 

Рис. 6.18. Система топливоподачи дизельного двигателя Bosch Common Rail:

7 - топливный насос высокого давления; 2- перепускной клапан; 3- элек­тромагнитный клапан - регулятор давления; 4 - топливный фильтр; 5 - топливный бак с топливоподкачивающим насосом и предварительным фильтром; б - электронный блок управления; 7- реле включения свечей накаливания; 8 - аккумуляторная батарея; 9- топливная рампа- аккумулятор; 10- датчик давления топлива в рампе; 11 - топливный жик­лер; 12 -предохранительный клапан; 13 -датчик температуры топлива;

14- электромагнитная форсунка; 75-свеча накаливания; 16 -датчик температуры охлаждающей жидкости; 77-датчик положения коленчатого вала; 18- фазовый дискриминатор; 19- датчик температуры воздуха на впуске; 20 -датчик давления наддува; 21 - пленочный датчик массового расхода воздуха; 22- турбокомпрессор; 23- пневматический клапан управления рециркуляцией; 24 - пневматический клапан управления над­дувом; 25 - вакуумный насос; 26 - приборная панель; 27 - датчик поло­жения педали управления топливоподачей; 28- датчик нажатия педали тормоза; 29- датчик выключения сцепления; 30- датчик скорости авто­мобиля; 31 - пульт управления круиз-контроля; 32- компрессор конди­ционера; 33- переключатель кондиционера; 34- аварийная лампа и диагностический разъем

 

Топливо из бака 5 топливоподкачивающим насосом подается через фильтр 4 в ТНВД 1. Из насоса топливо поступает в рампу-аккумулятор 9 и распределяется по форсункам 14. Давление топлива в рампе-аккумуляторе поддерживается на постоянном уровне 135 МПа, что обеспечивается датчиком 10 и электромагнитным клапаном 3.

Для защиты двигателя используется ограничительный клапан 12 открывающийся при давлении свыше 150 МПа. Количество впрыскиваемого топлива определяется длительностью открытия электромагнитной форсунки. Для снижения потерь энергии на сжатие топлива в режиме холостого хода и частичных нагрузок производительность ТНВД может уменьшаться путем открытия перепускного клапана 2.

По своей структуре ЭСАУ Common Rail во многом аналогична рассмотренным ранее системам впрыска бензиновых двигателей.

Датчик положения коленчатого вала 17 индукционного типа используется для определения частоты вращения и положения ко­ленчатого вала. Информации от этого датчика недостаточно чтобы различить конец такта сжатия, поэтому используется датчик поло-жения распределительного вала 18 - фазовый дискриминатор. В основу работы датчика положен эффект Холла.

ЭСАУ получает информацию о температуре охлаждающей жид-кости и воздуха на впуске. В некоторых модификациях системы используются датчики температуры масла и топлива.

Для обеспечения точного определения состава рабочей смеси и снижения вредных выбросов, особенно на переходных режимах, используется пленочный датчик массового расхода воздуха устанавливаемый до турбокомпрессора.

Положение педали управления режимом работы двигателя определяется потенциометрическим датчиком, при этом какая-либо механическая связь педали с системой топливоподачи отсутствует.

Для определения давления наддува используется датчик абсолютного давления с пьезорезистивными чувствительными элементами.

В процессе управления двигателем можно выделить следующие функции и режимы: режим пуск двигателя, рабочий режим, режим холостого хода, функция обеспечения равномерности работы двигателя и снижения колебаний при переходных процессах, режим автоматического поддержания заданной скорости автомобиля, ограничение топливоподачи, остановка двигателя.

При пуске двигателя количество впрыскиваемого топлива является постоянной величиной. В рабочем режиме для определения количества топлива используется сигнал датчика положения педали управления топливоподачей и датчика положения коленчатого вала двигателя. БУ обрабатывает информацию от датчиков и используя характеристические карты вычисляет значение угла опережения впрыска (момент подачи топлива) и длительность открытия форсунки.

Для снижения расхода топлива частота вращения коленчатого вала в режиме холостого хода поддерживается на минимальном устойчивом уровне, при этом учитывается температура двигателя и сигналы о включении кондиционера и других устройств, создающих нагрузку.

Функция обеспечения равномерности работы двигателя сводится к учету различий в величине крутящего момента создаваемого отдельными цилиндрами двигателя, для чего количество впрыскиваемого топлива корректируется БУ для каждого цилиндра.

Для предотвращения колебаний частоты вращения двигателя при резком изменении положения педали управления топливоподачей, количество впрыскиваемого топлива изменяется в противофазе с возникшим колебательным процессом.

Режим автоматического поддержания заданной скорости автомобиля - круиз-контроль включается по желанию водителя. Для реализации этой функции к БУ подключается датчик скорости автомобиля. Режим прерывается при воздействии на педаль тормоза или управления топливоподачей.

Ограничение топливоподачи осуществляется с целью снижения вредных выбросов, в том числе сажи, предотвращения механических или температурных перегрузок двигателя.

В системе топливоподачи Common Rail остановка двигателя обеспечивается простым прекращением подачи топлива форсунками.

Кроме форсунок, реле топливоподкачивающего насоса, регулятора давления и перепускного клапана БУ воздействует на пневматические клапаны управления рециркуляцией отработавших газов 23 и давлением наддува 24. ЭСАУ двигателем также контролирует свечи накаливания 15 относящиеся к системам облегчения пуска холодного двигателя.

Посредством последовательной шины данных CAN БУ системы Common Rail взаимодействует с другими электронными системами автомобиля.

Так информация о необходимости изменения крутящего момента двигателя может поступать от антиблокировочной и противобуксовочной систем. Значительное потребление энергии кондиционером делает необходимым его отключение на некоторых режимах работы двигателя. Взаимодействуя с противоугонной системой БУ Common Rail обеспечивает блокировку несанкционированного пус-ка двигателя.

В системе Common Rail реализованы принципы самодиагностики и усеченного режима работы, описанные ранее для ЭСАУ топливоподачей бензиновых двигателей.