Объединенные системы впрыска и зажигания

 

Внедрение электронных средств в агрегатах автомобиля привело к созданию объединенного или центрального электронного управления двигателем. В нашей стране это устройство называют микро-ЭВМ, микропроцессор или контроллер.

В России впервые системы объединенного управления появились на карбюраторных автомобилях ВАЗ-2108, 2109 под названием МСУД (микропроцессорная система управления двигателем). Они выполняют довольно скромную задачу – управление моментом и энергией искрообразования (система зажигания) и электромагнитным клапаном карбюратора.

Системы объединенного электронного управления впрыском и зажиганием имеют следующие преимущества:

 

1. Совмещение функций агрегатов и датчиков позволяет сократить их количество.

2. Процессы зажигания и смесеобразования оптимизируются совместно, что позволяет улучшить основные характеристики двигателя.

3. Появляются возможности выполнения других функций, способствующих повышению служебных свойств автомобиля: управление автоматической коробкой передач, противобуксовочной системой ведущих колес, антиблокировочной тормозной системой, кондиционером, противоугонным устройством и т.д.

 

Функциональная схема объединенного управления двигателем показана на рисунке.

В электронный блок (контроллер) от датчиков 1-11 поступают непрерывные аналоговые электрические сигналы, величина которых (ток, напряжение) изменяется в соответствии с изменением того параметра (температура, положение контролируемого элемента и т.д.), которое контролирует датчик.

В то же время электронно-вычислительная техника может работать только с дискретными сигналами, имеющими всего два значения (состояния): «0» или «1». Для перевода обычных аналоговых сигналов в такие дискретные, их сначала преобразовывают в более четкие (например, синусоидальные превращают в прямоугольные), а затем, в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) 12 превращают в дискретные.

Эти дискретные сигналы поступают в микропроцессор 13, который представляет собой, по существу, микро-ЭВМ. Там сигналы обрабатываются в соответствии с заложенной программой. Результаты обработки также представляет собой дискретные сигналы, которые не могут быть непосредственно использованы в управлении двигателем. Поэтому выходные сигналы сначала снова превращаются в аналоговые (в цифроаналоговом преобразователе – ЦАП, поз. 16 и 17), а затем усиливаются в усилителях 18 и 19, после чего они направляются для управления системой питания 20 и системой зажигания 21.

 

	Функциональная схема электронного управления двигателем. Сигналы: 1,2. Угловое положение и частота вращения коленчатого вала. 3,4. Объемный расход и температура всасываемого воздуха. 5. Температура охлаждающей жидкости. 6. Напряжение аккумулятора. 7. Положение дроссельной заслонки. 8. Информация о режиме пуска. 9. Детонация. 10. Состояние двигателя (компрессия). 11. l - зонд. Элементы системы: 12. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). 13. Микропроцессор. 14,15. Блоки постоянной и оперативной памяти. 16,17. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). 18,19. Усилители аналоговых сигналов. 20,21. Системы питания и зажигания.

 

 

На легковых автомобилях массового выпуска применяют простые и дешевые системы, например, «Mono-Motronic», которые устанавливают на двигателях небольшого рабочего объема автомобилей малого и особо малого класса.

В системе «Mono-Motronic» основные сигналы определяются положением дроссельной заслонки и частотой вращения коленчатого вала двигателя. Помимо этого электронный блок управления получает сигналы от датчика кислорода и датчиков температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха. Топливо, количество которого определяется микро-ЭВМ, впрыскивается перед дроссельной заслонкой с помощью центральной форсунки и смешивается с поступающим воздухом. Электронный блок управления также подает управляющие импульсы на катушку зажигания.

Система способна также учитывать износ двигателя по падению компрессии в цилиндрах и изменение атмосферного давления. Если датчики начинают подавать ошибочные сигналы, информация об этом накапливается в оперативной памяти контроллера, и во время технического обслуживания считывается диагностическим тестером, что позволяет быстро обнаружить источник неисправности системы.

 

		Структурная схема комплексной системы управления двигателем «Motronic»

 

В системе «Motronic» обеспечивается одновременное управление впрыскиванием топлива и опережением зажигания. При этом в нее дополнительно могут быть включены элементы других электронных систем, например, «KE-Jetronic», «L-Jetronic» и др.

Состав горючей смеси и угла опережения зажигания оптимизирует микропроцессорный блок управления 4 с учетом условий работы двигателя.

Для управления углом опережения зажигания в электронный блок управления 4 подаются импульсы от датчиков 3 и 5 частоты вращения и положения коленчатого вала. Работа датчиков основана на фиксации изменения создаваемого их обмотками 7 магнитного поля (маховик 1 и штырь 8 изготовлены из стали), которое происходит при вращении маховика 1 совместно с коленчатым валом.

При прохождении каждого зуба мимо датчика 3, создаваемое постоянным магнитом 6 магнитное поле будет изменяться, что приводит к появлению электрического тока в обмотке 7 (датчик в данном случае является генератором переменного тока).

Таким образом, датчик 3 за каждый оборот коленчатого вала, а, следовательно, и маховика 1, передаст в электронный блок управления столько импульсов, сколько зубьев имеет маховик 1.

Аналогично работает и датчик 5 – при прохождении стального штыря 8 мимо постоянного магнита 6, в обмотке 7 возникает электрический ток, импульс которого и является сигналом датчика.

Совместный анализ сигналов датчиков 3 и 5 при известном количестве зубьев маховика дает возможность установить как частоту вращения коленчатого вала, так и угол его поворота.

Обработка информации от датчиков 3 и 5 происходит в течение каждого оборота коленчатого вала.

Блок управления определяет промежуточное значение из двух ближайших результатов работы программы (результатов обработки данных от всех контролируемых систем) и подает сигналы управления на механизм подачи топлива и в систему опережения угла зажигания.

	Датчики положения и частоты вращения коленчатого вала: 1. Зубчатый маховик. 2. Картер маховика. 3. Датчик частоты вращения коленчатого вала. 4. Соединительный кабель. 5. Датчик положения коленчатого вала. 6. Постоянный магнит. 7. Электрическая обмотка датчика. 8. Штырь (выступ) указателя положения коленчатого вала.

 

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) блока управления заложены оптимальные характеристики как для установившихся, так и переходных режимов работы двигателя, что позволяет ему вырабатывать управляющие сигналы, обеспечивающие наиболее экономичный и безопасный режим работы двигателя.

 

 

Лабораторная работа № 4

ИЗМЕРИТЕЛИ РАСХОДА ТОПЛИВА

 

Информация о текущем расходе топлива необходима в системе управления двигателем, как для бортовых систем контроля, так и для адаптивных (с обратной связью) систем управления двигателем.

В электронно-механических измерителях расхода турбинного типа считывающим элементом является оптоэлектронная пара – светодиод инфракрасного излучения 6 и фоторезистор 5.

 

Чем быстрее движется бензин по бензопроводу 1 (чем больше его расход), тем быстрее вращается турбинное колесо 2, на одной оси с которым закреплен диск 3 со сквозными пазами.

Фоторезистор 5 и светодиод 6 установлены напротив друг друга и разделены диском 3 таким образом, что при вращении диска 3 поток излучения от светодиода 6 попадает на фоторезистор 5, когда сквозной паз оказывается между ними. В этом случае сопротивление фоторезистора скачком изменяется, и в электрической цепи, в которую он включен, появляется импульс напряжения.

В дальнейшем эти импульсы складываются микропроцессором в течение одной секунды, а их сумма делится на количество сквозных пазов на диске 3. Таким образом высчитывается частота вращения турбинного колеса 2, пропорциональная расходу топлива.

В устройстве расходомера этого типа предусматривают гашение пульсации потока, удаление воздушных пробок и термокомпенсацию электронной схемы.

В одном из вариантов теплового измерителя расхода топлива измерительный преобразователь (датчик) представляет собой четыре терморезистора (сопротивления), соединенные в мостовую схему (измерительный мост) для повышения чувствительности и размещенные по периферии топливопровода на тонкой квадратной подложке.

Поток топлива омывает терморезисторы и в большей степени охлаждает те из них, которые установлены перпендикулярно потоку.

		Конструктивная (а) и электрическая принципиальная (б) схемы резистивного расходомера топлива: 1. Топливопровод. 2. Изолятор. 3. Тонкая керамическая пластина. 4. Резистивный слой. 5. Электрические выводы. R1 - R4 – резисторы. U – питающее напряжение. IP – ток рассогласования. МП – микропроцессор блока управления системой управления двигателем.

 

В том случае, если R₁=R₃=R₂=R₄ , ток рассогласования I_P = 0.

При охлаждении потоком топлива сопротивление терморезисторов изменяется, и чем выше скорость потока, тем больше разность в изменении сопротивлений терморезисторов, установленных вдоль (R₁, R₃) и поперек (R₂, R₄) потока. В этом случае измерительный мост оказывается разбалансированным, и в его диагонали возникает ток разбалансировки I_P, который тем больше, чем выше скорость потока.

Этот ток является сигналом датчика и поступает на обработку в микропроцессор МП, управляющий работой двигателя.

 

Лабораторная работа № 5

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

 

Датчики давления в системах впрыска топлива используются для измерения давления топлива и давления воздуха в окружающей среде или в воздушных магистралях.

В основном это датчики мембранного типа или тензодатчики. В первом случае используется существенное (до десятков миллиметров) перемещение различным образом нагруженного перепадом давления мембранного элемента в электрический сигнал. Во втором случае перемещение чувствительного элемента, который также может быть выполнен в виде мембраны, незначительно (сотые доли миллиметра и менее), преобразуется в электрический сигнал с помощью так называемых тензорезисторов.

Мембранный датчик потенциометрического типа состоит из потенциометра 1, подвижный ползун 4 которого приводится в движение мембраной 7, находящейся под перепадом давления между, например, давлением атмосферы Р₀ и измеряемым давлением Р_И.

 

	Схема мембранного датчика потенциометрического типа: 1. Полость атмосферного давления Р0. 2. Ось вращения ползунка. 3. Пружина растяжения. 4. Ползунок потенциометра. 5. Проволочный резистор. 6. Электрические выводы. 7. Мембрана. 8. Полость с измеряемым давлением РИ. 9. Пружина сжатия. 10. Шток

 

 

При одинаковых давлениях Р₀ и Р_И под действием пружин 3 и 9 ползунок 4 переходит в крайнее левое положение, устанавливая некоторое начальное сопротивление потенциометра. При уменьшении измеряемого, например, во впускном трубопроводе, давления Р_И, давление в полости 8 снижается. На мембране 7 появляется перепад давления, под действием которого мембрана 7, преодолевая суммарное усилие пружин 3 и 9, перемещается вправо на величину, пропорциональную разности давлений Р₀ и Р_И. Соответственно, пропорционально этой разности изменяется и сопротивление потенциометра, которое фиксируется микропроцессором блока управления системой впрыска.

Ниже показана схема датчика, в котором перепад давления преобразуется в изменение длины мембранной камеры (сильфона).

 

 

При изменении перепада между атмосферным Р₀ и измеряемым давлением Р_И длина мембранной камеры L также изменяется, что приводит к изменению положения стального сердечника 3 во вторичной обмотке 6 и, соответственно, к изменению индуктивности катушки 6. Катушка 6 включена в схему измерительного моста, и изменение ее индуктивности приводит к его разбалансировке. Появляющийся при этом электрический сигнал подается в электронный блок управления.

Камера 7 и поршень 8, выполненный заодно со стальным сердечником 3, образуют пневматический амортизатор, гасящий колебания измерительной системы, которые могут возникнуть при резких скачках измеряемого давления Р_И.

Недостатком датчиков мембранного типа является наличие подвижных частей, совершающих значительные перемещения, и явление трения, приводящее к неизбежному износу и, в конце концов, – к отказу датчика.

Этого недостатка лишены датчики тензометрического типа, в которых для генерации сигнала служат тензорезисторы, изменяющие свое сопротивление при чрезвычайно малых (сотые доли миллиметра и менее) деформациях активного элемента, на которых они закреплены.

 

При появлении перепада давления между полостями 2 и 4 упругий элемент 5, на который наклеен тензорезистор 3, изгибается в пределах упругих деформаций (это сотые и даже тысячные доли миллиметра). При этом тензорезистор 3 удлиняется, его сопротивление меняется. Тензорезистор 3 вместе с компенсационным резистором 6 включены в мостовую измерительную схему (сопротивление резисторов 3 и 6 в исходном состоянии равны). При изменении сопротивления резистора 3 происходит разбалансировка моста, и сигнал разбалансировки, пропорциональный перепаду давления на элементе 5, подается в блок управления системой впрыска.

В последнее время в качестве материала для тензорезисторов широко используются высокочувствительные полупроводники.

 

 

Лабораторная работа № 6