Автор: В этой статье описано устройство ЭСУД – электронной системы управления двигателем внутреннего сгорания, зажигания, питания автомобиля топливом и принципа работы его датчиков.
Диагностика ошибок ЭСУД автомобиля невозможна без знания видов систем зажигания, которые будут подробно рассмотрены ниже. Не останется без внимания и стратегия управления питанием ДВС.
Изучив предложенный материал можно узнать назначение ЭСУД автомобилей при различных условиях эксплуатации ДВС, что позволит продлить срок службы и правильно проводить техническое обслуживание силового агрегата.
Устройство системы зажигания двигателем: виды и принцип работы
Электронная система управления двигателем автомобиля обеспечивает работу всех компонентов силового агрегата, в том числе и работу системы зажигания автомобиля. В системе зажигания бензиновых ДВС топливо-воздушная смесь воспламеняется в нужное время при помощи искры свечи зажигания.
В настоящее время применяются главным образом системы зажигания с индуктивной катушкой зажигания с распределителем. Принцип работы системы зажигания ДВС состоит в том, что искра на запальной свече появляется за счет прерывания тока катушки к определенному углу коленчатого вала.
Процессы, которые приводят к воспламенению смеси, управляются в современных системах электроникой. У представленных в обзоре систем зажигания одна общая особенность в том, что искра образуется в результате исчезновения магнитного поля в первичной обмотке катушки зажигания.
Разница в том, как выключается первичный ток и как происходит искрообразование, кроме того, имеется различие в распределении запальной искры, а также в регулировке момента зажигания электронной системой управления питанием двигателя.
Система зажигания с контактным управлением
Принцип работы контактной системы зажигания автомобиля заключается в управлении через контакты. Кулачок прерывателя открывает и замыкает в соответствии с числом оборотов контакт между АКБ и катушкой зажигания. Исчезающее магнитное поле способствует появлению запальной искры.
При работе контактной системы зажигания, регулировка момента воспламенения происходит за счет центробежных грузиков в распределителе зажигания и вакуумного регулятора.
Находящийся в распределителе зажигания контакт прерывателя необходимо заменять через определенный пробег.
Система зажигания с контактно-транзисторным управлением
Принцип работы системы зажигания с контактно-транзисторным управлением представляет собой модернизированную версию традиционной системы зажигания – основные детали идентичны деталям традиционной системы зажигания.
Изменение касается только встроенного транзистора. Дополнительно встроенный транзистор служит для коммутирования первичного тока.
Контакты прерывателя разгружаются, так как они коммутируют только управляющий ток транзистора.
Бесконтактная транзисторная система зажигания на основе датчика Холла
Устройство системы управления зажиганием двигателя постоянно модернизировались и ухудшались с целью улучшения параметров экономичности, токсичности, облегчения обслуживания и детонационной стойкости.
Вместо контактной группы был установлен датчик Холла, который является бесконтактным выключателем, он установлен в распределителе зажигания.
По его прямоугольному сигналу главный блок управления ДВС определяет частоту вращения и положение коленчатого вала, на основании этого он рассчитывает оптимальный момент зажигания и подает управляющие сигналы на блок управления зажиганием, который коммутирует цепь первичного тока и тем самым запускает зажигание.
Полностью электронные системы зажигания
Распределение напряжения происходит больше не механическим путем, а чисто электронным путем в блоке управления зажигания. В полностью электронных системах находятся две катушки первичной обмотки и две катушки вторичной обмотки в индуктивной катушке зажигания с распределителем (зажигание со стационарным распределителем вместо вращающегося).
Каждая катушка вторичной обмотки (у четырехцилиндрового ДВС) соединена с двумя свечами зажигания, это означает, что блок управления посылает управляющие сигналы всегда одновременно на две свечи.
Расположение выбрано с тем расчетом, чтобы запальная свеча второй свечи попадала в такт выпуска неработающего цилиндра. Полностью электронная система зажигания является на сегодняшний день самой распространённой системой, где обслуживание сведено к минимуму.
Индивидуальные катушки зажигания
Индивидуальные катушки зажигания монтируются на свече и им поэтому не нужен провод высокого напряжения от катушки до свечи зажигания.
Система с индивидуальными катушками предусматривает подачу только одного управляющего сигнала индивидуально на каждый цилиндр за рабочий цикл – это современный вид системы зажигания.
Управление катушками зажигания выполняется блоком управления зажиганием или блоком управления силовым агрегатом.
Регулировка опережения зажигания
Угол опережения зажигания,– это угол поворота коленчатого вала между моментом зажигания и ВМТ. Если зажигание происходит перед ВМТ, то его называют ранним. Если зажигание происходит после ВМТ, то его называют поздним. Для полного сгорания топливо-воздушной смеси требуется при постоянном наполнении по всему диапазону частот вращения около двух миллисекунд.
При повышении частоты вращения поршень проходит тот же путь (ход) за меньшее время. По этой причине при увеличении частоты вращения двигателя необходимо сдвигать момент зажигания в раннюю сторону. Величина угла зажигания оказывает существенное влияние на работу двигателя.
Влияет на развиваемый крутящий момент, токсичность отработавших газов, расход топлива и т. д. Два важных параметра, которые влияют на определение угла опережения зажигания: частота вращения и нагрузка на двигатель. Длительность сгорания топливо-воздушной смеси является постоянной величиной, которая зависит от соотношения топлива и воздуха, а не от частоты вращения.
Чем выше частота вращения, тем раньше должен быть момент зажигания для обеспечения максимального давления в камере сгорания непосредственно за ВМТ поршня и чем выше нагрузка на двигатель, иными словами потребность в крутящем моменте, тем богаче должна быть топливо=воздушная смесь, тем дольше продолжительность сгорания, и тем раньше требуется момент зажигания.
Нагрузка на двигатель определяется системой управления двигателя на основании давления в впускном коллекторе и положении дроссельной заслонки. Эти два фактора нагрузки и число оборотов двигателя позволяют определить какой момент зажигания необходим. Он может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации двигателя, например: при холодном пуске.
Момент зажигания оказывает основное влияние на давление в камере сгорания и тем самым на увеличение отдаваемой мощности. Давление взрыва подобного сгорания топливо-воздушной смеси должно достигать своего максимума тогда, когда поршень только что миновал свою ВМТ.
При раннем зажигании наблюдается значительное повышение давления к камере сгорания, которое приводит к увеличению мощности. Сгорание начинается еще при недостаточном сжатии. Как результат – сгорание, сопровождается рывками и колебаниями давления после ВМТ.
Сильный нагар в камере сгорания увеличивает степень сжатия в цилиндре, что может вызывать детонацию при малых нагрузках на силовой агрегат.
Эти явления называются сильной детонацией или детонационным шумом (звонкий стук). Для приближения момента зажигания непосредственно к границе детонации на блоке цилиндров устанавливается датчик детонации, который передает информацию о сгорании, сопровождающимся рывками, на блок управления силового агрегата (PCM).
Зажигание, которое расположено совсем не далеко от ВМТ, способно отдать мощность лишь при слабом сжатии топливо-воздушной смеси. Позднее зажигание приводит к снижению давления в камере сгорания и потере мощности.
Традиционная система зажигания, работающая с центробежной силой и вакуумным регулятором опережения зажигания, способна лишь в ограниченном объеме среагировать на изменение числа оборотов и нагрузки. Электронные системы зажигания определяют угол опережения зажигания на основе запрограммированных регулировочных характеристик.
Индивидуальные для каждого ДВС данные определяются путем проведения серии тестов. При этом целенаправленно оказывается влияние на снижение токсичности ОГ, мощность и расход топлива двигателя. Регулировочные характеристики зажигания у полностью электронных систем сохранены в памяти блока управления силового агрегата.
Сбои в процессе сгорания
Детонация в бензиновом ДВС наблюдается при самовоспламенении топливо-воздушной смеси. Самовоспламенение приводит к молниеносному, взрывному сгоранию, причем сферические фронты пламени перемещаются по направлению друг к другу.
Горение происходит с очень высокой скоростью, что ведет к значительному повышению давления в камере сгорания. При детонации на детали кривошипно-шатунного механизма воздействуют очень высокие механические и термические нагрузки, одновременно наблюдается падение мощности.
Наряду с ненадлежащим топливом детонацию могут вызвать следующие причины: слишком раннее зажигание, неравномерное распределение смеси в цилиндре, плохой отвод тепла из-за образования масляного нагара или неисправности системы охлаждения, слишком высокая степень сжатия, например, из-за слишком тонкой прокладки головки блока цилиндров.
Другие причины детонации: калильное зажигание. Калильное зажигание – это непроизвольное воспламенение смеси до возникновения запальной искры. Это воспламенение возникает как результат соприкосновения с сильно раскаленным местом в камере сгорания. Этим раскаленным местом может выступающая кромка, электрод свечи или выпускной клапан.
Антидетонационное регулирование
У двигателей с высокой степенью сжатия максимальный КПД достигается на режиме, который граничит с детонацией. По этой причине антидетонационное регулирование работы каждого цилиндра двигателя происходит индивидуально, каждый цилиндр работает в режиме, который граничит с детонацией.
Для этого на двигатель устанавливается один или несколько датчиков детонации, улавливающих механические колебания двигателя и преобразующие их в передаваемый блоку управления силового агрегата электрическое напряжение сигнала.
При превышении напряжения сигнала от какого-либо цилиндра электронный блок управления силового агрегата (ЭБУ)(PCM) сдвигает в позднюю сторону угол опережения зажигания в этом цилиндре на некоторую величину.
Если после этого детонация больше не регистрируется, то зажигание плавно начинает сдвигаться в раннюю сторону. Такой алгоритм делает возможным работу двигателя на границе детонации с максимальным КПД.
Рециркуляция отработавших газов
Для уменьшения токсичности отработавших газов, содержащих оксиды азота, необходимо снизить температуру в камере сгорания, для этого часть отработавших газов возвращают в систему впуска, уменьшая тем самым содержание кислорода в поступающем воздухе.
Отработанные газы отводятся во впускной коллектор через трубопровод и клапан регулировки рециркуляции ОГ. Такая рециркуляция называется внешней. Внутренняя рециркуляция ОГ у всех двигателей происходит за счет перекрытия фаз открытия клапанов системы газораспределения.
У двигателей с регулируемыми фазами газораспределения, управление внутренней рециркуляцией выполняется блоком управления двигателем (PCM) за счет изменения фаз. Это позволило отказаться от применения дорогостоящей системы внешней рециркуляции, упростив тем самым конструкцию ДВС.
Система внешней рециркуляции ОГ применяется на дизельных и некоторых бензиновых ДВС, преимущественно с непосредственным впрыском топлива. Топливо-воздушная смесь, находящаяся в камере сгорания после закрытия впускных клапанов, состоит из свежего заряда и остаточных газов. Фазы газораспределения оказывают решающее влияние на состав топливо-воздушной смеси. Поступающий свежий заряд состоит:
- в бензиновых ДВС с впрыском во впускной коллектор из приточного воздуха и поступающего вместе с ним топлива;
- в дизельных и бензиновых ДВС с непосредственным впрыском из приточного воздуха.
Остаточные газы
Остаточными называют ту часть заполняющих цилиндр газов, которая уже принимала участие в процессе сгорания. Остаточные газы можно подразделить: внутренние остаточные газы и внешние остаточные газы.
Внутренние остаточные газы, это отработанные газы, оставшиеся в ВМТ цилиндра после сгорания или вернувшиеся во время перекрытия клапанов из выпускного канала в камеру сгорания. Количеством внутренних остаточных газов можно управлять в основном при газообмене, изменяя фазы газораспределения (время открытия клапанов и их перекрытие).
Большая продолжительность перекрытия клапанов впуска и выпуска (раннее открытие впускного клапана) приводит к повышению объема внутренней рециркуляции ОГ и может поэтому способствовать снижению объема оксидов азота.
Ввиду вытеснения имеющегося в камере сгорания свежего заряда заброшенными обратно отработанными газами раннее открытие впускного клапана приводит и к снижению максимального крутящего момента.
Слишком высокий обратный заброс отработавших газов на холостом ходу может вызвать пропуски воспламенения, которые приводят к повышению выброса углеводородов (HC). Благодаря переменным фазам газораспределения можно здесь достичь оптимальных показателей.
Внешние остаточные газы, это газы, отобранные на рециркуляцию и поступившие во впускной коллектор и попадающие назад в цилиндры. Количество внешних остаточных газов регулируется изменением проходного сечения клапана рециркуляции отработавших газов.
Благодаря электронной системе управления двигателем всегда обеспечивается оптимальное количество отработавших газов, отбираемых на рециркуляцию.
Существует правило: чем выше отобранное на рециркуляцию количество отработавших газов, тем ниже будет являться доля оксидов азота NOx. Слишком высокий обратный заброс отработавших газов приводит, однако, ввиду недостатка кислорода, к неполному сгоранию и соответственно к повышению содержания углеводородов (HC) в отработавших газах.
В состав остаточных газов входят инертные газы (составные части заряда в камере сгорания, которые ведут себя инертно, т.е. которые больше не участвуют в процессе сгорания) и несгоревшая часть воздушной смеси (при работе на обедненной смеси).
Количество инертных газов, которые непосредственно не участвуют в горении, влияет, однако, на процессы воспламенения и горения. При уменьшении доли приточного воздуха в результате рециркуляции ОГ (снижение доли кислорода в камере сгорания), снижается и доля оксидов азота NOx.
Электронная система управления двигателем
Электронная система управления двигателя подразделяется на следующие системные блоки:
- Датчики и задающие устройства.
- Блок управления двигателя.
- Исполнительные устройства.
ЭСУД автомобилей, базирующаяся на интенсивно прогрессирующих в последние годы компьютерных технологиях, в состоянии выполнить названные выше требования.
В противоположность старым механическим системам при использовании электронной системы управления водитель оказывает на подачу топлива только косвенное влияние.
Для получения как можно точной информации о рабочем состоянии двигателя производится замер по многим физическим параметрам, например:
- расход воздуха (MAF);
- частота оборотов двигателя / положение коленвала (CKP);
- температура охлаждающей жидкости (ECT).
Для этого используются датчики ЭСУД, преобразующие физические параметры в электрические, например: в последовательность импульсов напряжения, которые снимаются с датчика CKP. Количество импульсов напряжения является мерой физической величины.
То есть с каждым параметром числа оборотов соотносится определенное количество импульсов напряжения: чем больше импульсов напряжения за единицу времени, тем выше частота оборотов двигателя.
Заданные параметры, задаваемые далее водителем, измеряются таким же образом так называемыми задающими устройствами. Пример задающего устройства: датчик положения педали акселератора.
Блок управления (котроллер ДВС) представляет собой основной элемент системы ЭСУД. Он получает электрические сигналы датчиков и задающих устройств, анализирует их и рассчитывает на их основе управляющие сигналы для исполнительных устройств ЭСУД.
Управляющая программа (прошивка ПО) записана в память блока управления. Исполнение программы берет на себя микропроцессор. Микропроцессор работает только с цифровыми сигналами, поэтому в контроллер управления интегрирован аналогово-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговые сигналы в цифровые.
На основании входных данных и записанных в память многопараметрических зависимостей микропроцессор рассчитывает данные для формирования выходных сигналов. Исполнительные устройства преобразуют выходные сигналы блока управления в механические параметры. Исполнительными устройствами могут быть:
- электромагнитные клапаны топливных форсунок,
- электропневматические преобразователи давления (например, электромагнитный клапан изменения геометрии турбины);
- электромагнитный клапан EGR;
- электрический клапан EGR.
Стратегия управления двигателем
Стратегия – это планомерные действия для достижения цели с привлечением внешних факторов воздействия.
Система управления двигателем – это компьютерная программа, которая выполняется микропроцессором блока PCM. Стратегии сохраняются в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) блока PCM. Ниже показана структурная схема прошивки программы ЭСУД, заложенная в модуле управления двигателем автомобиля.
Стратегия (часть программы управления), применяемая на автомобилях, во всех системах управления двигателем разделена на два сегмента: управление ДВС. и самодиагностика. Сегмент управления ДВС разделен на функции:
- Запуск (проворачивание коленчатого вала).
- Холостой ход.
- Частичная нагрузка.
- Сброс газа.
- Сброс газа с выключением тяги.
- Полная нагрузка.
Важнейшими компонентами стратегий у систем управления двигателем внутреннего сгорания являются:
- Вычисление массового расхода воздуха.
- Расчет угла опережения зажигания.
- Антидетонационное регулирование.
- Адаптация количества впрыскиваемого топлива.
- Управление системой контроля паров топлива.
- Управление генератором (система Smart Charge).
- Управления подачей воздуха в режиме холостого хода.
- Регулировка положения распределительного вала.
- Управление давлением наддува.
Программа регулирования сдвига фаз газораспределения включает в себя калибровки. Под калибровкой понимают данные, с которыми стратегия работает, это означает, через калибровку стратегия адаптируется к условиям применения соответствующего типа ДВС.
Данные калибровки сохраняются в FEEPROM (электрически-стираемое flash-программируемое постоянное запоминающее устройство) блока PCM. Меры калибровки и их этапы развития учитывают наряду с типом двигателя также соответствующую версию автомобиля.
Если, например, имеется только одна стратегия управления двигателем, инженерами калибровки все-равно могут быть предприняты различные калибровки для этой одной стратегии. Основа стратегии остается при этом без изменений.
Калибровка автомобиля или системы выполняется поэтапно, главное – чтобы достичь наиболее оптимальных ходовых качеств (мощность, расход топлива, параметры отработавших газов и т.д.). Адаптация калибровки может также осуществляться на основании данных клиентов или станций технического обслуживания.
Расчет угла отклонения регулируемого газораспределения
Задача распределительного вала заключается в том, чтобы в правильный момент времени и правильной последовательности задействовать клапаны и, таким образом, управлять газообменом.
Система изменения фаз газораспределения позволяет сдвигать фазы газораспределения всех клапанов, задействуемых соответствующим распределительным валом, в едином направлении.
Система изменения фаз газораспределения в зависимости от требований может быть установлена на впускном распределительном вале, на выпускном распределительном вале или на обоих распределительных валах. Изменение фаз газораспределения впускного распределительного вала дает следующие преимущества:
- увеличенный крутящий момент, развиваемый двигателем, и более благоприятная характеристика крутящего момента;
- снижение расхода топлива.
Изменение фаз газораспределения выпускного распределительного вала делает возможным более длительное перекрытие клапанов. За счет этого можно добиться целенаправленного повторного всасывания отработавших газов, что позволяет заменить сложную и дорогую систему рециркуляции отработавших газов, которая в противном случае была бы необходима для достижения оптимальных параметров токсичности.
Чтобы объединить преимущество обеих систем, применяются два работающих независимо друг от друга механизма регулируемого газораспределения. Это позволяет блоку PCM регулировать сдвиг фаз впуска и выпуска постоянно и независимо друг от друга путем относительного поворота распределительных валов.
Относительный поворот распределительного вала регулируется по заданной программе в зависимости, в основном, от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала. Постоянное регулирование положения распределительных валов обеспечивается за счет соленоидов управления подачи масла системы газораспределения с изменяемыми фазами, блоков управления VCT и двух датчиков CMP.
Вычисление массового расхода воздуха с помощью датчика MAF
Датчик MAF измеряет массу поступающего в цилиндры воздуха. Значение массового расхода воздуха, определенное стратегией PCM, используется для расчета необходимого объема топлива и нагрузки двигателя.
Этот расчет очень важен, поскольку он является и основой для других системных расчетов ЭСУД, например, дозирования топлива, управления зажиганием и т. д. При стабильной работе ДВС, т. е. при неизменном положении дроссельной заслонки и неизменной частоте вращения коленвала, измеренная датчиком MAF воздушная масса имеет такие же характеристики, что и воздух, поступающий в цилиндры.
При равномерных движениях дроссельной заслонки количество протекающей через датчик MAF воздушной массы результирует из функции положения дроссельной заслонки и давления во впускном коллекторе.
Во время резкого ускорения внезапно увеличившийся массовый расход воздуха во впускном коллекторе ведет к росту давления за дроссельной заслонкой (эффект наполнения впускного коллектора). Этот эффект обуславливает увеличение массового расхода воздуха на датчике MAF.
Измеренное датчиком MAF увеличение массового расхода воздуха однако больше, чем фактически имеющаяся в цилиндре масса воздуха. Это и есть состояние воздушной массы во впускном коллекторе перед цилиндром, которое должно быть учтено стратегией и требует аккуратного обращения при расчетах. Если бы этот параметр не учитывался, количество топлива, впрыскиваемого при резком ускорении, было бы слишком большим.
Эффект опорожнения впускного коллектора
Схожий эффект, однако с обратным смыслом, возникает при внезапном замедлении. Измеренная датчиком MAF воздушная масса в данной ситуации очень быстро уменьшается, однако давление во впускном коллекторе за дроссельной заслонкой и, соответственно, имеющаяся воздушная масса во впускном коллекторе уменьшаются медленнее. В этом случае говорят о так называемом эффекте опорожнения впускного коллектора.
Если такие эффекты не компенсируются стратегией, при наполнении впускного коллектора («эффект наполнения») это может привести к чрезмерным отклонениям в топливо-воздушной смеси при внезапном перемещении дроссельной заслонки. Поэтому блок PCM рассчитывает коэффициент наполнения из соотношения давления во впускном коллекторе и нагнетаемого воздуха.
Этот коэффициент наполнения используется для точного вычисления потока нагнетаемого воздуха к цилиндру (информация об этом получается из сигнала MAF). В зависимости от системы управления ДВС и предъявляемых требований наряду с датчиком MAF используется также датчик MAP, который находится на впускном коллекторе. С его помощью состояние воздушной массы во впускном канале перед цилиндром может быть рассчитано еще точнее.
Расчет воздушной массы с помощью датчика MAP
Базирующаяся на абсолютном давлении во впускном коллекторе стратегия расчета воздушной массы (именуемая также Speed Density) является еще одним методом определения воздушной массы.
Для этого на некоторых ДВС вместо датчика MAF используется датчик MAPT. Как и при вычислении воздушной массы на основании сигналов датчика MAF, здесь также устанавливаются значения, определенные стратегией PCM, и используются для расчета необходимого объема топлива и нагрузки двигателя.
При расчете воздушной массы блок PCM вычисляет воздушную массу, подаваемую в цилиндры за рабочий такт, на основании данных MAP, IAT, частоты вращения коленвала и рассчитанного значения степени наполнения.
Большое значение имеет также барометрическое давление, поскольку с увеличением географической высоты плотность воздуха падает. Барометрическое давление, таким образом, влияет на расчет воздушного потока и, соответственно, на следующие функции:
- Дозирование топлива.
- Управления подачей воздуха в режиме холостого хода.
- Смещение момента зажигания.
- Точки переключения сцепления блокировки гидротрансформатора.
- Регулирования оборотов холостого хода.
- Корректировка воздушной массы при полной нагрузке.
- Регулирование давления наддува (двигатели с турбокомпрессором, работающем на ОГ).
Определение барометрического давления выполняется различным образом в зависимости от установленной системы. В некоторых системах в блок PCM встроен датчик BARO. В других системах измерение осуществляется с помощью датчика MAP.
Барометрическое давление измеряется непосредственно после включения зажигания (мотор еще выключен) датчиком MAP. Блок PCM сохраняет значение и применяет его тех пор, пока снова не появятся условия для пригодного измерения, например: дроссельная заслонка в положении полной нагрузки или повторное включение зажигания.
Дозирование топлива
Сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре – это один из многих процессов, которые влияют на мощность ДВС, коэффициент полезного действия и токсичность отработавших газов, а также управляют этими параметрами. Поэтому крайне важно приготовление смеси из всасываемого воздуха и впрыскиваемого топлива.
Принцип сжигания обедненной смеси сегодня еще не проложил себе дорогу, поскольку выбросы вредных веществ не могут быть уменьшены в той же мере, что и при использовании каталитического нейтрализатора с лямбда-регулированием. Кроме того, выбросы NOX при высокой частоте вращения чрезвычайно высоки вследствие избытка воздуха.
Стратегия PCM поэтому использует лямбда-регулируемый TWC для снижения выброса вредных веществ. Функция определения дозирования топлива (и, таким образом, состава топливо-воздушной смеси) осуществляется либо в разомкнутом, либо в замкнутом контуре регулирования.
Замкнутый и разомкнутый контур регулирования
В замкнутом контуре регулирования лямбда-регулируемый тип впрыска топлива обеспечивает оптимальное преобразование вредных веществ в каталитическом нейтрализаторе.
В разомкнутом контуре регулирования имеет место управляемый впрыск топлива. Это значит, что в этом состоянии лямбда-регулирование отсутствует.
В следующих рабочих условиях работа двигателя при разомкнутом контуре регулирования является обязательной: дроссельная заслонка полностью открыта; период прогрева.
Расчет и адаптация впрыскиваемого количества топлива
Длина сигнала впрыска управления подачи топлива рассчитывается из следующих величин:
- Датчик давления в топливной рампе.
- Сигналы кислородных датчиков (используются только тогда, когда лямбда-регулирование находится в замкнутом контуре регулирования).
- Значение воздушной массы от датчика MAF или MAPT.
- Частота вращения коленчатого вала.
- Нагрузка двигателя.
На протяжении всего срока службы автомобиля, двигатель и различные компоненты системы управления испытывают обычный износ. Этот износ ведет к отклонениям от первоначально запрограммированных параметров для расчета воздушно-топливной смеси.
Посредством адаптации топлива эти отклонения могут быть компенсированы в определенных пределах. При этом блок PCM распознает отклонения от первоначально запрограммированных параметров, образует затем постоянный поправочный коэффициент и сохраняет новые данные в таблице адаптации.
При этом говорят о долговременной адаптации топлива. В блоке PCM находятся таблицы адаптации для всех условий эксплуатации двигателя. За счет адаптации топлива в течение всего срока службы двигателя обеспечивается оптимальная воздушно-топливная смесь.
Расчет угла опережения зажигания
Назначение правильно функционирующей системы зажигания заключается в том, чтобы воспламенять воздушно-топливную смесь в правильный момент времени в соответствии с преобладающими условиями.
От момента воспламенения воздушно-топливной смеси до ее полного сгорания в среднем должно проходить около 2 мс. Для определения правильного момента зажигания используются следующие параметры:
- Частота вращения коленчатого вала.
- Нагрузка двигателя,
- Воздушная масса и/или давление во впускном коллекторе.
- Впрыснутое количество топлива.
- Температура охлаждающей жидкости.
- Температура всасываемого воздуха.
- Значение лямбда зонда.
- Количество рециркулируемых отработавших газов.
- Частота оборотов холостого хода.
Дополнительные параметры для выбора угла зажигания: антидетонационные свойства топлива и степень сжатия.
Когда несгоревшая воздушно-топливная смесь в цилиндре разбавляется посредством обеднения или при использовании системы EGR, возрастают время распространения фронта пламени и колебания, возникающие в процессе сгорания от такта к такту. Чтобы компенсировать данное обстоятельство, момент зажигания смещается в сторону опережения.
За счет соответствующей калибровки системы управления двигателем учитываются все описанные расчеты угла опережения, так что для каждого режима работы или каждой дорожной ситуации предусмотрен соответствующий правильный угол опережения зажигания.
Наивысший приоритет при этом имеет максимально высокий КПД при низком расходе топлива. Калибровка зажигания всегда выполняется для определенного целевого двигателя на определенном варианте модели.
Антидетонационное регулирование
Если скорость распространения пламени в камере сгорания становится сопоставимой со скоростью звука, то этом случае имеет место детонационное сгорание. Детонационный эффект при низкой частоте вращения коленвала отчетливо слышен. При высоких частотах вращения он заглушается шумами двигателя, но при этом может привести к серьезным повреждениям силового агрегата.
Воздействия детонации зависят от интенсивности и продолжительности, если граница детонации пересекается лишь кратковременно, то это незначительно или вообще никак не влияет на мощность двигателя и характеристики его работы. Сильная детонация, напротив, может привести к повреждению поршней, головки цилиндров и прокладки головки цилиндров.
Склонность к детонации зависит от формы камеры сгорания, свойств топлива и температуры смеси с высокой степенью сжатия в конце сгорания. Эта склонность к детонации может быть уменьшена за счет изменения преобладающих в камере сгорания параметров (например, уменьшение температуры всасываемого воздуха и смещение угла зажигания в сторону запаздывания).
При этом угол опережения зажигания изменяется шагами 0,25° приблизительно каждые 0,2 секунды. Регулировка угла опережения зажигания осуществляется до устранения детонации. Если система регистрирует однократную детонацию (определяется граница детонации), осуществляется быстрая регулировка. С помощью такого детонационного регулирования достигается оптимальная мощность двигателя, что в конечном счете позитивно влияет на расход топлива.
Система запуска (Smart Starting)
Особенности системы запуска (Smart Starting): если водитель не отпускает ключ сразу же после запуска двигателя, блок PCM прерывает подачу сигнала к тяговому реле и, таким образом, отключает электродвигатель стартера.
Для контроля процесса запуска используется сигнал датчика CKP. Преимущества по сравнению с обычной системой запуска: процедура запуска выполняется быстрее и в щадящем для стартера режиме.
Последствия в случае неисправности: автомобиль нельзя запустить. Систему можно проверить с помощью мультиметра, руководствуясь схемой электрических соединений.
Управление мощностью ДВС
При электронном управлении мощностью двигателя блок PCM управляет дроссельной заслонкой.
Основной величиной для дроссельной заслонки является положение датчика APP. Кроме того, блок PCM учитывает различные входные сигналы датчиков и выполняет соответствующие корректировки.
Блок PCM получает от датчика APP информацию о требуемой мощности ДВС. Он рассчитывает из устанавливаемой мощности двигателя требуемую воздушную массу и отправляет соответствующий управляющий сигнал в электронный модуль дроссельной заслонки.
Блок управления в модуле дроссельной заслонки управляет затем сервоприводом в соответствии с требуемым проходным сечением заслонки.
Датчик TP поставляет данные о текущем положении дроссельной заслонки и обеспечивает, тем самым, точное поддержание требуемого положения дроссельной заслонки.
Дополнительные требования мощности ДВС результируют из соответствующих имеющихся условий эксплуатации, например: включение потребителей; уменьшение крутящего момента при переключении передач; активация устройства регулирования скорости.
В соответствии с этими требованиями блок PCM корректирует положение дроссельной заслонки, вне зависимости от сигнала датчика APP.
Управление генератором (система Smart Charge)
Выходное напряжение обычного генератора задается внутренним регулятором напряжения, который установлен на постоянное (номинальное) значение напряжения. Генератор с системой «Smart Charge» хотя и сохраняет за собой функции регулятора напряжения, но заданное значение напряжения вычисляется в блоке PCM.
- Реле работы двигателя.
- Потребители.
- Выход генератора.
- Вход генератора.
- Контрольная лампа системы зарядки на щитке приборов.
- Сигнал температуры от датчика MAFT или MAPT.
- Электронный модуль дроссельной заслонки.
Система Smart Charge обходится без дополнительных элементов, имеет функцию самодиагностики в блоке PCM и может быть продиагностирована с помощью IDS. Кроме того, при слишком высокой нагрузке генератора блок PCM повышает обороты холостого хода, чтобы увеличить мощность генератора.
Чтобы определить уровень нагрузки генератора, блок PCM через сигнальный провод выхода генератора получает сигнал от вращающейся обмотки возбуждения генератора. Блок PCM обрабатывает сигнал, чтобы компенсировать возможное падение частоты вращения в режиме холостого хода.
Это обеспечивается за счет изменения угла зажигания и скважности импульсов для электронного модуля дроссельной заслонки. Частота и скважность сигналов от выхода генератора изменяются. Диапазон частот сигнала напряжения охватывает от 100 Гц до 200 Гц, а скважность должна составлять от 9% до 97%.
- 9% = низкий ток зарядки
- 97% = высокий ток зарядки = повышение частоты оборотов в режиме холостого хода
Кроме того, через этот сигнальный провод осуществляется также контроль выхода генератора, чтобы информировать блок PCM о возможных неисправностях. Это возможно, например, если скважность лежит вне пределов диапазона 9-97% или если генератор не получил действительный сигнал напряжения.
Если на вход блока PCM (Vbatt) подается слишком низкий сигнал напряжения, это означает, что напряжение тока зарядки слишком низкое. Генератор должен производить больше энергии, чтобы при поддержании уравновешенного зарядного баланса аккумулятор достаточно хорошо заряжался.
Через сигнальный провод, идущий к входу генератора, регулируется напряжение генератора в зависимости от входных сигналов блока PCM (например, слишком низкое напряжение, Vbatt). Для вычисления температуры электролита аккумулятора блок PCM регистрирует мгновенное значение температуры всасываемого воздуха.
Это значение сравнивается со значением температуры всасываемого воздуха, сохраненным при последнем выключении двигателя, и затем вычисляется температура электролита, необходимая для нового заданного значения напряжения.
Блок PCM управляет теперь регулятором напряжения генератора. Частота равна частоте входного сигнала блока PCM (100-200 Гц). Регулятор напряжения использует при этом скважность от ок. 15% = 12,5 В до 95% = 16,5 В.
Блок PCM передает затем генератору новое заданное значение напряжения. При этом этот сигнал является временной информацией, пока блок PCM снова не установит новое значение (исключение: изменение нагрузки генератора). Напряжение генератора может лежать в диапазоне от 12,5 В до 16,5 В.
Режимы работы системы Smart Charge
При нормальном режиме система работает, исходя из установленного заданного значения напряжения, оптимального для соответствующей температуры аккумулятора. Блок PCM в зависимости от автомобиля направляет сигнал в:
- BCM (модуль управления кузовом);
- реле работы двигателя.
За счет этого на определенные потребители с высоким токопотреблением (например, система обогрева заднего или лобового стекла) ток подается только тогда, когда работает генератор.
Блок управления силовым агрегатом активирует контрольную лампу системы зарядки при включенном зажигании и выключенном двигателе, во время процесса запуска и, если скважность входного сигнала при работающем двигателе составляет 0% или 100%.
Запуск двигателя или частота вращения ниже номинальной
Генератор Smart Charge после включения зажигания и последующего процесса запуска не активируется.
За счет этого не возникает излишняя нагрузка крутящим моментом для двигателя при запуске. Регулятор напряжения активируется, когда он получает свой первый действительный сигнал блока PCM.
Генератор деактивирован до тех пор, пока частота вращения не превысит частоту вращения при запуске или частоту вращения ниже номинальной и за счет этого не будет активирован выходной сигнал блока PCM.
Полная нагрузка
В этом режиме работы прежде всего необходимо оптимизировать ускорение. Нагрузка крутящим моментом за счет генератора регулируется блоком PCM в сторону уменьшения до минимального возможного значения посредством понижения заданного значения регулятора напряжения.
Во избежание разрядки аккумулятора, режим полной нагрузки периодически отключается, т.е. между следующими друг за другом фазами положения полной нагрузки, генератор ограниченное время работает в нормальном режиме.
Регулирование оборотов холостого хода
Через провод входного сигнала блок PCM постоянно получает сигналы о нагрузке генератора, эта нагрузка возникает вследствие подключения потребителей с высоким токопотреблением и может быть причиной разряда аккумулятора.
Блок PCM реагирует, управляя электронным модулем дроссельной заслонки и увеличивая холостой ход (более высокая частота вращения = более высокий ток нагрузки). Метод регулирования воздуха при холостом ходе с помощью дроссельной заслонки с электронным управлением имеет преимущество.
В системе зарядки Smart Charge блок PCM также в дополнение к этому в состоянии компенсировать падение частоты вращения в режиме холостого хода при высокой электрической нагрузке посредством управления заданным значением регулятора напряжения.
Повышение частоты вращения холостого хода вследствие слишком высокой нагрузки генератора в режиме «холостой ход» осуществляется не сразу. Только после поездки на автомобиле и возвращения в режим холостого хода (машина стоит) устанавливается повышенная частота вращения холостого хода.
Неисправности системы
При неисправности системы Smart Charge заданное значение напряжения регулируется в соответствии со значением, установленным в генераторе, все другие режимы в этом режиме не работают.
Условием для продолжения работы системы является возможность получения данных генератором, несмотря на неисправность в проводе входного сигнала, идущего к блоку управления силовым агрегатом. Контрольная лампа системы зарядки загорается при неисправности в системе и при низком напряжении зарядки.
Заключение
Вы узнали что такое ЭСУД автомобиля, устройство электронной системы управления двигателем и зажигания авто, структуру и принцип работы основных агрегатов – это поможет правильной диагностике ЭСУД и устранению возникающих неисправностей при эксплуатации транспортного средства.
Неисправности ЭСУД негативно сказываются на ходовых характеристиках автомобиля, поэтому в программу модуля управления силовым агрегатом была внедрена функция бортовой диагностики EOBD. При возникновении серьезных отклонений в параметрах работы и неисправности двигателя, на панели приборов активируется индикатор модуля управления (MIL).
Расстояние, пройденное автомобилем с активированным индикатором MIL, фиксируется блоком PCM, поэтому не допускайте пробега более 500 километров – это может повлечь дорогостоящий ремонт и обоснованный отказ от гарантийных обязательств дилера, обслуживающего Ваш автомобиль.
Поделитесь в комментариях, как часто Вам приходиться обращаться в автосервис, а какие неисправности системы управления двигателем устраняете самостоятельно? Подписывайтесь на рассылку новых статей, чтобы быть в курсе технического прогресса в автомобилестроении.
С уважением, Олег!
