Тема 3 Інформаційні системи сучасного автомобіля (6 год.)

Сучасний автомобіль складається з чотирьох основних агрегатів: двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), кузова, шасі та ходової частини. Ці агрегати складаються з різних функціональних систем, які забезпечують виконання головної функції автомобіля – перевезення вантажів і пасажирів. Для того щоб перевезення були безпечними, а для пасажирів і комфортними, щоб агрегати, вузли, блоки, системи працювали безвідмовно, на автомобілях широко використовуються електротехнічні пристрої та засоби електронної автоматики.

В останні роки технічна оснащеність автомобілів електронною бортовою автоматикою значно зростає. Зовсім недавно мікропроцесорні системи запалювання, електронні системи управління гідравлічними гальмами, системи упорскування бензину, бортова самодіагностика вважалися останніми досягненнями в області автомобільного приладо-будування. Тепер їх відносять до класичних систем і встановлюють майже на кожен серійний автомобіль.

У наші дні на знову розроблювальні моделі автомобілів додатково починають встановлювати абсолютно нетрадиційні бортові автоматичні системи, до яких належать:

-інформаційна система водія з мікро-процесорним забезпеченням; супутникова навігаційно-пошукова система;

-радарні й ультразвукові системи захисту автомобіля від зіткнень і угону;

-системи підвищення безпеки і комфорту людей у салоні; система круїз-контролю;

-система «електронна карта»; мультиплексна електропроводка.

Паралельно проводяться пошуки більш ефективних комп’ютерних технологій для обробки інформації в бортових електронних системах.

Розроблено і вже знаходять застосування так звані мовні функціональні перетворювачі, що працюють із нечіткими підмножинами лінгвістичних змінних, виражених окремими словами або цілими реченнями природною (англійською) або штучною (комп’ютерною) мовою. При деякому ускладненні логічних і арифметичних операцій в мікро ЕОМ це дозволяє підвищити точність і швидкість обробки сигналів. Як Елементи електронних систем керування автомобільними двигунами наслідок, значно ускладнився інтерфейс і виникла необхідність у введені CAN-npoтокола в мультиплексную систему.

На базі електронних систем автоматичного керування двигуном (Есау-Д) і гальмами (Есау-Т) розроблена і вже застосовується гіроскопічна система VDC для підвищення курсової стійкості автомобіля на дорозі в складних умовах руху. Система VDC працює за принципом запрограмованого під нештатні умови руху спільного впливу на крутний момент ДВС (за допомогою системи ASR) і на антиблокувальну систему гальм ABS, ніж виключається бічне відведення (знос) автомобіля при поворотах на великій швидкості або на слизькій дорозі. Водієві в такому випадку відводиться роль активного спостерігача, який контролює поведінку автомобіля.

Інтенсивно ведуться наукові дослідження можливості застосування електро-магнітних клапанів з електронним управлінням у газорозподільному механізмі (ГРМ) поршневого ДВС. Ідею замінити класичні механічні клапани електромагнітними ще в 50-х рр. XX ст. запропонував професор Московського автомобільно-дорожнього інституту (МАДІ), доктор технічних наук Володимир Митрофанович Архангельський. Що це дає поршневому ДВС, добре відомо теоретично. Але практична реалізація ідеї виявилася виключно трудомістким завданням, над вирішенням якої працюють фахівці багатьох зарубіжних фірм і вітчизняні розробники. Теоретичні та експериментальні дослідження вже завершені. Тепер здійснюються розробки конструкторських варіантів виконання ГРМ з електромагнітними клапанами.

Поряд з удосконаленням автомобільних бензинових ДВЗ усе більш активізуються роботи зі створення екологічно чистих силових установок для електромобілів. Вважають, що гідною заміною міському автомобілю може стати гібридний електромобіль, електронні системи керування яких також належать до сучасних новацій у галузі автомо-білебудування.

У сучасних умовах глобальною вимогою до новітніх автомобільних електричних та електронних систем є неухильне виповнення міжнародних стандартів ОВЕ-П (США) і ЕОВЕ-П, які також продовжують удоско-налюватися.

Крім специфіки виконуваних функцій, новітні системи автомобільної бортовий автоматики кардинально відрізняються від класичних, суто електронних систем, широкою різноманітністю принципів дії вхідних у них складових підсистем. Залежно від розв’язуваної задачі, в нову систему як основні компоненти можуть входити не тільки електричні й електронні вузли та блоки, а також і механічні, гідравлічні, оптичні, ультразвукові та будь-які інші пристрої, що мають неелектричну Л. П. Клименко, О. Ф. Прищепов, В. І. Андрєєв, В. Ю. Голдун природу функціонування. Їх роль у реалізації заданої функції управління головна, хоча всі інформаційні процеси в системі реалізуються на рівні електронних блоків управління (ЕБУ), а в новітніх системах – у бортових мікропроцесорах. Такі великі складові комплекси управління не можуть ставитися ні до механічних, ні до електричних, ні до електронних систем.

У цьому зв’язку новітні системи автомобільної бортової автоматики, що встановлюються на концептуальні автомобілі, отримали нову назву – автотронні системи.

Автотронна система, керуючи неелектричними процесами через неелектричну периферію на виході, сама управляється від сигналів, що мають неелектричну природу, які формуються неелектричною вхідною периферією.

Наприклад, автотронна система VDС (управління курсовою стійкістю руху автомобіля), функціональні взаємозв’язки якої з водієм і дорогою показані на рис. 3.1, як вхідну інформацію використовує швидкість руху, кути нахилу кузова, різницю частот обертання коліс, кут повороту керма, атмосферні умови, а в деяких варіантах – тиск у шинах і стан дорожнього покриття.

I. Географічні умови: звивистість дороги, спуски, підйоми, повороти, перехрестя доріг, переїзди.

II. Дорожні умови: тип дорожнього покриття (гравій, бетон, асфальт), асфальт сухий, мокрий, зледенілий. Щільність транспортного потоку.

ІІІ. Кліматичні умови: атмосферні – температура, вологість, тиск, температура асфальту.

ІV. Техногенні умови: зчеплення коліс із дорогою або станом протекторів шин; швидкість обертання коліс; швидкість рискання; бічне відведення автомобіля, бокове відведення коліс, бічне прискорення.

Усе це – неелектричні прояви умов руху автомобіля, які за допомогою вхідних неелектричних перетворювачів перетворюють у неелектричні інформаційні сигнали: швидкість руху – в кругову частоту обертання коліс; кути вертикального способу – в механічне переміщення інерційних елементів у гіроскопічних пристроях; кут повороту керма – в рух (поворот) світло-моделюючого (кодує) диска; тиск у шинах – у прогин пружної мембрани.

Отримані таким чином неелектричні інформаційні сигнали завдяки вхідним датчикам перетворюються в електричні сигнали: поворот диска на кермі кодує в цифровий електричний код; кругова частота обертання коліс – у послідовність електричних імпульсів із змінною частотою прямування; переміщення інерційних елементів гіроскопа, пружної мембрани датчика тиску – в аналогові електричні орієнтовані сигнали, які далі за допомогою аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП) переробляються в цифрові електричні сигнали, придатні для подачі на вхід мікропроцесора МП.

Мікропроцесор – це центральний орган управління (мозок) автотронної системи. Його головна функція полягає в перетворенні електричних інформаційних сигналів про умови руху автомобіля, отриманих від вхідної периферії, в електричні сигнали управління, які несуть інформацію про інтенсивності і послідовності неелектричних впливів на неелектричні органи управління. Така інформація формується в мікропроцесорі у вигляді кодових послідовностей електричних імпульсів, які для безпосереднього управління неелектричними органами непридатні.

Говорячи про тенденції та перспективи розвитку автомобільних бортових пристроїв, слід зазначити, що традиційно найбільш інтенсивно удосконалюються вузли, агрегати і схеми класичного електрообладнання.

Вже скоро в бортмережі автомобіля буде впроваджено робочу напругу 42 вольта. Це пов’язано з необхідністю підвищення напруги Л. П. Клименко, О. Ф. Прищепов, В. І. Андрєєв, В. Ю. Голдун електроживлення для новітніх енергоємних спожи-вачів, таких як силові електромагнітні гідроклапани, електромагнітні соленоїди силових виконавчих пристроїв, потужні електродвигуни, силові електронні комутатори, мультиплексна електропроводка і т. п. Зрозуміло, що при підвищенні напруги електропостачання відповідно зменшуються струми в ланцюгах споживачів, що призводить до більш надійної й економічної їх роботі. Але відразу переводити всі електро-споживачі на нову напругу, як це було зроблено при переході з 6 до 12 вольт, на сьогодні нераціонально. Причина тому – випуск 12-вольтних споживачів величезними серіями, технологічна оснащеність виробництва і, головне, всі експлуатовані нині автомобілі обладнані 12-вольтовими споживачами (електролампи, електродвигуни, електронне і мікрокомп’ютерне оснащення, аудіо-, радіо-, відеоапаратура, бортова самодіагностика тощо).

Єдиної стратегії перекладу бортмережі автомобіля на більш високу напругу поки немає. Вважають, що деякий час в автомобілі буде дві напруги: 12 вольт – для класичного електрообладнання, і 42 вольта – для новітніх потужних споживачів. Такий підхід широко використовується на багатотонних грузових автомобілях, де потужні електроспоживачі 24-вольтні, а освітлення – від 12 вольт. Ще більш яскравий приклад – електромобілі. Тут головна тягова акумуляторна батарея, керуючий контролер і тяговий розраховані на напругу 120 ... 380 В і з’єднані між собою окремими ланцюгами. При цьому бортмережа

залишається 12-вольтової.

Із наведених прикладів зрозуміло, що функціональне різноманіття бортових електричних пристроїв неминуче призводить до необхідності застосування на автомобілі декількох первинних джерел електроенергії з різними робочими напругами. При цьому не виключено, що буде використовуватись і змінна синусоїдальна напруга для спеціальних споживачів.

Під нові напруги в першу чергу будуть модернізовані бортові електромашини. Уже в наші дні значно видозмінений електростартер. У ньому не застосовується послідовне збудження, яке замінене збудженням від постійних магнітів. Жорстка механічна характеристика електродвигуна такого стартера узгоджується з пусковим моментом ДВС допомогою планетарного редуктора (редуктора Джеймса). Давно немає колекторних генераторів постійного струму, їх замінили багатофазні синусоїдальні генератори з напівпровідниковими випрямлячами й електронними регуляторами напруги. Але й такі генератори елементи електронних систем керування автомобільними двигунами можуть значно видозмінитися при появі другої робочої напруги або якщо необхідність у високовольтній змінній напрузі стане реальною.

Ведуться також розробки зі створення універсальної електричної машини, так званого «стартер-генератора», яка зможе виконувати дві функції: запуск ДВС і подачу електроенергії в бортмережу після запуску ДВС.

Сучасна мікропроцесорна система запалювання з низькорівневим багатоканальним розподілом енергії по свічках є найбільш досконалим вирішенням проблеми примусового електроіскрового займання ТВ-суміші в циліндрах поршневого ДВС. Але і це не межа досягнень. Уже випробовані лазерні свічки запалювання, які працюють безпосередньо від електронної схеми управління без проміжного енергоносія. Це дозволить значно підвищити надійність і ККД системи запалювання, а також позбавити її від високочастотних електроіскрових перешкод на інші вузли і блоки бортової електронної автоматики.

Електронною схемою управління може стати магнітний модулятор стиснення, що працює на феромагнітних сердечниках насичення. Схема такого модулятора має основним елементом високовольтний трансформатор із насичуючими сердечниками. Якщо магнітопровід трансформатора внести в режим насичення, то його коефіцієнт трансформації різко падає і енергія з первинної обмотки на вторинну не трансформується. Вихідний трансформатор має два ізольовані один від одного магнітопроводи – М1 і М2, охоплені загальною первинною обмоткою. Кожен магнітопровід оснащений окремою обмоткою управління й окремою двовивідною вторинною обмоткою . Коли по керуючої обмотці протікає струм, достатній для насичення сердечника М1, а обмотка знеструмлена, то висока напруга буде наводитися тільки у вторинній обмотці. Якщо знеструмити керуючу обмотку і пропустити струм насичення по обмотці Wв", то насититься сердечник М2, і висока напруга буде трансформована тільки в обмотку W2‘.

Система запалювання з трансформатором насичення володіє високою надійністю, малими габаритами і вагою.

На закінчення слід зазначити, що не всі відомі розробки бортових систем вийшли зі стадії експериментальних досліджень. Вони використовуються в основному на фірмових моделях спортивних та концептуальних автомобілів.