7. Автоматическое управление двигателем

7.1 Назначение и технические требования

Применение автоматического управления двигате­лем (АУД) существенно повышает мощность и экономиче­ские показатели, снижает токсичность отработанных газов.

АУД может включать в себя: электронную систему управления впрыском топлива; систему управления зажиганием; систему управления клапанами цилиндров; систему управления рециркуляцией отработавших га­зов; карбюраторы с электронным управлением; экономайзер принудительного холостого хода с электронным управлением; электронные системы управления топливоподачей автомобильных дизелей; электромеханические системы впрыска «Jetronik».

Электронные системы АУД по схемотехническому ре­шению делятся на три типа: аналоговые системы на операционных усилителях; цифровые регуляторы, построенные на элементах сред­ней степени интеграции; микропроцессорное системы.

Аналоговые системы имеют существенные недостат­ки: зависимость качества регулирования от точности изготовления элементов; зависимость электрических па­раметров элементов от внешних факторов; узкая специализированность системы.

Цифровые регуляторы сложны в конструктивном от­ношении, имеют малую. надежность, не перестраиваются на другой тип двигателя.

Функциональные задачи диагностики микропроцес­сорных систем управления автомобилем, а также иден­тичность функциональных систем управления и диагно­стирования позволяет за счет совместного использова­ния общей аппаратуры (датчиков, исполнительных меха­низмов, устройств сопряжения, устройства отображе­ния информации и микроЭВМ) обеспечить непрерывный контроль системы и объекта управления как в функцио­нальном, так и в текстовом режимах без использования каких-либо специализированных технических средств и избежать тем самым необоснованного усложнения кон­струкции автомобиля и необходимости разработки до­полнительного диагностического оборудования.

Сложные технические системы, работающие в ре­альном масштабе- времени, должны быть наделены свойст­вом отказобезопасности, т. е способностью частично или полностью компенсировать недостатки обычных устройств.

7.2. Электронная система впрыска топлива в бензино­вых

двигателях

В системах электронного впрыска топлива состав смеси определяется долей времени (длительностью им­пульса), в течение которого происходит принуди­тельный впрыск за один цикл работы двигателя.

По месту подачи топлива впрыск может быть непо­средственным (в камеру сгорания) или во впускной тракт (в зону впускных клапанов или во впускную тру­бу).

По способу подачи топлива различают впрыск с циклической подачей (на каждый цикл работы цилиндра) и непрерывны. Установлено, что при переносе форсу­нок из камеры сгорания во впускной тракт, момент пода­чи топлива не влияет на рабочие характеристики двига­теля. Это позволяет подойти к групповому впрыску, что значительно упрощает аппаратуру управления.

Оптимальная доза впрыскиваемого топлива зависит от абсолютного давления (разряжения) во впускной сис­теме, частоты вращения коленчатого вала, расхода воздуха, температуры всасываемого воздуха, угла от­крытия дроссельной заслонки.

Аппаратуру электронного впрыска топлива можно разделить на две группы: системы с программным управлением; системы с автоматической адаптацией или экстре­мальные системы управления.

К электронным системам управления впрыском топли­ва программного типа относятся системы, осуществляю­щие управление электромагнитными форсунками по зара­нее заданному закону управления или программе. Необхо­димым элементом таких систем является постоянное за­поминающее устройство (ПЗУ), где хранится характери­стика управления – программа включения-выключения форсунок в зависимости от режимов работы двигателя.

Принцип работы таких, систем следующий: получение информации с датчиков, установленных на двигателе и характеризующих его рабочий режим; обработка сигна­лов в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) с дальнейшей адресацией к ПЗУ выборка из ПЗУ инфор­мации, характеризующей определенный режим работы дви­гателя; преобразование информации в удобную для ра­боты исполнительных механизмов величину; отработка исполнительными механизмами-форсунками программы, ха­рактеризующей данный режим работы двигателя.

Когда водитель включает зажигание, установленный в топливопроводе электрический топливный насос начи­нает подавать топливо в электромагнитные форсунки. Давление, под которым топливо подается в форсун­ки, остается все время постоянным и количество впры­скиваемого в цилиндр топлива определяется длительно­стью интервала времени, в течение которого фор­сунка находится в открытом состоянии. Таким обра­зом, каждый хранящийся в ПЗУ код соответствует опре­деленному интервалу времени.

На рис.7.1 представлена структурная схема электронной системы управления впрыском топлива программного типа бензинового двигателя.

Рис.7.1.Структурная схема электронной системы управления

впрыском топлива

Система управляет включением-выключением форсу­нок, т. е. длительностью импульса, в течение кото­рого происходит принудительный впрыск топлива в за­висимости от угла открытия дроссельной заслонки, частоты вращения коленчатого вала, температуры охла­ждающей жидкости и величины абсолютного давления.

Информация о необходимом количестве впрыскиваемо­го топлива в виде кодовых комбинаций, представ­ленных в двоичной системе исчисления, хранится в ПЗУ.

Каждая кодовая комбинация соответствует опреде­ленной частоте вращения коленчатого вала и углу открытия дроссельной заслонки. Необходимое количество топлива определяется временем включения форсунки. Выбирая из ПЗУ нужную кодовую комбинацию в опреде­ленный момент времени, система впрыскивает в зону впускного клапана двигателя соответствующее количест­во топлива. Выбор кодовой комбинации из ПЗУ осущест­вляется системой управления на основании информации от датчиков частоты вращения вала и угла открытия дроссельной заслонки. Синхронизация работы системы осуществляется с помощью датчика положения коленча­того вала двигателя.

На распределителе 4 установлены дополнительные контакты, которые формируют информацию о частоте вращения коленчатого вала двигателя в виде импульсно­го сигнала. Этот сигнал поступает на вход АЦП 5, с помощью которого преобразуется в двоичный код для обращения к ПЗУ 6. Для преобразования аналогового на­пряжения, снимаемого с датчика угла открытия дрос­сельной заслонки 2, используется другой аналого-цифровой преобразователь 3. Тактовый генератор 1 предназначен для формирования импульсов постоянной частоты, необходимых для работы АЦП. Преобразуемые сигналы, представленные в двоичном коде, один из ко­торых характеризует угол открытия дроссельной заслон­ки, а второй – частоту вращения коленчатого вала, подаются на адресные входы ПЗУ.

С выхода ПЗУ снимается сигнал в виде двоичного кода, характеризующий время открытия электромагнит­ной форсунки в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя и угла открытия дроссельной заслонки. Этот двоичный код преобразуется в устройст­ве 7 в интервал времени, пропорциональный требуемому количеству топлива. Преобразование двоичного кода в интервал времени синхронизируется от устройства син­хронизации 9, выходы которого связаны с распределите­лем 4. Это означает, что электромагнитные форсунки впрыскивают топливо в цилиндры в соответствующей точ­ке рабочего цикла двигателя. На входы преобразова­теля 7 дополнительно подается информация от датчиков температуры охлаждающей жидкости 11, абсолютного давления 12, температуры всасываемого воздуха 13 для осуществления коррекции интервала времени, фор­мируемого преобразователем 7. Далее этот сигнал усиливается в усилителе мощности 8 и подается на электромагнитные форсунки 10.

ЭУД обеспечивает высокую стабильность параметров и управляет впрыском топлива по сложной характери­стике, что обеспечивает ей преимущество перед ра­ботой обычного карбюратора. ЭУД программного типа не учитывает индивидуальных особенностей двигателя, из­менений параметров двигателей при старении.

Большой интерес представляет в системах управления впрыском топлива применение экстремального управления. В процессе управления и регулирования оценивается влияние управляющего воздействия на эксплуатационные характеристики двигателя и формиро­вания на основе этой оценки управляющего сигнала, обеспечивающего максимальное значение регулируемого параметра. Сложности этой системы связаны с обеспе­чением требуемого быстродействия, ее эксплуатационной надежности и помехоустойчивости.

Например, на автомобилях УАЗ-31516 устанавливается система впрыса бензина с микропроцессорным управлением топливоподачи и зажиганием.

Система обеспечивает: фазированный многоточечный впрыск бензина во впускной трубопровод двигателя; управление системой зажигания и ориентированную работу системы нейтрализации отработавших газов в зависимости от окружающих условий, режима работы и состояния двигателя.

В состав системы входят: блок управления, содержащий микропроцессор МИКАС-534 и устройство управления БУМ-Р; датчик массового расхода воздуха термоаналитического типа, датчик углового положения дросселей заслонки потенциометрический, датчик температуры всасываемого воздуха; полупроводниковый термочувствительный, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик углового положения коленчатого вала, электромагнитный индуктивного типа, датчик начала отчета частоты вращения коленчатого вала и начала отсчета угловых импульсов, датчик положения распределительного вала, датчик детонаций, датчик давления топлива; электромагнитные форсунки в виде быстродействующих электромагнитных клапанов; регулятор холостого хода золотникового типа; электробензонасос коловоротного типа с рабочими органами в виде роликов; регулятор давления топливо-мембранный перепускной клапан; фильтр грубой очистки и фильтр тонкой очистки; коммутатор зажигания в цепи первичных обмоток катушек зажигания; двухвыводные катушки зажигания; свечи зажигания; дроссельное устройство, фильтры грубой и тонкой очистки.