Устройство и принцип действия системы впрыска L -Джетроник

Система впрыска L-Джетроник является одной из первых систем электронного впрыска топлива.

Установленный с торца распредели­тельной магистрали 4, регулятор давления топлива 5 в системе поддер­живает постоянное давление впрыска и осуществляет слив излишнего топлива в бак (рис. 4.19). Этим обеспечивается циркуляция топлива в системе и исключается образование паровых пробок.

Основу системы составляет электронный блок управления 6 (микро ЭВМ ). Количество впрыскиваемого топлива определяемого временем открытия электромагнитной форсунки, зависит от сигнала подаваемого блоком управления. В блок управления поступает информация о частоте вращения коленчатого вала от индукционного датчика прерывателя-распределителя 20; о температуре двигателя от датчика температуры охлаждающей жидкости 23; о качестве сгорания топливовоздушной смеси от кислородного датчика (лямбда-зонда) 24, расположенного в выпускной системе двигателя; о нагрузке двигателя от датчика расходомера воздуха 8; о степени открытия дроссельной заслонки от датчика-выключателя дроссельной заслонки 7.

Основным параметром, определяющим дозировку топлива, являет­ся объем всасываемого воздуха, измеряемый расходомером воздуха. По­ступающий воздушный поток отклоняет напорную измерительную за­слонку расходомера воздуха, преодолевая усилие пружины, на опреде­ленный угол, который преобразуется в электрическое напряжение по­средством потенциометра. Соответствующий электрический сигнал пе­редается на блок электронного управления, который определяет необ­ходимое количество топлива в данный момент работы двигателя и вы­дает на электромагнитные клапаны рабочих форсунок импульсы вре­мени подачи топлива. Топливо из распределительной магистрали поступает к электромагнитным форсункам. Независимо от положения впускных клапанов, форсунки впрыскивают топливо за один или два оборота коленчатого вала двигателя (за цикл, за два такта).

Если впускной клапан в момент впрыска закрыт, топливо накапли­вается в пространстве перед клапаном и поступает в цилиндр при следующем его открытии одновременно с воздухом.

Клапан дополнительной подачи воздуха 14, установ­ленный в воздушном канале, выполненном параллельно дроссельной заслонке, подводит к двигателю добавочный воздух при холодном пус­ке и прогреве двигателя, что приводит к увеличению частоты враще­ния коленчатого вала. Для ускорения прогрева используются повышен­ные обороты холостого хода (более 1000 об/мин).

Для облегчения пуска холодного двигателя применяется электромагнитная пус­ковая форсунка 17, продолжительность открытия которой изменяется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.

Рис. 4.19. Электронная система впрыска L-Джетроник:

1 – топливный насос; 2 – топливный бак; 3 – топливный фильтр; 4 – распределительная магистраль; 5 – регулятор давления; 6 – блок управления; 7 – потенциометр дроссельной заслонки; 8 – потенциометрический датчик расходомера воздуха; 9 – датчик температуры воздуха; 10 – реле; 11 – замок зажигания; 12 – аккумуляторная батарея; 13 – винт качества смеси (СО); 14 – клапан добавочного воздуха; 15 – дроссельная заслонка; 16 – винт регулировки частоты вращения коленчатого вала; 17 – пусковая форсунка; 18 – расходомер воздуха; 19 – температурный датчик включения пусковой форсунки; 20 – прерыватель-распределитель; 21 – свеча зажигания; 22 – рабочая электромагнитная форсунка; 23 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 24 – лямда-зонд

При запуске холодного двигателя в цилиндры поступает повышенное количество топлива, в то время как дроссельная заслонка прикрыта и воздуха для работы двигателя недостаточно. В это время по сигналу блока управления открывается клапан дополнительной подачи воздуха, подающий воздух во впускной трубопровод, минуя дроссельную заслонку, что обеспечивает устойчивую работу двигателя во время прогрева.

Электронный блок управления. Электронный блок управления (ЭБУ) является самым сложным прибором систем управления двигателем или отдельных систем автомобиля и координирует их работу. Основу блока составляет центральный процессор или микрокомпьютер.

 ЭБУ (рис. 4.20) размещается в металличес­ком корпусе и соединяется с датчиками, ис­полнительными устройствами и источником питания через многоштырьковый разъем 1.

Рис. 4.20. Электронный блок управления

1 – разъем; 2 – задающие каскады малой мощности 3 – импульсный источник питания (SMPS); 4 – CAN интерфейс (интерфейс шины передачи данных); 5 – блок памяти микропроцессора; 6 – задающие каска­ды большой мощности; 7 – входные и выходные контуры

Компоненты электронной системы для непосредственного управления исполни­тельными устройствами располагаются в корпусе ЭБУ таким образом, чтобы обеспе­чить хорошее рассеяние тепла в окружаю­щую среду. Большинство компонентов ЭБУ выпол­няется по технологии SMD (Surface-Mounted Device – платы с поверхностным монтажом). Обычная проводка используется только в некоторых элементах питания и в разъемах.

ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков или от генераторов в ожидаемом интервале значений, оценивает их и затем прово­дит вычисление пусковых сигналов для исполнительных устройств (приводов).

Входные сигналы. Наряду с периферийными исполнитель­ными устройствами, датчики представляют интерфейс между автомобилем и ЭБУ, ко­торый является блоком обработки данных. ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков по проводке автомобиля и через разъемы. Эти сигналы могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Схема блока управления:

Н – высокий уровень; L – низкий уровень; FEPROM – программируемая память (постоянное запоминающие устройство); EEPROM – постоянная память (ПМ); RAM – оперативная память (ОП); A/D–АЦП; CAN – шина передачи данных

Цифровые входные сигналы. Эти входные сигналы имеют только два состояния – "высокий уровень" и "низкий уровень". Примерами цифровых входных сигналов являются сигналы включения/вык­лючения или сигналы цифровых датчиков, таких, как импульсы от датчика Холла. Такие сигналы обрабатываются непосредственно микропроцессором.

Аналоговые входные сигналы. В пределах заданного диапазона анало­говые входные сигналы принимают значе­ния напряжения. Примерами физических величин, кото­рые рассматриваются как аналоги изме­ренных значений напряжения, являются массовый расход воздуха на впуске, нап­ряжение аккумуляторной батареи, давле­ние во впускном коллекторе и давление наддува, температура охлаждающей жид­кости и воздуха на впуске. Аналогово-цифро­вой преобразователь (АЦП) в микропро­цессоре ЭБУ преобразует эти значения в цифровые сигналы, с которыми затем мик­ропроцессор проводит расчеты. Разновидностью аналоговых сигналов являются быстро изменяющиеся сигналы напряжения, называемые импульсными входными сигналами.Импульсные входные сигналы от индук­тивных датчиков, содержащие информацию о частоте вращения и положении вала (по метке) обрабатываются в их собственном контуре в ЭБУ. Здесь ложные импульсы по­давляются, импульсные сигналы преобразу­ются в цифровые прямоугольные сигналы.

Формирование сигналов. Для ограничения напряжения входных сиг­налов до максимально допустимого значения в ЭБУ используются защитные цепи. Путем применения устройств фильтрации наложен­ные сигналы помех в большинстве случаев от­деляются от полезных сигналов, которые, в случае необходимости, затем усиливаются до допустимого уровня входного сигнала ЭБУ.

Формирование сигналов в датчиках мо­жет быть полным или частичным, в зависи­мости от уровня их интегрированности.

Обработка сигналов. ЭБУ является управляющим центром сис­темы, являющимся ответственным за после­довательность функциональных операций. Управляющие функции с учетом и без учета обратной связи выполняются в микропро­цессоре. Входные сигналы, формируемые датчиками, генераторами с ожидаемыми значениями параметров и интерфейсами других систем, служат как входные коорди­наты. Они подвергаются дальнейшей про­верке на достоверность в компьютере. Входные сигналы обрабатываются специальными формирователями либо преобразуются в цифровую форму входными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). После формирования управляющих сигналов с необходимыми параметрами (частота, скважность, длительность и т.д.), они поступают на выходные ключи (драйверы), осуществляющие усиление по току и непосредственное управление различными исполнительными элементами (форсунки, реле, соленоиды, катушка (катушки) зажигания и т. д.).

Вы­ходные сигналы рассчитываются с исполь­зованием программ, характеристик и прог­раммируемых матриц. Микропроцессор синхронизируется кварцевым генератором. Выходные ключи выполнены на базе мощных транзисторов структуры п-р-п, в большинстве случаев это составные транзисторы Дарлингтона и непосредственное управление различными исполнительными элементами (форсунки, реле, соленоиды и т. д.) включается в коллекторные цепи выходных ключей; активация того или иного компонента осуществляется переводом выходного ключа в открытое состояние (такой способ управления иногда называется "коммутацией на "массу").

Программируемая (перезаписываемая память). Для своей работы микропроцессору тре­буется программа, которая хранится в программируемой памяти (постоянное за­поминающие устройство – ROM, или EPROM/FEPROM).

Эта память предназначена только для считывания информации. Она также содержит также специ­альные данные (индивидуальные данные, характеристические и программируемые матрицы, значения поправочных коэффициентов и данные, необходимые процессору для расчетов длительности управляющих импульсов форсунок, угла опережения зажигания и т.п.). Это фиксированные данные, ко­торые не могут быть изменены во время уп­равления автомобилем. Перезаписывающая память является энергонезависимой, т.е. вся занесенная в нее информация сохраняется при отключении энергопитания сколь угодно долго.

Оперативная память (RAM) требуется для хранения таких изменяющихся данных, как численные значения сигналов. Для правиль­ной работы оперативная память требует постоянного электрического питания. При выключении зажигания или выключателя пуска ЭБУ выключается и, следовательно, теряет всю память (так называемая "испа­ряющаяся" память). Адаптирующие значе­ния величин, то есть тех, которые "обучают­ся" системой во время работы и которые ка­саются работы двигателя рабочих режимов, должны быть восстановлены при включении ЭБУ в работу.

Данные, которые не должны быть потеряны (например, коды иммобилайзера и данные кодов неисправности) должны постоянно храниться в постоянной памяти (EEPROM). В этом случае данные в постоянной памяти не теряются даже в случае отсоединения ак­кумуляторной батареи.

Блок текущего контроля. ЭБУ оснащается следящим контуром, который встроен в специализированную интегральную схему (ASIC – Application-Specific Integrated Circuit). ASIC оснащаются по­вышенной оперативной памятью (extra RAM) и усовершенствованными входными и вы­ходными блоками и могут генерировать и передавать сигналы широтно-импульсной модуляции. Микропроцессор и блок текущего контроля следят друг за другом и, как только обнаруживается неисп­равность, любой из них может выключить подачу топлива независимо от другого.

Выходные сигналы. Используя свои выходные сигналы, мик­ропроцессор запускает задающие каскады. Выходные сигналы обычно являются доста­точно мощными, чтобы непосредственно уп­равлять исполнительными устройствами или реле. Задающие каскады защищены от короткого замыкания на массу или аккуму­ляторную батарею, а также от разрушения от электрической перегрузки. Такие наруше­ния в работе, вместе с обрывами цепи или неисправностями датчиков, определяются контроллером задающих каскадов, и эта информация передается в микропроцессор. Выходные сигналы могут быть переключающими и сигналами широтно-импульсной модуляции.

Переключающие сигналы используются для включения и выключения исполнительных устройств, например, электровентилятора системы охлаждения двигателя.

Сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM signals). Выходные цифровые сигналы могут быть в форме сигналов широтно-импульсной моду­ляции. Это прямоугольные сигналы с посто­янным периодом, но переменные по времени (рис. 4.22), которые могут быть использованы для пуска электромагнитных приводов, нап­ример, клапана системы рециркуляции ОГ.

Рис. 4.22. Сигналы широтно-импульсной модуляции:

а – постоянный период; b – длительность сигнала

Передача данных другим системам.Обзор систем. Увеличивающееся применение электрон­ных систем управления автомобилей с об­ратной и без обратной связи требует, чтобы индивидуальные электронные блоки управ­ления работали в сети друг с другом. Такие системы управления включают в себя:

- управление коробкой передач;

- электронное управление двигателем, или регулирование подачи топлива;

- антиблокировочную систему тормозов (ABS);

- противобуксовочную электронную систе­му (TCS);

- электронную систему курсовой устойчи­вости (ESP);

- систему управления тормозным момен­том (MSR);

- электронный иммобилайзер (EWS);

- бортовой компьютер и т.д.

Обмен информацией между системами уменьшает общее количество необходимых датчиков и улучшает управление отдельны­ми системами. Интерфейсы систем переда­чи информации, проектируемые для приме­нения в автомобилях, могут быть подразделены на две категории:

- обычные интерфейсы;

- последовательные интерфейсы, то есть сеть контроллеров (CAN).

Обычная передача данных (интерфейсы). Обычная передача данных в автомобиле ха­рактеризуется тем, что каждый сигнал име­ет свой собственный канал связи (рис. 4.23). Двоичные сигналы могут быть переданы только как один из двух возможных состоя­ний – «1» и «0» (двоичный код), например, для компрессора кондиционера «On» и «Off». «ON/Off» отношения могут быть использова­ны для передачи постоянно изменяющихся параметров, таких как, например, рабочее состояние датчика положения педали аксе­лератора.

Рис. 4.23. Схема обычной передачи данных

Увеличение обмена данными между элект­рическими компонентами автомобиля уже достигли таких объемов, что дальнейшие попытки управления через обычные интер­фейсы уже не удовлетворяют современные системы управления, поэтому стали применяться шины передачи данных.

Последовательная передача данных (CAN).

В связи с возросшими требованиями передачи информации в автомобильных системах управления, вместо обычной электропроводки в современных автомобилях все более широкое распространение находят электронные цифровые шины данных CAN (Controller Area Network). Цифровая передача дан­ных значительно надежнее обычной аналоговой – шина лучше защищена от помех, контакты надежнее изолиро­ваны от внешних воздейст­вий. CAN-шина облегчает диагностику и ремонт вышедших из строя компонентов. Универсальная проводка подходит и для разных комплектаций одного автомобиля – дополнительные устройства просто подключа­ются к нужным разъемам.

CAN-шина относится к типу последовательных шин. Дан­ные передаются бит за битом, из них складываются так на­зываемые кадры – основные информационные единицы. Для последовательной пере­дачи нужно минимальное ко­личество проводников. Чаще всего используют двухпроводную витую пару или однопроводное соединение, где функцию второго проводни­ка, как в обычной автомо­бильной электрической схеме, вы­полняет кузов («масса»). Про­водником могут служить так­же радиоканал, инфракрас­ное излучение или оптово­локно. В результате схема со жгу­тами и многочисленными подключениями уступает ме­сто единственному проводу со стандартными разъемами.

CAN - мультимастерная шина, то есть без центрально­го управляющего устройства. Все подключаемые электрон­ные блоки (или контроллеры) равноправны – любой имеет доступ к передаваемым данным и может сам передавать. Контроллеры отсле­живают информацию: по принципу «слушаю всех», то есть каждый читает все проходящие по шине кадры, но принимает лишь адресованные ему данные. Например, блок управления климатиче­ской установкой пропустит ненужные сиг­налы от датчика уровня топ­лива или ABS, а считает толь­ко необходимые сведения о температуре забортного воз­духа, охлаждающей жидко­сти, частоте вращения коленчатого вала двигателя и т.д. Другой принцип общения на шине позаимствован из компьютерных сетей и назы­вается «один говорит – осталь­ные слушают». Единовремен­но передавать данные может только один контроллер. Если данные передаются и другим контроллером конфликт разрешается по специальному алгоритму. При этом каждый из контроллеров сравнивает бит, передаваемый на шину, с би­том другого блока управле­ния. Если значения этих битов равны, то оба контроллера пе­реходят к сличению следую­щей пары до тех пор, пока биты не будут отличать­ся. Приоритет получает тот контроллер, который пытался передать логический ноль – другой блок управления ждет, пока шина не освободится.

Теоретически шину можно сделать любой длины и раз­местить на ней сколько угодно контроллеров. Однако на практике ограничивают и то, и другое. Это связано с тем, что скорость распро­странения сигналов не бесконечна, а все электрон­ные блоки должны получать информацию одновременно. Поэтому быстродействую­щие шины делают коротки­ми – длиной не более 10 м, чтобы получить предельную скорость 2 Мбит/с.

На одной шине устанавливают обычно не более 64 контроллеров. Для увеличения передачи объема информации прокладывают несколь­ко независимых цепей, потому что не все системы требуют мак­симального быстродействия CAN.

В современных автомобилях, как правило, применяются три вида шин, работающие с раз­ными скоростями. Жизненно важные устройства и систе­мы (ABS, ESP и блок управле­ния двигателем) подключают­ся к скоростной магистрали с пропускной способностью 500 кбит/с. Менее быстрые и важные приборы (радио, мо­нитор на центральной консо­ли, система навигации и кон­диционирования) завязаны на другую шину со скоростью 95,2…100 кбит/с.

 Для остальных «медленных» устройств (двер­ных замков, систем освеще­ния, стеклоподъемников) служит третья шина с скоростью - 33,3 кбит/с.

Вместо ключа зажигания в автомобилях, оборудованных CAN-шинами, все чаще используют элек­тронный брелок, который взаимодействует с блоком управ­ления двигателем через цифровую шину.

В автомобилях CAN-шины применяются для:

- сети электронных блоков управления;

- бортовых электронных систем;

- мобильной связи.

Представленное ниже описание касается только сети электронных блоков управления.

Сеть электронных блоков управления. Системы электронного управления, такие как управление двигателем, антиблокировочная система тормозов (ABS), противобуксовочная система (TCS), система управления коробкой передач, система курсовой устойчивости (ESP) и другие взаимодействуют друг с дру­гом в сети. Электронные блоки управления имеют равный приоритет и соединены между собой линейной системой шин передачи дан­ных. Одним из преимуществ такой структуры является то, что в случае отказа од­ной системы (абонентская система) все ос­тальные продолжают работать, имея полный доступ в сети.

Возможность тотальной неисправности ста­новится значительно меньшей, чем при дру­гих системах с логическими схемами, таких, как системы с обратной связью или иерар­хических системах, в которых неисправ­ность одного блока или центрального элект­ронного блока управления приводит к полному отказу всей системы. Типичный объем передачи данных систе­мой CAN составляет величины в пределах от 125 кбит/с до 1 Мбит/с. Объем передачи данных должен быть достаточно большим, чтобы гарантировать требуемое быстродействие систем.

Встроенная диагностика. Одной из важных функций, осуществляемой блоком управления, является непрерывная самодиагностика как входных и выходных цепей компонентов, так и некоторых функций внутреннего состояния системы. В современных блоках управления осуществление функций самодиагностики занимает до 50% ресурсов микрокомпьютера. В случае нахождения неисправностей в какой-либо цепи (например, отсутствие или несоответствие заданному уровню сигнала какого-либо датчика) микрокомпьютер записывает соответствующий данной неисправности цифровой код в специальную область памяти, для того чтобы получить информацию о характере неисправности, необходимо осуществить «считывание» кода из памяти компьютера. В более ранних системах это можно сделать переводом компьютера в режим выдачи диагностических кодов посредством вспышек индикаторных ламп.

 Текущий контроль датчиков. Для того чтобы удостовериться в нали­чии нормального напряжения питания и в том, что выходной сигнал датчика находит­ся в допустимых пределах (например, для температурного датчика это диапазон между -40 и +150°С), работа датчиков от­слеживается встроенными диагностическими устройствами. В результате выявляются дефекты датчиков и исполнительных устройств, обрывы и короткие замыкания в электропроводке. Эти данные записываются в память и одновременно включаются соответствующие индикаторы, предупреждающие водителя. Кроме того, эта информация для долговременного хранения может быть записана в память с собственным источником питания, для просмотра с помощью специальных приборов, получивших название «сканеры»

Сигналы наиболее важных датчиков, нас­колько это возможно, дублируются. Это озна­чает, что в случае нарушения работы может быть использован другой подобный сигнал, или может быть выполнено два-три выбора.

Определение неисправностей осуществляется в пределах специальной области слежения за работой датчиков. В случае систем с программами об­ратной связи, например, контроль давления, можно также диагностировать отклонение от данного диапазона регулирования.

Путь прохождения сигнала может счи­таться неправильным, если неисправность присутствует больше заданного периода времени. Если однажды этот период был превышен, то неисправность сохраняется в памяти ЭБУ вместе с параметрами условий, при которых она случилась (например, тем­пература охлаждающей жидкости, частота вращения коленчатого вала двигателя и др.). Для многих неисправностей возможна пов­торная проверка датчика, если путь прохож­дения данного сигнала будет определен при отслеживании как не имеющий неисправнос­ти в рассматриваемом периоде времени.

Если выходной сигнал датчика выходит за допустимые пределы, то происходит перек­лючение на значение сигнала по умолча­нию. Эта процедура используется примени­тельно к следующим входным сигналам:

- напряжению аккумуляторной батареи;

- температуре охлаждающей жидкости, воздуха на впуске, моторного масла;

- давлению наддува;

- атмосферному давлению и расходу воз­духа на впуске.

В случае нарушения важных для движения функций осуществляется переключение на заменяющие функции, которые позволяют во­дителю доехать, например, до автосервиса.

Для питания микропроцессора, блоков памяти, входных формирователей и АЦП используется внутренний стабилизатор с выходным напряжением +5 В. Это же напряжение используется для питания различных активных датчиков (абсолютного давления, расхода воздуха или давления за дроссельной заслонкой, положения дроссельной заслонки и т.п.) и подачи напряжения смещения на пассивные датчики (температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха). В некоторых случаях блок управления может иметь два стабилизатора — +5 В и +9 (+8) В.

К ЭБУ предъявляются очень высокие требо­вания по отношению к следующим факторам:

- температура окружающей среды для легковых автомобилей должна быть в пределах (-40 - +70°С);

- к воздействию со стороны таких материа­лов, как масло и топливо и т.п.;

- к воздействию к влажности окружающей среды;

- обладать механической прочностью, например, при наличии вибраций при работе двигателя;

- обладать защитой от электромагнитных колебаний.

Лямбда-регулирование.Для более точного регулирования горючей смеси в зависимости от качества сгорания (наличия свободного кислорода) и более высокой степени очистки отработавших газов необходима регулировка коэффициента избытка воздуха, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. С этой целью в двигателях применяют системы, основой которых является специальный датчик, определяющий наличие кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), устанавливаемый в выпускной системе. Такие системы называют системами с обратной связью.

Датчик кислорода (рис. 4.24) представляет собой элемент из порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя поверхность которой покрыты пористой платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Внешняя поверхность датчика покрыта тонким защитным слоем керамики. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Внешняя поверхность датчика соприкасается с отработавшими газами, а внутренняя с атмосферным воздухом.

Рис. 4.24. Датчик кислорода:

1 – твердый электролит двуокиси циркония; 2 – платиновый наружный электрод; 3 – платиновый внутренний электрод; 4 – контакты; 5 – корпусной контакт; 6 – выпуск отработавших газов

Принцип работы датчика кислорода показан на рис. 4.25. На поверхности электродов 1 и 2 (пористая платина) всегда присутствует остаточный кислород, связанный с водородом, углеродом или азотом. При высоких температурах (более 350° С) в случае обогащения смеси в граничной зоне Е возникает недостаток кислорода. Отрицательно заряженные ионы кислорода начинают перемещаться к электроду 1, заряд на котором по отношению к электроду 2 становится отрицательным, что приводит к возникновению э.д.с.

Рис. 4.25. Принцип работы датчика кислорода

 Внутреннее сопротивление циркониевого датчика тем выше, чем ниже его температура. Поэтому генерирование э.д.с. датчиком начинается только при прогреве его до температуры 350° С. До этого времени потенциал на выходе датчика составляет 0,0…0,50 В – это опорное напряжение, подаваемое от входного каскада блока управления. Наличие опорного напряжения на входе блока позволяет определить готовность датчика к работе. На режимах пуска, прогрева холодного двигателя, ускорения и режиме максимальной мощности датчик не работает и состав смеси определяется блоком управления. Для расширения диапазона действия датчика и ускорения скорости его прогрева, особенно на режимах холостого хода и в условиях низких температур, применяют подогрев датчиков.

 При появлении в отработавших газах кислорода (коэффициент избытка воздуха λ больше единицы – бедная смесь) на контактах датчика падает напряжение (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Выходной сигнал датчика кислорода

 Выходное напряжение датчика U_λ меняется от 0 до 1 В в течение очень короткого промежутка времени (несколько раз за 1 сек.) и свидетельствует о быстром реагировании как самого датчика, так и всей системы топливодозирования на установившихся режимах. Если оно увеличивается, тогда горючая смесь переходит в зону стехиометрического состава (от обедненной к обогащенной) и длительность впрыска (τ_упр) топлива форсункой впрыска изменяется. Таким образом, датчик работает в релейном режиме и позволяет применить его в системе автоматической стабилизации состава смеси в зоне стехиометрического состава. Упрощенный алгоритм работы системы с обратной связью (режим замкнутого контура или замкнутой петли) представлен на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Упрощенный алгоритм работы системы λ-коррекции

 Весь цикл непрерывно повторяется и состав смеси изменяется от значений λ=0,97…98 до значений λ=1,02…1,03. Исключение составляют следующие режимы: режим максимальной мощности (λ= 0,86…0,88), режим торможения двигателем (отключение подачи топлива, при этом смесь очень обедненная и λ значительно больше единицы), режим ускорения (обогащение смеси, адекватное скорости открытия дроссельной заслонки).

В силу различных причин (изменения характеристик датчика кислорода и технического состояния двигателя, нестабильности топлива и др.) с течением времени изменения только одной коррекции времени впрыска для управления питанием двигателя оказывается недостаточно. Чтобы учесть изменения, влияющие на работу топливной системы, в последних электронных системах питания, электронный блок управления подстраивается под возникающие изменения (самообучение системы). В связи с этим для корректирования состава смеси кроме коэффициента коррекции λ применяются еще два коэффициента λ1 – аддитивный коэффициент коррекции самообучения и λ2 – мультипликативный коэффициент коррекции самообучения. Первый коэффициент корректирует работу двигателя на режиме холостого хода, второй – на режиме частичных нагрузок. Если неисправности двигателя или отдельных элементов системы питания, возникшие в процессе эксплуатации автомобиля, определяются с помощью сканирующего прибора и устраняются, тогда коэффициенты λ, λ1, λ2 возвращаются к номинальным значениям.

Согласно требованиям Евро III и Евро IV система самодиагностики должна реги­стрировать пропуски воспламенения смеси. Из-за них резко повышается содержа­ние вредных веществ в отработавших газах – в первую очередь несгоревших угле­водородов. Дожигание чрезмерного количества углеводородов перегревает нейтрализатор и может вывести его из строя. При уровне пропусков воспламенения двигателе свыше 4% (на каждые 100 рабочих циклов – более 4 пропусков) со­держание несгоревших паров топлива в отработавших газах становится выше допускаемых норм.

В случае появления пропусков воспламенения электронный блок управления фиксирует повы­шенную неравномерность вращения коленчатого вала, по  показаниям датчика его положения следующим  образом. Например, двигатель с порядком воспламенения в цилиндрах 1-3-4-2 работает в установив­шемся режиме, причем первый и третий цилиндры в порядке, а в четвертом вос­пламенения нет. Время полуоборота пер­вого и третьего цилиндров одинаковое, а у четвертого оно больше – вращение коленчатого вала за­медляется. Во втором исправном цилиндре начинается ускорение вращения. Электронный блок управления фиксирует сбой в работе двигателя и помечает его как пропуск.

Для подсчета пропусков у каждого ци­линдра свой счетчик: SUM1, SUM2, SUM3, SUM4. Вычислить неисправный цилиндр блоку управления помогает датчик положения распределительного вала. Допустим, обнаружен пропуск воспламе­нения в третьем цилиндре, тогда значение SUM3 увеличивается на единицу и т.д. Подсчет продолжается в течение 1000 оборотов коленчатого вала (допустимо, если счетчик накопит за это время пять пропусков), потом результат обнуляется  и от­счет возобновляется.

Система самодиагностики в комплек­тации Евро III следит за пока­заниями счетчиков. Если их сумма превы­сит отметку 2,5% – будет зафиксирована неисправность и записан код ошибки Р0300. Коды Р0301, Р0302, Р0303, Р0304 указывают неисправность конкретного цилиндра.

В паре со счетчиком SUM работает еще один – SUMKAT. Его задача – фиксировать пропуски во всех цилиндрах, влияющие на работоспособность нейтрализатора. При обнаружении одного пропуска пока­зание счетчика изменяется не на единицу, как в предыдущем случае, а на большую величину, зависящую от режима работы двигателя. Мини­мальный скачок составляет 30 единиц, а максимальный – 250. Подсчет пропусков прекращается через каждые 200 оборо­тов коленчатого вала – и показание обнуляется. Если за такой цикл показание SUMKAT превысит 1000, то будет зафиксирована неисправность и в память контроллера записаны коды Р0300, Р0301...304.

Для того чтобы предупредить водителя о неисправности, на панели автомобиля начинает мигать контрольная лампа (Сheck engine), пре­дупреждая водителя о нештатной ситуа­ции и после небольшой за­держки отключится форсунка в неисправ­ном цилиндре. При многочисленных про­пусках сразу в двух цилиндрах контрол­лер отключит оба – в любом случае пере­грев нейтрализатора недопустим.

В ряде случаев самодиагностика мо­жет ошибаться по объективным причи­нам. Так, движение автомобиля по неров­ному покрытию означает неравномерное вращение колес, а с ними и коленчатого вала. Чтобы толчок колеса из-за неровностей дороги блок управления не посчитал за пропуск воспламенения, в мо­торном отсеке некоторых автомобилей, удовлетворяющих нормам Евро III, рядом с верх­ней опорой стойки устанавливают «датчик неровной дороги».

Согласно европейскому законодатель­ству (Евро III, Евро IV), бортовая диагности­ка должна контролировать состояние ней­трализатора и при неисправности вклю­чать диагностическую лампу. Для выпол­нения этого условия на выходе из нейтра­лизатора устанавливают второй датчик кисло­рода. Если нейтрализатор работоспособен, то на большинстве режи­мов на выходе из него количество кислорода ничтожно мало, на что указывает форма сигнала второго датчика кислорода – это почти прямая линия: колебания уров­ня сигнала очень невелики, а сам он доста­точно высокий - около 0,7 В (рис.). Если нейтра­лизатор частично утратил эффективность, оставшийся кислород поступает на соот­ветствующий датчик, его сигнал меняется, и вместо прямой линии возникает линия, похожая на сигнал первого датчика, но с мень­шей амплитудой и небольшим фазовым сдвигом. Последний связан с длиной нейт­рализатора и его частичной работой.

Рис. Сравнение сигналов датчиков кислорода:

1 – на входе в нейтрализатор; 2 – на выходе из исправного нейтрализатора (напряже­ние около 0,7 В); 3 – на выходе из нейтрализатора частично утратившего работоспособность

Второй датчик также участву­ет в точной подстройке состава топливовоздушной смеси, компенсируя погреш­ность первого датчика, которую необхо­димо учитывать по мере его старения. Контроллеры некоторых фирм, сравнивая показания обоих датчиков, рассчитывают коэффициент старения нейтрализатора, на основе которого специалисты по диаг­ностике строят свои прогнозы.

Регулятор давления топлива.Регулятор давления топлива(рис. 4.28) поддерживает давление в топливопроводе и форсунках работающего двигателя в пределах 2,8... 3,3 кгс/см², что необходимо для приготовления горючей смеси требуемого качества на всех режимах работы двигателя. Регулятор давления состоит из корпуса 1 и крышки 3, между которыми закреплена диафрагма 4с клапаном 2. Внутренняя полость регулятора делится диафрагмой на две полости: вакуумную и топливную.

Вакуумная полость находится в крышке 3регулятора и связана с ресивером, а топливная полость – в корпусе 1 регулятора и связана с топливным баком.

При закрытии воздушной дроссельной заслонки вакуум в ресивере увеличивается, клапан регулятора открывается при меньшем давлении топлива и перепускает избыточное топливо по сливному топливопроводу в топливный бак. При этом давление топлива в топливопроводе 2двигателя понижается. При открытии воздушной дроссельной заслонки вакуум в ресивере уменьшается, клапан регулятора открывается уже при большем давлении топлива. В результате давление топлива в топливопроводе двигателя повышается.

Рис. 4.28. Регулятор давления топлива:

а – клапан закрыт; б – клапан открыт; 1 – корпус; 2 – клапан; 3 – крышка; 4 – диафрагма

Форсунка. Форсунка (рис. 4.29) пред­ставляет собой электромагнитный клапан. Форсунка предназначена для впрыска дозированного количества топлива, необходимого для приготовления горючей смеси при различных режимах работы двигателя. Дозирование количества топлива зависит от длительности электрического импульса, поступающего в обмотку катушки электромагнита форсунки. Впрыск топлива форсункой синхронизирован с положением поршня в цилиндре двигателя.

Форсунка состоит из корпуса 3, крышки 6, обмотки катушки 4,электромагнита, сердечника 8электромагнита, иглы 2запорного клапана, корпуса 9распылителя, насадки 1распылителя и фильтра 5. При работе двигателя топливо под давлением поступает в форсунку через фильтр 5 и проходит к запорному клапану, который находится в закрытом положении под действием пружины 7.

Рис. 4.29. Форсунка электронной системы впрыска:

1 – насадка; 2 – игла; 3,9 – корпуса; 4 – обмотка катушки; 5 – фильтр; 6 – крышка; 7 – пружина; 8 – сердечник 

При поступлении электрического импульса в обмотку катушки 4электромагнита возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник 8и вместе с ним иглу 2запорного клапана. При этом отверстие в корпусе 9 распылителя открывается, и топливо под давлением впрыскивается в распыленном виде во впускной трубопровод.

После прекращения поступления электрического импульса в обмотку катушки электромагнита магнитное после исчезает, и под действием пружины 7 сердечник 8электромагнита и игла 2запорного клапана возвращаются в исходное положение. Отверстие в корпусе 9распылителя закрывается, и впрыск топлива из форсунки прекращается.

Расходомеры воздуха.Расходомеры воздуха и датчики, применяемые для систем впрыска бензиновых двигателей имеют распространение и для дизельной топливной аппаратурой с электронным управлением, поэтому в разделах по дизельной аппаратуре они не будут рассматриваться.

 Расходомер с поворотными заслонками. Расходомер воздуха (рис. 4.30) расположен между воздухоочистителем и корпусом дроссельной заслонки.

Рис. 4.30. Расходомер воздуха с поворотными заслонками:

1 – подача напряжения от электронного блока управления; 2 – датчик температуры поступающего воздуха; 3 – подвод воздуха от воздушного фильтра; 4 – спиральная пружина; 5 – демпфирующая камера; 6 – заслонка демпфирующей камеры; 7 – подача воздуха к дроссельной заслонке; 8 – заслонка напора воздуха; 9 – обводной канал; 10 – потенциометр

Принцип действия расходомера основан на так называемом сопротивлении среды. Он измеряет усилие, действующее на заслонку 8, которую поток воздуха, поступающего в двигатель, заставляет поворачиваться на определенный угол, преодолевая усилие спиральной пружины. Момент закручивания пружины выбран так, чтобы заслонка создавала незначительную потерю напора. Для предотвращения колебаний напорной заслонки под действием потока воздуха проходящего по впускному трубопроводу, особенно на режиме холостого хода, предусмотрена демпфирующая камера 5, в которой расположена заслонка 6, имеющая такую же рабочую поверхность, как и заслонка напора воздуха 8. Объем демпферной камеры, а также зазор между заслонкой 6 демпфирующей камеры и корпусом подобраны так, чтобы напорная заслонка была способна отслеживать быстрые изменения расхода воздуха при разгоне. 

Соединенный с осью напорной заслонки потенциометр преобразует механическое перемещение напорной заслонки в изменение электрического напряжения, которое передается в блок управления для точной дозировки топлива.

Напряжение аккумулятора через главное реле системы подается на резистор, расположенный внутри корпуса датчика. Балластный резистор понижает напряжение до уровня от 5.0 до 10.0 В. Это напряжение подводится к разъему блока управления и к крайнему выводу реостата потенциометра. Второй вывод реостата со­единен с массой. Сигнал потенциометра снимается с движка через кон­такт датчика на контакт блока управления.

Внутренняя геометрия расходомера обеспечивает логарифмическую корреляцию между потоком воздуха и угловым положением напорной заслонки, что позволяет рассчитывать оптимальный состав смеси на режимах малых нагрузок.

Потенциометр установлен в герметичном корпусе и состоит из керамического основания с рядом контактов и нескольких резисторов. Сопротивление резисторов постоянно и не зависит от резких колебаний температуры в моторном отсеке.

Для исключения влияния напряжения аккумуляторной батареи на сигнал, выдаваемый потенциометром, электронный блок управления учитывает разницу между этим напряжением и выходным напряжением расходомера воздуха.

Параллельно с электрической цепью расходомера воздуха включен датчик температуры всасываемого воздуха. Он представляет собой резистор с отрицательным температурным коэффициентом, т. е. его сопротивление уменьшается при увеличении температуры. Сигналы, поступающие от датчика, изменяют выходной сигнал расходомера в зависимости от температуры поступающего воздуха.

Обводной канал 9 под напорной заслонкой служит для прохода воздуха на холостом ходу.

Расходомер воздуха с нагреваемой нитью.  Преимущество таких датчиков отсутствие механически подвижных деталей, что определяет их большую долговечность.

Расходомер подобной конструкции является термическим датчиком нагрузки двигателя (рис. 4.31).

Рис. 4.31. Расходомер воздуха с проволочным нагревательным элементом (нитью):

1 – температурный датчик; 2 – кольцо датчика с проволочным нагревательным элементом; 3 – прецизионный реостат; Q_м – массовый расход воздуха в единицу времени

Его устанавливают между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой, и он определяет массу всасываемого воздуха в кг/час. Датчики с нагре­ваемой нитью и с нагреваемой пленкой имеют один и тот же принцип работы. Расположенный в воздушном потоке и нагревае­мый электрическим током про­водник (платиновая нить или токопроводящая полимерная плен­ка) охлаждается обтекающим его воздухом.

Нить нагревается электрическим током, и температура ее поддер­живается постоянной. Если нить охлаждается, то проходящий через нее ток увеличивается до тех пор, пока температура нити не восста­навливается до первоначальной величины. Изменение силы тока воспринимается в блоке управления и является измеряемым пара­метром для определения расхода всасываемого воздуха. Встроенный датчик температуры служит для того, чтобы температура всасывае­мого воздуха не искажала результаты измерений.

Поступающий поток воздуха обтекает нагретый электрическим током проводник, который встроен в измеритель воздушной массы. Специальная электронная схема управления поддерживает постоян­ную температуру проводника относительно температуры поступаю­щего воздуха. При увеличении количества поступающего воздуха проводник будет охлаждаться. Величина тока нагрева, требуемого для сохранения постоянной температуры проводника, является ме­рой массы воздуха, поступающего в двигатель. Этот ток преобразу­ется в импульсы напряжения, которые обрабатываются блоком управления как основной входной параметр наравне с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, блок управления получает информацию о темпера­туре охлаждающей жидкости и поступающего воздуха. На основе входных сигналов блок управления выдает импульсы времени впры­ска топлива на форсунки.

Загрязнение нагреваемой нити может привести к искажению результатов измерений. Поэтому после каждой остано­вки двигателя нить подвергается воздействию повышенной темпера­туры и тем самым очищается.

Расходомер воздуха с пле­ночным термоанемометром. Измерительный патрубок 2 вмонтирован в массовый расходомер воздуха (рис. 4.32), который в зависимости от требуемого дви­гателем расхода воздуха имеет различ­ные диаметры. Он устанавливается во впуск­ном канале за воздушным фильтром. Воз­можен также вариант встроенного измери­тельного патрубка, который устанавливается внутри воздушного фильтра.

Воздух, входящий во впускной коллектор, обтекает чувствительный элемент датчика 5, который вместе с вычислительным кон­туром 3 является основным компонентом датчика.

Входящий воздух проходит через об­водной канал 7 за чувствительным эле­ментом датчика. Чувствительность датчика при наличии сильных пульсаций потока мо­жет быть улучшена применением соответ­ствующей конструкции обводного канала, при этом определяются также и обратные токи воздуха. Датчик соединяется с ЭБУ через выводы 1.

Рис. 4.32. Схема массового расходомера воздуха с пленочным термоанемометром

1 - выводы электрического разъема, 2 - измери­тельный патрубок или корпус воздушного фильт­ра, 3 - вычислительный контур (гибридная схе­ма), 4 - вход воздуха, 5 - чувствительный эле­мент датчика, 6 - выход воздуха, 7 - обводной канал, 8 - корпус датчика.

Принцип работы массового расходомера воздуха заключается в следующем. Микромеханическая диафрагма датчика 5 на чувствительном элементе 3 нагревается центральным нагревающим резистором (рис. 4.33). При этом имеет место резкое падение температуры на каждой стороне зоны нагрева 4.

Распределение температуры по диафраг­ме регистрируется двумя температурозависимыми резисторами, которые устанавли­ваются симметрично до и после нагреваю­щего резистора (точки измерения М₁ и М₂). При отсутствии потока воздуха на впуске температурная характеристика 1 одинакова на каждой стороне измеритель­ной зоны (Ti = T₂). Как только поток воздуха начинает обтекать чувствительный элемент датчика, распределение температуры по диафрагме меняется (характеристика 2).

Рис. 4.33. Принцип измерения массового расхода воздуха пленочным термоанемометром:

1 – температурная характеристика при отсутствии потока воздуха 2 – температурная характеристика при наличии потока воздуха; 3 – чувствительный элемент датчика; 4 – зона нагрева; 5 – диафрагма датчика; 6 – датчик с измерительным патрубком; 7 – поток воздуха; М₁, М₂ – точки измерения, Т₁, Т₂ –значения температуры в точках измерения M₁ и М₂; ΔT – перепад температур

На стороне входа воздуха температурная характеристика является более крутой, пос­кольку входящий воздух, обтекающий эту поверхность, охлаждает ее. Вначале на про­тивоположной стороне (сторона, наиболее близко расположенная к двигателю) чувствительный элемент датчика охлажда­ется, но затем воздух, подогреваемый наг­ревательным элементом, нагревает его. Из­менение в температурном распределении (ΔT) приводит к перепаду температур меж­ду точками измерения М₁ и М₂.

Тепло рассеивается в воздухе и, следова­тельно, температурная характеристика чувствительного элемента датчика является функцией массового расхода воздуха. Раз­ница температур, таким образом, есть мера массового расхода воздуха и при этом она не зависит от абсолютной температуры про­текающего потока воздуха. Кроме этого, разница температур является направлен­ной. Это означает, что массовый расходо­мер не только регистрирует количество вхо­дящего воздуха, но также и его направление.

Благодаря очень тонкой микромеханичес­кой диафрагме датчик имеет очень высокую динамическую чувствительность (<15 мс), что очень важно при больших пульсациях входя­щего воздуха.

Разница сопротивлений в точках измере­ния М₁ и М₂ преобразуется встроенным в датчик вычислительным (гибридной схе­мой) контуром в аналоговый сигнал напря­жением 0…5 В. Такой уровень напряжения подходит для обработки сигналов в ЭБУ. Используя характеристику датчика, запрограммированную в ЭБУ, измеренное напряжение преобразуется в величину, представляющую массовый расход воздуха (кг/ч). Форма кривой характеристики явля­ется такой, что диагностические устрой­ства, встроенные в ЭБУ, могут определять такие нарушения, как обрыв цепи.

В датчик может также быть вмонти­рован температурный датчик для выполне­ния вспомогательных функций. Он распола­гается в пластмассовом корпусе и не явля­ется обязательным для измерения массо­вого расхода воздуха.

Пленочный расходомер воздуха.  Этот датчик состоит из толстопленочной диафрагмы, расположенной на керамической основе (рис. 4.34.). Датчик измеряет разрежение во впускном коллек­торе на основе измерения деформации пленочной диафрагмы. При определенных коэффициентах расширения керамической подложки и керамической пленочной крышки в результате охлаждения стыка диафрагма принимает форму купола. В результате получается пустотелая камера (пузырек) высотой примерно 100 мкм и диаметром 3…5 мм. Измерительные пьезоэлектрические элементы расположенные внутри пленки преобразуют перемещения диафрагмы в электрический сигнал.

Рис. 4.34. Пленочный расходомер воздуха:

1 – измерительная цепь; 2 – диафрагма; 3 – камера эталонного давления; 4 – измерительный элементы; 5 – керамическая подложка 

Датчик давления воздуха в коллекторе.Отдельные системы с электронным управлением впрыска топлива содержат датчик давления воздуха в коллекторе, определяющий нагрузку двигателя и количество перепускаемых газов при рециркуляции. Помимо этого по сигналу датчика определяется нагрузка двигателя при пуске, так как измеритель расхода воздуха работает на этом режиме недостаточно точно из-за сильных пульсаций во впускной системе.

Датчик соединен вакуумным шлангом с впускным коллектором. Разрежение в коллекторе действует на мембрану. На мембране находятся тензорезисторы, сопротивление которых изменяется при деформации мембраны. Измеряемое давление при этом сравнивается с эталонным разрежением под мембраной. Мембрана прогибается в зависимости от давления во впускном трубопроводе, при этом изменяется напряжение на выходе датчика, создаваемое в результате изменения сопротивления тензорезисторов. Это напряжение используется в блоке управления для определения величины давления во впускном трубопроводе.

Абсолютное дав­ление в коллекторе вычисляется как атмосфер­ное давление минус разрежение в коллекторе. Питание датчика осуществляется эталон­ным напряжением 5,0 В. Сигнал датчика в виде напряжения, меняющегося в зависимости от давления, подается на БЭУ. На холостом ходу это напряжение составляет примерно 1,0 В, при полной нагрузке оно повышается до 4,5 В.

Рис. 4.34 А. Датчик давления воздуха во впускном коллекторе:

1 – полость разряжения; 2 – полупроводниковые элементы; 3 – мембрана; а – положение мембраны при малом разряжении; б – положение мембраны при большом разряжении

Массовый расход воздуха, поступающего в двигатель, БЭУ вычисляет с учетом плотности, определяемой по значению абсолютного дав­ления и температуры воздуха в коллекторе, а также частоты вращения коленчатого вала.