Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

тема: Силовые установки и электрооборудование автомобильной техники



Содержание

• Введение
• 1. Методика расчета эффективных показателей поршневых ДВС
• 1.1 Общая методология расчёта показателей
• 1.2 Описание объекта исследования
• 1.3 Расчёт эффективных параметров двигателя A5D
• 1.4 Выводы по первому разделу
• 2. Идентификация системы управления бензинового двигателя
• 2.1 Общие сведения об идентификации систем управления
• 2.2 Система управления двигателем A5D
• 2.3 Идентификация функционала система управления двигателем A5D
• 3. Элементы системы управления
• 3.1 Структура система питания двигателей A5D
• Заключение
• Приложения
• Список использованных источников


Введение

Направления совершенствования тепловых двигателей сегодня - это увеличение КПД и полноты использования энергии топлива. В какой мере человек научился использовать «силу огня»? К сожалению, средняя тепловая эффективность поршневых машин, используемых сегодня в мире около 35%. Лучшие варианты тепломеханических энергопреобразователей при оптимальных режимах работы способны достичь эффективности не более 60%! двигатель управление питание

Общим для всех разновидностей тепловых машин, является следующее:

І наличие рабочего тела в однофазном или двухфазном виде;

І полезная работа в виде механического движения получается при расширении рабочего тела;

І рабочее тело расширяется благодаря принятой им теплоты от внешнего источника, либо химической реакции с участием самого тела;

Все реализованные на сегодня циклы тепловых машин, можно разделить на две группы:

1) Циклы, процессы которого разведены во времени: все виды поршневых, плунжерных, роторных, пульсирующих реактивных и других цикличных машин;

2) Циклы с непрерывным потоком рабочего тела, процессы которого разведены в пространстве: все виды паро- и газотурбинных установок, прямоточных реактивных, турбореактивных машин.

Сегодня практически все тепловые циклы реализованы «в металле» в виде разнообразных двигателей внутреннего и внешнего сгорания, паровых и др. машин. Отработаны технологии, предлагаются все более разнообразные методы повышения эффективности тепловых двигательных установок.

Энергетическая эффективность циклов оценивается термическим к.п.д., который равен отношению работы цикла к подведённой теплоте: 

.

Термический к.п.д. зависит от характеристик цикла и от свойств рабочего тела: зt =f(е,л,с,k), е =х1/х2 - степень сжатия; л=p2/p1 -степень повышения давления рабочего тела; с=х3/х2 -степень предварительного расширения; показатель адиабаты k определяется составом рабочего тела и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37;

Известно, что чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.

Повышение индикаторного давления приводит к увеличению экономичности тепловых машин, но это повышение обеспечивается ростом температуры рабочего тела. Величина же температуры лимитируются жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены теплонапряжённые детали двигателей.

Если учесть, что цикловая эффективность ещё не учитывает всевозможные потери в самом двигателе, затрачиваемые на обеспечение самого процесса энергопреобразования, становится понятно: сколь тщательно надо следить за режимами работы двигателей и контролировать эти процессы.

В тепловых машинах сегодня активно используются способы повышения эффективности, связанные с регенерацией и рекуперацией тепла рабочего тела вне цикла или через посредство другого рабочего тела (т.н. бинарные циклы), то есть множество разных вариантов повторного использования теплоты, не превращенной в полезную работу в пределах цикла.

В частности, в современных автомобильных двигателях радикальное решение проблемы управления топливоподачей и зажиганием стало возможно благодаря применению исполнительных устройств работающих под управлением микропроцессора, осуществляющим управление подачей топлива, зажиганием, наполнением цилиндров, рециркуляцией отработавших газов и многими другими параметрами. Это стало возможным благодаря применению микропроцессоров позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления, учитывающие большинство факторов, влияющих на рабочий процесс двигателя и управлять ими на цикловом уровне.

Но для полноценной реализации возможностей современной электроники, необходимо рассматривать систему управления рабочим процессом двигателя как часть системы управления автомобилем в целом. Именно таким образом создаются системы управления работой двигателя, способные удовлетворить все требования, предъявляемые к современному автомобилю.



1. Методика расчета эффективных показателей поршневых ДВС

Общая методология расчёта показателей

Всё, что происходит внутри двигателя, потребителя, вообще говоря, не интересует. В любой машине: из потребительских качеств на первом месте стоят функциональные параметры, на втором -затраты энергии, приходящиеся на единицу функционала, на третьем -масса и габариты машины и на последующих -экологичность, уровень шума и др.

К эффективным функциональным показателям поршневых ДВС относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление в цилиндре, эффективный КПД, диапазон рабочих угловых скоростей и время разгона.

Эффективная работа двигателя за один цикл:

Le=Li?Lмп (1)

где: Li -так называемая индикаторная работа или работа цикла; Lмп - работа механических потерь.

Разделив на рабочий объем Vh·i, получим:

pe = Le /(Vh·i) = pi ? pмп (2)

где: i -число цилиндров; pe -среднее эффективное давление, то есть, работа, получаемая за цикл с каждого кубического сантиметра рабочего объёма.

Умножив далее выражение (2) на (Vh·i·n/(30·ф)), получим эффективную мощность двигателя:

Ne = pe·(Vh·i·n/30ф) = Ni ? Nмп (3) 

где: n -число оборотов коленчатого вала за минуту; ф -тактность двигателя; Nмп -мощность, затрачиваемая на компенсацию механических потерь.

Эффективный крутящий момент получим:

Me = 1000·pe·Vh·i /(р·ф) = Mi ? Mмп (4)

Механический КПД двигателя:

зм = Le / Li = pe / pi = Me / Mi = Ne /Ni (5)

Ввиду того, что самым доступным измеряемым стендовым параметром ДВС является давление, запишем:

зм = pe / pi = (pi ? pмп)/ pi = 1? pмп)/ pi..

Эффективный КПД двигателя это, по сути, доля подведенной к рабочему телу теплоты, превращенная в полезную работу:

зe = зi·зм (6)

где: зi=1/gi·Qн -индикаторный к. п. д.; Qн-низшая теплота сгорания топлива; gi =G/Ni -индикаторный удельный расход топлива кг/(кВт·час); G -часовой расход топлива кг/час; Ni -индикаторная мощность кВт. Отметим, что Ni и gi, наряду с куртящим моментом являются стендовыми параметрами двигателя.

На расход топлива влияют: скорость и полнота сгорания топлива; потери тепла в систему охлаждения и выпускными газами.

Наибольшее влияние на скорость и полноту сгорания оказывают качество смесеобразования и угол опережения зажигания, способы подачи топлива. Качество смесеобразования зависит от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются конструктивные особенности камеры сгорания и форсунки, физические свойства топлива, избыток воздуха.

Удельный эффективный расход топлива или расход топлива на единицу эффективной мощности в час: ge= gi /зм . (7)

Механические потери давления pмп можно уменьшить оптимальным конструированием, правильным выбором теплового режима работы двигателя и поддержанием этого режима в процессе эксплуатации;.

Правильный выбор конструкции и размеров впускной и выпускной систем уменьшает потери на газообмен. В процессе эксплуатации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному минимуму, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршневых колец. Существенное значение имеет оптимизация размеров и частоты вращения вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной и масляный насосы.

Описание объекта исследования

В качестве примера в данной работе рассматриваем бензиновый, четырехцилиндровый двигатель автомобиля КИА РИО -А5D

Рис.1.2.1 Общий вид двигателя А5D



Технические характеристики

А5D Тип	Бензиновый, 4-х цилиндровый
Расположение цилиндров	Рядное
Количество клапанов на цилиндр	2 впускных; 2 выпускных
Рабочий объем, см3	1493
Степень сжатия	9,5:1
Частота холостого хода, мин-1	750±50
Угол опережения зажигания, ° до ВМТ	8±5 (6±5)-1
Порядок работы цилиндров	1-3-4-2
Система смазки
Давление открытия предохранительного клапана масляного фильтра, кПа	441-490
Давление включения датчика давления, кПа	25
Емкость общая, л	3,4
Система охлаждения: объем охл.жидкости, л	6,0
Термостат: начало открытия; полное открытие; ход клапана	86,5-89,5°С; 100°С; 8,0 мм
Вентилятор: диаметр; число лопастей	300 мм; 4
Система подачи воздуха	Воздушный фильтр (ACL)
Свободный ход троса акселератора	1-3 мм

1.2.1 Характеристика механизмов и систем двигателя

В этом подразделе приведём кратчайшее описание систем и агрегатов двигателя в том порядке, в котором они прилагаются в инструкциях по эксплуатации: в порядке их важности.

Система смазки: состоит из масляного поддона, масляного насоса, масляного фильтра и масляных каналов. Масляный насос приводится в действие от коленчатого вала. Клапан-регулятор давления в масляном насосе поддерживает определенный уровень давления в системе смазки и при его превышении открывается, и часть масла сливает обратно в масляный поддон. В фильтре также имеется перепускной клапан, через который в случае сильного загрязнения фильтра неочищенное масло поступает сразу в масляную магистраль.

После фильтрации, масло поступает в главную масляную магистраль, а дальше поток масла разделяется по двум направлениям. Один поток подается к коренным подшипникам коленчатого вала, а через просверленные каналы смазывает и шатунные вкладыши. Для охлаждения поршней масло через распылители разбрызгивается на т.н. «юбки» поршней.

Второй поток масла по каналам подается к головке блока цилиндров для смазки подшипников распределительных валов и в гидравлические компенсаторные толкатели. После прохождения через головку и блок цилиндров, масло обратно стекает в масляный поддон.

Система охлаждения.

В состав системы охлаждения закрытого типа входят водяной насос, радиатор с поперечным обдувом, вентилятор радиатора с электроприводом, термостат, радиатор отопителя, шланги и датчики. Вентилятор радиатора с электрическим приводом включается при срабатывании контактного датчика температуры. На моделях с автоматической трансмиссией часть жидкости циркулирует через охладитель трансмиссионной жидкости. Температура начала открытия клапана термостата: 86,5-89,5 °С. Температура полного открытия клапана термостата: 100 °С. Ход клапана термостата: 8,0 мм.

Топливная система. Технические данные: диаметр диффузора дроссельного узла 50мм; Сопротивление воздушного клапана регулировки частоты вращения холостого хода в открытом состоянии 17-18,2 Ом, закрытый 15-16 Ом; топливные форсунки электромеханического типа, число портов распыления 2, сопротивление при 20°С 13,5-15,5 Ом, давление создаваемое топливным насосом 4,5-6,5 кг/см2, давление, поддерживаемое регулятором давления 3,25-3,35кг/см2.

Система зажигания. На автомобили устанавливается бесконтактная система зажигания, обеспечивающая увеличение диапазона установки угла опережение зажигания и напряжения распределителя зажигания при уменьшении электрических помех.

Система включает: катушку зажигания; датчик положения распределительного вала; блок управления зажиганием ECU; высоковольтные провода и свечи зажигания.

В бесконтактной системе зажигания датчик положения распределительного вала и датчик угла поворота коленчатого вала передают блоку управления двигателем информацию - в какой цилиндр необходимо подать напряжение зажигания. Блок управления двигателем подает сигнал соответствующей катушке зажигания, которая вырабатывает ток высокого напряжения и передает этот ток свече зажигания, при этом: импульс зажигания подается сразу на две свечи зажигания, один на такте сжатия, один на такте выхлопа - искра зажигания на такте выхлопа не оказывает никакого влияния на работу двигателя. Цилиндры группируются в соответствии с порядком работы цилиндров. Каждая катушка зажигания фактически состоит из 2-х отдельных высоковольтных обмоток, которые подают искру в два цилиндра каждая (одна к цилиндрам № 1 и 4, а другая к цилиндрам № 2 и 3). 

Установка угла опережения зажигания определяется и устанавливается блоком управления двигателя, основанного на сигналах от различных датчиков и выключателей. Блок управления двигателем изменяет установку угла опережение зажигания согласно частоте вращения двигателя, количеству поступившего воздуха, температуре охлаждающей жидкости и другим условиям.

Система выпуска отработавших газов

1 - главный глушитель; 2 - отверстия для болтов фланцев; 3-предварительный глушитель; 4 - соединительный фланец А; 5 - отверстия для болтов фланцев; 6 - соединительный фланец В; 7 - приемная выхлопная труба; 8-болты крепления кронштейна; 9- крепление кронштейна к приемной выхлопной трубе; 10 - болт; 11 - каталитический нейтрализатор; 12 - шпильки крепления каталитического нейтрализатора.
	Рис.1.2.7. Система выпуска газов



Расчёт эффективных параметров двигателя A5D

Произведём расчёт эффективных функциональных параметров выбранного двигателя на основе методологии, приведённой в разделе 1.1.



Расчёты выполнены с применением таблиц Excel. Исходя из размеров выбранного двигателя, топлива, на которое сделана ссылка в паспорте транспортного средства, с учётом числа цилиндров, тактность двигателя, режимов эксплуатации были произведены расчёты индикаторных показателей и на их основе построена индикаторная диаграмма, и далее расчёт эффективных показателей. Вычисленные величины вполне коррелируют с паспортными данными ДВС и стендовыми показателями, полученными из сетевых источников.

Здесь представим результаты расчётов.

Ниже приведена расчётная индикаторная диаграмма рассматриваемого двигателя.

1.3.1 Расчет индикаторных показателей рабочего цикла

Методика расчёта индикаторных параметров двигателя позволяет получить их значения для любых режимов работы. Наиболее предпочтительным режимом при исследовании потребительских характеристик двигателя является эксплуатационный режим - то есть режим наибольшей продолжительности в процессе эксплуатации автомобиля. Это соответствует движению автомобиля т.н. «крейсерской» скоростью при наиболее экономичных оборотах двигателя. В нашем случае это 3600 об/мин.

Расчет среднего индикаторного давления для карбюраторного ДВС:

Действительное индикаторное давление определяется:

	= 1,12 МПа

Степень повышения давления:???????? =3,77;

Среднее индикаторное давление Рi =??·Рi`=1,07 МПа,

где: поправочный коэффициент для карбюраторных ДВС: ?? =0,95

Расчет средней индикаторной мощности: Ni = (Pi·Vh·i·nw)/(30·?) = 4,77 кВт,

где: рабочий объем одного цилиндра Vh = 0,373 дм3

число цилиндров i = 4; тактность двигателя ф = 4;

частота вращения коленчатого вала nw = 3600 об/мин.

Расчет среднего индикаторного к.п.д.:

где: теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг. топлива:

=16.51 кг/(кг топл.)

плотность заряда на впуске?????????????????????????????????????o= 0,930 кг/м3

Расчет удельного расхода топлива:

1.3.2 Расчет эффективных показателей двигателя

Эффективная мощность определяется:

Ne = Ni ? Nм = 47,63 кВт

Мощность механических потерь:

Nм = (Pм·Vh·i·nw)/(30·?) = 0,08 кВт

Среднее давление механических потерь для карбюраторных ДВС: 

Рм = 0,04 + 0,013·wcр = 0,18977 МПа

Средняя скорость поршня:

wcр = S·nw /30 = 11,520 м/с

Среднее расчетное эффективное давление определяется: Рe=Рi ?Рм=0,88 МПа

Действительное среднее эффективное давление определяется:

где: мощность двигателя на расчетном режиме New = 47,63 кВт

или New = 64,75 л.с

Значение Ред отличается от Ре на: 7%

Расчет механического к.п.д. ??м = Ре / Рi = 82,18%

Расчет эффективного к.п.д.???????????????????????е = Lе / Qн = ?i·?м = 46,15%

Эффективный удельный расход топлива:

Часовой расход топлива определяется: Gт =10-3·Nw · ge = 0,86 кг/час

Выводы по первому разделу

Вычисленные эффективные показатели рассматриваемого двигателя A5D численно очень близки к паспортным и, следовательно, заслуживают доверия. Соотношения индикаторных и эффективных показателей также коррелируют с декларируемыми производителем (KIA MOTORS CORPORATION). Кроме этого, личный опыт эксплуатации двигателя - по утверждениям десяти независимых респондентов, также подтверждает расчётные показатели по среднему расходу топлива.

Расчёт показывает, что при эксплуатационном режиме используется только 64,75 л.с от паспортных 98 л.с., то есть - 66% полной мощности двигателя, следовательно имеется хороший запас для разгона и маневра. Вот этот запас мощности, имеющийся у автомобиля сверх основного функционала также является косвенным, но важным эффективным параметром автомобильного двигателя.

Расчёт подтверждает сказанное выше в введении: эффективное значение к.п.д. двигателя 46% - то есть в механическую работу на валу двигателя преобразуется менее половины энергии топлива. И это ещё без учёта потерь в трансмиссии! До колёс доходит в лучшем случае треть энергии сгорания топлива.

При этом, необходимо понимать: даже самое идеальное управление двигателем не повышает этот коэффициент. Правильное управление двигателем позволяет лишь отсечь невостребованное сжигание топлива, тем самым экономя его, улучшает экологические показатели и, конечно, позволяет увеличить срок службы двигателя.



2. Идентификация системы управления бензинового двигателя

2.1 Общие сведения об идентификации систем управления

Идентификацией называется нахождение оптимальной модели соответствия входных и выходных переменных, построенной по результатам непосредственных наблюдений и измерений.

Задача идентификации это обратная задача системного синтеза.

A M = f (U,Y)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.1 Задача идентификации

Выделяют два типа задач идентификации:

1. Структурная идентификация - обширного применения;

2. Параметрическая идентификация - с локальными целями.

Ни один из методов идентификации не является универсальным, так как не существует универсальной математической модели. Методы идентификации классифицируют по различным признакам.

По способу тестирования:

І активные - при помощи тестовых сигналов;

І пассивные - статистической обработкой измерений входных и выходных сигналов нормально функционирующего объекта.

По характеру используемых сигналов:

І детерминированные;

І статистические.

По временным затратам методы делятся на:

І оперативные - когда оценка параметров моделей происходит в реальном времени;

І ретроспективные - когда сначала собирается массив данных, а оценка характеристик получают после обработки этого массива.

Структурная идентификация начинается с построения модели типа «черный ящик», когда объект существует и функционирует, но о нём ничего не известно (или предполагается, что ничего). Главная задача в этом случае это определение структуры модели: определение тип (класс) моделей и определение размера или порядка модели (определение количества внутренних переменных).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.2 Структурная идентификация

Решение задач структурной идентификации обычно начинают с построения физической модели по известным законам физики, по возможности с самых простых (линейная, непрерывная, одномерная…), далее преобразуя к виду линейной регрессии: yi = a0 + a1·u1 + ...+ aт·un

В смысле размера или порядка модели, главной задачей определение недостаточности или избыточности модели, используя один из известных методов исследования ковариационных и корреляционных матриц.

Параметрическая идентификация (способ параметризации модели). Параметрическая идентификация должна быть: управляема и идентифицируема.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.3 Параметрическая идентификация

Рассмотрим систему в виде: =Ax + Bu; y = Cx; порядок системы n .

Система управляема, если для любого момента времени при любых состояниях существует такое управление u, которое переводит начальное состояние системы в конечное за ограниченное время Dy=[ В AB…Аn-1]

Условие управляемости системы: rank D(у)=n.

Система идентифицируема, если по измерениям координат состояния системы можно определить ее параметры.

В простейшем случае Du=[ x0 Ax0…Аx0n-1], где x0 -вектор начальных условий. Условие идентифицируемости системы: rank D(и) = n здесь: (rank F(массив) функция ранжирования массива).

В рассматриваемом случае, применительно к системам управления параметрами двигателя массивом является количество результирующих состояний управляемой системы, соответствующее набору управляющих сигналов. Буквально: если любой из имеющихся комбинаций входных воздействий приходится однозначно определяемое результирующее состояние системы rank D(и) = n (где n - число комбинаций воздействия) -то система полностью идентифицируема; если D(и) < n -то частично и, наконец, если ни один из результатов однозначно трактовать нельзя D(и) = 0 - система не идентифицируема.

2.2 Система управления двигателем A5D

Управление топливной системой осуществляется блоком управления двигателем ЕСМ (Engine Control Module). Блок ЕСМ проводит регулировку угла опережения зажигания, определяет количество подаваемого в двигатель топлива, управляет системой снижения токсичности отработавших газов и частотой вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу, а также приводом компрессора кондиционера и т.д. Блок ЕСМ изменяет режимы работы двигателя в зависимости от изменяющихся эксплуатационных режимов на основании сигналов от различных переключателей и датчиков.

Например, угол опережения зажигания блок ЕСМ регулирует на основании сигналов датчиков, которые реагируют на частоту вращения коленчатого вала, температуру охлаждающей жидкости, положение дроссельной заслонки, включенной в данный момент передачи, скорость автомобиля.

Частоту вращения коленчатого вала холостого хода блок ЕСМ регулирует на основании сигналов датчиков, которые реагируют на положение дроссельной заслонки, скорость автомобиля, включенной в данный момент передачи.

Датчик измерителя расхода воздуха (MAF - Mass AirFlow sensor).

Измеритель расхода воздуха обеспечивает самый прямой метод измерить нагрузку двигателя, так как он измеряет количество воздуха, поступающего в двигатель. Поток воздуха поступает в двигатель через измеритель с нагретым и холодным проволочными элементами, образующими часть мостовой схемы. Ток, проходящий через нагретый проволочный элемент, поддерживает его постоянную температуру на постоянном уровне, которая выше, чем температура поступающего в двигатель воздуха. Масса воздуха определяется по силе тока необходимой для поддержания температуры проволочного элемента. Чем больше поток воздуха и, естественно, его охлаждение, тем больше величина сигнала подаваемого на блок ЕСМ.

Датчик температуры охлаждающей жидкости.

Датчик температуры охлаждающей жидкости контролирует температуру охлаждающей жидкости и посылает сигнал в блок ЕСМ, который вычисляет ширину импульса, подаваемого на форсунки, в результате чего меняется количество топлива подаваемого в цилиндры двигателя, а также изменяется угол опережения зажигания. 

На холодном двигателе блок ЕСМ работает в режиме открытой петли, в результате чего в цилиндры двигателя подается более богатая топливовоздушная смесь и увеличивается частота вращения холостого хода. Это продолжается до достижения двигателем нормальной рабочей температуры.

Датчик положения дроссельной заслонки TPS (Throttle Position Sensor) передает информацию в блок ЕСМ о том, закрыта дроссельная заслонка, открыта полностью или находится промежуточном положении. Датчик жестко соединен с валом дроссельной заслонки. В зависимости от положения дроссельной заслонки изменяется сопротивление датчика. Для питания датчика с блока ЕСМ на него подается напряжение 5 В. Выходное напряжение датчика изменяется от 0,25 В при минимальном открытии дроссельной заслонки до 4,7 В при полном открытии дроссельной заслонки.

От датчика угла поворота коленчатого вала CKP (Crankshaft Position Sensor) в блок ЕСМ поступает информация о положении коленчатого вала. На основании информации выходного сигнала этого датчика и сигналом датчика положения распределительного вала блок ЕСМ определяет угол опережения зажигания и цилиндр, в который необходимо подать топливо. При отсутствии выходных сигналов датчика двигатель не запустится.

Датчик положения распределительного вала CMP (Camshaft Position Sensor) вырабатывает импульсы, на основании которых блок ЕСМ идентифицирует первоочередной цилиндр, в который требуется подать топливо и продолжительность открытия форсунки.

Датчик детонации реагирует на высокочастотные колебания блока цилиндров и преобразовывает их в электрические сигналы, величина которых увеличивается при увеличении детонации. На основании этих сигналов блок ЕСМ смещает момент зажигания в сторону запаздывания, в результате чего устраняется детонация.

Датчик температуры поступающего в двигатель воздуха представляет собой термистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Блок ЕСМ учитывает сигнал датчика и корректирует ширину импульса, подаваемого на форсунки, в результате чего изменяется количество топлива подаваемого в цилиндры двигателя, а также изменяет угол опережения зажигания.

Датчики кислорода.

В автомобиле установлены два датчика кислорода. В зависимости от содержания кислорода в отработавших газах датчик кислорода индуцирует напряжение от 0 до 1 В. На основании этих данных блок управления двигателем изменяет соотношение топлива в топливовоздушной смеси. Для того, чтобы происходило полное сгорание горючей смеси и в отработавших газах отсутствовали вредные вещества на 1 кг топлива должна приходиться от 14,0 до 16,5 массовых частей воздуха.

Оба датчика кислорода оборудованы обогревателями, которые поддерживают температуру датчиков в определенном интервале при работе двигателя на всех эксплуатационных режимах. Поддержание определенной температуры датчика позволяет системе быстрее включиться в работу и работать в режиме холостого хода.

Передний датчик кислорода:

Передний датчик кислорода расположен в выхлопной трубе за каталитическим нейтрализатором и передает выходной сигнал, на основании которого блок ЕСМ определяет содержание кислорода в отработавших газах. На основании этих данных блок управления двигателем изменяет время открытия форсунок.

Топливоподача на режиме «Пуск».

Необходитмо отметить особо организацию подачи топлмва в цмлиндр на режиме «Пуск» Условия, в которых необходимо обеспечить управление рабочим процессом на режиме ПУСК, существенно отличаются от условий, в которых осуществляется управление на других режимах. Эти отличия характеризуются отсутствием данных о величине циклового наполнения, поскольку использование информация от датчиков циклового наполнения (датчик массового расхода воздуха, датчик абсолютного давления) в условиях значительных колебаний угловой скорости коленчатого вала, скорости и направления потока воздуха через дроссельную заслонку и напряжения бортовой сети) не позволяют оценить величину циклового наполнения с достаточной точностью. Отсутствие остаточных газов в цилиндре двигателя до возникновения первой вспышки, вносит дополнительную погрешность в процесс вычисления циклового наполнения. Другой существенной особенностью режима ПУСК является отсутствие информации об условиях протекания рабочего цикла. Имеющиеся в наличии данные о температуре охлаждающей жидкости и температуре воздуха на впуске мало говорят об условиях, в которых будет протекать сгорание. Эти причины вызывают необходимость использовать особые подходы к управлению топливоподачей на режиме ПУСК, позволяющие получить необходимый состав смеси в цилиндре двигателя в условиях дефицита исходной информации.

Сведём в таблицу датчики и исполнительные мехпнизмы топливной системы исследуемого двигателя.

Датчики топливной системы	Исполнительные устройства т/с
ЕСМ (Engine Control Module) Модуль управления двигателем
Датчик расхода воздуха (MAF - Mass AirFlow sensor)	Катушки зажигания
Датчик температуры охлаждающей жидкости	Клапан управления впуска воздуха IAC (electronic Intel Air Control valve)
Датчик положения дроссельной заслонки TPS (Throttle Position Sensor)	Система распределенного впрыска топлива SFI (Sequential Fuel Injection)
Датчик угла поворота коленчатого вала CKP (Crankshaft Position Sensor)	Топливный насос
Датчик положения распределительного вала CMP (Camshaft Position Sensor)	Регулятор давления топлива
Датчик температуры поступающего в двигатель воздуха	Топливные инжекторы
Датчик детонации	Управление дроссельной заслонкой и акселератором
Датчики кислорода	системы EGR (системы рециркуляции отработавших газов)

2.3 Идентификация функционала система управления двигателем A5D

Идентификацию отдельных функционалов системы управления рассмотрим на примере совместной работы системы зажигания и системы топливоподачи.

Как было сказано выше, управление зажиганием в двигателе предусматривает угол опережения (смещения) системой DLI (DistributorLess Ignition).

Определим идентифицируемость функционалов системы зажигания, или на автомобильном языке диагностируемость этой системы по признакам, описанным в разделе 2.1.

Выполним схему системы управления зажиганием с указанием всех источников.

Отметим, что модуль управления двигателем запрограммирован таким образом, что при каждом запуске двигателя и изменении режимов работы двигателя, таких как : прогрев холоного двигателя, работа на холостом ходу, режим разгона, режимах инерционного движения автомобиля на высшей передаче, торможения двигателем и других, ECM проводит самодиагностирование цепей датчиков.

На станциях технического обслуживания автомобилей есть возможность диагностировать описанные системы с применением специального оборудования. В процессе выполнения курсовой работы я наблюдал за процессом диагностирования датчиков и работы системы зажигания на станции ТО:…

Датчик CKP работает на использовании эффекта Холла - реагирует на изменения магнитного поля намагниченного задающего колеса. Специальный зазор задающего колеса, соответствующий 6° поворота коленчатого вала позволяет вырабатывать сигнал, который легко оцифровывается шагом, эквивалентным 360/6 импульса за один оборот.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4. Схема управления зажиганием двигателя A5D

Выходной сигнал датчика MAF получается цифровым, пропорциональным массе входящего в цилиндр воздуха, хотя принцип действия аналоговый, заключающийся в том, чтобы поддерживать заданную температуру нити накаливания, которую в свою очередь охлаждает поток воздуха, движущегося в цилиндр. ECM сопоставляет эти данные вместе с сигналами от других датчиков с занесенными в память карты подачи топлива, чтобы определить точное его количество, которое должно быть впрыснуто в цилиндры. Выходной сигнал от ECM преобразовывается в длительность сигнала, определяющего продолжительность впрыска.

Датчик положения распределительного вала CMP (Camshaft Position Sensor) импульсный, который блок ЕСМ однозначно идентифицирует первоочередной цилиндр, в который требуется подать топливо.

Датчик детонации реагирует на высокочастотные колебания блока цилиндров и преобразовывает их в электрические сигналы, величина которых увеличивается при увеличении детонации. На основании этих сигналов блок ЕСМ смещает момент зажигания в сторону запаздывания, в результате чего устраняется детонация.

Изменение угла опережения зажигания осуществляется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, температуры двигателя (холодный, прогретый). Для обеспечения оптимального угла опережения зажигания в ECM происходит алгебраическое сложение сигналов и результирующий сигнал подается в качестве управляющего на коммутатор, который прерывает ток в катушке зажигания КЗ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.5 Формирование выходных сигналов ECM

Составим матрицы входных сигналов ECM при штатном режиме работы двигателя: Du[ x0, Ax0…Аx0n-1]=[Зам.заж., СКР, CMP,MAF,ECT,TPS, DS]:

Du = [1, (360/6·г)+(иn-1)+(1,0,0,0)+(gn-1)+( д)+(у)] = Yкат(t) n

Du = [1, (360/6·г)+(и n-1)+(1,0,0,0)+(gn-1)+(д)+(у)] = Yвпр(t) n



где: Yкат(гtn) -cмещение прерывания катушки зажигания от-но поворота коленвала;

Yвпр(tn) -длительность впрыска топлива;

При штатном режиме работы двигателя, система зажигания + топливоподачи полоностью идентифицируема, так как любой комбинации входных сигналов соответствует единственный вариант организации подачи топлива и момента включения катушки зажигания;.

При попытке идентификации системы на неработающем двигателе -часть входных сигналов отсутствует и выходные сигналы ECM формируются без учёта этих сигналов rank(Du)<n - система частично диагностируема.

То же самое предусмотрено на случай, если в процессе движения какие либо датчики перестанут функционировать. В этом случае система также частично диагностируема.

Если представить, что перестали работать все датчики одновременно - система недиагностируема и двигатель не заведётся (заглохнет)



3. Элементы системы управления

3.1 Структура система питания двигателей A5D

Все модели A5D оборудованы электронной системой распределенного впрыска топлива SFI (Sequential Fuel Injection). За счет использования в системе управления новых технологических решений SFI обеспечивает оптимизацию компоновки воздушно-топливной смеси при разных режимах нагружения двигателя.

Топливо под постоянным давлением через инжекторы впрыскивается во впускные порты каждого из цилиндров двигателя. Дозировка подачи топлива осуществляется путем управления временем открывания электромагнитных клапанов инжекторов в соответствии с количеством нагнетаемого в двигатель воздуха. Продолжительность открывания инжекторов определяется параметрами формируемых модулем управления электрических импульсов ECM (Engine Control Module) и позволяет осуществлять весьма точную дозировку компонентов горючей смеси.

ECM определяет требуемую продолжительность открывания инжекторов на основании обработки непрерывно поступающих от датчиков сигналов:

І от термоанемометрического датчика измерения массы воздуха MAF (Mass Air Flow), о количестве всасываемого в двигатель воздуха;

І от датчика положения коленчатого вала CKP (CranKshaft Position sensor) о текущих оборотах двигателя;

І от датчиков TPS (Throttle Position Sensor) о положении дроссельных заслонок.

Помимо перечисленных функций система распределенного впрыска топлива осуществляет оптимизацию соотношения расход топлива / отдача двигателя, а также обеспечивает адекватные стартовые параметры и прогрев двигателя в холодную погоду также контроль токсичности отработавших газов, исходя из данных о температурах охлаждающей жидкости датчик ECT (Engine Coolant Temperature) и всасываемого воздуха датчик IAT (Inlet Air Temperature).

Датчик CKP (положение коленчатого вала) расположен в задней части блока цилиндров с левой стороны. Наконечник датчика находится в плоскости вращения магнитного диска, установленного на коленчатый вал. Задающий диск напрессован на торцевую часть коленчатого вала. Для получения правильного по фазе сигнала задающее колесо должно правильно выставлено по отношению к коленчатому валу. На выходе датчика образуется прямоугольный сигнал с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала.

ECM (блок управления двигателем) контролирует сигнал датчика CKP (положение коленчатого вала) и может регистрировать превышение допустимой частоты вращения двигателя. ECM (блок управления двигателем) противодействует повышению частоты вращения двигателя сверх допустимой, постепенно сводя на нет функции синхронизации частоты вращения. Датчик CKP (положение коленчатого вала) является датчиком Холла. Датчик реагирует на изменения магнитного поля, возникающие при вращении намагниченного задающего колеса.

На задающем колесе пропущены два зуба, эквивалентные 6° поворота коленчатого вала. Разрыв в два пропущенных зуба служит для определения углового положения коленчатого вала.

Когда участок с двумя отсутствующими зубцами проходит рядом с наконечником датчика, возникает пропуск в сигнале, который ECM (блок управления двигателем) использует для определения положения коленчатого вала. Воздушный промежуток между наконечником датчика и кольцом имеет большое значение, поскольку обеспечивает правильность сигналов, поступающих в ECM (блок управления двигателем) . Рекомендуемый зазор между датчиком CKP (положение коленчатого вала) и мишенью составляет 0,4-1,5 мм.

ECM (блок управления двигателем) использует сигнал датчика CKP (положение коленчатого вала) для выполнения следующих функций: 

І Синхронизация.

І Определение момента начала подачи топлива.

І Включение цепи реле топливного насоса (после предварительной прокачки).

І Формирование сигнала частоты вращения коленчатого вала двигателя, который распространяется по шине CAN (локальной сети контроллеров) и используется другими системами.

Впускной воздушный тракт:

Впускной воздушный тракт состоит из воздухозаборника, двух резонаторных камер, сборки воздухоочистителя и соединяющим его с корпусом дросселя воздуховодом. Первый резонатор помещается выше воздухоочистителя по потоку, при помощи отводного шланга соединен с задней частью воздухозаборника и эффективно способствует снижению уровня шумового фона, возникающего при всасывании воздуха в двигатель. Вторая резонаторная камера подключена к воздуховоду впускного воздушного тракта непосредственно впереди корпуса дросселя.

Прогоняемый через воздухоочиститель воздух поступает в корпус дросселя, откуда, в определяемом положением дроссельных заслонок (датчик TPS) количестве, по впускному трубопроводу подается к впускным портам цилиндров двигателя, где смешивается с впрыскиваемым через инжекторы топливом, формируя горючую смесь. Стабильность оборотов холостого хода обеспечивается за счет перепускания части воздушной массы в обход корпуса дросселя непосредственно во впускной трубопровод. Контроль количества перепускаемого воздуха осуществляется ECM посредством управления функционированием специального перепускного клапана стабилизации оборотов холостого хода (IAC).

Датчик температуры всасываемого воздуха (IAT):

Датчик IAT установлен на сборке воздухоочистителя и служит для измерения температуры всасываемого в двигатель воздуха. В основу конструкции датчика положен термистор, сопротивление которого обратно пропорционально температуре чувствительного элемента. Отслеживаемые датчиком параметры преобразуются в электрические сигналы и передаются на ECM, осуществляющий управление компоновкой воздушно-топливной смеси, а также моментами впрыска и воспламенения.

Датчик измерения массы воздуха MAF (Mass Air Flow):

Термоанемометрический датчик MAF установлен во впускном воздушном тракте непосредственно позади воздухоочистителя и выступает в качестве источника информации, поставляющего ECM данные о количестве всасываемого в двигатель воздуха. На основании анализа поступающей от датчика информации ECM осуществляет компоновку воздушно-топливной смеси.

Комбинированный датчик массового расхода воздуха/температуры воздуха на впуске (MAF/IAT).

Датчик MAF (массовый расход воздуха) /IAT (температура воздуха на впуске) смонтирован на приточном воздуховоде непосредственно за кожухом воздушного фильтра. В корпусе датчика совмещены два датчика: датчик MAF (массовый расход воздуха) и датчик IAT (температура воздуха на впуске). Датчик помещён в пластмассовый литой корпус, который соединяет впускной коллектор и впускной патрубок. 

Работа датчика MAF (массовый расход воздуха) основана на принципе "горячей пленки". В печатной схеме расположены два плёночных чувствительных элемента. Температура одного элемента поддерживается на уровне температуры воздуха на впуске, например, 25°C. Второй элемент нагревается на 200° C выше температуры воздуха на впуске, то есть до 225°C. Впускаемый воздух, поступающий в двигатель, проходит через датчик MAF (массовый расход воздуха) и оказывает охлаждающее действие на пленку. ECM (блок управления двигателем) контролирует ток, требуемый для поддержания разницы в 200°C между этим двумя элементами, и использует эту разницу для формирования точного нелинейного сигнала, который соответствует объему воздуха, поступающего в двигатель. 

Выходной сигнал датчика MAF (массовый расход воздуха) представляет собой цифровой сигнал, пропорциональный массе входящего воздуха. ECM (блок управления двигателем) использует эти данные вместе с сигналами от других датчиков и информацией от занесенных в память карт подачи топлива, чтобы определять точное количество топлива, которое должно быть впрыснуто в цилиндры. Кроме того, сигнал используется в качестве сигнала обратной связи для системы EGR (системы рециркуляции отработавших газов).

В цепи делителя напряжения датчика IAT (температура воздуха на впуске) содержится термистор с NTC (отрицательным температурным коэффициентом). Термистор NTC (отрицательным температурным коэффициентом) работает по принципу уменьшения сопротивления датчика по мере увеличения температуры воздуха на впуске. Поскольку термистор позволяет проходить на массу более сильному току, напряжение, воспринимаемое ECM (блок управления двигателем), уменьшается. Изменение напряжения пропорционально изменению температуры воздуха на впуске. Используя выходное напряжение от датчика IAT (температура воздуха на впуске), ECM (модуль управления двигателем) может корректировать таблицу подачи топлива в отношении температуры воздуха на впуске. Такая поправка имеет большое значение, поскольку горячий воздух содержит меньше кислорода, чем холодный того же объёма.

На датчик MAF (массовый расход воздуха) подается напряжение питания 12 В от BJB (монтажной коробки аккумуляторной батареи), при этом соединение с массой осуществляется через ECM (блок управления двигателем). Двумя другими цепями, подключенными к ECM (блок управления двигателем), являются сигнальные цепи датчиков MAF (массовый расход воздуха) и IAT (температура воздуха на впуске).

Корпус дросселя:

Рис.3.2 Конструкция корпуса дросселя:

Помещенные в корпус дросселя заслонки управляются от педали газа, в соответствии с положением которой, в большей или меньшей степени перекрывают проходные дроссельные отверстия, что позволяет регулировать расход поступающего в камеры сгорания двигателя воздуха. На холостых оборотах, когда педаль газа полностью отпущена, заслонки практически полностью перекрывают дроссель и основная масса воздуха (более половины) поступает во впускной трубопровод через специальный электромагнитный клапан стабилизации оборотов холостого хода (IAC) в обход корпуса дросселя. Использование клапана IAC (electronic Intel Air Control valve) позволяет также осуществлять контроль стабильности оборотов холостого хода вне зависимости от изменений текущей нагрузки на двигатель (например, при включении кондиционера воздуха или других энергоемких потребителей).

Датчик положения дроссельных заслонок (TPS):

TPS устанавливается на корпусе дросселя и механически соединен с осью дроссельных заслонок. Датчик вырабатывает и посылает ECM сигнальное напряжение, величина которого прямо пропорциональна степени открывания заслонок. Закрытому и открытому положениям заслонок соответствуют четко определенные значения напряжения.

ECM наделён интеллектуальными способностями, позволяющими ему компенсировать неизбежные временные изменения рабочих характеристик датчика при привязке их к положению дроссельной заслонки.

Электромагнитный клапан стабилизации оборотов холостого хода (IAC):

Рис.3.3 Конструкция клапана IAC	Клапан IAC включен во впускной воздушный тракт впереди корпуса дросселя и осуществляет управление величиной расхода воздуха, перепускаемого в обход последнего при работе двигателя на холостых оборотах. Клапан срабатывает по сигналам ECM, позволяя последнему поддерживать обороты холостого хода двигателя на заданном уровне.



Датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя расположен в верхнем шланге на выходе коллектора системы охлаждения. Датчик ECT (температуры охлаждающей жидкости) передает в блок ECM (блок управления двигателем) и щиток приборов сведения о температуре охлаждающей жидкости двигателя. 

ECM (блок управления двигателем) использует информацию о температуре для реализации следующих функций: 

І Вычисление цикловой подачи топлива;

І Ограничение мощности двигателя при чрезмерно высокой температуре охлаждающей жидкости;

І Регулирование работы вентилятора системы охлаждения;

І Регулирование продолжительности работы свечей накаливания.

Панель приборов использует сведения о температуре для работы указателя температуры. Сигнал температуры охлаждающей жидкости двигателя также передается щитком приборов по шине CAN (локальной сети контроллеров) в другие системы.

В цепь датчика ECM (блок управления двигателем) ECT (температуры охлаждающей жидкости) входит цепь внутреннего делителя напряжения, которая включает в себя термистор NTC (отрицательным температурным коэффициентом). При повышении температуры охлаждающей жидкости сопротивление датчика падает и наоборот. Выходным сигналом датчика является изменение напряжения, которое происходит из-за увеличения силы тока, проходящего на "землю", с изменением температуры.

ECM (блок управления двигателем) сравнивает напряжение сигнала с сохраненными в памяти значениями и регулирует подачу топлива, непрерывно оптимизируя управляемость. Из-за конденсации топлива на холодных стенках камеры сгорания двигатель требует увеличенной цикловой подачи при низкой температуре охлаждающей жидкости. Для обогащения топливовоздушной смеси ECM (блок управления двигателем) увеличивает продолжительность открытия форсунки. По мере прогрева двигателя смесь обедняется.

Входным сигналом датчика является опорное напряжение 5 В, подаваемое из цепи делителя напряжения в ECM (блок управления двигателем). Электрическая цепь заземления датчика также соединяется с ECM (блок управления двигателем), который измеряет возвращаемый ток и рассчитывает значение сопротивления датчика, которое соответствует температуре охлаждающей жидкости. 

Система подачи топлива.

Помещенный в бензобак погружной топливный насос обеспечивает подачу горючего под давлением к каждому из инжекторов топливной магистрали. Бензин подается от насоса к инжекторам по топливному тракту с включенным в него фильтром тонкой очистки. Специальный регулятор поддерживает давление топлива в магистрали на заданном оптимальном уровне. Количество топлива и момент впрыска вычисляются модулем управления. Избыток горючего по возвратной линии поступает обратно в топливный бак.

Топливный бак:

Изготовленный из штампованной стали топливный бак объемом 60 л установлен под автомобилем, непосредственно перед задним мостом под сборкой заднего сиденья.

Бак оснащен защитным экраном, предохраняющим его от ударов камнями, и крепится под днищем автомобиля при помощи пяти болтов.

Конфигурация рабочего объема бака выбрана таким образом, чтобы топливозаборник бензонасоса оставался в погруженном положении при любом уровне заполнения бака, даже во время резкого маневрирования.

В заливную горловину бака встроен специальный односторонний клапан, предотвращающий проникновение топлива из рабочего объема бака обратно в горловину при движении по бездорожью и резком маневрировании.

Схема организации системы подачи топлива:

1?Контрольно-запорный клапан

2 -- Отделитель топливных испарений

3 --Возвратный бензопровод

4 --Линия подачи топлива

5 -- Фильтр тонкой очистки

6 -- Топливные инжекторы

7 -- Регулятор давления топлива

8 -- Сборка топливного насоса

9 -- Демпфер пульсаций давления

10 -- Топливный бак 

11 -- Крышка заливной горловины

12 -- Рычаг отпускания защелки замка крышки лючка доступа к заливной горловине (на центральной консоли, справа от сиденья)

13 -- Заливная горловина топливного бака

14 -- Топливный насос

15 -- Оснащенный сетчатым фильтром топливозаборник

16 -- Датчик запаса топлива

Топливный насос:

Топливный насос объединен в единую сборку с датчиком запаса топлива. Насос имеет роторную конструкцию и помещен внутрь топливного бака, что позволяет в существенной мере снизить уровень производимого им при работе шумового фона.

Управление функционированием топливного насоса осуществляет ECM. При выработке модулем управления соответствующей команды происходит активация реле топливного насоса, после чего электромотор начинает вращаться, приводя в движение ротор насосной сборки. Засасываемое через сетчатый фильтр топливозаборника горючее по соединительным линиям поступает в топливную магистраль и под напором подается на инжекторы. Накачанное насосом давление в топливном тракте поддерживается на постоянном уровне при помощи специального регулятора. С целью предотвращения падения давления топлива при отключении бензонасоса в насосную сборку включен специальный запорный клапан. Избыток топлива по возвратной линии отводится обратно в топливный бак.

Регулятор давления топлива:

Регулятор давления установлен с подведенного к инжекторам конца линии подачи топлива и состоит из двух разделенных диафрагмой камер: топливной и пружинной. Топливная камера соединена с линией подачи топлива, пружинная - с впускным трубопроводом. При увеличении глубины разрежения во впускном трубопроводе оттягивание диафрагмы приводит к открыванию подведенной к топливной камере регулятора возвратной линии, - в результате давление в топливной магистрали снижается. Снижение глубины разрежения в трубопроводе приводит к отжиманию диафрагмы пружиной и увеличению подающего давления. Описанный механизм позволяет поддерживать разницу между давлением впрыска и разрежением во впускном трубопроводе на постоянном уровне, составляющем 290 кПа.

Топливные инжекторы:

В системе распределенного впрыска используются инжекторы с верхней подачей топлива. Схема подключения инжекторов обеспечивает охлаждение их потоком топлива. Инжекторы такой конструкции отличаются компактными размерами, высокой термостойкостью, пониженным шумовым фоном и простотой в обслуживании.

Продолжительность открывания электромагнитного игольчатого клапана инжектора определяется длиной вырабатываемого ECM управляющего импульса. Ввиду того, что сечение сопла инжектора, величина открывания клапана и давление подачи топлива поддерживаются постоянными, количество впрыскиваемого в камеру сгорания топлива определяется исключительно продолжительностью времени открывания, соответствующего длине управляющего импульса.