Діагностика бензинових двигунів з електронними системами керування

Діагностика технічного стану автомобілів є невід'ємним елементом технічного сервісу, і дозволяє своєчасно виявити несправності вузлів, агрегатів і систем, спрогнозувати їхній залишковий ресурс та планувати ремонтні втручання.

В останні роки авто - тракторні парки різноманітних підприємств оновлюються за рахунок сучасної техніки, керування процесами в якій здійснюється за допомогою електронних (мікропроцесорних) систем керування.

Однією з найважливіших проблем сучасного автотранспортного підприємства є швидке і якісне виявлення несправностей у автомобілів. Під час експлуатації автомобіля можуть виникати сховані несправності, які зовні ні чим себе не проявляють, але, будучи непоміченими, вони можуть привести до серйозних поломок, а, отже, до дорогого ремонту.

Крім того, профілактична діагностика дозволяє підприємству заощаджувати значні засоби за рахунок виявлення несправностей і своєчасного їхнього усунення, що скорочує час простою в ремонті, а, отже, дозволяє знизити затрати праці й вартість ремонту.

Поява напівпровідникових приладів, інтегральних мікросхем, мініатюрних мікросхем дозволяє швидко і якісно виявляти виникаючі несправності й усувати їх як у процесі експлуатації автомобіля, так і в процесі його підготовки до роботи.

На закордонних станціях технічного обслуговування для діагностики сучасних зразків автомобілів широко застосовується обладнання яке випускається такими провідними фірмами у галузі діагностики як «BOSCH» , «Trisco» , «Launch». Таке обладнання дає змогу у повному обсязі оцінити технічний стан електронних систем керування бензиновими двигунами .

Вітчизняні станції технічного обслуговування не завжди мають у своєму розпорядженні необхідну номенклатуру діагностичного обладнання для діагностики та ремонту сучасних автомобілів. Оскільки фірмове обладнання для діагностики електронних систем керування має досить високу вартість то не кожне підприємство може дозволити собі його придбати.

В Україні поступово розвивається фірмова мережа обслуговування техніки в основному легкових та вантажних автомобілів менша увага приділяється тракторам та сільськогосподарським машинам.

Розглядаючи дані питання ми дійшли висновку що існує необхідність у оснащені малих ремонтних та сервісних підприємств дешевим і надійним обладнанням, яке б давало змогу отримати повну і достовірну картину щодо технічного стану електронної системи керування бензиновим двигуном та необхідності проведення ремонтних втручань.

На першому етапі вирішення даного питання необхідно розглянути наступні задачі:

1. Провести аналіз існуючих систем керування двигунами та їх складових частин.

2. Провести аналіз відомого технологічного обладнання для визначення технічного стану систем керування двигунами та їх складових частин.

3. Запропонувати ефективну на даний час технологію і технологічні засоби для діагностики технічного стану електронних систем керування бензиновими двигунами та їх складових частин.

1. Мета і завдання досліджень

Поряд серійним обладнанням на ряді сервісних підприємств використовується обладнання яке виготовляється самостійно або невеликими партіями наприклад таке як: різноманітні сканери, стенди для діагностики окремих систем двигуна, осцилографи, пробники та індикатори. Таке обладнання задовольняє певні потреби малих ремонтних та сервісних підприємств.

Принципові схеми та описи щодо виготовлення та налагодження широко розповсюджуються в мережі «Internet» та періодичних виданнях, зокрема дану інформацію можна знайти на таких сайтах як: www.autopribor.ru, http://chiptuner.ru, http://spidometrs.ru, http://www.autodiagnos.com.ua, http://www.ardio.ru, http://www.ecu.ru, http://www.carmasterpro.ru.

Для виготовлення даного обладнання використовуються матеріали які є загальнодоступними і які можна придбати у торгівельних мережах України.

Якщо порівнювати вартість обладнання самостійного виготовлення і його готових аналогів то вартість самостійно виготовленого обладнання становить орієнтовно 10% від вартості фірмового. Так наприклад вартість програмного сканера на ринку коливається в межах від 300 до 2 000 грн. а вартість матеріалів для самостійного виготовлення аналога в межах 50 грн.[34,36,38,40].

1.3 Мета і завдання роботи

2.1 Призначення систем керування двигунами

електронний бензиновий двигун форсунка

Основні функціональні завдання системи керування двигуном (СКД)

Двигун є пристроєм, що виконує функцію керованого перетворення хімічної енергії палива в механічну роботу (енергію).

Як об'єкт керування двигун характеризується: вхідними параметрами, що впливають на протікання робочого процесу у двигуні. Їхні значення визначаються зовнішніми впливами на двигун з боку водія або СКД, тому їх також називають керуючими. До їхнього числа можна віднести:

- кут відкриття дросельної заслінки;

- кут випередження запалювання;

- циклова подача;

- циклове наповнення двигуна і т.д.;

Вихідними (керованими) параметрами, що характеризують стан двигуна в робочому режимі. До них відносяться:

- частота обертання колінчатого вала;

- потужність на валу;

- крутний момент;

- показник паливної економічності;

- показники токсичності відпрацьованих газів і ін.;

Внутрішніми параметрами або параметрами стану, що характеризують робочі процеси, стан систем, що забезпечують, конструктивні особливості двигуна приймаються:

- температура двигуна;

- напруга в електричній мережі;

- ступінь стиску робочої суміші та ін.;

Зовнішні впливи, що носять випадковий характер і заважають керуванню. До них можуть бути віднесені.

- температура атмосферного повітря ;

- атмосферний тиск;

- вологість повітря і т.п.

Призначення системи керування полягає в тому, щоб забезпечити оптимальний склад робочої суміші в циліндрах двигуна й запалити її в циліндрі двигуна в певний момент часу.

Склад робочої суміші характеризується двома основними показниками: відношенням кількості палива й повітря в складі суміші показник - «лямбда» (л); гомогенністю (однорідністю) тобто якістю змішування складових частин суміші.

Момент запалення суміші визначається кутом випередження запалювання.

Принципи керування.

Принцип керування дає загальне подання про спосіб керування об'єктом керування. Він показує, як об'єкт керування повинен реагувати на збурювання й керуючі сигнали. Охарактеризуємо принципи, закладені в основу побудови існуючих систем керування (СКД).

Автомобільний двигун являє собою систему, що складається з окремих підсистем: паливно-емісійної, запалювання, охолодження, змащування і т.д. Всі системи зв'язані один з одним і при функціонуванні вони утворять єдине ціле.

Керування двигуном не можна розглядати у відриві від керування автомобілем. Швидкісні й навантажувальні режими роботи двигуна залежать від швидкісних режимів руху автомобіля в різних умовах експлуатації, які містять у собі розгони й гальмування, рух з відносно постійною швидкістю, зупинки.

Водій змінює швидкісний і навантажувальний режим двигуна, впливаючи на передатне відношення трансмісії автомобіля й педаль акселератора (дросельну заслінку). Вихідні характеристики двигуна при цьому залежать від складу паливо повітряної суміші й кута випередження запалювання, керування якими здійснюється за допомогою механічних, електронно-механічних або електронних систем керування двигуном, автоматично (рис. 2.1.).

Рис. 2.1 Керування автомобільним двигуном

Для двигуна внутрішнього згоряння характерна періодична повторюваність робочих циклів. Тому важливим принципом керування двигуном є циклічність керування. Це спричиняє необхідність узгодження частотних параметрів керуючих впливів із частотою робочих циклів двигуна. Іншими словами, СКД повинна встигати сприймати інформацію про стан двигуна, обробляти її й передавати відповідні керуючі впливи на двигун протягом обмежених за часом тактів робочого циклу (2-3 мс), що накладає жорсткі вимоги на швидкодію СКД.

Як об'єкт керування двигун є нелінійним, тому що реакція на суму будь-яких зовнішніх впливів не дорівнює сумі реакцій на кожен із впливів окремо. З огляду на те, що двигун звичайно працює на нестаціонарних (змінних у часі) режимах, виникає проблема оптимального і адаптивного (саморегульованого) керування двигуном. Принципи оптимального й адаптивного керування виявилося можливим реалізувати завдяки розвитку електронних систем керування.

Варто помітити, що для побудови оптимальних адаптивних керуючих систем потрібне наявність математичних моделей об'єкта керування. Через складність конструкції, наявності допусків на розміри деталей, двигуни однієї й тієї ж моделі мають різні характеристики. Крім того, по конструктивних параметрах відрізняються й окремі циліндри багатоциліндрового двигуна. У цьому зв'язку, загальні, досить точні й повні математичні моделі двигунів внутрішнього згоряння в традиційному аналітичному вигляді на даний момент відсутні (це характерно для більшості складних технічних систем). Вихід знаходять у побудові емпіричних залежностей між параметрами індивідуальних типів двигунів і поданні їх у формі таблиць. Ці таблиці містять більші обсяги даних і можуть бути використані в системах керування тільки при наявності засобів обчислювальної техніки, що володіють достатнім обсягом пам'яті й високою обчислювальною потужністю.

Автомобільний двигун являє собою багатомірний об'єкт керування, тому що число вхідних параметрів у нього більше одного й кожний вхідний параметр впливає на два й більше вихідних. У такому випадку система керування повинна бути багатомірною. Для багатомірних об'єктів керування таблиці залежностей між параметрами повинні бути також багатомірними. Такі таблиці і їхнє графічне подання називають характеристичними картами.

Широке поширення автомобільних двигунів визначило велику розмаїтість їхніх конструкцій. Це приводить до багатоваріантності систем керування. Так, якщо в карбюраторних системах паливоподачі практично не використається електроніка, те сучасні системи упорскування палива створюються тільки на основі керування електронними системами. А це приводить, у свою чергу до взаємовпливу розвитку електронної (і, насамперед, обчислювальної) техніки на конструктивну реалізацію проектованих двигунів.

На підставі вищевикладеного сформулюємо основні принципи керування двигуном:

- циклічність керуючих впливів, синхронізована з тактами робочого циклу двигуна;

- узгодження програмного керування зі зворотними зв'язками;

- оптимальність і адаптивність керування.[4]

Функціональна схема комплексної СКД

Принципи функціонування СКД

У цей час найбільше поширення одержали комплексні системи керування двигунами, тому надалі ми будемо приділяти їм основну увагу, а існуючі раніше системи керування розглядати як якісь окремі випадки.

Системи керування двигунами автомобілів з іскровим запалюванням палива мають у своєму складі як мінімум дві підсистеми: систему керування складом паливної суміші, тобто регулювання співвідношення повітря/паливо (паливно-емісійну); систему керування моментом запалювання.

Протягом усього попереднього періоду розвитку автомобілебудування ці дві системи розвивалися окремо одна від одної. Дослідження характеристик роботи двигуна разом з вимогами до складу вихлопних газів показують, що ці системи не є незалежними одна від одної. Наприклад, зміна складу паливної суміші повинна викликати зміна моменту запалювання для забезпечення максимальної ефективності двигуна (за обраним критерієм).

Для покращення якості керування двигуном логічно використати один процесор (обчислювач або контролер), що може обробляти вхідні сигнали й виробляти керуючі сигнали для обох систем одночасно.

Сучасна концепція електронної СКД заснований на застосуванні єдиного блоку керування системою запалювання й паливо-емісійною, а також інших систем автомобіля: рульового керування, підресорювання, автоматичної коробки передач, включення й вимикання зчеплення, бортової діагностики й ін.

Кожна із систем, керованих контролером, також забезпечується системою захисту від непередбачених наслідків у випадку відмови контролера.

Як вже відзначалося, для керування автомобільним двигуном застосовуються так звані характеристичні карти. Їх одержують у процесі стендових випробувань автомобільних двигунів при реалізації всього діапазону зовнішніх навантажень і вимірюванні реагування на них двигуна (у вигляді різних параметрів). Багатомірні, отримані в ході таких факторних експериментів, таблиці-карти заносять на пам'ять блоку керування відповідного двигуна.

Двовимірна таблиця-карта може бути наочно представлена у вигляді тривимірного графіка (діаграми).

Карти представляють основну інформацію щодо взаємозалежності характеристик двигуна. Для одержання всебічних даних про якість СКД необхідно мати безліч карт. Приклад характеристичної карти представлений на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Приклад характеристичної карти

Звичайно в системах керування запалюванням і паливно-емісійній використовуються датчики того самого типу. Логічним наслідком цього факту є використання одного комп'ютера й одного набору датчиків для керування обома системами.

Після того, як визначені характеристичні карти двигуна, вони зберігаються в постійній пам'яті (ROM) бортового комп'ютера СКД. Відповідно до цих даних здійснюється керування роботою двигуна на різних швидкостях обертання й коефіцієнтах завантаження двигуна. Однак подібне керування двигуном припускає, що характеристики самого двигуна із часом не змінюються.

Насправді це не так, оскільки в процесі експлуатації зношуються поршні, направляючі втулки клапанів та інші деталі двигуна. В остаточному підсумку, ці процеси приводять до того, що, наприклад, необхідний вміст повітря в робочій суміші буде відрізнятися від того, що визначає мікропроцесор на основі даних, виміряних датчиками.

Ця ситуація є одним з наслідків використання системи керування без зворотного зв'язка, тобто системи, у якій не здійснюється контроль фактичних параметрів двигуна (його пиємистості або складу вихлопних газів).

Аналогічним чином, початково настроєна система запалювання, у процесі експлуатації може привести до виникнення детонації й поломки двигуна.

Усунення цих проблем досягається виміром параметрів двигуна за допомогою датчиків, сигнали яких допомагають коректувати складом робочої суміші й моментом запалювання.

Датчик детонації є елементом зворотного зв'язка й широко використається в сучасних двигунах з його допомогою відбувається зменшення кута випередження при виникненні детонації.

Аналогічним чином за допомогою лямбда-зонда оцінюється вміст кисню у вихлопних газах і сигнал передається мікропроцесору. У свою чергу, мікропроцесор робить коректування співвідношенням повітря/паливо таким чином, щоб параметр лямбда був рівним 1,0.

Таким чином, датчик детонації й лямбда-зонд є складовими частинами системи керування двигуном зі зворотним зв'язком і підтримують необхідні параметри двигуна з урахуванням його спрацювання в процесі всього строку експлуатації.

Розглянемо загальну схему, абстрактної СКД відображуючу принципи керування двигуном із системою упорскування палива.[2,3]

Підсистеми системи керування двигуном

Паливно-емісійна система (керування упорскуванням палива).

Основною змінною, на основі якої визначається маса палива, що подається на форсунки (форсунку), є маса повітря, засмоктуваного у відповідний циліндр за робочий цикл (циклове наповнення).

Повітря надходить у впускний колектор двигуна через дросельну заслінку. Для визначення величини циклового наповнення GB [кг] вимірюють витрату повітря у повітрезабірнику QB [кг/с] і частоту обертання колінчатого вала двигуна n [1/c]. Витрата повітря визначається за допомогою датчика-вимірника, установленого перед дросельною заслінкою. Частота обертання колінчатого вала може бути визначена як за допомогою спеціальних датчиків обертів, так і за допомогою сигналів, одержуваних від системи запалювання.

Величина циклового наповнення GB = QB/n обчислюється в блоці керування.

Останній виробляє сигнал напруги, тривалість якого Дф пропорційна цій величині, і подає його на керуючі обмотки паливних форсунок (інжекторів).

Паливна мережа, до якої підключені форсунки перебуває під тиском Ртр. Нехай його величина (перепад тисків між тиском у мережі й у впускному колекторі) підтримується постійної за допомогою регулятора тиску. Ця обставина забезпечує точне визначення величини циклової подачі, пропорційної тривалості керуючого імпульсу Дф.

Робоча суміш повітря з паливом формується у впускних каналах і циліндрах.

Точно виміряна кількість палива розпорошується над впускним клапаном незалежно від того, відкритий він чи ні. Коли впускний клапан відкривається, паливо у вигляді хмари втягується в циліндр разом з повітрям.

У СКД при обчисленнях ураховуються різні обставини, які можуть мати місце при роботі двигуна при пуску, на холостому ході, на робочих і максимальних навантаженнях. При цьому відбувається облік температури двигуна, напруги акумулятора, температури поступаючого повітря, кута повороту дросельної заслінки, які надходять у СКД з відповідних датчиків, встановлених у двигуні й сполучених з ним пристроях. Корекція керованого параметра - величини часу відкриття паливної форсунки (а в остаточному підсумку - пропорції повітря/паливо) по введеним у такий спосіб даним здійснюється за допомогою характеристичних карт, занесених у пам'ять контролера.

Зворотний зв'язок по сигналах лямбда-зонда

З метою корекції складу суміші на сучасних автомобілях застосовують зворотний зв'язок по сигналах так званого лямбда-зонда, датчика залишкового кисню у відпрацьованих газах. Якщо склад суміші відхиляється від заданого значення, то у відпрацьованих газах, склад кисню відрізняється від необхідного. Це розпізнає лямбда-зонд, встановлений у випускному колекторі. Відповідне значення напруги повідомляється на систему керування підготовкою суміші (упорскування або електронно регульований карбюратор).

Система керування практично без інерційно коректує належним чином дозування палива. При відсутності кисню у вихлопних газах подана суміш вважається багатою, внаслідок цього система керування скорочує кількість впорскнутого палива. Якщо зонд через якийсь час визначає кисень у вихлопному газі, то підвищується кількість впорскнутого палива. Так суміш коливається між злегка багатою й бідною.

Разом з керуванням по сигналах лямбда-зонда використають нейтралізатори відпрацьованих газів які дозволяють знизити емісію шкідливих речовин до значень, зазначених у відповідних законодавчих актах щодо вихлопних газів. В області регулювання лямбда всі три компоненти вихлопних газів - CO, НС і NOx - оптимально низькі.

Система запалювання

Керування запалюванням засновано на визначенні кута випередження запалювання у відповідністю із інформацією, що надходить від датчиків:

- швидкості й положення маховика двигуна;

- тиски й температури повітря у впускному колекторі;

- температури охолоджувальної рідини;

- положення дросельної заслінки;

- напруги в бортовій мережі.

У підсистемі запалювання використовуються карти, записані в постійну пам'ять мікропроцесора. У контролері на основі сигналів від датчиків і оптимізованих характеристичних карт подаються відповідні сигнали випередження запалювання на первинну обмотку котушки запалювання.

Розглянемо докладніше сигнали, необхідні для керування запалюванням.

Швидкість і положення маховика. Частота обертання колінчатого вала разом з навантаженням двигуна - основні параметри, що визначають кут випередження запалювання. Частоту обертання можна визначити, підрахувавши число зубів спеціального зубчастого колеса, спеціально закріпленого на валу, що проходить в одиницю часу повз спеціальний датчик . Положення колінчатого вала задає точку відліку кута випередження запалювання. В якості такої точка звичайно приймають кут 90° до ВМТ циліндра №1. Це положення вводиться в комп'ютер за допомогою датчика, що реагує на спеціальну мітку (виступ або відсутність зуба) на зубчастому вінці маховика.

Тиск й температура повітря у впускному колекторі пов'язані з навантаженням двигуна. Для оцінки навантаження, як варіант, використаються дані й про витрату повітря через впускний колектор, які можуть бути отримані й безпосередньо з вимірника витрати повітря й побічно, за допомогою виміру кута повороту дросельної заслінки й температури повітря.

Температура охолодної рідини вводиться як допоміжний параметр для корекції випередження запалювання по частоті й навантаженню двигуна.

Сигнали положення дросельної заслінки (особливо, крайні) потрібні обчислювачу для переходу на спеціальні програми керування двигуном у режимах холостого ходу й повного навантаження. У деяких системах керування сигнал крайнього положення дросельної заслінки використається для зупинення подачі палива при збільшенні обертів двигуна понад припустимі.

Напруга в мережі є додатковим параметром. Якщо напруга відрізняється від еталонної, то момент включення котушки запалювання зміщується вперед або назад для досягнення постійної потужності розряду.

При виборі оптимального випередження для кожного режиму роботи двигуна приймається до уваги безліч факторів, таких як паливна економічність, запас по детонації, склад вихлопних газів, крутний момент, температура двигуна, тому не дивно, що графіки характеристичних карт мають не зовсім гладку форму. На рис. 2.3. представлено якісну ілюстрацію, що дає уявлення про те, як регулюється кут випередження механічними відцентровим регулятором і як його варто регулювати за допомогою електронних СКД.

Рис. 2.3. Характеристика механічних регуляторів випередження запалювання

Графік на малюнку відображає залежність випередження тільки від обертів двигуна. Щоб врахувати ще один параметр, потрібно побудувати вже тривимірний графік, всі точки якого утворять поверхню. Якщо вибрати будь-яке сполучення керуючих параметрів, на горизонтальній площині одержимо точку. Перпендикуляр вгору із цієї точки до перетину з поверхнею графіка дає необхідне значення випередження запалювання.

Якщо основу карти розбити на інтервали по керуючих параметрах і побудувати на цих інтервалах сітку, то для вузлів цієї сітки можна знайти відповідні значення випередження й записати їх у пам'ять бортового комп'ютера. Для задовільного керування необхідно зберігати в пам'яті від 1000 до 4000 таких значень.

Крім цього потрібно доповнити карту інформацією про режими роботи двигуна на холостих обертах для їхньої підтримки й на максимальних обертах для їхнього обмеження.

Крім того, програмується режим повних навантажень таким чином, щоб двигун працював поруч із границею початку детонації, але не переходив її.

Отримана від датчиків зазначених вище сигналів інформація служить мікропроцесору в якості вихідних даних для одержання необхідних сигналів керування випередженням по характеристичних картах.

Зворотний зв'язок по детонації. Як ми вже відзначали наявність одних лише характеристичних карт недостатньо для оптимального керування роботою двигуна. Один зі зворотних зв'язків, що охоплюють двигун як об'єкт керування - зв'язок по детонації.

Детонація виявляється за допомогою акселерометрів - спеціальних датчиків прискорення, встановлених на блоці циліндрів. У пам'яті контролера системи керування зберігаються значення середніх рівнів вібрації кожного циліндра, що характеризують його перед детонаційний стан. Причому ці рівні адаптуються до змінних умов роботи двигуна.

Якщо сигнал детонації від якого-небудь циліндра перевершить встановлений для нього граничний рівень, контролер формує сигнал на зменшення випередження запалювання саме в цьому конкретному циліндрі на деякий невеликий кут, наприклад, на 1,5-2 градуса. Потім, якщо детонації немає, з кожним циклом відбувається випередження запалювання на малу величину до значення, записаного в карті запалювання. Така процедура безупинно повторюється для кожного циліндра в кожному циклі.

Рис. 2.4. Захист двигуна від детонації

У результаті кожний циліндр настроюється індивідуально на роботу в режимі найбільшої ефективності, що досягається саме на границі детонації (рис. 2.4.). Оскільки кожний циліндр має свою шумову характеристику; для 4-циліндрових двигунів буває достатнім одного датчика. На 6-циліндрових двигунах установлюють два датчики.

Рис. 2.5. Підвищення потужності двигуна з керуванням по сигналі детонації

При виникненні несправності, наприклад, при відмові датчика або обриві провідника, система керування зменшує випередження до безпечного рівня й посилає сигнал про несправності на панель приладів водія.[3]

2.2 Загальна класифікація систем запалювання

Система запалювання може бути підсистемою комплексної системи керування двигуном або незалежною системою. Загальна класифікація систем запалювання приводиться на схемі (Рис 2.6).

Рис. 2.6. Класифікація систем запалювання

Батарейно-котушкова система запалювання. У перші 20 років 20 століття двигуни автомобіля звичайно оснащувалися магнето - генератором високої напруги, що приводився від двигуна не потребуючого акумулятора.

Більше прогресивна система запалювання - батарейно-котушкова, запатентована в 1908 році (К.Ф. Кеттерингом із фірми DELCO) і не зазнала дотепер істотних змін.

Як ми вже відзначали, всі вдосконалення батарейно-котушкової системи запалювання стосуються лише способу керування котушкою запалювання, що разом із джерелом струму (наприклад, батареєю) служить обов'язковим атрибутом іскрових систем запалювання (СЗ), класифікація яких наведена на рис I 2.1, Загальним для всіх систем залишилася котушка запалювання батарейно-котушкової СЗ (рис. 2.7.).

Рис. 2.7. Принципова схема батарейно-котушкової системи запалювання

Електронні системи запалювання. Термін "електронні системи" означає, що в системі тією чи іншою мірою використані напівпровідникові пристрої - діоди, транзистори, тиристори та ін. для керування, перемикання, посилення потоків електроенергії.

До винаходу й широкого поширення напівпровідникових приладів використання електронних пристроїв в автомобілебудуванні було практично немислимим. Існуючі в той час електронні пристрої були громіздкими, енергоємними й ненадійними. Однак, починаючи із середини 60-х років, положення докорінно змінилися й сучасні електронні пристрої можуть цілком успішно використатися у всіляких системах автомобіля, у тому числі й у системах запалювання.

Типи електронних систем запалювання:

У цей час існує три типи систем запалювання, що використають електронні пристрої:

- контактні системи з електронним посиленням;

- системи, що використають розряд конденсатора;

- індуктивні системи.

Контактні системи з електронним ключем

Ці системи з'явилися першими і являли собою спробу поліпшити характеристики батарейно-котушкової системи, не міняючи її основних принципів.

Першим кроком було використання транзисторного ключа для переривання ланцюга первинної обмотки котушки запалювання. Для керування включенням і вимиканням електронного ключа використалися всі ті ж контакти переривника.

Найпростіша схема такої системи зображена на рис. 2.8. Роль електронного ключа в ній виконує транзистор типу n-р-n, включений у ланцюзі первинної обмотки котушки запалювання. Струм обмотки проходить від колектора (с) до емітера (е) доти, поки емітер має негативна напруга щодо бази (b).

При розмиканні контактів переривника S позитивна напруга від бази відключається й струм емітера переривається.

Рис. 2.8. Принцип роботи електронного ключа

Цифри на схемі показують, що струм бази, а отже, і струм через контакти. (0.16А) становить лише 2% від керованого транзистором струму (8А).

Таким чином, транзисторний ключ може включати й виключати досить великий струм, вимагаючи для свого керування струм значно меншої сили.

Показана схема ілюструє тільки принцип. Практичного застосування вона не одержала, оскільки вимагає для зміщення напруги бази відносно емітера додаткового джерела напруги.

Конденсаторне запалювання. У системах цього типу в ланцюг первинної обмотки котушки запалювання включений конденсатор, що запасає енергію, а потім розряджається через первинну обмотку.

На відміну від інших систем запалювання, у цій системі енергія, що проходить через котушку запалювання, завжди постійна.

Для нагромадження необхідної енергії конденсатор доводиться заряджати високою напругою. Котушка запалювання відрізняється по конструкції від звичайних котушок і по суті являє собою імпульсний трансформатор. Проте, у ній також є первинна й вторинна обмотки.

Принцип роботи конденсаторної системи запалювання показаний на рис. 2.9. Конденсатор заряджається від джерела напруги 350 в. У потрібний момент включається електронний ключ і конденсатор швидко розряджається через первинну обмотку трансформатора. Цей імпульс створює у вторинній обмотці напругу близько 40 кВ, яка подається на свічку.

Рис. 2.9. Принцип роботи конденсаторної системи запалювання

Роль електронного ключа виконує силовий тиристор. Для керування тиристором потрібно дуже малий струм причому він може подаватися у вигляді дуже короткого імпульсу.[5]

Безконтактні системи запалювання. Для подачі сигналу на спалах у потрібний момент необхідний який-небудь датчик. Контактний переривник є частковим випадком такого датчика, однак датчик може бути й безконтактним. Безконтактний датчик має наступні переваги перед контактним

а) Зменшення зношування, люфтів і биттів;

б) Як наслідок (а), підвищення точності;

в) Випередженням можна керувати за допомогою електронних пристроїв, що мають більш високу точність і широкі можливості в порівнянні з механічними регуляторами;

г) Зниження енергії іскри з ростом обертів двигуна може бути запобігнене електронним регулюванням кута замкнутого стану.

Датчик, що запускає розряд свічки, часто називають генератором імпульсів або генератором сигналів.

Генератори імпульсів бувають трьох типів:

а) Оптичні

б) Генератори Хола

в) Індукційні

Блок-схема на рис. 2.10. показує проходження імпульсного сигналу від генератора до свічки.

Рис. 2.10. Електронна система запалювання із запуском від генератора імпульсів

Оптичний генератор імпульсів. Сегментований диск, закріплений на валу, розподільника перекриває інфрачервоний промінь, спрямований на фототранзистор (рис. 2.11.). Протягом проміжку часу, поки фототранзистор освітлюється, через первинну обмотку котушки проходить струм. Коли диск перекриває промінь, датчик посилає в блок керування імпульс, що перериває струм у котушці й у такий спосіб генерує іскру. Джерелом інфрачервоного випромінювання служить напівпровідниковий діод з арсеніду галію.

Рис. 2.11. Оптичний генератор імпульсів

На рис. 2.12. показана форма імпульсу оптичного генератора.

Звичайно такі генератори задають постійний кут включеного стану котушки незалежно від швидкості, але якість запалювання від цього не страждає, оскільки на це не впливає динаміка рухливого контакту.

Рис. 2.12. Форма імпульсу оптичного генератора

Генератор Хола. Пристрій містить пластинку кремнію, до двох бічних граней якої прикладене невелика напруга. Якщо пластинку помістити в магнітне поле, то на двох інших гранях пластинки також з'явиться напруга (рис. 2.13.). У цьому складається ефект Хола.

Рис. 2.13. Ефект Хола

Зміна магнітного поля викличе зміну напруги Хола, яку можна використати для керування розрядом свічки. На рис. 2.14. показаний пристрій генератора імпульсів, заснованого на ефекті Хола. Магнітне поле, створюване постійним магнітом, може перериватися лопатями обтюратора, що обертається на валу розподільника запалювання.

Через кремнієву пластинку пропускається струм приблизно 30 мА, тоді як напруга Хола становить близько 2 мВ, збільшуючись із ростом температури. Пластинка звичайно становить одне ціле з інтегральною схемою, здійснюючи посилення й формування сигналу.

Рис. 2.14. Конструкція генератора Хола: 1 - обтюратор з лопатями; 3 - чутливий елемент; 2 - постійний магніт

Рис. 2.15. ілюструє роботу пристрою. При відкритому зазорі між постійним магнітом і датчиком Хола (А) пластинка видає напругу. Якщо зазор перекривається лопаттю обтюратора, магнітне поле замикається через лопать й не попадає на пластинку Хола. Напруга при цьому падає ( рис. 2.16.).

Рис. 2.17. Принцип дії генератора Хола:

A. Зазор не перекритий. Магнітне поле проходить через датчик. На виході генератора висока напруга.

B. Лопать перервала магнітне поле. На виході генератора низька напруга.

Сигнал із граней пластинки попадає в підсилювач і формувач імпульсів, після чого він може управляти включенням і вимикання котушки.

Заснований на ефекті Хола генератор фірми Bosch має співвідношення лопать-вікно 70:30. тобто постійний кут замкнутого стану. Однак на котушці цей кут може змінюватися шляхом електронного регулювання ширини імпульсів.

Рис. 2.18. Форма імпульсів на виході генератора Хола

Цифрові системи запалювання. Перехід до цифрових систем запалювання являється великим кроком уперед, хоча ці системи поки й не обходяться без котушки, а також відцентрових і вакуумних регуляторів випередження.

Цифрові системи забезпечують сталість енергії іскри й обмеження струму котушки. Для визначення необхідного моменту запалювання з урахуванням швидкості й завантаження двигуна в них використається мікропроцесор.

Можливості комп'ютера дозволяють урахувати цілий ряд параметрів двигуна й автомобіля, але найважливіші кінцеві результати полягають у наступному:

а) Стало досяжним створення системи постійної енергії для двигунів, що працюють на бідній суміші у всьому діапазоні режимів.

б) Випередження запалювання можна наблизити до порога початку детонації - чим ближче робота двигуна до цього порога, тим вище його потужність.

Точність визначення й підтримки випередження з урахуванням швидкості, навантаження й температури забезпечує паливну економічність і зниження шкідливих викидів в атмосферу. У такій системі немає частин, що рухаються, які б спрацьовувалися й вимагали обслуговування, вона забезпечує сталість холостих обертів, гарний запуск і багато чого іншого - всі ці переваги виправдують високу складність системи. Вартість виробів мікроелектроніки постійно знижується, і в цей час фахівці бачать майбутнє саме за такими системами.

Врахуємо, що цифрова система запалювання може використовуватись в автомобілі, незалежно від того, яким чином керується встановлена на ньому паливно-емісійна система. Однак, на більшості сучасних автомобілів комп'ютер одночасно управляє обома системами, і вони об'єднані в одну загальну систему керування двигуном.

При створенні нового двигуна розробники проводять його лабораторні випробування в повному діапазоні швидкостей і навантажень. Для кожного сполучення швидкості й навантаження визначається оптимальне значення випередження запалювання. За цим даними будуються графіки.

При виборі оптимального випередження для кожного режиму роботи двигуна приймається в увагу безліч факторів, таких як паливна економічність, запас по детонації, склад вихлопних газів, крутний момент, температура двигуна, тому не дивно, що такі графіки мають не зовсім гладку форму.

Основні параметри, що враховують при керуванні кутом випередження запалювання, були розглянуті вище. Приклад тривимірної карти випередження запалювання також був наведений. Тут ми зупинимося на деяких варіантах конструктивного виконання елементів системи.

Для виміру частоти обертання двигуна найчастіше застосовується індукційний датчик, встановлений у безпосередній близькості від зубчастого вінця маховика який видає імпульси напруги прямокутної форми, число яких відповідає числу зубів, що проходять повз датчик в одиницю часу.[5]

Як варіант, частоту обертання колінчатого вала двигуна й положення колінчатого вала можна виміряти й на розподільному валу двигуна, особливо якщо від нього приводиться розподільник запалювання з генератором Холу. Але все-таки вимір параметрів самого колінчатого вала є більше точним.

Замість двох датчиків для виміру швидкості й положення вала можна скористатися одним, якщо зубчастий вінець обладнати якою-небудь спеціальною міткою, помітною для датчика, наприклад, відсутність одного зуба.

Нарешті, варто помітити, що недоліком застосовуваних для цих цілей індукційних датчиків є залежність вихідної напруги від швидкості. Таким чином, малу швидкість часто виміряти взагалі не вдається.

Датчики крайніх положень дросельної заслінки. Ці датчики посилають у блок керування сигнал про те, що дросельна заслінка досягла одного із крайніх положень - повного навантаження або холостого ходу. Сигнали крайніх положень заслінки потрібні блоку керування для переходу на спеціальні програми регулювання запалювання в цих ситуаціях.

У деяких системах керування сигнал крайнього положення дросельної заслінки використається для відсічення палива при збільшенні обертів двигуна понад припустимі.

Робота електронного блоку керування. Інформація про характеристики двигуна зберігається в пам'яті комп'ютера у формі таблиць, названих робочими таблицями. Ці таблиці виходять із тривимірних карт випередження запалювання й таких же карт для періоду замкнутого стану. Робочі таблиці можуть бути складені комп'ютером для різних сполучень параметрів, однак, насамперед такими параметрами є швидкість, тиск у колекторі, температура двигуна й, можливо, напруга акумулятора.

Кожна з таблиць дає своє значення кута випередження, і для визначення істинно необхідного кута всі результати зіставляються. Подібним чином обчислюється й кут включеного стану. При включенні живлення мікропроцесор посилає закодовану двійкову адресу, що вказує, до якої частини пам'яті він звертається. Потім посилає керуючий сигнал, що вказує напрямок і послідовність руху інформації в процесор або із процесора. Робота самого процесора являє собою серію двійкових імпульсів, за допомогою яких інформація зчитується з пам'яті, декодується й виконується. Програми виконання операцій - арифметичних, логічних і транспортних також записані в пам'яті.

Нарешті, електронний блок управління видасть команду силовому ключу системи запалювання на включення або вимикання котушки відповідно до поточного стану двигуна.[8] Послідовність сигналів цифрового керування запалюванням наведена на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Послідовність обробки сигналів у цифрових системах запалювання

У системах без датчика детонації система керування буде підтримувати випередження поблизу границі детонації, записаної у пам'ять комп'ютера. Це прийнятно для нового двигуна, однак у цьому випадку не будуть враховані зміни умов роботи двигуна, викликані зношуванням, сортом палива та ін.

Датчик детонації дозволяє ЕБК здійснювати керування на грані детонації при будь-яких змінах режиму роботи двигуна.

Безконтактні системи запалювання. З розвитком електронних систем запалювання з'явилася можливість відмовитися від самого ненадійного вузла системи запалювання - контактного переривника разом з відцентровим регулятором випередження. Розподільнику запалювання в цьому випадку залишена єдина функція - направляти іскру при черговому розряді в потрібний циліндр. Але й ця функція тепер може виконуватися безконтактним способом за допомогою чотирьох провідної котушки запалювання (для 4-циліндрових двигунів).

Така система запалювання розроблена фірмою Ford для двигунів сімейства HCS Valencia, встановлюваних на автомобілях типу Escort/Orion. Розподіл запалювання по циліндрах тут досягається за допомогою двох високовольтних котушок, обидва кінці яких з'єднані зі свічами різних циліндрів. Ця ідея раніше використалася для двоциліндрових двигунів Citroen 2CV і Visa, однак тепер, завдяки електронному керуванню, вона стала реальна й на 4-циліндровому двигуні.

Щораз, коли вторинна котушка отримує сигнал на розряд, спалахи відбуваються відразу у двох циліндрах (див. рис. 2.20.). Розряд однієї свічі відбувається в циліндрі, де закінчується такт стиску, а другої свічі - у циліндрі, де закінчується такт вихлопу. Перша свіча підпалить робочу суміш і почнеться звичайний робочий хід, а друга іскра пропаде в пусту. У системі запалювання Форда напруга вторинної обмотки становить 37 кВ, що цілком достатньо для підтримки розряду у двох свічах одночасно.

Зверніть увагу на те, що іскра буде мати правильну полярність тільки в одній свічі, а в інший полярність буде "неправильною" (див. рис. 2.21.), якщо згадати, що в ідеалі центральний електрод повинен бути позитивним, а периферійний - негативним.

Порядок роботи циліндрів звичайний (1-2-4-3) і свічки, використані у двигуні теж звичайні, але тут їх доводиться заміняти кожні 20 000 км.

Первинна обмотка котушки запалювання має опір 0.5 ± 0.05 Ом, а вторинна - від 11 до 16 кОм.

Рис. 2.20. Безконтактна система запалювання

Керуючий мікропроцесор розраховує оптимальне випередження залежно від тиску в колекторі, швидкості двигуна, положення колінчатого вала й температури охолодної рідини.

При виході з ладу мікропроцесора система встановлює постійний кут випередження 10° до ВМТ, що дозволяє двигуну продовжувати роботу, поки не з'явиться можливість його відремонтувати. При повнім завантаженні двигуна, а також при високій температурі повітря у впускному колекторі система. зменшує кут випередження, щоб уникнути ударного горіння суміші. Значення кута випередження в цьому випадку комп'ютер бере з карти запалювання з урахуванням сигналів відповідних датчиків.

Рис. 2.21. З'єднання свічок у безконтактній систем запалювання.

2.3 Паливно-емісійні системи

Рис. 2.22. Класифікація паливно-емісійних систем

Завдання паливно-емісійної системи полягає в регулюванні паливоповітряної суміші і містить у собі наступні функції: вимір кількісних і якісних характеристик робочої суміші; подачу палива; утворення робочої суміші; розподіл суміші по циліндрах.

Водій автомобіля управляє дросельною заслінкою, що регулює кількість робочої суміші, у той час як пристрій для готування робочої суміші змінює співвідношення повітря й палива в цій суміші (якість суміші) дозуванням необхідної кількості палива й змішування його з повітрям перед подачею у двигун. Готування робочої суміші значною мірою залежить від типу пристрою подачі палива. Паливо звичайно попадає у впускний колектор у вигляді крапель. Певна кількість крапель палива на шляху до впускних клапанів випаровується з утворенням пар (бажане явище), а інші краплі осаджуються у вигляді плівки на стінках колектора (небажане явище). Більша частина методів поліпшення якості суміші при використанні центрального (одноточкового) упорскування палива полягає в підвищенні ступеня розпилення палива біля дросельної заслінки й випаровуваності палива на нагрітих стінках впускного колектора й інших гарячих елементів системи паливоподачі. При використанні систем з розподіленим (багатоточковим) упорскуванням палива гарне утворення суміші за допомогою форсунок доповнюється випаром палива біля гарячого впускного клапана (рис. 2.23.).

При використанні одноточкового способу готування суміші, подача суміші до циліндрів і розподіл її по циліндрах здійснюється усередині впускного колектора. Тому конструкція впускного колектора впливає на обидва цих процеса і при будь-яких умовах важко досягти рівномірного розподілу суміші по циліндрах двигуна.[2,31,39]

При децентралізованому готуванні суміші в системі із багатоточковим упорскуванням чисте повітря проходить по більшій частині впускного тракту. Паливо впорскується в повітря безпосередньо перед впускним клапаном, що гарантує рівномірний розподіл суміші.