вопрос. Электронные системы управления топливоподачей дизелей.

Применяемые ЭСАУ дизельными двигателями позволяют сни­зить токсичность отработавших газов, уменьшить дымность, шум, стабилизировать работу двигателя на холостом ходу. Они выпол­няют функции управления количеством впрыскиваемого топлива, моментом начала впрыска, частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу, работой свечей накаливания.

По схемотехническому решению эти системы делятся на три ти­па: аналоговые системы, состоящие в основном из операционных усилителей; цифровые регуляторы, построенные на элементах средней степени интеграции; микропроцессорные системы.

Аналоговым системам, несмотря на их простоту, присущи сле­дующие недостатки: зависимость качества регулирования от точно­сти изготовления применяемых элементов (резисторов, конденса­торов и др.); зависимость электрических параметров элементов от внешних факторов; невозможность выполнения системой функций, не предусмотренных при проектировании.

Цифровые регуляторы позволяют в основном избавиться от этих недостатков, поскольку их точность определяется только выбранной разрядностью и не зависит от влияния внешней среды и вре­мени эксплуатации. Однако это весьма сложные в конструктивном отношении системы, состоящие из значительного числа микросхем и их надежность при использовании на автомобиле невысока. Та­кие системы также не могут перенастраиваться на другой режим эксплуатации либо на другой тип дизеля.

Для автоматического управления автомобильным дизельным дви­гателем необходима система, осуществляющая не только ком­плексную автоматизацию двигателя (объединение функций систем топливоподачи, защиты и рециркуляции в одном блоке), но также обеспечивающая эффективную работу дизеля в широком диапазо­не скоростных и нагрузочных режимов при допустимом уровне ток­сичности отработавших газов. Поэтому аналоговые и цифровые системы находят применение на двигателях, работающих в ста­ционарных условиях, например на дизель-генераторных установ­ках, судах и тепловозах..

Рис. 2.1. Структурная схема микропроцессорный системы управления дизельным двигателем

На автомобильных дизелях находит все более широкое приме­нение микропроцессорная система управления (рис. 2.1). Она вклю­чает в себя микропроцессор (МП),осуществляющий все арифмети­ческие операции и общее управление устройствами, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)для хранения промежуточных ре­зультатов вычислений, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения программ управления всей системы в целом. Для сбора информации о работе двигателя в системе предусмот­рены три типа датчиков: режимных параметров, коррекции и защи­ты. К первому типу относятся датчики частоты вращения коленча­того вала п, положения рейки ТНВД h_рейки и положения педали управления подачей топлива ψ_педали по сигналам этих датчиков вы­числяется предварительное значение управляющего воздействия на исполнительный механизм. Для более точного регулирования необходимо корректировать управляющее воздействие в зависи­мости от того, в каких условиях работает двигатель. Коррекция производится по сигналам от датчиков температуры топлива Т_{топлива}, температуры всасываемого воздуха Т_{воздуха} и атмосферного давления p_атм. Информация от этих датчиков позволяет корректировать необ­ходимую дозу впрыскиваемого топлива.

Датчик температуры масла Т_масла в системе смазки двигателя служит для оценки условий пуска двигателя. Для предупреждения аварийных режимов работы двигателя служат датчик температуры охлаждающей жидкости Т_охл и датчик давления масла в системе смазки p_масла. Для связи с аналоговыми датчиками в системе предусмотрен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)и коммута­тор, поскольку в каждый отдельный момент времени АЦПможет получать информацию только с одного датчика.

В процессе выполнения программы коммутатор опрашивает по­следовательно все аналоговые датчики. Для подключения датчика частоты вращения коленчатого вала предусмотрен цифровой тай­мер. Непосредственное управление перемещением рейки топлив­ного насоса обеспечивается исполнительным механизмом. Кон­троллер прерываний осуществляет синхронизацию работы про­граммы управления в соответствии с сигналами, снимаемыми с датчиков.

Особо важной задачей топливоподачи дизельного двигателя яв­ляется качественное обеспечение переходных процессов, так как это непосредственно связано с технико-экономическими показате­лями работы двигателя. Поэтому в системе производится управле­ние по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону с целью устранения статических ошибок регулирования и получе­ния наилучших динамических характеристик регулятора. Интеграль­ная составляющая закона управления формируется в виде суммы всех управляющих воздействий, предшествующих рассчитываемому в данный момент. Дифференциальная составляющая формируется в виде приращений регулируемого параметра за единицу времени, поэтому в системе необходимо иметь устройство измерения време­ни. Эту функцию выполняет таймер, выдающий сигналы отметок времени, которые, поступая на контроллер прерываний, приостанав­ливают работу основной программы управления для замера прира­щения регулируемого параметра через равные промежутки времени.

Аварийные датчики также подключаются к контроллеру преры­ваний. В случае превышения каким-либо параметром предельно допустимого значения выполнение основной программы приоста­навливается и запускается программа автоматической защиты дви­гателя. Так, например, при достижении температуры охлаждающей жидкости 105°С обеспечивается плавное снижение частоты враще­ния коленчатого вала до холостого хода с включением аварийной световой и звуковой сигнализации. При недопустимом падении давления масла в системе смазки включается аварийная сигнали­зация и двигатель останавливается.

Рис. 2.2. Структурная схема пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора топливоподачи

Регулирование в зоне частичных характеристик сводится к вы­числению расчетного положения рейки топливного насоса, сравне­нию этого расчетного значения с реальным положением рейки и приведению рейки в нужную точку по оптимальному закону в соот­ветствии с рассогласованием.

Структурная схема системы показана на рис. 2.2. Она состоит из программного задатчика положений рейки ПЗ, вычисляемых по значениям частоты вращения коленчатого вала двигателя п, поло­жению педали управления подачей топлива ψ_педали и информации от датчиков коррекции ДК; регулятора Р, вычисляющего рассогла­сование между расчетным значением положения рейки h_расч и дей­ствительным h_д; исполнительного механизма ИМ, включенного в контур регулятора и формирующего интегральную составляющую топливного насоса высокого давления ТНВДи двигателя Д.

Рис. 2.3. Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыска топлива

Микропроцессорная система управления дизелем изменяет угол опережения впрыска топлива по оптимальному закону в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала (рис. 2.3).

Реализация подобного за­кона с помощью центробежной муфты опережения впрыска топлива не представляется возможной.

Среди существующих ЭСАУ автомобильных дизелей можно выделить системы двух типов: с рядным насосом вы­сокого давления и с рампой-аккумулятором.

Система впрыска Bosch с рядным топливным насосом высокого давления (ТНВД), применяемая как на грузовых, так и на легковых автомобилях показана на рис 2.4. Основ­ным управляющим механизмом системы является встроенный в ТНВД электромагнит 4 (рис. 2.5). Количество подаваемого топлива определяется положением рейки ТНВД 1, которая жестко связана с якорем электромагнита. Из­меняя силу тока в цепи электромагнита, БУ задает перемещение рейки и соответственно количество впрыскиваемого топлива. Усилие электромагнита уравновешивается действием возвратной пружины 2. В ТНВД также встроены индукционный датчик частоты вращения 5 и датчик положения рейки 3. БУ обрабатывает сигналы от пьезорезистивного датчика давления воздуха 19, датчика положения педали управления топливоподачей 27, датчиков температуры топлива 6, охлаждающей жидкости 11, воздуха 18. В некоторых модификациях используются сигналы с выхода фазы генератора и датчика скорости автомобиля. БУ также получает информацию о включении рабочего или вспомогательного тормозов, сцепления.

Рис. 2.4. Система впрыска Bosch с рядным топливным насосом высокого давления: 1 – топливный бак; 2 – топливоподкачивающий насос; 3 – топливный фильтр; 4 – рядный топливный насос высокого давления; 5 – электромагнитный клапан отключения топливоподачи; 6 – датчик температуры топлива; 7 – датчик положения рейки; 8 – управляющий электромагнит; 9 – датчик частоты вращения; 10 – форсунка; 11 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 12 – датчик положения педали управления топливоподачей; 13 – датчик включения рабочего тормоза, вспомогательного тормоза, сцепления; 14 – пульт управления; 15 – аварийная лампа и диагностический разъем; 16 – датчик скорости автомобиля; 17 – электронный блок управления; 18 - датчик температуры воздуха; 19 – регулятор давления наддува; 20 – турбокомпрессор; 21 – аккумуляторная батарея; 22 – выключатель стартера и приборов

Рис. 2.5.Электромагнитное устройство управления рейкой ТНВД: 1 – рейка; 2 – возвратная пружина; 3 – датчик положения рейки; 4 – управляющий электромагнит; 5 – датчик частоты вращения; 6 – зубчатое колесо датчика частоты вращения; 7 – кулачковый вал ТНВД

В системе предусмотрен пульт управления скоростью движения автомобиля 14 (круиз-контроль) и изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода.

Для отключения топливоподачи при остановке двигателя ис­пользуется электромагнитный клапан 5 в топливоподкачивающей магистрали.

Основными параметрами, используемыми БУ при вычислении положения рейки ТНВД являются нагрузка и частота вращения ко­ленчатого вала двигателя. В ПЗУ БУ записаны карты управления для режима пуска, холостого хода, полной нагрузки и др. БУ выпол­нен универсальным и может применяться для широкой номенкла­туры двигателей и автомобилей.

В системе используется принцип самодиагностики и усеченного режима работы. Так при выходе из строя датчика частоты враще­ния в ТНВД его заменяет сигнал с фазы генератора.

Примером ЭСАУ топливоподачей дизельного двигателя с рам­пой-аккумулятором может служить система Common Rail фирмы Bosch (рис 2.6).

Рис. 2.6. Система топливоподачи дизельного двигателя Bosch Common Rail: 1 – топливный насос высокого давления; 2 – перепускной клапан; 3 –элек­тромагнитный клапан – регулятор давления; 4 – топливный фильтр; 5 –топливный бак с топливоподкачивающим насосом и предварительным фильтром; 6 – электронный блок управления; 7 – реле включения свечей накаливания; 8 – аккумуляторная батарея; 9 – топливная рампа-аккумулятор; 10 – датчик давления топлива в рампе; 11 – топливный жик­лер; 12 – предохранительный клапан; 13 – датчик температуры топлива; 14 – электромагнитная форсунка; 15 – свеча накаливания; 16 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 17 – датчик положения коленчатого вала; 18 – фазовый дискриминатор; 19 – датчик температуры воздуха на впуске; 20 – датчик давления наддува; 21 – пленочный датчик массового расхода воздуха; 22 – турбокомпрессор; 23 – пневматический клапан управления рециркуляцией; 24 – пневматический клапан управления над­дувом; 25 – вакуумный насос; 26 – приборная панель; 27 – датчик поло­жения педали управления топливоподачей; 28 – датчик нажатия педали тормоза; 29 – датчик выключения сцепления; 30 – датчик скорости авто­мобиля; 31 – пульт управления круиз-контроля; 32 – компрессор конди­ционера; 33 – переключатель кондиционера; 34 – аварийная лампа и диагностический разъем

Топливо из бака 5 топливоподкачивающим насосом подается через фильтр 4 вТНВД 1. Из насоса топливо поступает в рампу-аккумулятор 9 и распределяется по форсункам 14. Давление топлива в рампе-аккумуляторе поддерживается на постоянном уровне 135 МПа, что обеспечивается датчиком 10 и электромагнитным клапаном 3.

Для защиты двигателя используется ограничительный клапан 12 открывающийся при давлении свыше 150 МПа. Количество впры­скиваемого топлива определяется длительностью открытия элек­тромагнитной форсунки. Для снижения потерь энергии на сжатие топлива в режиме холостого хода и частичных нагрузок производи­тельность ТНВД может уменьшаться путем открытия перепускного клапана 2.

По своей структуре ЭСАУ Common Rail во многом аналогична рассмотренным ранее системам впрыска бензиновых двигателей.

Датчик положения коленчатого вала 17 индукционного типа используется для определения частоты вращения и положения ко­ленчатого вала. Информации от этого датчика недостаточно чтобы различить конец такта сжатия, поэтому используется датчик поло­жения распределительного вала 18 – фазовый дискриминатор. В основу работы датчика положен эффект Холла.

ЭСАУ получает информацию о температуре охлаждающей жид­кости и воздуха на впуске. В некоторых модификациях системы ис­пользуются датчики температуры масла и топлива.

Для обеспечения точного определения состава рабочей смеси и снижения вредных выбросов, особенно на переходных режимах, используется пленочный датчик массового расхода воздуха уста­навливаемый до турбокомпрессора.

Положение педали управления режимом работы двигателя оп­ределяется потенциометрическим датчиком, при этом какая-либо механическая связь педали с системой топливоподачи отсутствует.

Для определения давления наддува используется датчик абсо­лютного давления с пьезорезистивными чувствительными элемен­тами.

В процессе управления двигателем можно выделить следующие функции и режимы: режим пуск двигателя, рабочий режим, режим холостого хода, функция обеспечения равномерности работы дви­гателя и снижения колебаний при переходных процессах, режим автоматического поддержания заданной скорости автомобиля, ог­раничение топливоподачи, остановка двигателя.

При пуске двигателя количество впрыскиваемого топлива явля­ется постоянной величиной. В рабочем режиме для определения количества топлива используется сигнал датчика положения педа­ли управления топливоподачей и датчика положения коленчатого вала двигателя. БУ обрабатывает информацию от датчиков и ис­пользуя характеристические карты вычисляет значение угла опе­режения впрыска (момент подачи топлива) и длительность откры­тия форсунки.

Для снижения расхода топлива частота вращения коленчатого вала в режиме холостого хода поддерживается на минимальном устойчивом уровне, при этом учитывается температура двигателя и сигналы о включении кондиционера и других устройств, создающих нагрузку.

Функция обеспечения равномерности работы двигателя сводит­ся к учету различий в величине крутящего момента создаваемого отдельными цилиндрами двигателя, для чего количество впрыски­ваемого топлива корректируется БУ для каждого цилиндра.

Для предотвращения колебаний частоты вращения двигателя при резком изменении положения педали управления топливоподачей, количество впрыскиваемого топлива изменяется в противофазе с возникшим колебательным процессом.

Режим автоматического поддержания заданной скорости авто­мобиля - круиз-контроль включается по желанию водителя. Для реализации этой функции к БУ подключается датчик скорости ав­томобиля. Режим прерывается при воздействии на педаль тормоза или управления топливоподачей.

Ограничение топливоподачи осуществляется с целью снижения вредных выбросов, в том числе сажи, предотвращения механиче­ских или температурных перегрузок двигателя.

В системе топливоподачи Common Rail остановка двигателя обеспечивается простым прекращением подачи топлива форсун­ками.

Кроме форсунок, реле топливоподкачивающего насоса, регуля­тора давления и перепускного клапана БУ воздействует на пневма­тические клапаны управления рециркуляцией отработавших газов 23 и давлением наддува 24. ЭСАУ двигателем также контролирует свечи накаливания 15 относящиеся к системам облегчения пуска холодного двигателя.

Посредством последовательной шины данных CAN БУ системы Common Rail взаимодействует с другими электронными системами автомобиля.

Так информация о необходимости изменения крутящего момен­та двигателя может поступать от антиблокировочной и противобуксовочной систем. Значительное потребление энергии кондицио­нером делает необходимым его отключение на некоторых режимах работы двигателя. Взаимодействуя с противоугонной системой БУ Common Rail обеспечивает блокировку несанкционированного пус­ка двигателя.

В системе Common Rail реализованы принципы самодиагности­ки и усеченного режима работы, описанные ранее для ЭСАУ топли­воподачей бензиновых двигателей.