Синхронизация в системе управления двигателем. Типы систем и датчиков синхронизации.

Управление рядом исполнительных устройств на двигателе необходимо производить с учетом углового положения коленчатого вала. Примерами таких устройств являются форсунки и катушки зажигания. При управлении форсунками начало впрыска топлива должно производиться в определенные моменты времени, определяемые заданным положением коленчатого вала (так называемая, фазированная топливоподача). При управлении катушками зажигания моменты начала накопления энергии и искрообразования должны быть выбираться с учетом положения коленчатого вала. Кроме того, регистрация блоком управления сигналов ряда датчиков, таких как датчик абсолютного давления во впускном коллекторе, датчик расхода воздуха, датчик детонации должна производиться в строго определенные моменты времени, также определяемые текущим угловым положением коленчатого вала.

Выполняемая блоком управления процедура опроса сигналов датчиков и организации управляющих воздействий с учетом фаз рабочих процессов в цилиндрах двигателя носит название синхронизации.

Синхронизация в системе управления позволяет в любой момент времени с необходимой точностью (до долей градуса) иметь информацию об угловом положении коленчатого вала, а также о порядке следования рабочих процессов во всех цилиндрах двигателя.

На первых двигателях с микропроцессорными системами управления синхронизация осуществлялась при помощи трех датчиков: начала отсчета (НО), угловых импульсов (УИ), а также номера цилиндра (фаза). Первые два из указанных датчиков устанавливались соответственно на маховике и его зубчатом венце, третий – на распределительном валу. Тип используемых датчиков – электромагнитный. Недостатком такой системы синхронизации является ее низкая надежность, так как определение положения коленчатого вала производится на основе обработки сигналов одновременно двух датчиков (НО и УИ). Выход из строя любого из указанных датчиков приводит к полному нарушению работы системы синхронизации. Кроме того, в эксплуатации происходит нарушение формы зубьев на венце маховика и скопление на датчике металлической стружки, что приводит к искажению сигнала датчика УИ.

В современных системах управления двигателями широкое распространение получила система синхронизации с использованием двух датчиков, один из которых установлен на связанном с коленчатым валом специальном зубчатом диске (датчик положения коленчатого вала), а другой – на распределительном валу (датчик положения распределительно вала). Установленный на коленчатом валу и выполненный из магнитного материала зубчатый диск (диск синхронизации) имеет определенное число (например, 60) равномерно расположенных по его окружности выступов и впадин, служащих для формирования угловых отметок положения коленчатого вала. Для получения отметки ВМТ на диске синхронизации удалены несколько (обычно 2) зубьев. Выполненный таким образом диск синхронизации позволяет при помощи одного датчика получить информацию о текущем угле поворота коленчатого вала и положению ВМТ цилиндров двигателя, фазы одноименных рабочих процессов которых различаются на один оборот коленчатого вала. Различить между собой указанные цилиндры двигателя позволяет второй, расположенный на распределительном валу, датчик системы синхронизации (датчик номера цилиндра). Имеется большое число разновидностей таких систем синхронизации, с дисками синхронизации на коленчатом и распределительных валах, имеющими различное число зубьев.

Амплитуда сигналов электромагнитных датчиков системы синхронизации в значительной степени зависит от частоты вращения коленчатого и, соответственно, распределительного валов, затрудняя их регистрацию блоком управления. Поэтому, для повышения надежности работы системы синхронизации, на современных автомобилях могут использоваться датчики синхронизации на основе элементов Холла или магниторезистивных элементов, амплитуда сигнала которых не зависит от частоты вращения коленчатого и распределительного валов.

61. Регистрация основных параметров управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, расхода воздуха, абсолютного давления.

При регистрации и расчете основных параметров управления на двигателе необходимо учитывать особенности сигналов соответствующих датчиков и требования по частоте получения информации, обеспечивающей надлежащую реализацию функций управления двигателем.

Информация по частоте вращения коленчатого вала необходима для расчета большого числа функций управления двигателем, таких как величина топливоподачи, момент зажигания, а также диагностических функций, таких как оценка пропусков сгорания в цилиндрах двигателя.

Для реализации первой группы указанных функций информацию о частоте вращения коленчатого вала достаточно обновлять по времени, с частотой несколько десятков раз в секунду. Однако для оценки пропусков сгорания информацию о частоте вращения коленчатого вала необходимо готовить на временных интервалах, соответствующих определенному углу поворота коленчатого вала (ПКВ). Таким углом для четырехтактного двигателя является не более чем половина оборота коленчатого вала, т.е. продолжительность рабочего хода одного из цилиндров по углу поворота коленчатого вала. Учитывая большие вычислительные ресурсы современных блоков управления двигателями, определение частоты вращения коленчатого вала может производиться на каждом зубе диска синхронизации 60_-2 , т.е. через каждые 6 градусов поворота коленчатого вала. Способ определения частоты вращения основан на подсчете числа импульсов (дискрет) таймера (f=2…5 МГц) в пределах временного интервала, соответствующего 1 зубу диска синхронизации. Число дискрет таймера на указанном интервале обратно пропорционально частоте вращения коленчатого вала. Так, при частоте таймера 2,4 МГц, частоте вращения коленчатого вала 3000об/мин соответствует число дискрет, равное 800, что соответствует разрешению 0,125%. При повышении частоты таймера разрешение при определении частоты вращения коленчатого вала может быть увеличено практически до любого необходимого для надежной регистрации пропусков сгорания значения.

Характеристика сигнала напряжения датчика абсолютного давления во впускном коллекторе представляет собой линейную зависимость. При работе двигателя даже на установившемся режиме наблюдается периодическое изменение величины сигнала датчика абсолютного давления, связанное с циклическим характером последовательных процессов впуска для каждого из цилиндров. Период Т изменения величины сигнала датчика абсолютного давления по углу поворота коленчатого вала может быть определен по следующей зависимости: Т=720/N, где N – число цилиндров двигателя. Таким образом, для четырехцилиндрового двигателя периодичность изменения величины сигнала датчика абсолютного давления составляет 180 градусов по углу поворота коленчатого вала. Это означает, что сигнал указанного датчика на таком двигателе должен быть осреднен на угловом интервале, соответствующем 180 градусов ПКВ. Учитывая линейную характеристику датчика, осреднение сигнала может быть выполнено как аналоговым, так и цифровым методом.

В первом случае осредненное аналоговым устройством за половину оборота коленчатого вала значение напряжения поступает на АЦП и преобразуется в цифровой код, величина которого соответствует осредненному значению абсолютного давления.

Во втором случае аналоговый сигнал датчика абсолютного давления многократно (до 30 раз) опрашивается в пределах углового интервала 180 градусов, преобразуется при помощи АЦП в цифровые коды, значения которых последовательно сохраняются в ОЗУ. Полученные на вышеуказанном угловом интервале цифровые текущие значения сигнала, характеризующие абсолютное давление во впускном коллекторе, осредняются и затем по хранящейся в памяти блока управления характеристике или по имеющейся в памяти расчетной формуле преобразуются в физическую величину абсолютного давления.

Характеристика сигнала аналогового датчика массового расхода воздуха (ДМРВ) имеет резко выраженный нелинейный характер. Изменение сигнала датчика массового расхода воздуха вызывается такими же причинами и характеризуется такой же периодичностью, как и сигнал датчика абсолютного давления. Поэтому при регистрации сигнала указанного датчика должны быть выполнены в целом такие же процедуры, какие необходимы при регистрации сигнала датчика абсолютного давления. При этом следует отметить, что вследствие нелинейности характеристики датчика массового расхода воздуха математически правильное осреднение его сигнала может производиться только цифровым способом. При этом многократно получаемые на угловом интервале 180 градусов ПКВ (для четырехцилиндрового двигателя) цифровые значения сигнала ДМРВ по хранящейся в памяти блока управления характеристике датчика каждый раз преобразуются в физические значения массового расхода воздуха, которые последовательно сохраняются в ОЗУ. По завершению занимающего 180 градусов ПКВ очередного цикла последовательных опросов и преобразований сигнала ДМРВ, сохраненные текущие физические значения массового расхода воздуха осредняются, после чего полученное среднее значение может быть использовано в алгоритме управления двигателем.

62. Дозирование топлива системой управления. Электромагнитные форсунки и их характеристики. Управление различными типами форсунок. Расчет длительности импульсов управления форсунками по соотношению «воздух/топливо».

Дозирование топлива системой управления производится путем регулирования продолжительности импульсов управления форсунками. При одинаковом расходе поступающего в двигатель воздуха, увеличение продолжительности импульсов управления форсунками ведет к обогащению состава топливовоздушной смеси или, наоборот, при уменьшении продолжительности указанных импульсов – к ее обеднению. Управление топливоподачей на бензиновом двигателе сводится к дозированию на различных режимах его работы определенного количества топлива, необходимого для поддержания заданного состава топливовоздушной смеси с учетом поступившего в двигатель количества воздуха. На различных режимах работы двигателя: пуске, прогреве, холостом ходу, частичных и полных нагрузках, а также при разгоне и замедлении, оптимальный состав топливовоздушной смеси может изменяться в достаточно широких пределах. Дозирование топлива при работе двигателя без обратной связи по составу смеси (т.е. без учета сигнала от кислородного датчика) осуществляется по базовым матрицам топливоподачи, аргументами которых являются значения частоты вращения коленчатого вала и циклового расхода воздуха, а функцией - продолжительность импульсов управления впрыском топлива. С учетом режима работы двигателя и температурных условий, базовая продолжительность импульсов управления впрыском топлива может корректироваться на необходимую величину.

С целью обеспечения требуемой величины топливоподачи через электромагнитные форсунки необходимо иметь так называемую характеристику форсунки, т.е. зависимость цикловой подачи Q_тц топлива через форсунку от продолжительности импульса управления τ. Характеристика форсунки обычно представляется в виде линейной зависимости: Q_тц=а+вτ, где «а» и «в» представляют собой константы, определяющие расположение условной начальной точки и крутизну характеристики форсунки. Реальная характеристика форсунки, в отличие от описываемой указанной зависимостью, имеет нерабочую зону в области малых продолжительностей импульсов управления. Для большинства электромагнитных форсунок на бензиновых двигателях с распределенным впрыском топлива во впускную систему рабочая зона характеристики форсунки начинается не менее чем от 1,3…1,8 мс. Сопротивление обмоток так называемых, высокоомных, электромагнитных форсунок составляет около 12-17 Ом. Такие форсунки управляются простыми прямоугольными импульсами напряжения бортовой сети. В некоторых случаях, когда требуется обеспечить более высокое быстродействие форсунок, используются их модификации, имеющие обмотки пониженной индуктивности, обладающие небольшим числом витков и, соответственно, низким сопротивлением. Такие форсунки управляются более сложным импульсом, с фазами так называемого «форсирования» (режим включения напряжения питания без ограничения силы тока) и «удержания» (режим ограничения силы тока). Для максимального повышения быстродействия форсунок (например, электромагнитных форсунок для современных дизельных двигателей) режим форсирования может осуществляться от специального формирователя высокого напряжения величиной до 120В.

Необходимая величина топливоподачи через форсунку вычисляется блоком управления на основе прямого или косвенно измеренного соответствующими датчиками или условно рассчитанного по иным параметрам расхода воздуха. По известной (непосредственно определенной или рассчитанной) величине часового (кг/ч) расхода воздуха, с учетом частоты вращения коленчатого вала и числа цилиндров двигателя, вычисляется цикловой расход воздуха или, так называемое, цикловое наполнение (мг/цикл), т.е. количество воздуха, поступившего в процессе впуска в каждый из цилиндров на данном режиме работы двигателя. С учетом обеспечения необходимого состава смеси, далее вычисляется соответствующая данному цикловому наполнению цикловая подача топлива. Для состава смеси, соответствующего стехиометрическому соотношению, необходимая цикловая подача топлива Q_тц будет в 14,7 раза меньше циклового наполнения цилиндров воздухом. Наконец, вычисление длительности импульсов управления впрыском топлива τ производится с использованием ранее приведенной зависимости, описывающей характеристику форсунки: Q_тц=а+вτ. Современным блоком управления, обладающим достаточными вычислительными ресурсами, описанный процесс расчета данных производится для каждого из цилиндров в каждом из последовательных рабочих циклов, т.е. повторяется через каждые 2 оборота коленчатого вала для каждого из цилиндров.