«Хозяин в доме»
Что лучше подходит для легкового автомобиля: бензиновый двигатель или дизель? Однозначного ответа на данный вопрос нет до сих пор. И это несмотря на то, что борьба между ними за место под капотом идет уже не одно десятилетие. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, и в зависимости от условий эксплуатации предпочтение отдается тому либо другому. Вне всякого сомнения – в ближайшей перспективе в этом противостоянии вряд ли определится победитель.
В развитие каждого из моторов продолжают вкладываться значительные средства, и их характеристики постоянно улучшаются. Особенно быстрыми темпами совершенствуются системы управления двигателями, которые в значительной степени определяют параметры «движков». Естественно, современные СУД создаются на основе компьютерной техники и весьма сложны. Познакомимся с их устройством, а начнем с тех, которые предназначены для двигателей, питающихся бензином.
Бензиновые моторы относятся к двигателям с искровым зажиганием, и в первом приближении задача управления ими сводится к созданию в цилиндрах топливовоздушной смеси и воспламенении ее в соответствующий момент. Первоначально этим занимались две раздельные системы: топливоподачи и зажигания. Главным элементом первой из них длительное время был карбюратор, однако в 50-х годах прошлого века началось внедрение системы топливоподачи с впрыском бензина, которая позволяла существенно повысить мощность мотора. Знаковым событием в этом деле стало создание в 1967 году фирмой Bosch системы электронного управления впрыском топлива D-Jetronic. К этому времени и зажигание стало транзисторным – таким образом, управление бензиновыми двигателями вступило в электронную эру.
Следующий естественный шаг – объединение электронных частей обоих систем (топливоподачи и зажигания) в одно целое. В дальнейшем электронное управление получила еще и дроссельная заслонка, а управляющий двигателем контроллер стал отвечать также и за подачу воздуха. При этом массовый расход воздуха через впускной трубопровод можно регулировать независимо от положения педали акселератора, а сигнал с датчика положения данной педали является одним из входных параметров для СУД. Нельзя не отметить и то важнейшее значение, которое для развития систем управления двигателями оказала организация производства электронной промышленностью микропроцессоров (малогабаритных устройств, управляемых программно). Кстати, сами микропроцессоры, появившиеся в начале 1970-х годов, совершенствуются с потрясающей быстротой.
Таким образом, мы подошли к современным СУД. В качестве примера рассмотрим Bosch MED-Motronic. Она предназначена для двигателей с непосредственным впрыском топлива и впервые нашла применение на автомобиле Volkswagen Lupo в 2000 году. Подача бензина непосредственно в цилиндры позволяет создавать в них как однородную (впрыск осуществляется в процессе такта впуска), так и неоднородную (в конце такта сжатия прямо перед зажиганием) топливовоздушные смеси. В последнем случае улучшается экономичность, однако послойное смесеобразование можно использовать на низких и средних скоростных и нагрузочных режимах.
В Bosch MED-Motronic положение дроссельной заслонки устанавливается электродвигателем. Создание послойного смесеобразования осуществляется при полностью открытой заслонке, так как в данном случае регулирование крутящего момента производится не за счет изменения наполнения двигателя поступающим воздухом, а за счет изменения количества впрыскиваемого топлива. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах обеспечивается введением рециркуляции этих газов, однако при этом необходимы точные измерения массового расхода воздуха и массового расхода рециркулируемых газов. Для этого предназначены два датчика. Пленочный термоанемометрический датчик расхода воздуха определяет массовый (в кг/ч) расход воздуха на входе во впускной трубопровод двигателя. По его информации можно рассчитать парциальное давление воздуха в этом трубопроводе, а по разности между абсолютным давлением в данном трубопроводе (измеряется датчиком абсолютного давления) и парциальным давлением воздуха вычисляется массовый расход рециркулируемых отработавших газов.
При работе двигателя на обедненной смеси в рециркулируемых газах содержится неиспользованный кислород, причем в том же соотношении, что и в отработавших газах в выхлопной трубе. Поэтому его количество можно определять по установленному в ней кислородному датчику.
В СУД Bosch MED-Motronic подсистема подачи топлива состоит из двух составляющих: линии низкого давления и линии высокого давления. Первая из них включает в себя электрический топливный насос, топливный фильтр и регулятор низкого давления топлива. В состав линии высокого давления входят топливный насос высокого давления, регулятор подачи топлива, топливный аккумулятор (другие названия: топливная рампа, топливная магистраль) высокого давления. Датчик давления топлива информирует контроллер о фактическом давлении бензина в топливном аккумуляторе.
В подсистеме зажигания высокое напряжение, необходимое для создания искрового разряда, образуется в индивидуальных катушках зажигания. Они непосредственно соединены со свечами зажигания.
Снижению токсичности отработавших газов в Bosch MED-Motronic также служат первичный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, устанавливаемый как можно ближе к двигателю, и основной (главный) каталитический нейтрализатор, располагаемый дальше по течению отработавших газов. Второй из них включает в себя традиционный трехкомпонентный нейтрализатор (с окислительным процессом для СО и СН и восстановительным для NOX) и специальный адсорбционный нейтрализатор оксидов азота.
Столь сложное построение устройства нейтрализации связано с тем, что при работе двигателя на бедной смеси обычный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор не в состоянии полностью преобразовывать оксиды азота. Адсорбционный каталитический нейтрализатор накапливает их, а когда его аккумулирующая способность приближается к пределу (он почти полностью наполняется) СУД кратковременно переводит мотор на гомогенный режим работы с некоторым избытком топлива. При этом накопленные в адсорбционном нейтрализаторе оксиды азота освобождаются, и происходит их восстановление в трехкомпонентном нейтрализаторе.
Возможность работы «движка» с непосредственным впрыском на бедной гомогенной смеси и в режимах с послойным смесеобразованием вынуждает применять для измерения состава смеси до каталитического нейтрализатора широкополосный (с широким рабочим диапазоном) кислородный датчик.
При работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой (минимальное сопротивление воздушному потоку) разрежение во впускном коллекторе недостаточно для функционирования вакуумного усилителя тормозов должным образом. Поэтому при необходимости мотор переводится на другой режим, чтобы обеспечить достаточный уровень разрежения. При этом используется информация, поступающая с датчика давления во впускном коллекторе.
Одной из важных функций, выполняемых системой управления, является диагностическая. Встроенная диагностика выполняет непрерывный текущий контроль всей системы в целом, определяя сбои в работе или неисправности. Обнаруженные неисправности фиксируются как коды ошибок в протоколе неисправностей. Специалисты автосервиса в процессе технического обслуживания автомобиля благодаря наличию последовательного интерфейса имеют возможность доступа к этим сохраненным кодам ошибок, что позволяет быстро устранить возникшую неисправность.
Новый автомобиль, поступающий в продажу, само собой, соответствует экологическим нормам, предъявляемым к нему. Однако в процессе эксплуатации в силу каких-либо причин он может стать более «грязным», но при этом продолжать раскатывать по дорогам. Обеспокоенные такой возможностью законодатели потребовали от автопроизводителей проводить обязательную бортовую диагностику тех компонентов, которые потенциально могут оказывать влияние на токсичность отработавших газов. Первыми такую диагностику (OBD) в 1988 году ввели американцы, а ее европейская версия (ЕOBD) стала применяться с 2000 года.
Наличие большого количества функций, выполняемых СУД, привело к некоторым сложностям, так как некоторые из них не могут проводиться одновременно. Например, вентиляция топливного бака (улавливание паров топлива) не может осуществляться тогда, когда происходит диагностика каталитического нейтрализатора. Выходом из ситуации стало введение запрещенных режимов, то есть определение обстоятельств, при которых запрещается выполнение определенных функций.
В некоторых условиях эксплуатации диагностические программы могут выдавать ложные сигналы о наличии неисправностей. К ним относятся высокогорье, малое количество топлива в баке, низкая температура окружающей среды при холодном запуске, разряженная аккумуляторная батарея. Во избежание неприятностей в этих случаях работа диагностических программ приостанавливается.
Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива в силу своей экономичности весьма перспективны и уже достаточно широко распространены. Но моторостроители даже ими недовольны и идут дальше – на очереди комбинированный впрыск, при котором каждый цилиндр получает по две форсунки. Одна из них подает бензин прямо в цилиндр, а другая распыляет его снаружи в районе впускного клапана. Таким образом конструкторы пытаются объединить достоинства распределенного и непосредственного впрысков топлива. Данная новинка уже применяется, например, на некоторых моделях Lexus. У них система управления двигателем еще сложнее, чем рассмотренная выше.
Отрадно, что разработкой СУД занимаются и в России. Больших успехов на этом поприще добилось Научно-производственное предприятие ЭЛКАР. Оно основано в 1991 году. Среду его достижений – блоки управления МИКАС 5.4; МИКАС 7.1; МИКАС 11; МИКАС 11ЕТ; МИКАС 12М. Последний из перечисленных предназначен для битопливных двигателей (работают как на бензине, так и на газовом топливе, и их смеси), оснащенных электрическим дросселем и соответствующих экологическому стандарту Евро-4.
А как обстоят дела с управлением дизелями? Этому будет посвящена вторая часть статьи.
В статье использованы материалы компании Bosch и НПП ЭЛКАР
