Системы управления двигателем внутреннего сгорания. История, виды и текущее состояние, примеры.

Введение

Системы управления (СУ) двигателем управляют рабочими процессами и оптимизируют выходные параметры ДВС (мощность, токсичность, топливную экономичность) в зависимости от режимов и условий его работы. К таким электрическим системам следует отнести управления зажиганием, топливоподачей (впрыском), впуском воздуха, газораспределением, степенью сжатия в цилиндрах, экологические системы.
Под названием «системы управления ДВС» понимают комплексные системы, которые выполняют несколько функций управления одновременно. Название системы управления Motronic (Mono Electronic) переводится, как "Единственное электронное управление". Как наименее в СУ ДВС реализовано две основные подсистемы управления - зажиганием и впрыском топлива. Следует заметить, что атрибут Mono используется также при обозначении системы центрального (одноточечного) впрыска топлива [3].
Микропроцессорные системы зажигания, применяемых в СУ ДВС обеспечивают оптимизацию момента зажигания и нормирования времени накопления энергии в катушке зажигания. Эти системы могут отличаться способом распределения вторичного напряжения по цилиндрам двигателя. Во-первых, имеют место системы с механическим (динамичным) распределением напряжения с помощью обычных роторных распределителей. Во-вторых, используются системы со статическим распределением напряжения на электронном уровне. В случае статистического распределения напряжения применяются автономные (трансформаторы зажигания) катушки зажигания. Следует добавить, что в современных системах зажигания применяется датчик детонации, который обеспечивает обратную связь системы для устранения детонационных процессов, которые могут происходить в двигателе при некоторых обстоятельствах.
По топливной экономичности – бензиновые двигатели превращают в полезную работу лишь 25% теплоты, которая образуется при сгорании топлива. Дизельный двигатель превращает в полезную работу около 35% тепловой энергии благодаря более высокому термическому коэффициенту полезного действия. Это определяет превосходство дизельных двигателей над бензиновыми.
Бензиновые двигатели имеют меньшую относительную вес, низкую шумность, большую приемистость и скоростной диапазон вращения до 8000 мин-1. Дизельные двигатели работают на оборотах не выше 5000 мин-1, имеют повышенную шумность во всем диапазоне рабочих режимов. По этим показателям бензиновые двигатели являются более предпочтительными, особенно при применении в легковых автомобилях и малых грузовиках, которые эксплуатируются в условиях города.
Дизельные двигатели работают с более высокими степенями сжатия чем бензиновые благодаря отсутствию детонационных процессов при различном составе топливной смеси. Эти предпосылки предполагают применение дизельных двигателей на грузовиках значительной мощности.
Дизельные двигатели не требуют применения системы принудительного зажигания топливной смеси, но требуют относительно дорогостоящей системы топливоподачи. По стоимости производства бензиновые двигатели являются более предпочтительными. Следует добавить, что применение на бензиновых двигателях системы впрыска топлива значительно уменьшает разницу стоимости на производство двигателей обоих типов.
Дизельные двигатели способны обеспечивать максимальный крутящий момент в широком диапазоне скоростных режимов, что определяет их большую приспособленность к рабочим режимам. Благодаря низкой летучести дизельного топлива двигатель является более предпочтительным со стороны пожарной безопасности.
1 Особенности систем управления бензиновыми двигателями

Процесс развития систем топливоподачи состоит из нескольких этапов. Сначала в конструкции карбюратора были применены электромагнитный клапан экономайзера принудительного холостого хода (ЕПНХ). Такая система позволила снизить расход топлива за счет перекрытия топливоподачи при движении автомобиля накатом. При таком управлении использовалась информация о частоте вращения двигателя и о закрытый состояние дроссельной заслонки.
Далее к управлению карбюраторов было внедрено МП системы типа «Ecotronic» (рис. 1). На этом уровне система обеспечивает оптимальный состав горючей смеси на режимах пуска, прогрева двигателя, принудительного холостого хода и выполняет поддержку определенной частоты вращения коленчатого вала в режиме холостого хода. В качестве исполнительных устройств в таких системах применены линейные приводы (с использованием электродвигателей) дроссельной и воздушной заслонок карбюратора [6].
За информационные датчики в системах «Ecotronic» избраны: конечный и линейный датчики положения дроссельной заслонки, которые информируют о нагрузочный режим ДВС; датчик частоты вращения коленчатого вала (скоростной режим); датчик температуры охлаждающей жидкости (температурный режим); датчик кислорода (обратная связь по экологическим и топливно-экономическим показателям).
Приведенные совершенствования системы топливоподачи, безусловно, улучшили топливо-экономические показатели ДВС, но не позволили избавиться принципиальных недостатков карбюраторных систем питания: низкий объемный коэффициент полезного действия, который определяется как отношение фактического объема топливной смеси к объему цилиндра; неравномерность распределения смеси по цилиндрам и, как следствие, - использование более обогащенных смесей конденсация топлива на впускном коллекторе и, как следствие, - снижение эксплуатационных качеств ДВС.

Входной
усилитель
Привод
дроссельной
заслонки
Датчик частоты вращения
Выходной
усилитель
Канал отключения топливо при резком изменении оборотов двигателя
Канал управления оборотами нерабочего хода
Управления пуском и прогревом двигателя
Обогащения смеси
при ускорении
М
и
к
р
о
п
р
о
ц
е
с
с
о
р
Привод
воздушной
заслонки
Контактный датчик дроссельной заслонки
Датчик положения дроссельной заслонки
Датчик кислорода
Датчик температуры охлаждающей жидкости
ЭБУ
Рисунок 1 Схема структурная системы «Ecotronic»
Входной
усилитель
Привод
дроссельной
заслонки
Датчик частоты вращения
Выходной
усилитель
Канал отключения топливо при резком изменении оборотов двигателя
Канал управления оборотами нерабочего хода
Управления пуском и прогревом двигателя
Обогащения смеси
при ускорении
М
и
к
р
о
п
р
о
ц
е
с
с
о
р
Привод
воздушной
заслонки
Контактный датчик дроссельной заслонки
Датчик положения дроссельной заслонки
Датчик кислорода
Датчик температуры охлаждающей жидкости
ЭБУ
Рисунок 1 Схема структурная системы «Ecotronic»

Следующим шагом совершенствования систем топливоподачи стало внедрение систем впрыска топлива (СУП), которые позволили отказаться от карбюратора вообще.
К преимуществам СУП, по сравнению с карбюраторными системами питания следует отнести: повышение мощности на единицу объема цилиндров и топливной экономичности ДВС; больший крутящий момент на низких оборотах; облегченный пуск и повышенная приемистость; низкая концентрация токсичных веществ в отработавших газах.
Системы впрыска топлива, существуют в настоящее время, можно классифицировать по нескольким принципиальным признакам. (Рис. 2). Предоставим краткую характеристику каждой системы по их техническому воплощению в системы управления ДВС.
Системы впрыска К-Jetronic (K - от нем. Kontiniuerlich - непрерывность, Jet - от англ. Струя). Механическая система непрерывного (одновременного) впрыска перед впускными клапанами во впускном коллекторе, многоточечных. Система обеспечивает несогласованное с рабочим циклом впрыска, так как функционирует в непрерывном режиме. Дозирование топлива осуществляется за счет изменения его давления с помощью дозатора-распределителя топлива на основании реакции механического расходомера воздуха. Благодаря этому на мощных режимах ДВС поддерживается постоянное соотношение топливо - воздух 1: 14,7. Для оптимизации процесса впрыска в режиме пуска (когда двигатель не прогрет) в системе предусмотрена пусковая топливная форсунка, которая на время пуска обеспечивает обогащение топливной смеси. Дополнительное обогащение топливной смеси также используется в режиме полной нагрузки. Таким образом, дозирование топлива в системе К-Jetronic происходит в зависимости от нагрузочного режима и температурного состояния ДВС. Следует добавить, что система впрыска К-Jetronic хотя и реализована на механическом уровне, но в ней используются электрические устройства такие как: электромеханический топливный насос, термобиметалический регулятор подогрева двигателя, электромагнитный клапан дополнительной подачи воздуха, термореле времени, электромагнитная пусковая форсунка, электронное реле управления[1].
Система впрыска КЕ-Jetronic (Е -Elektronic) по атрибутам классификационной структуры соответствует признакам системы К-Jetronic, за исключением технического решения. Управление подачей топлива в этой системе реализовано на электронном (микропроцессорном) уровне с применением датчиков измерительной информации (расходомер воздуха потенциметрического типа, конечный датчик положения дроссельной заслонки, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик кислорода), электронного (микропроцессорного) блока управления и электрических исполнительных устройств ( электрогидравлический регулятор давления топлива, электромагнитная пусковая форсунка, электромагнитные клапаны стабилизации режима холостого хода и угольной фил Май абсорберу)

. В различных типах СУП бензиновых ДВС применяются от четырех до одиннадцати первичных преобразователей энергии (датчиков).
Несмотря на такую «электронизации», основные топливные форсунки системы остаются гидромеханическими по принципу действия и имеют конструкцию закрытого типа.
Система впрыска Mono-Jetronic (одна струя) - электронная система одноточечного (центрального) впрыска во впускной коллектор с помощью центральной электромеханической топливной форсунки, расположенной впереди дроссельной заслонки. Дозирование топлива в системе происходит за счет управления длительностью срабатывания форсунки (впрыска топлива). Центральная форсунка таким образом работает в импульсном режиме и обеспечивает несогласованное (но синхронизировано с моментом зажигания), одновременное впрыскивание топлива.
Системы управления впрыском топлива
По месту
впрыска
По алгоритму впрыскивания
По техническим решениям
По моменту впрыскивания
По режиму впрыскивания
По распределению впрыска
На впускные клапана
У впускний колектор
Одновременное впрыскивание
Механические
Согласованное впрыскивание
Беспрерывное впрыскивание
Одно-точечный
Групповое впрыскивание
Электронные (микропроцессорные)
Несогласованное впрыскивание
Импульсное впрыскивание
Многоточечный
Непосредственно в цилиндр
Фазированное впрыскивание
D - Jetronic
L (E, H, D) - Jetronik
K (E) - Jetronik
Mono - Jetronik
Рисунок 2 Классификация систем впрыскивания топлива
Системы управления впрыском топлива
По месту
впрыска
По алгоритму впрыскивания
По техническим решениям
По моменту впрыскивания
По режиму впрыскивания
По распределению впрыска
На впускные клапана
У впускний колектор
Одновременное впрыскивание
Механические
Согласованное впрыскивание
Беспрерывное впрыскивание
Одно-точечный
Групповое впрыскивание
Электронные (микропроцессорные)
Несогласованное впрыскивание
Импульсное впрыскивание
Многоточечный
Непосредственно в цилиндр
Фазированное впрыскивание
D - Jetronic
L (E, H, D) - Jetronik
K (E) - Jetronik
Mono - Jetronik
Рисунок 2 Классификация систем впрыскивания топлива

В состав системы входят семь датчиков измерительной информации (момента впрыска, положение дроссельной заслонки, температуры воздуха, температуры охлаждающей жидкости, частоты вращения двигателя, положение сервопривода дроссельной заслонки, концентрации кислорода), электронный блок управления и исполнительные устройства (электромеханическая топливная форсунка, электросервопривод дроссельной заслонки, запорный электропневмоклапан, основной и вспомогательный электробензонасосов). Давление топлива в магистрали топливоподачи постоянный и составляет 1кгс / см2. Массовый расход воздуха в системе измеряется не прямо (расходомер воздуха отсутствует), а рассчитывается ЭБУ на основании анализа информации о положении дроссельной заслонки, температуры воздуха и частоты вращения двигателя. Оптимизация токсичности выхлопа газов происходит на основе сигналов с датчика кислорода (λ-зонд) [4]. Функциональные возможности ЭБУ системы Mono-Jetronic позволяют компенсировать колебания напряжения бортовой сети (путем изменения длительности впрыска) регулировать и поддерживать обороты холостого хода двигателя; воспринимать и реагировать на динамические воздействия (форсаж) водителя на акселератор (дроссельную заслонку), обогащая при этом топливную смесь. Система впрыска L-Jetronic (от нем. Lade - точная позиция, заряд) - электронная система многоточечной (распределенной) импульсного впрыска топлива с помощью электромеханических топливных форсунок, расположенных над впускными клапанами газораспределительного механизма. Дозирование топлива происходит за счет управления длительностью срабатывания форсунок каждого цилиндра. По алгоритму впрыска в зависимости от модификации системы может осуществляться одновременно групповое или фазированный впрыск топлива. В первых двух случаях происходит несогласованное впрыска, в последнем - согласован. Система пусковую электромеханическую форсунку, которая расположена под дроссельной заслонкой в расширительном ресивере впускного коллектора.
1. Количество контактов разъема ЭБУ уменьшилось от 35 до 25.
2. Усовершенствованная схема управления пуском холодного двигателя (реле топливного насоса и реле пуска заменены электронной схемой управления).
3. Обмотки рабочих топливных форсунок выполнен латунным, а не медным проводом (активное сопротивление повысился от 2,4 Ом до 12 Ом, что позволило исключить из цепей управления дополнительные резисторы).
4. Потенциометрического датчика расхода воздуха устранена телефона пара выключения топливного насоса при неработающем ДВС (количество контактов разъема расходомера уменьшено с 7 до 5).
5. ЭБУ корректирует продолжительность срабатывания форсунок в зависимости от колебаний напряжения бортовой сети.
Система LЕ2-Jetronic отличается от LЕ отсутствием пусковой форсунки. Ее функции по обогащению топливной смеси при пуске двигателя переданы основным топливным форсункам благодаря улучшению функций ЭБУ.
Системы LЕ3 (4) Jetronic имеют более совершенные ЭБУ (с использованием трехмерных характеристических карт впрыска), цифровые расходомеры воздуха и некоторые изменения в системах, обеспечивающих режимы пуска и холостого хода двигателя. Система LН-Jetronic (от нем. Hauch - дуновение ветра) отличается от предыдущих систем L-группы применением принципиально нового датчика массового расхода воздуха терм анемометрического типа (от греч. Anemos - ветер). Такой датчик позволяет одновременно учитывать температуру, влажность и давление воздуха, которые определяют действительную массу воздушного заряда, используется для приготовления топливной смеси. Такие датчики получили название массометры. Система LD-Jetronic (от нем. Direckt - непосредственный) отличается от предыдущих систем L-группы отсутствием любого измерителя количества воздуха, что значительно снижает стоимость системы. Информацию о расходе воздуха в таких системах получают на основе обработки сигналов датчиков температуры воздуха, частоты вращения и нагрузки двигателя, положение дроссельной заслонки. ЭБУ содержит микро-ЭВМ с использованием трехмерных характеристических карт впрыска.
В системах D-Jetronic осуществляется впрыска топлива с помощью форсунок непосредственно в цилиндры ДВС. Система может быть реализована на механическом или электронном уровне. Благодаря особенности непосредственного впрыска такие системы реализуют только распределено импульсное согласованное фазированный впрыска. Эти признаки определяют несколько преимуществ систем непосредственного впрыска над системами впрыска во впускной коллектор или на впускные клапаны. Признаком систем такого типа является повышенное давление в топливной магистрали 30-38 кгс / см2 (как в дизельных двигателях), который обеспечивается с помощью насос-форсунок механического или электромеханического типа. Примером системы D-Jetronic является система впрыска Kugelfisher, которая управляет процессом впрыска с помощью ЭБУ на основе информации с датчиков положения коленчатого вала двигателя, температуры охлаждающей жидкости и топлива, углового положения дроссельной заслонки, температуры и давления воздуха, скорости движения автомобиля. Системы управления газораспределительным механизмом (ГРМ) тоже можно классифицировать по ряду признаков (рис 3). Принципиальным отличием систем ГРМ различного типа способ их реализации. В системах с тангенциальной коррекцией распределительный вал проворачивается относительно исходного положения исполнительным устройством. Такая коррекция углового положения вала на различных эксплуатационных режимах приводит к изменению момента открытия (закрытия) впускных и выпускных клапанов, повышает эффективную мощность ДВС[5].
Продолжительность фазы впуска рабочей смеси или выпуска отработанных газов корректируется путем изменения профиля кулачка. Для этого на валу устанавливают по два кулачка (вместо одного) с различными профилями рабочей поверхности. Исполнительное устройство осуществляет осевое перемещение вала и кулачков относительно толкателей клапанов. Таким образом обеспечивается двухступенчатый режим функционирования ГРМ. Пропускная способность клапанного канала зависит от длины хода толкателя. Для управления этим параметром осуществляют поднятие распределительного вала вместе с кулачками с помощью исполнительного устройства. К экологическим системам следует отнести системы нейтрализации отработанных газов и утилизации паров топлива. Существует несколько способов снижения концентрации токсичных веществ в выхлопных газах.
1. Использование экологически чистого бензина (система ЕСАУД-Д).
2. Оптимизация процесса впрыска топлива за счет применения замкнутых систем управления впрыском топлива с датчиком кислорода - ЭСК, системы рециркуляции отработавших газов -ЕСР.
3. Нейтрализация токсичных компонентов в выпускном тракте двигателя (системы термической, окислительной и возмездного нейтрализации ЕСН).
На базе сочетания различных систем впрыска, зажигания и экологических подсистем фирмой Bosch разработан ряд комплексных систем управления двигателем под общим названием Motronic