Управление двигателями Отто
Система управления двигателем
Техническое обучение
*
BOSCH
Издатель:
© Роберт Бош GmbH, 1994 Почтовый Ящик 300220 D-70442 Штутгарт Производственное отделение автомобильного оборудования, отдел технической информации (KH/VDT).
Руководство:
Дилл.- инж.Ульрих Адлер.
Главная редакция:
Дипл.-инж. Хорст Бауер.
Редакция:
Дипл.-инж. Антон Беер, Инж. Арне Цюпра.
Авторы:
Дипл.-инж. Ульрих Штайнбреннер,
Дипл.-инж. Ханс Бархо, Доктор-инж. Клаус Бетхер, Дипл.-инж. Фолькер 1андерт Дипл.-инж. Вальтер [бллин, Дипл.-инж. Вернер Нэминг, Дипл.-инж. Клаус Джоос, Дипл.-инж. Манфред Мецгер, Инж. Бернд Петер, Дипл.-инж. Эрнст Вильд.
Оформление:
Дипл.-инж. Ульрих Адлер, Хельмут Флайг (целевая реклама Кирххайм).
Техническая графика:
Бауер и партнёры, Штутгарт.
Перевод:
Дипл.-инж. Юрий Фрай (техническая публикация GmbH, Вайблинген), Техническая редакция перевода: Дипл.-инж. Владимир К. [орбаченко
Не указанные специально являются сотрудниками Роберт Бош GmbH, Штутгарт.
Копирование, размножение и перевод, также выборочный, разрешается только с нашего письменного согласия и с указанием источника. Иллюстрации, описания, схемы и другие данные служат только для объяснения настоящего текста. Использовать их в качестве основания для конструкции, сборки и объёма поставки не разрешено. Мы не несём ответственности за соответствие содержания с действующими законодательными предписаниями.
Право изменений оставляем за собой.
Издано в [ермании.	*
1. издание, август 1996.
Русский перевод немецкого издания августа 1993.
Система управления двигателем Motronic
Современная электроника открывает перед автомобилестроением новые перспективы.
Многие, частично противоречащие друг другу требования к бензиновому двигателю, как например, высокая мощность, малый расход топлива и невысокая токсичность отработавших газов, могут быть в настоящее время оптимально согласованы между собой.
Системы смесеобразования и зажигания решают частичные задачи: система Jetronic управляет топли-воподачей, а электронная система зажигания оптимирует процесс зажигания.
Система Motronic объединяет оба процесса: система вспрыска и зажигания управляется с помощью одного контроллера по общим оптимизационным критериям.
Благодаря цифровой обработке параметров стало возможным преобразовывать большой массив эксплуатационных режимов в много-параметровые характеристики вспрыска и зажигания.
С помощью лямбда-зонда и интеграции функции лямбда-регулирования в электронный блок управления система Motronic уже сегодня выполняет перспективные зако-нодателные предписания по токсичности.
Пути реализации данных предпосылок освещены в настоящей брошюре.
Сгорание в двигателе с принудительным зажиганием
Двигатель с принудительным зажиганием	2
Смесеобразование
Влияющие факторы	4
Коррекция по эксплуатационным режимам	5
Системы смесеобразования	6
Система зажигания
Задачи, требования	10
Система управления двигателем Motronic
Общее описание системы	14
Топливная система	16
Высоковольтный контур	24
Регистрация рабочих режимов 28
Обработка данных	38
Эксплуатационный режим	42
Встроенная диагностика	58
Блок управления	62
Интерфейс	64
Отработавшие газы
Состав отработавших газов	66
Каталитическая доработка	68

Сгорание в двигателях Отто
Сгорание в двигателях Отто
Двигатель Отто
Принцип действия
Двигатель Отто 1) - это двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в котором энергия топлива превращается в поступательное движение.
В двигателе Отто топливовоздушная смесь (на базе бензина или газа) приготавливается вне камеры сгорания с помощью смесеобразующих устройств. Смесь всасывается в камеру сгорания движущимся вниз поршнем.
При движении поршня вверх смесь сжимается и в нужный момент система зажигания посредством свечи поджигает смесь. Теплотворная способность топлива резко повышает давление в цилиндре и поршень с отдачей энергии через коленчатый
Рис. 1: Принцип поршневого двигателя
ВМТ - верхняя мёртвая точка, НМТ - нижняя мёртвая точка, Vh- рабочий объем цилиндра, Ус- объем камеры сгорания, s- ход поршня
вал снова идёт вниз. После каждого сгорания отработанные газы выводятся из цилиндра и вновь всасывается свежая топливовоздушная смесь. Такой газообмен происходит в автомобильных двигателях преимущественно по четырёхтактному принципу. Для совершения одного рабочего цикла требуется два оборота коленчатого вала.
Четырёхтактный цикл
В четырёхтактных двигателях Отто газообмен управляется клапанами. Они открывают и закрывают впускные и выпускные каналы цилиндра:
1-ый такт: впуск
2-ой такт: сжатие и зажигание
3-ий такт: сгорание и рабочий ход
4-ый такт: выпуск
Впуск
впускной клапан: открыт выпускной клапан: закрыт движение поршня: вниз сгорание: нет
Движущийся вниз поршень увеличивает объём цилиндра и всасывает свежую топливовоздушную смесь через открытый впускной клапан.
Сжатие
впускной клапан: закрыт выпускной клапан: закрыт движение поршня: вверх сгорание: фаза восламенения (зажигание)
1) Николаус Август Отто (1832-1891) - в 1878 году, на Парижской всемирной выставке впервые показал газовый двигатель со сжатием по четырёхтактному рабочему принципу.
Двигатель
Отто
Движущийся вверх поршень уменьшает объём в цилиндре и сжимает топливовоздушную смесь. Перед достижением верхней мёртвой точки (ВМТ) свеча зажигает сжатую смесь, начиная тем самым процесс сгорания. Из рабочего объёма цилиндра Vh и объёма камеры сгорания Ус создаётся степень сжатия е = (Vh+Vc)/Vc.
Степень сжатия в зависимости от конструкции двигателя составляет от 7 до 13. С её ростом увеличивается термический К.П.Д. и топливо используется более эффективно. К примеру: повышение степени сжатия с 6 до 8 повышает термический К.П.Д. на 12 %. Степень сжатия определяет детонационную границу. Детонация - это неконтролируемое сгорание смеси с резким повышением давления. Она ведёт к разрушению двигателя. С применением оптимальных видов топлива и созданием соответствующих камер сгорания можно сдвинуть границу детонации в сторону повышения степени сжатия.
Рабочий ход
впускной клапан: закрыт, выпускной клапан: закрыт, движение поршня: вниз, сжигание: фаза сгорания.
После того, как искра зажигания воспламенила сжатую топливовоздушную смесь, происходит подъем температуры вследствие сгорания. Давление в цилиндре растёт и движет поршень вниз. Поршень передаёт через шатун на коленчатый вал двигателя работу, которая может быть использована. Мощность растёт с увеличением крутящего момента (Р =
Характеристика мощности и крутящего момента двигателя внутреннего сгорания обуславливают наличие передачи в зависимости от эксплуатационных условий.
Такт выпуска
впускной клапан: закрыт выпускной клапан: открыт движение поршня: вверх сгорание: нет
Движущийся вверх поршень выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан. После этого цикл повторяется. В целях улучшения газообмена, заполнения и продувки цилиндра на незначительный момент времени оба клапана остаются открытыми.
3
образование Смесеобразование
Обзор
Влияющие факторы
Топливовоздушная смесь
Для работы двигателя Отто требуется определённое соотношение между воздухом и топливом. Отношение 14,7:1 теоретически является критерием для полного сгорания. Это соотношение называется стехиометрическим. Определённые режимы работы двигателя требуют коррекции состава смеси. Удельный расход топлива двигателя Отто во многом зависит от состава топливовоздушной смеси. Для достижения полного сгорания и возможно меньшего расхода топлива требуется излишек воздуха, превышение которого также ограничено вследствие увеличения времени сгорания и ухудшения воспламеняемости смеси. В применяемых в настоящее время двигателях расход топлива при соотношении 15...18 кг воздуха на 1 кг топлива является минимальным. Для наглядного представления это значит, что для сгорания 1 литра бензина требуется около 10 000 литров воздуха (рис. 1). Так как автодвигатели работают в основном на частичных нагрузках, они конструктивно рассчитаны на наименьший расход топлива в данном режиме. При других режимах, как холостой ход и полная нагрузка, обогащённая смесь является более выгодной. Система смесеобразования должна обеспечивать такие различающиеся требования.
Коэффициент избытка воздуха
Для обозначения отклонений реальной топливовоздушной смеси от теоретически необходимой (14,7:1), была принята единица измерения
коэффициента избытка воздуха Л (Лямбда)1), в России принято обозначение a
a = подведённая воздушная масса / расход воздуха для стехиометрического сгорания.
a = 1: подведённая воздушная масса соответствует теоретической потребности
a < 1: недостаток воздуха или богатая смесь. Повышенная мощность достигается при а= 0,85...0,95.
а > 1: излишек воздуха или бедная смесь имеет место в диапазоне от а = 1,05... 1,3. При этом отмечается уменьшенный расход топлива и снижение мощности двигателя.
а > 1,3: смесь становится невоспламеняемой. Возникают сбои при воспламенении. Двигатель работает с пе-
ребоями. Двигатели ОТТО достигают своей максимальной мощности при недостатке воздуха 5... 15% (а = 0,95...0,8), минимального расхода топлива при превышении объема воздуха 10...20% (а = 1,1...1,2) и безупречного холостого хода при сг=1,0. Рисунки 2 и 3 показывают зависимость мощности и удельного расхода топлива, а также характеристики токсичности отработавших газов от коэффициента избытка воздуха а Из них видно, что идеального состава смеси, при котором бы все факторы имели выгодные величины, не существует. Практика показывает, что наиболее приемлем коэффициент избытка воздуха а= 0,9...1,1.
Для каталитической доработки выпускных газов в трёхкомпонентном катализаторе при рабочей температуре двигателя обязательно должно выдерживаться условие а = 1.
Для достижения этого количество всасываемого воздуха должно точно измеряться и к нему должно подмешиваться точно дозированное количество топлива.
Наряду с точным количеством вспрыскиваемого топлива для достижения процесса сгорания необходима также однородность смеси и её хорошее распыление. При невыполнении этих условий крупные капли топлива оседа
ют во впускной трубе, что ведёт к повышению эмиссии СН.
Приспосабливание к рабочим режимам.
На некоторых режимах работы потребность в топливе резко отличается от расхода топлива прогретого двигателя, так что требуется коррекция в смесеобразовании.
Холодный пуск
При холодном пуске всасываемая топливовоздушная смесь обедняется. Это происходит в результате недостаточного перемешивания всасываемого воздуха с топливом, недостаточного испарения топлива и усиленного пленкообразования на холодных стенках трубопроводов. В целях компенсации этого явления и облегчения пуска холодного двигателя требуется подача дополнительного топлива в момент пуска.
Послепусковая фаза
После пуска при низких температурах на короткое время требуется обогащение смеси путём подачи дополнительного топлива до тех пор, пока не повысится температура в камере сгорания и улучшится смесеобразование в цилиндре.
Обзор
ku
Рис. 2: Влияние коэффициента избытка воздуха а на мощность Р и удельный расход топлива Ье.
а) богатая смесь (недостаток воздуха) б) бедная смесь (избыток воздуха)
Коэффициент избытка воздуха a
Рис. 3: Влияние коэффициента избытка воздуха а на токсичность отработавшых газов.
Коэффициент избытка воздуха а
5
Смесе-
образование
Дополнительно, за счёт богатой смеси достигается больший крутящий момент, что способствует переходу к нужным оборотам холостого хода.
Прогрев двигателя.
За пуском и послепусковой фазой следует фаза прогрева двигателя. Ещё и на этой фазе двигателю требуется обогащённая смесь, поскольку часть топлива ещё конденсируется на холодных стенках цилиндра. В связи с тем, что при пониженных температурах смесеобразование ухудшено (например, из-за слабого перемешивания воздуха с топливом, а также образования капель топлива) во впускной трубе образуется пленка топлива, которая испаряется только при достижении высоких температур. Вышеназванные факторы обуславливают при пониженной температуре необходимость дополнительного обогащения смеси.
Частичные нагрузки
При частичных нагрузках главным в смесеобразовании является минимальный расход топлива. Для соблюдения жестких норм по токсичности при применении трёхкомпонентного катализатора требование a = 1 является обязательным.
Полная нагрузка
При полностью открытой дроссельной заслонке двигатель должен достичь своего наибольшего крутящего момента или максимальной мощности. Как видно из рис. 2 топливовоздушная смесь обогащается до а - 0,85...0,90.
Ускорение
При быстром открытии дроссельной заслонки состав смеси кратковременно обедняется вследствие ограниченной способности топлива к испарению при повышении давления во впускной трубе. Для достижения хорошего перехода требуется обеспечить зависимость между обогащением смеси и температурой двигателя.
Путем такого обогащения можно получить хорошие разгонные характеристики.
Принудительный холостой ход
Движение на принудительном холостом ходу, каждое торможение, то есть езда в городском режиме позволяют практически полностью прерывать подачу топлива. На этих фазах работы двигателя отсутствуют выбросы токсичных отработавших газов.
Высотная коррекция
На больших высотах (например, езда в горах) плотность воздуха падает. Это значит, что всасываемый в двигатель воздух имеет меньшую массу, нежели на равнине. Если это явление не учесть при смесеобразовании, то создастся чрезмерное обогащение, которое приведёт к перерасходу топлива и повышению токсичности отработавших газов.
Смесеобразующие системы
Назначение карбюратора или системы впрыска - подготовить наилучшую топливовоздушную смесь на любых режимах работы двигателя. В последние годы для смесеобразования применяются в основном системы впрыска, обеспечивающие выполнение требований по экономичности, мощности, безупречные ездовые характеристики и наименьшую токсичность отработавших газов. Впрыск позволяет точнее соизмерять подачу топлива в зависимости от режима и нагрузки двигателя и более гибко реагирует на внешние условия. Смесеобразование при этом регулируется так, чтобы токсичность отработавших газов была незначительной.
Многоточечный впрыск
Многоточечный впрыск идеально выполняет данные задачи. В системе многоточечного впрыска каждый цилиндр имеет свою форсунку, которая
подаёт топливо непосредственно перед впускным клапаном. Это например, системы КЕ и L-Jetronic с соответствующими вариантами (рис. 4).
Механическая система впрыска
Из механических систем впрыска широкое применение нашла система K-Jetronic. Эта система работает без привода и подает топливо непрерывно.
Комбинированная электронно-механическая система впрыска
Система KE-Jetronic создана на основе механической системы K-Jetronic. Она позволяет учесть большое число параметров двигателя посредством электронноуправляемых дополнительных функций и точно дозировать топливо на различных режимах.
Электронная система впрыска Электронноуправляемые системы впрыскивают топливо с помощью электромагнитных форсунок циклического действия. Это, например, системы L-Jetronic, LH-Jetronic и Motronic, как единая система зажигания и впрыска.
Одноточечный впрыск
Одноточечный впрыск - это электронноуправляемая система впрыска, при которой электромагнитная форсунка прерывисто подаёт топливо по оси впускного трубопровода перед дроссельной заслонкой. Mono-Jetronic-это обозначение системы центрального впрыска фирмы Бош (рис. 5).
Преимущества систем впрыска
Снижение расхода топлива
Сбор информации, необходимой для работы двигателя (например, частота вращения, нагрузка, температура, положение дроссельной заслонки), делает возможным точное согласование системы как в стационарных, так и в динамических режимах. Благодаря этому двигатель получает ровно столько топлива, сколько ему необходимо.
Высокая нагрузка.
Использование систем К- и L-Jetronic позволяет оптимально оформить впускной тракт и увеличить крутящий момент за счёт оптимального наполнения цилиндров. В результате достигаются более высокие мощнос-
Обзор
Рис. 4: Многоточечный впрыск
1 топливо, 2 воздух, 3 дроссельная заслонка, 4 впускной коллектору форсунки, 6 двигатель.
7
Смесе-
образование
ти и оптимальный крутящий момент. Благодаря тому, что замер расхода воздуха и подача топлива при впрыске разделены, при использовании системы Mono-Jetronic достигается повышенная мощность по сравнению с карбюратором вследствие уменьшения дросселирования.
Динамичное ускорение
Системы впрыска реагируют незамедлительно на изменение нагрузки. Это справедливо как для много - так и для одноточечного впрыска: при многоточечном впрыске топливо подаётся непосредственно к впускному клапану, в результате чего значительно уменьшается пленкообра-зование. При одноточечном впрыске вследствие движения смеси во впускном коллекторе приходится учитывать образование и испарение пленки на переходных режимах. Соответствующие системы и функции при подаче топлива и смесеобразовании позволяют преодолеть и этот фактор.
Улучшение холодного пуска и прогрева двигателя
Посредством точной дозировки топлива, в зависимости от температуры и пусковой частоты вращения удаётся достичь быстрого пуска и добиться быстрого возрастания частоты вра-жения до холостого хода.
При прогреве за счёт подачи точного количества топлива достигается равномерная работа двигателя и хорошая реакция на увеличение нагрузки при минимально возможном расходе топлива.
Низкотоксичные отработавшие газы Концентрация токсичных компонентов находится в прямой зависимости от коэффициента избытка воздуха. Если ставится задача эмиссии возможно меньшего количества вредных веществ двигателем, то возникает необходимость обеспечения определённого коэффициента избытка воздуха в процессе смесеобразования. Системы впрыска обеспечивают требуемую точность в процессе смесеобразован ия.
Рис. 5: Одноточечный впрыск
1 топливо, 2 воздух, 3 дроссельная заслонка, 4 впускной коллектор, 5 форсунка, 6 двигатель.
8
История впрыска
Впрыск бензина имеет почти 100-летнюю историю. Ещё в 1898 газомоторная фабрика Дойтц изготавливала в небольшом количестве плунжерные насосы для впрыска бензина. После того как несколько позднее был открыт принцип карбюратора старая система стала неконкуррентноспособной. Фирма Бош в 1912 году начала опыты по бензиновым впрыскивающим насосам. В 1937 году первый самолётный двигатель мощностью 1200 лошадиных сил с системой вспрыска бензина фирмы Бош был запущен в серию. Ненадёжность карбюраторной техники из-за опасности обледенения и возгорания заставила вести разработки именно в направлении впрыска бензина. Собственно, с этого и началась эра систем впрыска бензина Бош, но до применения её на автомобилях было ещё далеко.
В 1951 году система непосредственного впрыска Бош впервые была установлена серийно на малом автомобиле, а несколько позже осуществлено её внедрение на легендарном спортивном серийном автомобиле 300 SL фирмы Даймлер-Бенц. В последующие годы механические насосы впрыска разрабатывались всё активнее и в 1967 году удалось сделать в
этой области ещё один шаг вперёд: появилась первая электронная система впрыска D-Jetronic, управляемая давлением во впускном коллекторе!
В 1973 году на рынке появилась система L-Jetronic, замерявшая количество воздуха. Одновременно появилась система K-Jetronic с гидромеханическим управлением, и также с измерением количества воздуха.
В 1979 году была внедрена новая система - Motronic с цифровой обработкой многих функций двигателя. Эта система связала систему L-Jetronic и электронную систему зажигания. Это был первый микропроцессор в автомобиле!
В 1982 году была предложена система KE-Jetronic, как дополненная электронным блоком и лямбда-зондом система K-Jetronic.
В 1983 году появилась система Mono-Jetronic - недорогая система одноточечного впрыска, что позволило применять её и на небольших автомобилях.
Системы впрыска Бош нашли применение в 1991 году по всему миру на 37 млн. автомобилей.
В1992 году было изготовлено 5,6 млн. систем управления двигателем, из них 2,5 млн. Mono-Jetronic и Мопо-Motronic и 2 млн. систем Motronic.
Внедрение впрыска в автомобилестроении неуклонно расширяется.
История впрыска
Система впрыска бензина Бош 1954 года.
зас— Система зажигания
Задачи
Задачей системы зажигания является воспламенение сжатой топливовоздушной смеси в требуемый момент и тем самым инициализация процесса сгорания. В двигателе Отто это происходит от электрической искры, те. от кратковременного дугового разряда между электродами свечи зажигания. Хорошо работающее в любых условиях зажигание создаёт предпосылки для безупречной работы катализатора. Перебои в зажигании ведут к повреждению и разрушению катализатора вследствие его перегрева при догорании несгоревшей смеси.
Требования
Воспламенение смеси
Для воспламенения топливовоздушной смеси посредством электрической искры требуется примерно 0,2 тДж. энергии на одну искру при условии стехиометрического состава смеси. Для богатых и бедных смесей требуется энергия более 0,3 тДж. Эта энергия - только малая часть имеющейся в свече общей энергии зажигания. Если энергия зажигания мала, то зажигания не произойдет, т.к. смесь не сможет воспламениться. Поэтому количество энергии должно быть достаточным, так чтобы и в самых неблагоприятных условиях топливовоздушная смесь уверенно воспламенялась. Вполне достаточно, чтобы около искры находилось незначительное количество смеси. Воспламенившись, это количество поджигает остальную смесь в цилиндре, начав тем самым процесс сгорания топлива. Хорошая подготовка смеси и её лёгкий доступ
к искре улучшает качество зажигания, чему также способствует увеличенная продолжительность и длина искры или, что то же самое, увеличение зазора между электродами. Положение искры и её длина определены свечей зажигания, её продолжительность - типом и исполнением аппаратуры зажигания, а также условиями, в которых зажигание происходит.
Возникновение искры
Искра между двумя электродами может возникнуть только при наличии достаточно высокого напряжения. Напряжение на электродах свечи возрастает к моменту зажигания от нуля скачкообразно вверх, пока не достигнет напряжения пробоя (напряжение зажигания). Как только искра образовалась, напряжение на свече зажигания падает до напряжения горения.
Рис 1: Протекание напряжения на свече зажигания при спокойной или малоподвижной смеси
К напряжение пробоя, S напряжение горения, Zf продолжительность искры.
10
Задачи,
Требования
За время горения искры (продолжительность искры) топливовоздушная смесь имеет возможность воспламениться. После гашения искры напряжение волнообразно спадает (рис. 1). Желательная сама по себе сильная турбулизация смеси может привести к задуванию искры и тем самым к неполному сгоранию. Поэтому накопленная в катушке зажигания энергия должна быть достаточной для одно- или (в случае необходимости) для многократного последующего искрообразования.
Создание высокого напряжения и накопление энергии
Требуемое для зажигания искры высокое напряжение в батарейных системах зажигания повышается в основном с помощью катушки зажигания. Она играет при катушечном зажигании ещё одну важную роль накопителя энергии зажигания. Катушка зажигания разработана так, что создаваемое ею высокое напряжение значительно превышает требуемое для свечи зажигания: имеющееся высокое напряжение составляет 25...30 кВ при накопленной в катушке энергии в 60... 120 мДж.
Момент зажигания и его коррекция С момента воспламенения смеси до её полного сгорания проходит примерно 2 миллисекунды. При однородной смеси это время остаётся постоянным. Поэтому искра зажигания должна возникнуть в тот момент, когда давление сгорания при разных рабочих режимах двигателя было бы оптимальным. Принято определять момент зажигания по положению коленчатого вала относительно верхней мёртвой точки (ВМТ) и обозначать его в градусах до ВМТ. Этот угол называют углом опережения зажигания. Сдвиг момента зажигания в сторону ВМТ считается поздним и сдвиг от ВМТ - ранним зажиганием (рис. 2).
Момент зажигания должен быть выбран так, чтобы были выполнены следующие требования: - максимальная мощность - экономный расход топлива - предотвращение детонации и - "чистый" выхлоп
Все эти требования не могут быть выполнены одновременно, поэтому иногда неоходимы компромиссы. Каждый наилучший момент зажигания зависит от многих факторов, особенно от частоты вращения двигателя, его нагрузки и конструкции, от топлива, а также специфических рабочих режимов двигателя (например: пуск, холостой ход, полная нагрузка, принудительный холостой ход). Основную настройку момента зажигания для текущего рабочего режима двигателя обеспечивает устройство коррекции момента зажигания по частоте вращения и нагрузке двигателя. Предпочитаемая сегодня высокая степень сжатия смеси в двигателях Отто вызывает значительно более высокую опасность детонации, нежели ранее .применявшиеся степени сжатия. Детонация двигателя происходит вследствие взрывного сгорания частиц смеси, до которых не дошел фронт пламени от искры зажигания. В этом случае момент зажигания лежит в
11
Система зажигания
положении слишком "раннее". Детонация ведёт к повышению температуры в камере сгорания, отчего возможно калильное зажигание, а также к резкому возрастанию давления. Взрывное сгорание создаёт колебания давления, значительно превышающие нормальное давление сгорания (рис. 3). Различаются два вида детонации:
-	Детонация при разгоне при малых оборотах и большой нагрузке (слышна как звон) и
-	высокооборотная детонация при больших частотах вращения и большой нагрузке. Высокооборотная детонация является для двигателя особо критичной. Из-за шума двигателя её не слышно. Поэтому слышимые стуки не дают полной картины детонации, но электронная техника позволяет её точно замерить. Продолжительная детонация разрушительно действует на двигатель (пробой прокладки головки блока, вкладышей, прогар поршня) и свечи зажигания.
Склонность к детонации зависит также и от конструкции двигателя (например: конфигурации камеры сгорания, равномерности состава топливовоздушной смеси, движения потока во впускном тракте) и от топлива.
Момент зажигания и токсичность
Зависимость удельного расхода топлива и вредных выбросов от коэффициента избытка воздуха и момента зажигания показана на рисунках 4 и 5. Удельный расход топлива с возрастанием коэффициента избытка воздуха сначала падает и возрастает снова при Л = 1,1...1,2. Оптимальный угол зажигания, при котором устанавливается самый низкий удельный расход топлива, увеличивается при повышении коэффициента избытка воздуха. Зависимость удельного расхода топлива от коэффициента избытка воздуха объясняется тем, что при оптимальном моменте зажигания сгорание в условиях богатой из-за недостатка воздуха смеси протекает неполностью, а в условиях бедной смеси, при приближении к границам воспламеняемости, сгорание затяги-вается, а также возникают его перебои, что ведёт к увеличению расхода топлива. Увеличение опти-мального угла опережения зажигания с ростом коэффициента избытка воздуха основано на том, что задержка воспламенения с повышением коэффициента избытка воздуха возрастает. Это явление должно корректироваться посредст-
Рис. 3: Диаграмма давления в камере сгорания при различных углах опережения зажигания.
1 зажигание Za в правильный момент
2 зажигание Zb слишком раннее (детонационное сгорание)
3 зажигание Zc слишком позднее
Рис. 4: Влияние коэффициента избытка воздуха а и момента зажигания az на расход топлива.
Коэффициент избытка воздуха a
12
Задачи,
требования
вом сдвига момента зажигания в сторону опережения.
Аналогичный характер имеет эмиссия СН, минимум которой также лежит при а = 1,1. Её возрастание в области бедных смесей зависит от охлаждения стенок камеры сгорания. В результате этого охлаждения гасится пламя. В экстремально бедном режиме возникает затянутое сгорание и его перебои, что при приближении к границе воспламеняемости повторяется всё чаще. Коррекция момента зажигания на более ранний действует при а > 1,2 в сторону повышения эмиссий СН, сдвигая при этом границу воспламенения в сторону обедненной смеси. Поэтому в обедненом режиме при а > 1,25 при более раннем моменте зажигания эмиссия СН снижается. Совершенно по другому протекает эмиссия окислов азота (NOX). Она возрастает с увеличением концентрации кислорода (О2) и с возрастанием температуры сгорания до максимума. Тем самым получается колоколобразная кривая эмиссии NOX: возрастание до а = 1,05 по причине возрастания концентрации О2 и максимальной температуры сгорания, а затем резкое падение при обеднении смеси из-за быстрого падения максимальной температуры сгорания на основе обеднения смеси. Этим объясняется и сильное влияние момента зажигания. Эмиссия NOX сильно возрастает с увеличением угла опережения зажигания.
Если бы предписания по охране окружающей среды потребовали бы работы двигателя в режиме а= 1,2...1,4, то требования к корректору опережения зажигания были бы значительно выше.
Для систем нейтрализации токсичности отработавших газов с трёхкомпонентным катализатором, требуется состав смеси а = 1, так что лишь угол опережения может быть принят за оптимирующий критерий.
Рис. 5: Влияние коэффициента избытка воздуха а и момента зажигания az на вредные выбросы.
Коэффициент избытка воздуха a
Коэффициент избытка воздуха a
Коэффициент избытка воздуха а
13
Motronic
Система управления двигателем Motronic
Общее описание системы Motronic
Обзор системы
Motronic объединяет в одном блоке управления всю электронику управления двигателем, которая выполняет все желаемые функции в двигателях Отто. Измерительные датчики (сенсоры) на двигателе регистрируют все требуемые параметры, например такие цифровые входы как: - зажигание (вкл./выкл.), - положение распредвала, - скорость автомобиля, - включенная передача, - переключение передач, - кондиционер и т.д.
или аналоговые входы как:
-	напряжение аккумуляторной батареи,
-	температура двигателя,
-	температура воздуха на впуске, - количество воздуха,
-	угол открытия дроссельной заслонки,
-	Лямбда-зонд,
-	датчик детонации и т.д. а также
-	частота вращения двигателя.
Входные схемы блока управления подготавливают сигналы для микро-процессора. Он обрабатывает эту информацию, распознает по ним состояние двигателя и в зависимости от него проводит расчёты и выдает исполнительные сигналы. На оконечных ступенях эти сигналы усиливаются и подаются на исполнительные звенья системы, управляя таким образом двигателем. Тем самым достигается
оптимальное согласование между вспрыском, наилучшим смесеобразованием и правильным моментом зажигания на различных режимах работы двигателей Отто.
Исполнения системы Motronic
Последующее описание с приведённой схемой относится к типичному исполнению системы Motronic (Рис. 1). Последующие варианты обусловлены индивидуальными требованиями, которые ставит законодательство и автомобилестроение различных стран к системам управления двигателем.
Основная функция
Управление зажиганием и впрыском бензина (независимо от исполнения) являются ядром системы Motronic.
Дополнительные функции
Дополнительные функции управления и регулирования (стали необходимыми вследствие принятия законодательства по уменьшению вредных эмиссий и расхода топлива) расширяют базовые функции системы Motronic и обеспечивают контроль всех компонентов, влияющих на состав отработавших газов.
К ним относятся:
-	регулировка частоты вращения холостого хода,
-	Лямбда-регулирование,
-	управление системами улавливания топливных испарений,
-	детонационное регулирование, - рециркуляция ОГ для снижения эмиссий NOx
-	управление системой подачи вторичного воздуха для снижения эмиссий СН.
14
При более высоких требованиях система может дополняться функциями: - управление турбонагнетателем, а также переключением конфигурации впускного тракта для повышения мощности двигателя, - управление распределительным валом для снижения эмиссий и расхода топлива, а также повышения мощности двигателя
- детонационное регулирование, а также ограничение частоты вращения и скорости для защиты двигателя и автомобиля.
Управление автомобилем
Система Motronic поддерживает работу блоков управления других систем автомобиля. Так она позволяет в со
вокупности с блоком управления автоматической коробкой передач такое переключение, которое посредством снижения крутящего момента двигателя при переключении предохраняет передачу и совместно с антиблокировочной (АБС) и противо-буксовочной (ПБС) системами создаёт повышенную безопасность при езде. Нижеприведённая схема показывает максимальный объем системы Motronic. Такая система может быть использована для выполнения
-	строгих ограничений по токсичности отработавших газов
-	требований по бортовой диагностике в штате Калифорния (США) с 1993 г.
Общая система
Рис. 1:Схема системы Motronic М5 с бортовой диагностикой (OBD).
1	адсорбер
2	запорный клапан
3	клапан продувки адсорбера
4	регулятор давления топлива
5	форсунка
6	клапан управления клапаном рециркуляции
7	катушка зажигания
8	датчик фазы
10	клапан вторичного воздуха
11	датчик расхода воздуха
12	блок управления
13	датчик положения дроссельной заслонки
14	регулятор холостого хода
15	датчик температуры воздуха
16	клапан рециркуляции
17	топливный фильтр
18	датчик детонации
19	датчик частоты вращения
20	датчик температуры двигателя
21	Лямбда-зонд
22	диагностический разъём
23	лампа диагностики
24	датчик разности давления
25	электробензонасос
9 насос вторичного воздуха
15
Motronic
Топливная система
Топливоподача
Система топливоподачи
Система топливоподачи имеет задачу на любых режимах подавать в двигатель необходимое количество топлива. Для этого топливо нагнетается из топливного бака электроприводным насосом через топливный фильтр к распределителю с электромагнитными форсунками. Форсунки вспрыскивают топливо точными дозами во
впускные каналы двигателя. Неизрасходованное горючее, протекая через регулятор давления, возвращается в топливный бак (рис. 1). В большинстве случаев регулятор давления использует давление во впускном тракте как опорное. При типовом давлении и потоке через топливорас-пределитель (охлаждение топлива) не возникает нежелательного парообразования в топливе. Таким путём создаётся постоянная разность давлений на форсунках, обычно 300 кПа. В случае необходимости в систему топливоподачи могут быть встроены демпферы для гашения пульсаций давления.
Рис. 1: Система топливоподачи
1 электробензонасос, 2 топливный фильтр, 3 топливораспределитель, 4 форсунка 5 регулятор давления топлива
16
Топливная
система
Электробензонасос
Задача
Электробензонасос постоянно нагнетает топливо из топливного бака. Он может быть встроен непосредственно в топливный бак (погружной) или расположен снаружи (магистральный).
Применяемые в большинстве сегодня погружные насосы (рис. 2 и 3) смонтированы в баке вместе с датчиком уровня топлива и завихрителем, служащим для отделения пузырьков пара в сливном канале. Во избежание перегрева при применении погружных насосов в топливный бак может быть
встроен насос подкачки, который подаёт топливо к главному насосу под малым давлением. Для обеспечения требуемого давления на любых режимах, к двигателю подаётся значительно больше топлива, чем он максимально расходует.
Электробензонасос включается от блока управления двигателя. Реле защиты предотвращает подачу топлива при включённом зажигании и неработающем двигателе.
Рис. 2:
Двухступенчатый электронасос (секции с боковым каналом и с шестернями внутреннего зацепления)
1 первая ступень (секция с боковым каналом), 2 главная ступень (шестерни внутреннего зацепления), 3 якорь, 4 коллектор, 5 обратный клапан, 6 штеккер.
Рис. 3:
Двухступенчатый электронасос (секции с боковым каналом и периферийного на гнетания)
1 всасывающая крышка со штуцером, 2 турбинка, 3 первая ступень (насос с боковым каналом), 4 главная ступень (с периферийным нагнетанием) 5 корпус, 6 якорь, 7 обратный клапан, 8 крышка подключения со штуцером.
17
Motronic
Устройство
Электробензонасосы состоят из следующих элементов:
-	насосная часть
-	электродвигатель и крышка подключения
Электродвигатель и насосная часть электробензонасоса находятся в общем корпусе и постоянно омываются топливом. Это благоприятно сказывается на охлаждении электродвигателя. Из-за отсутствия кислорода в корпусе взрывоопасная смесь образоваться не может. Поэтому опасности взрыва не существует. В крышке подключения находятся электроконтакты, обратный клапан и нагнетательный штуцер. Обратный клапан определенное время держит систему под давлением после отключения электробензонасоса во избежание образования паровых пробок. Дополнительно в крышке подключения могут быть вмонтированы помехо-подавительное устройства для подавления помех от искрообразования. Разновидности конструкций
В зависимости от требований к системам применяются насосы различных принципов действия (рис. 4). Объёмные насосы
Роликовые насосы и шестеренные насосы внутреннего зацепления относятся к группе объёмных насосов. Действие насоса состоит в том, что вращающиеся камеры меняющейся величины открывают впуск и за счёт увеличения камеры засасывают топливо. Когда достигается максимальное заполнение, входное отверстие закрывается и открывается выпускное. Посредством уменьшения камер топливо выталкивается. В роликовых насосах камеры образуются за счёт вращающихся роликов, находящихся в сепараторе. Под влиянием центробежной силы и топливного давления они прижимаются к эксцентрической поверхности статора. Эксцентриситет между сепаратором и статором обуславливает увеличение и уменьшение объема камер.
Рис. 4: Принцип действия.
а) роликовый насос
6) периферийный насос
в) шестеренный насос внутреннего зацепления
г) насос с боковым каналом
г
18
Топливная
система
Шестеренный насос внутреннего зацепления состоит из одной внутренней приводной шестерни, находящейся в зацеплении с эксцентрично установленным ротором, который имеет на один зуб больше. Боковые стороны зуба при вращении образуют в своих промежутках меняющиеся камеры. Роликовые насосы могут применяться при давлении топлива до 650 кПа, шестеренный насос внутреннего зацепления до 400 кПа, что вполне достаточно для всех применений системы Motronic.
Лопастные насосы
К лопастным насосам относятся периферийные и насосы с боковым каналом. В них частицы топлива ускоряются турбинкой и вытесняются в один канал, где они посредством импульсного обмена создают давление. Периферийные насосы отличаются от насосов с боковым каналом большим количеством лопаток, формой турбинок и наличием распределённых по окружности каналов. Периферийные насосы могут создать давление топлива только до 300 кПа, но они особенно хорошо подходят для малошумных применений на автомобиле благодаря непрерывному, практически не пульсирующему течению топлива. Насосами с боковым каналом создается давление только до 100 кПа. Их применяют как подкачивающие насосы в системах с магистральным насосом и
как первую ступень при двухступенчатых погружных насосах в автомобилях с проблемами горячего пуска, а также в системах с одноточечным вспрыском.
Топливный фильтр
Загрязнения топлива могут отрицательно влиять на функции форсунок и регулятора давления. Поэтому электробензонасосу необходим фильтр. Топливный фильтр имеет бумажный элемент с пористостью около 10 мкм. Он находится в металлическом корпусе и фиксируется опорным фланцем. Интервал замены зависит от объёма фильтра и загрязнения топлива.
Топливный распределитель
Топливо протекает через топливный распределитель и таким образом равномерно распределяется на все форсунки. Рядом с форсунками в большинстве случаев находится регулятор давления и в некоторых случаях демпфер гашения пульсаций давления, которые обычно крепятся к топливному распределителю. Подбор размеров распределителя устраняет локальные пульсации давления вследствие резонансов при открытии и закрытии форсунок. Тем самым предотвращаются нестабильное и зависящее от частоты вращения дозирование. В зависимости от требований к различным типам автомобилей топливные распределители изготавливаются из стали, алюминия или пластмассы. В целях контроля и сброса давления топлива при обслуживании может быть встроен контрольный клапан.
Регулятор давления топлива
Доза вспрыскиваемого топлива должна зависеть только от времени впрыска. Поэтому разница между давлением топлива в топливном распределителе и давлением во вспускной трубе должна оставаться постоянной. Зависящее от нагрузки давление во впускной трубе должно быть отражено на давлении топлива.
19
Motronic
Поэтому регулятор давления топлива пропускает обратно в бак столько горючего, сколько необходимо для того, чтобы перепад давления на форсунках оставался постоянным. В целях полного промывания топливного распределителя регулятор давления топлива обычно монтируется в его конце. Он может также находиться и в топливном трубопроводе. Регулятор давления топлива выполнен в виде мембранного регулятора избыточного давления (рис. 6). Резинотканевая мембрана делит регулятор топливного давления на топливную и пружинную камеры. Через встроенный в мембрану корпус клапана пружина прижимает подвижную клапанную пластину к клапанному седлу. Когда сила давления топлива на мембрану превысит силу пружины, клапан откроется и пропустит такое количество топлива, которое необходимо для восстановления равновесия на мембране. Пружинная камера пневматически связана с впускным каналом за дроссельной заслонкой. Поэтому разряжение в коллекторе действует и в пружинной камере, а соотношение давлений на мембране остаётся таким же, как и на форсунках. Оно зависит только от силы пружины и площади мембраны и следовательно остаётся постоянным.
Демпфер гашения пульсаций давления топлива
Цикличность работы форсунки и периодичность подачи топлива электробензонасосом объемного действия ведёт к пульсациям давления топлива. При определённых обстоятельствах они могут через элементы крепления электробензонасоса, топливопроводов и топливного распределителя воздействовать на топливный бак и кузов автомобиля. Возникающие при этом шумы могут быть устранены путём специальной конструкции элементов крепления и специального демфера пульсаций давления топлива (рис. 7), похожему по своему устройству на регулятор
Рис. 6: Регулятор давления топлива.
1 штуцер подключения к впускному тракту,
2 пружина, 3 корпус клапана,
4 мембрана, 5 клапан, 6 подвод топлива,
Рис. 7:Демпфер пульсаций давления
1 пружина, 2 пружинная тарелка,
3 мембрана, 4 подвод топлива,
5 отвод топлива.
давления. Как и в последнем, топливная и воздушная камеры разделены подпружиненной мембраной. Сила пружины рассчитана так, что мембрана сдвигается со своего седла как только давление топлива достигнет своего рабочего значения. Изменяющийся при этом объем топливной камеры может при пульсациях давления принимать топливо, а при падении его снова отдавать. Чтобы при колебаниях абсолютного давления топлива, обусловленного давлением во впускном тракте, обеспечить стабильный оптимальный рабочий режим, пространство пружинной камеры может быть подключено к впускному тракту. Как и регулятор давления топлива демпфер пульсаций давления может располагаться на распределителе или на топливопроводах.
20
Топливная
система
Впрыск топлива
Жесткие требования к устойчивой работе и составу выхлопных газов автомобиля обуславливают высокие требования к смесеобразованию для каждого рабочего такта. Наряду с точной дозировкой вспрыскиваемой топливной массы в соответствии с количеством воздуха, поступившего в двигатель, имеет важное значение и момент впрыскивания. Поэтому каждый цилиндр двигателя имеет электромагнитную форсунку. Она впрыскивает топливо строго дозированно и в регулируемый блоком управления момент времени непосредственно перед впускным (-ыми) клапаном (-нами) цилиндра. Тем самым можно
избежать образования плёнки на стенках впускного тракта на нестационарных режимах двигателя, которые вызывают частичные отклонения от желаемых значений а. Впускной тракт двигателя направляет только воздух для сгорания и тем самым может быть оптимально приспособлен к газодинамическим требованиям двигателя.
Электромагнитная форсунка
Электромагнитная форсунка имеет клапанную иглу с насаженным магнитным сердечником (рис. 8 и 9).
Она очень точно пригнана в корпусе распылителя. Спиральная пружина прижимает клапанную иглу в спокойном состоянии к уплотнительному

Рис. 8: Форсунка впрыска (с верхниым подводом топлива)
1 фильтр в канале подвода топлива,
2 штекер, 3 обмотка, 4 корпус форсунки,
5 сердечник, 6 направляющая иглы, 7 клапанная игла.
Рис. 9: Форсунка впрыска (с боковым подводом топлива)
1 штекер, 2 фильтр в канале подвода топлива,
3 обмотка, 4 корпус форсунки,
5 сердечник, 6 корпус распылителя,
7 клапанная игла.
21
Motronic
седлу корпуса распылителя и закрывает таким образом выходное топливное отверстие во впускной канал двигателя.
Как только блок управления включает ток в обмотку форсунки, сердечник с клапанной иглой поднимается на 60...100 /угл, вследствие чего топливо впрыскивается через калиброванное отверстие.
В зависимости от способа впрыска, частоты вращения и нагрузки двигателя время включения составляет 1,5...18 мс при частоте срабатывания 3...125 Гц.
Соответстветственно применению имеются различные типы форсунок:
Форсунка с верхним подводом топлива
В такой форсунке топливо протекает по оси сверху. Она вставляется верхним уплотнительным кольцом в соответствующей формы отверстие топливного распределителя и крепится одним зажимом. Нижним уплотнительным кольцом она находится во впускном коллекторе двигателя (рис. 8).
Форсунка с боковым подводом топлива Встроенная в топливный распределитель форсунка такого типа омывается топливом. Подвод топлива осуществияется сбоку. Топливный распределитель смонтирован непосредственно на впускном коллекторе. Форсунка крепится прижимом или
Рис. 10: Форсунка впрыска с боковым подводом топлива, встроенная в топливный распределитель.
1 подвод топлива, 2 форсунка, 3 штекер, 4 контактная шина,
Рис. 11: Виды дозировки и смесеобразования
1 Распылитель с кольцевым каналом, 2 однодырчатый распылитель , 3 многодырчатый распылитель, 4 многодырчатый двухфакельный распылитель
22
Топливная
система
крышкой топливного распределителя, в которой может располагаться также и штекер. Два уплотнительных кольца предотвращают утечку топлива. Наряду с хорошими характеристиками горячего пуска и работы за счёт охлаждения топлива, модуль, состоящий из топливного распределителя и форсунок отличается уменьшенной конструктивной высотой (рис. 9 и 10).
Смесеобразован ие
При выборе типа топливного дозирования учитывается требование наименьшего образования плёнки на стенках впускного канала при хорошей однородности топливовоздушной смеси, достигаемых посредством распыления топлива. Калиброванные
Рис. 12: Форсунка впрыска с воздушным обтеканием.
1 подвод воздуха,
2 подвод топлива.
2
распыливающие отверстия форсунок соответствуют этому требованию (рис. 11 )
При кольцевом распылении часть клапанной иглы (штифт) выступает за корпус распылителя. Образующаяся при этом кольцевая щель и есть калиброванное распыливающее отверстие. Штифт имеет на своём нижнем конце шлифованную отрывную кромку, на которой топливо конусообразно распыляется.
Форсунки с однодырчатым распылителем имеют вместо штифта одну тонкую шайбу с распыляющим калиброванным отверстием, из кото-рого подается тонкая топливная струя. При этом почти не создаётся плёнки на стенках впускного канала, но топливо мало распыляется. Форсунки впрыска с многодырчатым распылителем имеют также одну шайбу, которая при данном типе имеет несколько калиброванных отверстий. Они распределены так, что создают при распылении конусообразный факел, похожий на факел кольцевого распылителя, примерно с такой же интенсивностью распыла. Отверстия могут быть изготовлены так, что создаются два или более факелов. Таким образом, на двигателях с несколькими клапанами на цилиндр возможно более оптимальное разделение топлива на каждый впускной канал. Форсунки с обтеканием воздухом позволяют добиться дальнейшего улучшения смесеобразования (рис. 12).
С этой целью воздух из впускной трубы перед дроссельной заслонкой всасывается со звуковой скоростью через калиброванную щель прямо у шайбы распылителя. Благодаря молекулярному взаимодействию топлива и воздуха топливо очень мелко распыляется. Чтобы воздух всасывался через щель, необходим перепад давления во впускном трубопроводе на дроссельной заслонке. Поэтому впрыск с обтеканием воздухом действует в основном при частичных
нагрузках двигателя.
23
Motronic
Высоковольтный контур
В высоковольтном контуре систем зажигания вырабатывается необходимое для зажигания высокое напряжение и подаётся в требуемый момент на свечу зажигания.
Высоковольтный контур систем Motronic может быть выполнен различно: - высоковольтная цепь с одной катушкой зажигания, одним коммутатором зажигания и распределителем высокого напряжения (динамическое распределение высокого напряжения, ДРВН).
- высоковольтная цепь с индивидуальной катушкой зажигания и коммутатором зажигания на каждый цилиндр (статическое распределение высокого напряжения, СРВН)
- высоковольтная цепь с двухвыводной катушкой зажигания и одним коммутатором зажигания для двух цилиндров (статическое распределение высокого напряжения, СРВН).
Катушка зажигания
Задача
Катушка зажигания накапливает необходимую энергию зажигания и вырабатывает требуемое высокое напряжение для возникновения искры в момент зажигания.
Устройство и функция
Функция катушки зажигания основывается на законе индукции. Она состоит из двух магнитосвязанных медных обмоток (первичной и вторичной обмотки). Накопленная энергия магнитного поля первичной обмотки передаётся на вторичную . Ток и напряжение преобразовываются в зависимости от соотношения чисел витков обмоток (коэффициент трансформации) с первичной на вторичную цепь (рис. 1).
Современные катушки зажигания состоят из замкнутого железного сердечника, составленного из отдельных пластин, и пластмассового корпуса. Внутри него непосредственно на сердечнике расположена первичная обмотка. Снаружи находится вторичная обмотка, которая в целях повышения изоляции изготовлена из кольцевых или камерных обмоток. Корпус в целях изоляции обмоток и сердечника залит эпоксидной смолой. Исполнение и параметры катушек зажигания подбираются соответственно применению.
Коммутатор зажигания
Задача и функция
Коммутатор зажигания с многокаскадными силовыми транзисторами служит для включения и выключения первичного тока через катушку зажигания. Он заменяет ранее применявшийся в системе зажигания прерыватель. Дальнейшей задачей коммутатора зажигания является ограничение первичного напряжения и тока. Ограничение первичного напряжения предотвращает превышение вырабатываемого высокого напряжения, а тем самым повреждение деталей вторичного контура. Ограничение первичного тока под-
Рис. J: Катушки зажигания (схема).
Динамическое распределение: а) одновыводная катушка зажигания. Статическое распределение: б) одновыводная (индивидуальная) катушка зажигания в) двухвыводная катушка зажигания.
24
Высоковольт-
ный контур
держивает энергию системы зажигания в предусмотренных пределах. Бывают внутренние (встроенные в блок Motronic) и внешние (расположенные отдельно) коммутаторы зажигания.
Выработка высокого напряжения
Блок Motronic включает коммутатор зажигания на расчётное время замкнутого состояния. В течение этого времени первичный ток катушки зажигания возрастает до заданного уровня.
Величины заданного тока и индуктивности первичной обмотки определяют накопленную в магнитном поле энергию системы зажигания. В момент зажигания коммутатор прерывает электрическую цепь. Во вторичной обмотке катушки зажигания под влиянием изменения магнитного поля индуцируется вторичное напряжение.
Максимально возможное вторичное напряжение зависит от накопленной энергии системы зажигания, качества обмотки и коэффициента трансформации катушки зажигания, нагрузки вторичного контура и ограничения первичного напряжения в коммутаторе зажигания.
Величина вторичного напряжения должна быть в любом случае выше, чем напряжение, требуемое для образования искры на свече зажигания (потребное напряжение зажигания). Искровая энергия для воспламенения смеси должна быть достаточной и на случай последующего искрообразова-ния.
При включении первичного тока на вторичной обмотке индуцируется нежелательное напряжение примерно в 1...2 кВ (напряжение включения); оно имеет полярность, обратную высокому напряжению. Образование искры на свече (искра включения) происходить не должно.
При системах с динамическим распределением высокого напряжения* возникновение искры включения эффективно подавляется за счёт вклю
чения искрового промежутка распределителя. При статическом распределении высокого напряжения с индивидуальной катушкой зажигания диод в цепи высокого напряжения предотвращает искру включения. При статическом распределении высокого напряжения с двухвыводной катушкой зажигания за счёт высокого пробойного напряжения последовательного включения двух свечей зажигания появление искры включения подавляется без дополнительных мероприятий.
Распределение высокого напряжения
Динамическое распределение высокого напряжения (ДРВН)
В обычных системах зажигания высокое напряжение катушки зажигания распределяется посредством механического распределителя на каждый отдельный цилиндр. В связи с тем, что функции распределителя зажигания (механическое изменение угла от частоты вращения и нагрузки) в системе Motronic осуществляются электронно, могут быть применены упрощённые распределители высокого напряжения.
Отдельными деталями распределителя высокого напряжения являются: - изолирующая крышка
-	бегунок с помехоподавляющим резистором
-	крышка распределителя с выводами и
-	помехоподавительная крышка Распределительный ротор находится при этом прямо на распределительном валу.
Распределение высокого напряжения гарантировано только в определённом диапазоне углов зажигания, который с увеличением числа цилиндров уменьшается. У 6-цилиндровых систем центробежный регулятор может значительно расширить этот диапазон, у 8-цилиндровых систем в большинстве случаев для этого требуется разделение на две 4-цилиндровые группы.
25
Motronic
Статическое распределение высокого напряжения (СРВН)
Каждый цилиндр снабжен катушкой зажигания и коммутатором зажигания, которые соответственно управляют последовательностью работы цилиндров по командам блока управления Motronic. В связи с тем, что потери от распределения исчезли,- появилась возможность значительно уменьшить размеры этих катушек . Чаще всего их монтируют прямо на свече зажигания. Статическое распределение высокого напряжения с индивидуальной катушкой зажигания универсально для любого числа цилиндров. Больше нет ограничений величины угла зажигания; разумеется, эта система должна дополнительно синхронизироваться через датчик положения распределительного вала (рис 2).
Системы с двухвыводной катушкой зажигания
Катушка зажигания и коммутатор в этом случае обслуживают два цилиндра. Концы вторичной обмотки катушки подключены соответственно к свечам различных цилиндров. Цилиндры выбраны так, что в то время , когда один из них находится в такте сжатия, другой производит выпуск. В момент зажигания на обеих свечах зажигания образуется искра. При этом должна быть уверенность, что при появлении её в момент выпуска (опорная искра) остаточные или свежие газы в цилиндре не воспламенятся. При этом ограничение возможного диапазона угла зажигания незначительно. Данная система не должна синхронизироваться с распределительным валом (рис. 3).
Соединительные и помехоподавляющие средства
Высоковольтные провода
Высоковольтное напряжение катушки зажигания должно подаваться к свечам зажигания. Для этого приме
няются устойчивые к высоким напряжениям медные провода с пластмассовой изоляцией, на концах которых находятся подходящие высоковольтные контактные наконечники. В связи с тем, что каждый из них представляет из себя ёмкостную нагрузку для системы зажигания и тем самым снижает вырабатываемое вторичное напряжение, провода во избежание этого должны быть как можно короче.
Рис. 2: Индивидуальная катушка зажигания.
1 наружный штекер низкого напряжения,
2 пластинчатый сердечник из железа,
3 первичная обмотка, 4 вторичная обмотка,
5 внутреннее подключение высокого напряжения через подпружиненный контакт,
6 свеча зажигания.
Рис 3: Двухвыводная катушка зажигания.
1 штекер низкого напряжения, 2 сердечник из железа, 3 первичная обмотка,
4 вторичная обмотка, 5 выводы высокого напряжения.
26
Высоковольт-
ный контур
Помехоподавляющие резисторы, экранирование
Каждое образование искры на свече и распределителе зажигания создаёт поток помех по причине импульсных сильноточных разрядов. Посредством помехоподавляющих резисторов в высоковольтной цепи ограничивается превышение тока разрядов. В целях уменьшения помехоизлучения они должны находиться как можно ближе к источнику помех.
Рис 4: Свеча зажигания.
1	контакт,
2	изолятор из А12О3-керамики,
3	корпус,
4	зона тепловой усадки,
5	электропроводное стекло,
6	уплотнение,
7	составной центральный электрод Ni/Cu,
8	электрод массы.
Дальнейшего уменьшения помехоизлучения можно добиться с помощью частичного или полного экранирования системы зажигания. Обычно помехоподавляющие резисторы встраивают в наконечники свечей зажигания, подсоединительные штеккеры и при динамическом распределении напряжения в ротор. Кроме того существуют свечи зажигания со встроенными помехоподавляющими резисторами. Увеличение сопротивления во вторичном контуре ведёт к дополнительным потерям энергии в цепи зажигания и тем самым ослаблению искровой энергии на свечах зажигания.
Свечи зажигания
Свеча зажигания является керамически изолированным, газоуплотнённым передатчиком высокого напряжения в камеру сгорания. Искровой промежуток между центральным электродом и массой при достижении напряжения зажигания становится проводящим и остаточная энергия катушки зажигания преобразуется в искру, воспламеняющую смесь в камере сгорания.
Величина напряжения зажигания зависит от зазора между электродами, геометрии электродов, давления в камере сгорания и коэффициента избытка воздуха смеси в момент зажигания.
В процессе работы электроды свечи обгорают. Вследствие этого требуемое напряжение зажигания растёт и на всех режимах должно обеспечиваться вторичным напряжением системы зажигания в течение предусмотренных интервалов замены свечей.
27
Motronic
Регистрация рабочих режимов
Нагрузка двигателя
Одной из основных величин для расчёта цикловой подачи топлива и угла опережения зажигания является нагрузка двигателя (регистрация нагрузки). Для определения нагрузки двигателя в системе Motronic используются следующие чувствительные элементы:
-	датчик количества воздуха
-	нитевой датчик массового расхода воздуха
-	пленочный датчик массового расхода воздуха
-	датчик давления во впускной трубе и
-	датчик положения дроссельной заслонки.
Датчик положения дроссельной заслонки употребляется в системе Motronic преимущественно в качестве вспомогательного датчика нагрузки дополнительно к названным выше. Иногда он употребляется и в качестве основного датчика.
Датчик количества воздуха
Датчик установлен между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и производит измерение объёма воздуха [м3/ч], поступающего в двигатель. Проходящий поток воздуха
отклоняет подпорную заслонку против постоянной силы возвратной пружины. Угловое положение подпорной заслонки замеряется потенциометром. Напряжение с него передаётся на блок управления, где производится его сравнение с питающим напряжением потенциометра. Это отношение напряжений является мерой для поступающего в двигатель объёма воздуха. Определение отношений сопротивлений в блоке управления исключает влияние износа и температурные характеристики потенциометра на точность (рис 1). Чтобы пульсации проходящего воздуха не вели к колебательным движениям подпорной заслонки, она стабилизируется противовесной заслонкой и стабилизирующим объёмом. С целью учёта изменения плотности поступающего воздуха при изменении температуры датчик расхода оснащён температурным датчиком, сопротивление которого, меняясь с изменением температуры, служит для расчета коррекции. Датчик количества воздуха является составной частью большого количества систем Motronic и L-Jetronic, выпускаемых серийно. Описанные ниже чувствительные элементы уже употребляются в настоящее время и заменят датчик расхода с подпорной заслонкой в пер-спективнах системах.
Рис 1: Датчик расхода воздуха во впускной системе.
1 дроссельная заслонка, 2 датчик расхода, 3 сигнал температуры, 4 блок управления, 5 сигнал датчика расхода к блоку управления, 6 воздушный фильтр. Ql поступающий объём воздуха, а угол отклонения.
28
Регистрация
рабочих
режимов
Датчик массового расхода воздуха В случаях нитевого и пленочного датчиков массового расхода воздуха речь идёт о термических датчиках. Они устанавливаются между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и измеряют массу воздуха, поступающего в двигатель (кг/ч). Принцип действия обоих датчиков одинаков. В потоке поступающего воздуха находится электрически нагреваемое тело, которое охлаждается воздушным потоком. Схема регулирования нагревательного тока рассчитана таким образом, что всегда имеется положительная разность температуры тела относительно проходящего воздуха. В дан
ном случае ток нагрева является мерой для массы воздушного потока. При данном методе измерения производится учёт плотности воздуха, так как она также определяет величину теплоотдачи от тела к воздуху.
Нитевой датчик массового расхода воздуха
У данного измерителя воздушной массы нагревательным элементом является платиновая нить толщиной 70 мкм. Для компенсации температуры поступающего воздуха производится её измерение интегрированным в измеритель температурным датчиком. Регулировочная схема состоит в основном из мостовой схемы и усили
Рис. 2: Компоненты нитевого датчика массового расхода воздуха.
7 температурный датчик, 2 кольцо датчика с нагреваемой нитью, 3 прецизионный резистор, QM массовый поток.
Рис. 3: Мостовая схема нитевого датчика массового расхода воздуха.
Л’н - нагреватвльная нить, RK - компенсационный резистор, Л’г.г измерительный резистор, R-i, R2 - балансировочные резисторы, Um - измерительное напряжение, <2м - входящая воздушная масса на единицу времени.
Рис. 4: Нитевой датчик массового расхода воздуха.
1 гибридная схема,
2 крышка,
3 металлическая вставка,
4 внутренняя труба с нагреваемой нитью,
5 кожух,
6 защитная решётка.
7 стопорное кольцо.
29
Motronic
теля. Нагреваемая нить и температурный датчик являются составными частями мостовой схемы и выполняют функции зависящих от температуры резисторов (рис. 2-4).
Ток нагрева образует на прецизионном резисторе пропорциональный массовому потоку воздуха сигнал напряжения, который передаётся к блоку управления. С целью предупреждения дрейфа за счёт отложения загрязнений на платиновой нити после отключения двигателя нагревательная нить в течении одной секунды нагревается до температуры ведущей к испарению или осыпанию отложений и тем самым очистке нити.
Пленочный датчик массового расхода воздуха
У такого датчика нагреваемым элементом является пленочный платиновый резистор (нагреватель), который находится вместе с другими элементами мостовой схемы на керамической пластине.
Температура нагреваемого элемента измеряется зависящим от температуры резистором (поточный датчик), который включен в мостовую схему. Раздельное исполнение нагревательного элемента и поточного датчика является преимуществом регулировочной схемы. Нагреваемый элемент и датчик температуры воздуха термически разделены пазами. Вся схема регулировки находится на подложке. Напряжение на нагреваемом элементе является мерой для массы воздушного потока. Это напряжение преобразовывается электронной схемой измерителя в напряжение совместимое с блоком управления (рис. 5-7).
Стабильность точности измерений сохраняется без прожига. В связи с тем, что засорение происходит в основном на передней кромке датчика, установка основных элементов произведена по ходу потока на керамической подложке. К тому же элементы
Рис. 5: Пленочный датчик массового расхода воздуха.
а) корпус б) чувствительный элемент с нагреваемой пленкой (смонтирован в центре корпуса), 1 радиатор, 2 промежуточная деталь, 3 мощностная деталь, 4 гибридная схема, 5 чувствительный элемент.
Рис. 6: Чувствительный элемент с нагреваемой пленкой.
7 керамическая подложка, 2 паз
1<к датчик компенсации температуры, K-i резистор моста, Л’н нагреваемый резистор, Rs сопротивление чувствительного элемента.
30
Регистрация
рабочих
режимов
распределены так, чтобы отложение засорений не оказывало бы влияния на датчик.
Датчик давления во впускной трубе
Датчик давления во впускной трубе пневматически соединён с последней и замеряет абсолютное давление во впускной трубе [кПа].
Он изготавливается в виде встраиваемого элемента для блока управления или же как отдельный датчик, который устанавливается вблизи или на самой впускной трубе. При применении встроенного датчика соединение с впускной трубой производится шлангом. Датчик состоит из пневматической секции с двумя чувствительными элементами и схемы обработки сигнала, установленных на общей керамической подложке (рис. 8).
Датчик состоит из колоколообразной толстопленочной мембраны, которая образует камеру с образцовым внутренним давлением. В зависимости от давления во впускной трубе мембрана прогибается на определенную глубину. На мембране установлены пьезорезисторы, проводимость которых меняется от механического напряжения.
Резисторы включены по мостовой схеме, так что смещение мембраны вызывает изменение баланса моста. Таким образом напряжение моста является мерой давления во впускной трубе (рис. 9).
Назначением блока обработки является увеличение напряжения моста, компенсация температурного влияния и линеаризация характеристики давления. Выходной сигнал блока передаётся на блок управления.
Датчик положения дроссельной заслонки
Датчик дроссельной заслонки определяет угол её поворота для расчёта вспомогательного сигнала нагрузки. Он требуется в качестве дополни^ тельной информации для определения динамических функций,
Рис. 7: Схема пленочного датчика массового расхода воздуха.
Лк датчик компенсации температуры,
Л>н нагреваемый резистор, R-i, Rz, R3 мостовые сопротивления, UM измерительное напряжение, /н нагревательный ток, rL температура воздуха, См входящий воздушный поток на единицу времени.
Рис. 8: Датчик давления (для установки в блок управления).
1 штуцер, 2 камера под давлением с чувствительным элементом, 3 уплотнительная стенка, 4 блок обработки, 5 толстопленочная гибридная схема.
Рис. 9: Мембрана датчика давления.
7 пьезорезисторы, 2 основная мембрана,
3 камера образцового давления,
4 керамическая подложка, р давление.
Motronic
распознавания режимов (холостой ход, частичная и полная нагрузки) и в качестве источника аварийного сигнала при выходе из строя основного датчика нагрузки. Датчик устанавливается на патрубке дроссельной заслонки и находится на одной оси с ней. Потенциометр замеряет угловое положение дроссельной заслонки и передаёт соотношение напряжений через резисторную схему на блок управления (рис. 10 и 11). Использование датчика дроссельной заслонки в качестве основного датчика нагрузки предъявляет повышенные требования относительно точности, что достигается за счёт установки двух потенциометров (две угловые зоны) и усовершенствования опор вращения. Поступающая масса воздуха определяется блоком управления в зависимости от
Рис. 10: Датчик положения дроссельной заслонки.
1 ось дроссельной заслонки, 2 резисторная дорожка 1, 3 резисторная дорожка 2, 4 рычаг с ползунком, 5 штекер.
12 3	4
Рис. 11: Схема датчика дроссельной заслонки.
Um измерительное напряжение,
Ri, R2 резисторные дорожки 1 и 2, Rs, R4R5 подстроечные резисторы, 1 дроссельная заслонка.
положения дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. Температурные колебания воздушной массы учитываются после обработки сигналов температурных датчиков.
Частота вращения, положение коленчатого и распределительного валов
Частота вращения и положение коленчатого вала
Положение поршня в цилиндре является определяющим для определения момента зажигания. Поршни всех цилиндров соединяются с коленчатым валом шатунами. Датчик на коленчатом валу выдаёт информацию о положении поршней всех цилиндров.
Скорость, с которой происходит изменение положения коленчатого вала, называется частотой вращения и определяется количеством оборотов коленчатого вала в минуту. Эта важная для системы Motronic входная величина также рассчитывается исходя из сигнала о положении вала. Несмотря на то, что датчик даёт сигнал о положении коленчатого вала, на основании которого блок управления рассчитывает частоту вращения, вошло в привычку называть его датчиком частоты вращения.
Сигнал положения коленчатого вала На коленчатом вале установлен ферромагнитный зубчатый диск с расчётным числом зубьев 60, при этом 2 из них отсутствуют. Индуктивный датчик частоты вращения производит последовательный опрос этих 58 зубьев. Он состоит из постоянных магнитов и сердечника из мягкого железа с медной обмоткой (рис. 12). При прохождении зубьев через зону чувствительного элемента, в нём изменяется магнитный поток. Возникает индукция переменного напряжения (рис. 13). Амплитуда переменного напряжения уменьшается при увеличении расстояния между датчиком и зубчатым диском и растёт с увеличе-
32
Регистрация
рабочих
режимов
нием частоты вращения. Достаточная амплитуда имеет место уже при минимальной частоте вращения (20 мин~1). [еометрия зубьев и полюсов должны соответствовать друг другу. Блок управления формирует из синусоидального напряжения с сильно меняющейся амплитудой прямоугольное напряжение с постоянной амплитудой.
Расчёт положения коленчатого вала Боковые фронты прямоугольного напряжения передаются через вход прерываний на процессор. Если актуальный период прохождения фронтов в два раза больше как предыдущего так и последующего, то происходит распознавание опорного промежутка в зубьях. Он сопряжен с определенным положением коленчатого вала цилиндра 1. Процессор производит в
Рис.12: Датчик частоты вращения.
1 постоянный магнит, 2 корпус, 3 картер двигателя, 4 сердечник, 5 обмотка, 6 зубчатый диск с опорной меткой (промежуток между
данный момент синхронизацию положения коленчатого вала. При каждом последующем положительном или отрицательном фронте от боковых кромок зубьев процессор производит дальнейший отсчёт положения коленчатого вала на три градуса. Подача сигнала зажигания должна производиться с меньшими шагами. Период между двумя боковыми кромками зубьев разделяется поэтому на четыре отрезка. К каждой боковой кромке зуба можно привязать один, два или три таких отрезка времени (благодаря этому можно производить выдачу сигнала зажигания с шагом 0,75 градуса).
Расчёт сегментного интервала и частоты вращения по сигналу датчика Цилиндры четырёхтактного двигателя имеют такое смещение, что после двух оборотов коленчатого вала (720
Смещение	градусы	Число зубьев
2 цилиндра	360	60
3 цилиндра	240	40
4 цилиндра	180	30
5 цилиндров	144	24
6 цилиндров	120	20
8 цилиндров	90	15
12 цилиндров	60	10
Рис. 13: Синхронизация сигналов зажигания, положения коленчатого и распределительного валов
а) вторичное напряжение катушки зажигания, б) сигнал датчика частоты вращения с коленчатого вала, в) сигнал датчика Холла на распределительном валу, 1 замкнутое состояние, 2 зажигание.
33
Motronic
градусов) 1 цилиндр может вновь начинать рабочий цикл. Это смещение составляет средний промежуток между вспышками, длительность которого называется сегментным интервалом Т$.
При равномерном распределении данного смещения это означает: (см. таблицу на стр. 33)
В течение сегментного интервала производится новый расчёт параметров зажигания и вспрыска. Частота вращения определяет среднее число оборотов коленчатого вала за сегментный интервал и является обратно пропорциональной ему величиной.
Положение распределительного вала Распределительный вал управляет впускными и выпускными клапанами двигателя. Частота его вращения в два раза ниже, чем частота вращения коленчатого вала.
При движении поршня в верхнюю мёртвую точку распределительный вал определяет по положению впускных и выпускных клапанов, находится ли поршень в такте сжатия с последующим зажиганием или же в такте выпуска газов. Эту информацию, исходя из положения коленчатого вала, получить невозможно. Если система зажигания имеет высоковольтный распределитель, который механически связан с распределительным валом, то ротор распределителя определяет нужный цилиндр и информация о положении распределительного вала для выдачи сигнала зажигания блоку управления не нужна.
В противоположность динамическому распределению высокого напряжения системы Motronic со статическим распределением и индивидуальными катушками зажигания требуют дополнительную информацию. Дело в том, что блок управления должен принимать решение о том, какая катушка и сопряженная с ней свеча зажигания должны срабатывать, для чего ему нужна информация о положении рас
пределительного вала. Также, если реализуется индивидуальная установка момента вспрыскивания для каждого цилиндра, что имеет место при последовательном вспрыске, информация о положении распределительного вала необходима.
Сигнал датчика Холла
Обычно положение распредвала определяется датчиком Холла. Устройство распознавания положения распределительного вала состоит из элемента Холла, через полупроводниковые пластинки которого проходит ток. Этот элемент управляется шторкой, которая вращается вместе с распределительным валом. Она состоит из ферромагнитного материала и при прохождении возбуждает на элементе Холла напряжение вертикально направлению тока (рис. 13).
Расчёт положения распределительного вала
Напряжение с датчика Холла имеет порядок милливольт, поэтому датчик формирует сигнал и передаёт его в блок управления в виде двоичного сигнала. В простейшем случае процессор проверяет наличие напряжения с датчика Холла и тем самым положение 1 цилиндра в рабочем такте в момент прохождения опорного промежутка зубчатого диска. Специальные формы шторок позволяют использовать сигнал положения распределительного вала в качестве аварийного при повреждении датчика частоты вращения. Разрешающая способность сигнала положения распределительного вала является недостаточной для его применения вместо датчика частоты вращения в нормальном режиме.
Состав смеси
Коэффициент избытка воздуха а
Коэффициент избытка воздуха (а) измеряется Лямбда-зондом, а является единицей измерения состава топливовоздушной смеси. При а- 1 катализатор работает оптимально.
34
Регистрация
рабочих
режимов
Лямбда-зонд
Наружная поверхность электрода Лямбда-зонда находится в потоке отработавших газов, а внутренняя сторона соприкасается с наружным воздухом (рис. 14). Зонд состоит в основном из элемента из специальной керамики, внешние поверхности которого оснащены газопроницаемыми платиновыми электродами. Действие зонда основывается на том, что керамический материал является пористым и допускает диффузию кислорода воздуха (твёрдый электролит).
При высокой температуре керамика становится проводником электричества. Если содержание кислорода на обеих сторонах электродов различно, на них возникает электричес
кое напряжение. При стехиометрическом составе топливовоздушной смеси а = 1 образуется скачкообразная функция (рис. 15). Напряжение и внутреннее сопротивление зонда зависят от температуры. Надёжный регулировочный режим работы возможен при температуре отработавших газов выше 350 °C (зонд без подогрева) или же выше 200 °C (зонд с подогревом).
Лямбда-зонд с подогревом
Конструкция Лямбда-зонда с подогревом (рис. 16) соответствует в основном конструкции без подогрева. Активный керамический элемент зонда нагревается изнутри керамическим нагревательным элементом так, чтобы даже при невысокой темпе
Рис. 14: Расположение Лямбда-зонда в выпускной трубе.
1 специальная керамика, 2 электроды,
3 контакт, 4 контакты корпуса, 5 выпускная труба, 6 керамический защитный слой (пористый), 7 отработавшие газы, 8 воздух
Рис. 15: Кривая напряжения Лямбда-зонда при рабочей температуре 600°С.
а) богатая смесь (недостаток воздуха)
б) бедная смесь (избыток воздуха)
Коэффициент избытка воздуха а
Рис. 16: Нагреваемый Лямбда-зонд.
1 корпус зонда, 2 керамическая опорная трубка, 3 подсоединительные провода, 4 защитный колпачок со пазами, 5 активная специальная керамика, 6 контактная часть, 7 защитная гильза, 8 нагревательный элемент, 9 клемма для подключения нагревательного элемента.
35
Motronic
ратуре отработавших газов температура керамического элемента была достаточно высокой для выполнения его функций. Подогреваемый зонд оснащён предохранительным колпачком с малыми отверстиями; таким образом предотвращается остывание керамического элемента при холодных отработавших газах.
Нагрев зонда позволяет сократить время от пуска двигателя до включения регулирования и гарантирует надёжный регулирующий режим работы и при холодных отработавших газах (например: холостой ход). Нагреваемые зонды имеют укороченное время отклика, что положительно сказывается на скорости регулирования. Такие зонды имеют более гибкие возможности конструктивного размещения.
Детонационное сгорание
В двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием при определённых условиях могут возникнуть аномальные „звенящие" процессы сгорания, которые ограничивают повышение мощности и коэффициента полезного действия. Этот нежелательный процесс сгорания называется детонацией и является следствием самовоспламенения ещё неохваченной пламенем свежей смеси.
Нормально начавшееся сгорание и сжатие смеси поршнем обуславливают повышение давления и температуры, которые вызывают самовоспламенение оставшихся газов (ещё несгоревшей смеси). При этом скорость распостранения пламени может быть
Рис. 17:Датчик детонации .
1 сейсмическая масса, 2 заливочная масса, 3 пьезокерамика, 4 контакт, 5 штекер.
Рис. 19: Благоприятная установка датчика детонации.
1 датчик установлен между вторым и третьим цилиндрами. 2 при наличии двух датчиков они установлены между двумя цилиндровыми группами.
Рис. 18: Сигнал датчика детонации.
Датчик даёт сигнал (с), который соответствует давлению (а) в цилиндре Фильтрованный сигнал давления (6) без детонации
с детонацией
36
Регистрация
рабочих
режимов
выше 2000 м/сек, в то время как скорость нормального сгорания составляет около 30 м/сек.
При этом ударном сгорании в оставшихся газах создаётся высокое давление. Его волна при распостранении давит на стенки камеры сгорания.
При длительной детонации повышенное давление и термическая нагрузка могут привести к механическим повреждениям прокладки головки цилиндров, поршня и головки в зоне клапанов. Характерные колебания детонационного сгорания регистрируются датчиками, преобразуются в электрические сигналы и передаются в систему Motronic (рис. 17 и 18).
Необходимо тщательно определить количество детонационных датчиков и их расположение, чтобы гарантиро-
Рис. 27 Характеристика температурного датчика (отрицательный ТКС)
вать надёжное определение детонации для всех цилиндров и рабочих режимов двигателя, особенно при высоких оборотах и нагрузках. Обычно 4-цилиндровые рядные двигатели оснащены одним датчиком детонации, 6-цилиндровые двумя, 8- и 12-цилиндровые двумя и более (рис 19).
Температура двигателя и воздуха на впуске
Датчик температуры двигателя оснащённый терморезистором, вставляется в систему водяного охлаждения двигателя и замеряет его температуру (рис. 20).
Таким же образом производится замер температуры поступающего воздуха другим датчиком. Сопротивление имеет отрицательный температурный коэффициент (NTC, смотри рис. 21) и является плечом делителя напряжения, который питается напряжением 5 В. Падающее на сопротивлении напряжение считывается аналогоцифровым преобразователем и является мерой температуры. В процессоре запрограммирована таблица, в которой каждой величине напряжения соответствует определенная температура и которая компенсирует нелинейную зависимость между напряжением и температурой.
Напряжение аккумуляторной батареи
Время срабатывания и отпускания электромагнитной форсунки зависит от напряжения батареи. Если во время эксплуатации возникают колебания напряжения бортовой сети, то электронный блок управления корректирует происходящее из-за этого замедление срабатывания форсунки посредством изменения времени впрыска. При низком напряжении батареи необходимо также продлить время замкнутого состояния цепи зажигания, чтобы катушка зажигания могла накопить достаточно энергии для искрообразования.
37
Motronic
Обработка данных
Расчёт фактора нагрузки
Измерительные величины
В блоке управления из сигналов нагрузки и частоты вращения производится расчёт фактора нагрузки, который соответствует массе всасываемого воздуха за один ход поршня. Этот фактор нагрузки является основой для расчёта продолжительности впрыска и адресации таблицы углов опережения зажигания (рис. 1).
Измерение массы воздуха
При использовании нитевого или пленочного датчика массового расхода воздуха производится прямое измерение массы воздуха, которая
используется как величина для расчёта фактора нагрузки.
При применении объемного измерителя расхода воздуха необходима дополнительная корректировка по плотности воздуха для определения его массы и фактора нагрузки. В отдельных случаях неточность измерений по причине высоких пульсаций воздуха во впускной трубе компенсируется функцией коррекции пульсаций.
Измерение давления
В системах с измерением давления (с одним датчиком давления в качестве нагрузочного) в отличие от системы измерения массы воздуха нет прямой формализованной связи между измеренной величиной давления во впускной трубе и поступившей массой воздуха. Здесь для расчёта сигнала нагрузки применяется согласующая
Рис. 1: Расчёт продолжительности впрыска
38
Регистрация
рабочих
режимов
параметрическая таблица. Изменения температуры и остаточных газов по сравнению с исходным состоянием компенсируются после.
Измерение угла поворота дроссельной заслонки
При применении датчика дроссельной заслонки сигнал нагрузки в блоке управления образуется в зависимости от частоты вращения и угла поворота дроссельной заслонки. Изменения плотности воздуха учитываются тем, что сигнал нагрузки корректируется в зависимости от измеренной температуры и давления окружающей среды.
Расчёт продолжительности впрыска
Основное время впрыска
Основное время впрыска рассчитывается непосредственно из сигнала
нагрузки и константы форсунки. Она определяет отношение времени открытия форсунок к впрыскнутому объёму и зависит от их оформления. Произведение времени вспрыска и константы форсунки даёт соответствующую воздушной массе массу топлива на один цикл. Основная настройка производится на коэффициент избытка воздуха а - 1. Это справедливо, пока разность между давлением топлива и давлением во впускном канале постоянна. В других случаях производится компенсация влияния данного фактора на время впрыска с помощью корректировочной параметрической таблицы по а.
Эффективное время впрыска
Эффективное время впрыска рассчитывается с дополнительным учётом корректирующих величин, которые определяются в соответствии со
Рис. 2: Сравнение способов впрыска.
а) одновременный впрыск, б) групповой впрыск, в) последовательный впрыск.
39
Motronic
специальными функциями и учитывают различные рабочие области и режимы двигателя. Корректировки действуют как в отдельности так и в комбинациях в зависимости от адаптируемых (используемых) параметров.
Последовательность расчёта времени впрыска изображена на рис. 1.
Отдельные рабочие области или же рабочие режимы описываются подробнее в следующих главах.
Подготовка горючей смеси при наполнении цилиндра ниже минимального не производится. Ограничение до минимума времени впрыска предотвращает образование несгоревших углеводородов в отработавших газах. Во время пуска производится автономный расчёт времени впрыска, которое не зависит от рассчитанного сигнала нагрузки.
Фаза впрыска
Для оптимизации расхода топлива и состава отработавших газов помимо точного времени впрыска важной величиной является фаза впрыска. Вариационные возможности зависят от способа впрыска (рис. 2): - одновременный впрыск - групповой впрыск или - последовательный впрыск.
Одновременный впрыск
При данном способе впрыск производится одновременно всеми форсунками два раза в течение цикла, то есть два раза на один оборот распределительного вала или же один раз на оборот коленчатого вала. Фаза впрыска точно зафиксирована.
Групповой впрыск
В данном случае образуются две группы форсунок и впрыск производится каждой группой один раз за цикл. Интервал между фазами впрыска обеих групп составляет один оборот коленчатого вала. Такой порядок даёт возможность выбора , фазы впрыска в зависимости от рабочей точки и предотвращает нежелатель
ное впрыскивание в открытый впускной клапан в широком диапазоне режимов.
Последовательный впрыск
Этот способ даёт наибольшую степень свободы. При этом раздельные впрыски производятся независимо друг от друга в одинаковой фазе относительно каждого цилиндра. Фаза впрыска свободно программируется и подбирается в соответствии с оптимизационными критериями.
Сравнение
По сравнению с одновременным впрыском групповой и последовательный способы впрыска требуют большего диапазона вариаций подачи (диапазон от наименьшей подачи на холостом ходу до наибольшей — при полной нагрузке) впрыскивающих форсунок.
Регулировка угла замкнутого состояния
При помощи таблицы характеристик угла замкнутого состояния производится регулировка времени протекания тока через катушку зажигания в зависимости от частоты вращения и напряжения батареи так, чтобы во время работы по истечении угла замкнутого состояния достигался необхо-
40
Регистрация
рабочих
режимов
t
димый первичный ток в широком диапазоне режимов. Исходя из времени зарядки катушки зажигания, которое зависит от напряжения батареи, определяется время замкнутого состояния (рис. 3). Дополнительное динамическое упреждение делает возможным также и при резких скачках частоты вращения в сторону повышения получение необходимого тока. Ограничение времени зарядки в области повышенных частот вращения обеспечивает необходимую продолжительность искры.
Регулирование угла опережения зажигания
Параметрическая таблица с базовым углом опережения зажигания в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения запрограммирована в
блоке управления Motronic. Этот угол оптимируется по критериям расхода топлива и эмиссии отработавших газов. Путем определения температуры двигателя и воздуха на впуске (измерение датчиками) производится учёт температурных изменений. Другие эффективные корректировки или же переключения на другие характеристики дают возможность настройки на каждое рабочее состояние. Таким образом удается реализовать функциональное взаимодействие между крутящим моментом, составом отработавших газов, расходом топлива, склонностью к детонации и ходовыми качествами (например ускорение). Кроме того учитываются различные рабочие режимы, как холостой ход,частичная и полная нагрузки, пуск и разгон. На рисунке 4 показана последовательность расчёта угла опережения зажигания.
Рис. 4: Расчёт момента зажигания.
момент зажигания
41
Motronic
Рабочий режим
Пуск
Во время всего процесса пуска производится автономный расчёт количества впрыскиваемого топлива.
Для первых впрыскных импульсов производится дополнительное фазирование впрыскивания. Повышенное количество топлива, ориентируемое на температуру двигателя, служит для компенсации топливной пленки на стенках впускной трубы и компенсирует повышенную потребность двигателя в топливе во время его разгона.
Сразу же после первых оборотов двигателя (начало пуска) производится снижение пускового обогащения в зависимости от увеличения частоты вращения.
Угол опережения зажигания также подстраивается к процессу пуска. Он выбирается в зависимости от температуры и частоты вращения двигателя.
Послепусковая фаза
Во время послепусковой фазы (фаза после окончания пуска) происходит последующее снижение подачи топлива в зависимости от температу
ры двигателя и времени после пуска. Угол опережения зажигания подстраивается к данному количеству топлива и соответствующему рабочему режиму. Послепусковая фаза плавно переходит в прогрев.
Прогрев
В зависимости от конструкции двигателя и способа снижения токсичности отработавших газов фаза прогрева может протекать различно. Решающими факторами являются стабильное движение автомобиля, а также улучшение показателей расхода топлива и эмиссии отработавших газов.
Комбинация прогрева на бедных смесях и позднего зажигания повышает температуру отработавших газов. Другим способом достижения высокой температуры отработавших газов является прогрев на богатых смесях во взаимосвязи с подачей вторичного воздуха. При этом на короткое время после пуска производится добавление воздуха в систему выпуска отработавших газов за выпускным клапаном. Этот дополнительный воздух может подаваться например насосом вторичного воздуха. Избыток воздуха ведёт при достаточном уровне температуры к окислению СН и СО в системе выпуска отработавших газов и
Рис. 1: Влияние подачи вторичного воздуха на эмиссию СН и СО.
1 без вторичного воздуха 2 с вторичным воздухом.
42
Рабочий
режим
f
желаемому повышению температуры отработавших газов (рис. 1).
Оба мероприятия ускоряют готовность катализатора к работе.
Помимо воздействия на угол зажигания и впрыск возможно повышение частоты вращения холостого хода путём специального упреждающего регулирования подачи воздуха для быстрого нагрева катализатора.
По достижении готовности катализатора к работе впрыск регулируется на а = 1 и соответственно корректируется угол опережения зажигания.
Динамическая компенсация
Ускорение / замедление
Часть топлива впрыснутого во впускную трубу не попадает сразу же при очередном такте впуска в цилиндр, а остаётся жидкой плёнкой на стенках впускной трубы. Количество осевшего топлива значительно растёт при увеличении нагрузки и времени впрыскивания.
Поэтому при открывании дроссельной заслонки часть топлива необходимо направить для образования плёнки. Чтобы предотвратить обеднение смеси во время ускорения, необходим впрыск дополнительного топлива. При уменьшении нагрузки это дополнительное топливо снова
<
Рис. 2: Время впрыска при переходе.
1 длительность впрыска по сигналу нагрузки,
2 эффективная длительность впрыска,
3 увеличенное количество.
4 уменьшенное количество,
5 угол поворота дроссельной заслонки.
высвобождается. Поэтому при замедлении время впрыскивания должно быть короче, чтобы снизить подачу на соответствующее количество топлива. На рисунке 2 показано получающееся при этом протекание времени впрыска.
Отключение подачи/ возобновление При движении на принудительном холостом ходу производится отключение подачи и тем самым уменьшение расхода топлива и эмиссии отработавших газов.
Перед отключением подачи необходимо сначала сдвинуть момент зажигания в сторону запаздывания, чтобы уменьшить скачок крутящего момента при переходе в режим принудительного холостого хода.
При достижении частоты вращения обратного включения, которая выше частоты вращения холостого хода, производится возобновление подачи. Частота вращения обратного включения запрограммирована в блоке управления в зависимости от различных параметров, как например: температура двигателя и динамика частоты вращения, чтобы предупредить провал частоты вращения двигателя во всех рабочих зонах.
При обратном включении на первых подачах учитывается дополнительное количество топлива, необходимое для образования плёнки на стенках впускной трубы. Регулировкой угла опережения зажигания поддерживается плавное нарастание крутящего момента при возобновлении подачи.
Регулирование холостого хода
Холостой ход
На холостом ходу расход топлива определяется в основном коэффициентом полезного действия и частотой вращения двигателя. Значительная часть расхода топлива автомобилей в плотном уличном движении приходится на данный рабочий режим, поэтому была бы желательной
43
Motronic
наименьшая частота вращения холостого хода. Но настройку холостого хода необходимо производить таким образом, чтобы частота вращения при всех условиях, таких как нагруженная бортовая сеть, включённый кондиционер, включённая передача автоматической коробки передач, рулевой усилитель и т.д. не вели бы к значительному провалу частоты вращения или остановке двигателя.
Регулирование частоты вращения холостого хода
Регулирование частоты вращения холостого хода должно установить равновесие между крутящим моментом двигателя и его нагрузкой и поддерживать частоту вращения постоянной. Нагрузка двигателя на холостом ходу состоит из различных моментов нагрузки, состоящих из моментов трения кривошипно-шатунного и клапанного механизмов, а также и вспомогательных агрегатов (например, насос системы водяного охлаждения). Эти внутренние моменты трения, уравновешивание которых производится системой регулирования холостого хода, медленно изменяются в течение срока службы двигателя, кроме того они существенно зависят от температуры.
К этим внутренним моментам трения прибавляются ещё и внешние нагрузки, как вышеупомянутые кондиционер и т. п. Эти внешние нагрузки подвергаются сильным колебаниям, т.к. часто производится отключение и включение агрегатов. Современные двигатели с пониженной массой маховика и увеличенным объёмом впускного тракта реагируют особенно чувствительно на такие изменения нагрузки.
Входные величины
Помимо сигнала датчика частоты вращения системе регулирования частоты вращения холостого хода необходима информация о положении дроссельной заслонки, чтобы определить условия холостого хода (нога снята с педали акселератора). Для предварительного управления по температуре производится учёт температуры двигателя. В зависимости от неё и заданной частоты вращения происходит расчёт воздушной массы, которая дополнительно корректируется при работе системы регулирования. Входные сигналы от кондиционера или автоматической передачи при их наличии служат для улучшения упреждающего регулирования и тем самым поддерживают систему регулирования частоты вращения холостого хода.
Рис. 3: Байпасный регулятор со шланговыми штуцерами.
Рис. 4: Байпасный регулятор привалочного исполнения.
44
Рабочий
режим
Исполнительные воздействия
Регулирование холостого хода имеет три возможности регулирования.
Регулирование подачей воздуха
Оправдавшее себя регулирование подачи воздуха через байпас у дроссельной заслонки или подворачивание самой заслонки за счёт перемещения упора или же прямого привода как в случае электронного регулирования мощности двигателя.
В случае байпасного регулятора байпас у дроссельной заслонки образуется с помощью воздушных шлангов (рис. 3). Более современными являются приваленные байпасные регуляторы, которые прифланцовываются прямо к дроссельному патрубку и регулируют обводной воздух.
Рис. 4: пример привалочного байпасного регулятора.
Недостатком байпасного регулятора является то, что он создаёт дополнительную утечку воздуха к утечке его через дроссельную заслонку. Если хорошо обкатанному двигателю на холостом ходу требуется меньше воздуха, чем его утечки, создаваемые дроссельной заслонкой и байпасным регулятором, то регулирование частоты вращения холостого хода про
извести невозможно. При регулировании подачи воздуха за счёт перемещения дроссельной заслонки этот недостаток отсутствует. В случае дроссельного патрубка с регулятором холостого хода упор дроссельной заслонки перемещается электродвигателем через редуктор (рис 5). У впускных трактов с большим объёмом регулирование замедленно влияет на частоту вращения холостого хода вледствие инерции объёма воздуха.
Регулирование углом опережения зажигания
Второй (имеющей значительно большее быстродействие) возможностью является регулирование угла опережения зажигания. Через его зависимость от частоты вращения можно достигнуть того, что при снижении частоты вращения двигателя момент зажигания смещается в сторону опережения в следствие чего увеличивается крутящий момент.
Состав топливной смеси
Регулирование состава топливной смеси не имеет практического значения из-за строгих предписаний по эмиссии отработавших газов и ограниченных возможностей.
Рис. 5; Дроссельный потрубок с интегрированным регулятором холостого хода.
45
Motronic
Лямбда-регулирование
Эффективным мероприятием для снижения токсичности отработавших газов является последующая их обработка в трехкомпонентном катализаторе. Он преобразует три вредных компонента отработавших газов СО, СН и NOx в Н2О и N2.
Диапазон регулирования
Преобразование всех трёх вышеперечисленных компонентов отработавших газов может производиться только в очень узком так называемом Лямда-окне (« = 0,99...1), что достигается только Лямбда-регулированием.
Лямбда-зонд, находящийся в потоке отработавших газов перед катализатором, производит измерение содержания кислорода в отработавших газах.
При наличии бедной топливной смеси (« > 1) на Лямбда-зонде создаётся напряжение около 100мВ, а при обогащённой топливной смеси (« < 1) - 800мВ. При а - 1 напряжение перескакивает с одного уровня на другой (рис. 6). Блок управления вырабатывает из сигналов измерителя расхода воздуха и датчика частоты вращения двигателя сигнал впрыска. Для Лямбда-
регулирования по сигналам Лямбда-зонда блок управления рассчитывает дополнительный коэффициент, при помощи которого можно производить корректировку времени вспрыска. На рис. 7 показана функциональная схема.
Функция
Лямбда-регулирование действует только при работающем Лямбда-зонде. Специальная схема постоянно устанавливает эту взаимосвязь.
При холодном зонде, при обрывах или же коротких замыканиях в проводке она даёт неправдоподобные величины. В большинстве случаев производится подогрев Лямбда-зонда, при этом он уже через 30 сек. работоспособен.
Для равномерного вращения холодному двигателю необходима обогащённая топливная смесь (а < 1), Поэтому Лямда-регулирование включается только после достижения двигателем определённого температурного порога.
При активном Лямбда-регулировании сигнал Лямбда-зонда в блоке управления преобразуется компаратором в двухпороговый сигнал.
Передаваемый сигнал (« > 1 - бедная смесь или же а < 1 - богатая смесь)
Рис. 6; Регулировочный диапазон Лямбда-зонда и уменьшение токсичности отработавших газов.
-----без катализаторной обработки -----с катализаторной обработкой
коэффициент избытка воздуха^/
Рис. 7: Функциональная схема Лямбда-регулироания.
1 измеритель воздушной массы, 2 двигатель, За Лямбда-зонд 1, 36 Лямбда-зонд 2 (только при потребности), 4 катализатор, 5 форсунка, 6 блок управления.
Us напряжение зонда, t7v управляющее напряжение форсунок, VE подача топлива.
46

Рабочий
режим
заставляет последующий регулятор изменять свои установочные величины (скачком и последующим движением по наклонной).
Время впрыска изменяется (увеличивается или уменьшается) и постоянным обменом данных устанавливается стабильное колебание регулировочного коэффициента.
Длительность периода этого колебания определяется временем пробега газов, а амплитуда устанавливается наклонным участком так, что несмотря на различное время пробега газов, она остаётся постоянной в поле частот вращения и нагрузки.
Лямбда-смещение
Оптимальный диапазон конверсии (преобразование) и скачка напряжения на зонде совмещаются неполностью. За счёт ассиметричного колебания регулятора можно сдвинуть состав смеси в оптимальную зону а = 1. Ассиметричность достигается либо с помощью задержки переключения коэффициента регулирования после скачка напряжения (от бедного к богатому) от зонда, либо с помощью несимметричного скачка. Такой случай имеет место, если скачок напряжения зонда от бедной к богатой смеси имеет другую высоту, чем скачок в обратном направлении.
Адаптация предваряющей уставки к Лямбда-регулированию
Лямда-регулирование производит корректировку времени очередного впрыска на основании предыдущего измерения на Лямбда-зонде.
Это смещение во времени определяется временем пробега газов и его невозможно избежать. Поэтому при выходе на новый рабочий режим с неправильной предваряющей уставкой возникают отклонения от а = 1, пока регулирование не произведёт новую настройку.
Поэтому для выдерживания пределов токсичности отработавших газов необходима предваряющая регулировка. Она определяется при калибровке
двигателя и Лямбда-характеристика вводится в ПЗУ (только для считывания). В течение эксплуатационного срока автомобиля возможно появление отклонений, которые требуют другой предваряющей уставки. Ими являются, например, изменение плотности и качества топлива.
Адаптация предваряющей регулировки опознаёт, что Лямбда-регулятор в определённом диапазоне частот вращения и нагрузок должен производить всегда одну и ту же корректировку. Выполнив коррекцию в этом диапазоне, регулятор записывает её в память (ОЗУ с подпиткой), которая снабжается током и при остановке двигателя.
При последующем пуске можно начинать с предваряющей регулировки уже подвергнутой коррекции, прежде, чем произойдёт активирование Лямбда-регулятора. Прерывание питания фиксируется. В этом случае адаптация начинается с нейтральных значений.
Двухзондрвое Лямбда-регулирование Зонд, устанавливаемый за катализатором, лучше защищен от загрязнения отработавшими газами. Регулирование зондом за катализатором дополняет регулирование зондом перед катализатором, что гарантирует постоянный состав смеси в течение длительного времени (рис 7).
Двойная регулировка изменяет ассиметричность стабильного колебания регулирования с зондом перед катализатором, и тем самым производит компенсацию Лямбда-смещения.
Лямбда-регулирование лишь зондом, установленным за катализатором, была бы чересчур инертной из-за длительного времени пробега газов.
47
Motronic
Система улавливания паров топлива
Образование топливных паров
Топливо в топливном баке нагревается по следующим причинам:
- наружное влияние солнечных лучей - избыточное топливо, возвратившееся обратно из топливной системы и нагретое в зоне двигателя.
Вследствие этого происходит эмиссия углеводородов СН, которые испаряются в основном в топливном баке.
Ограничение эмиссии СН
Законодательством предписываются предельные величины испаряемых эмиссий. Специальные системы ограничивают эмиссию СН. Они оснащены резервуарами с активированным уг-лем-адсорберами, куда вводится вентиляционный трубопровод топливного бака. Активированный уголь задерживает топливные пары и выпускает в окружающую среду только воздух. Дополнительно к этому производится уравновешивание давления. Для постоянной регенерации активированного угля проложена дополнительная трубка от адсорбера к впускной трубе.
При работающем двигателе в ней возникает разрежение, под влиянием которого происходит впуск воздуха из окружающей среды через активированный уголь во впускную трубу. Он увлекает скопившиеся бензиновые пары и подает их на впуск. В трубопроводе установлен клапан продувки адсорбера, который дозирует этот регенерующий или продувочный поток (рис. 8).
Регенерирующий поток
Регенерирующий поток является смесью топлива и воздуха, состав которой неизвестен, т.к. это может быть как свежий воздух так и обогащённый бензиновыми парами из адсорбера.
Поэтому для Лямбда-регулирования этот регенерирующий поток является значительной помехой. Если он составляет только 1% воздуха на впуске и состоит из свежего воздуха, то смесь становится на 1% беднее. Сильно насыщенный бензиновыми парами воздух обогащает смесь на 30%, потому что бензиновые пары влияют стехиометрическим фактором 14,7 на коэффициент избытка воздуха а. Кроме того удельная плотность паров топлива в два раза больше удельной плотности воздуха.
Рис. 8: Система улавливания паров топлива.
1 трубопровод к топливному баку и адсорберу, 2 адсорбер, 3 свежий воздух,
4 клапан продувки адсорбера, 5 трубопровод к впускной трубе, 6 дроссельная заслонка, &Р разница давлений во впускной трубе ps и окружающей среды ри.
48
Рабочий
режим
Клапан продувки адсорбера
Клапан управляется таким образом, чтобы производилось достаточная продувка адсорбера, а отклонения а были бы минимальными (рис 9).
Контрольная функция блока управления
Чтобы адаптация смеси могла работать независимо от влияния паров топливного бака, проводится регулярное закрывание клапана продувки адсорбера через определённые промежутки времени. Он открывается ступенчато. Возникающие при этом отклонения Лямбда-регулятора блок управления запоминает как корректировку смеси по продувке адсорбера. Эта функция рассчитана таким образом, что из регенерирующего потока может поступать до 40% топлива.
При неактивированном Лямбда-регулировании допускаются только малые регенерирующие потоки, потому что при этом не могут быть скорректированы отклонения состава смеси. При отключении подачи топлива при движении на принудительном холостом ходу происходит мгновенное закрывание клапана продувки адсорбера, чтобы в катализатор не могли попасть несгоревшие пары бензина.
Рис. 9: Клапан продувки адсорбера.
7 штуцер подключения шланга, 2 обратный клапан, 3 плоская пружина, 4 уплотнительный элемент, 5 магнитный якорь, 6 уплотнительная плоскость, 7 обмотка.
4
Детонационное регулирование
Электронное управление моментом зажигания даёт возможность очень точно управлять углом опережения зажигания в зависимости от частоты вращения, нагрузки и температуры.
Несмотря на это необходим надежный запас до предела детонации. Это нужно в связи с тем, чтобы и в случае склонности к детонации, имея ввиду допуски и старение двигателя, условия окружающей среды и качество топлива, ни один цилиндр не достигал бы или не уходил бы за предел детонации. Выбор параметров двигателя, исходя из этих соображений, ведёт к пониженной степени сжатия, поздним моментам зажигания и тем самым к ухудшению расхода топлива и крутящего момента.
Эти недостатки можно устранить с помощью детонационного регулирования. При этом, как показывает опыт, достигается повышение степени сжатия двигателя, а также существенное улучшение расхода топлива и крутящего момента. Предваряющая установка момента зажигания должна теперь подбираться не по самым неблагоприятным детонационным факторам а наоборот по самым благоприятным (например, степень сжатия двигателя по нижнему допустимому пределу, лучшее качество топлива, не склонный к детонации цилиндр). Теперь каждый цилиндр двигателя может в течение всего срока службы работать почти на всех рабочих режимах у своего предела детонации, а тем самым с оптимальным коэффициентом полезного действия. Предпосылкой для такого выбора угла опережения зажигания является надёжное определение детонации начиная от её определённой интенсивности дпя каждого отдельного цилиндра во всем диапазо-не режимов двигателя. Для распознавания детонации производится измерение характерных для неё колебаний одним или несколькими, установленными в подходящих
49
Motronic
для этого местах двигателя, приемниками звуковых колебаний в твердых телах, датчиками детонации, которые преобразуют детонацию в электронные сигналы и передают их в блок Motronic для дальнейшей обработки. Там производится соответствующий алгоритмический расчёт для распознавания детонации в каждом цилиндре и. для каждого сгорания. Зарегистрированное детонационное сгорание у соответствующего цилиндра приведёт к смещению момента зажигания в сторону „позднее" на запрограммированную величину. Если детонации больше нет, производится обратное ступенчатое смещение момента зажигания в сторону „раннее" до величины предварительной настройки.
Алгоритм распознавания и регулирования детонации согласуются таким образом, чтобы не возникла слышимая и разрушающая двигатель детонация (рис 10).
Адаптация
На реальных рабочих режимах двигателя для отдельных цилиндров создаются различные пределы детонации, а тем самым и различные моменты зажигания. Для адаптации величин предварительной настройки момента зажигания на соответствующий предел детонации производится запоминание смещения момента зажигания индивидуально для каждого цилиндра в зависимости от рабочей точки.
Это запоминание производится в табличных характеристиках по нагрузке и частоте вращения в неразруша-ющемся ОЗУ Благодаря этому двигатель может работать и при быстром изменении нагрузки и частоты вращения в каждой рабочей точке с оптимальным коэффициентом полезного действия и предотвращением слышимого детонационного сгорания.
Возможно даже использование топлива с низкой детонационной стойкостью. Обычно калибровка подразумевает использование бензина марки
Рис. 10: Детонационное регулирование.
Регулировочный алгоритм при управлении зажиганием 4-цилиндрового двигателя.
К13 детонация цилиндров 1...3 (4-ый без детонации) а) смещение в сторону „позднее) б) ширина ступени к смещению „раннее) с) смещение „раннее)
I	Ki К213 Ki	Кз
Л	4- Ш 4-	4-	2ИЛ-
ЦИЛ.1 11111 рабочие циклы-----------►
I
„Супер" Допускается и работа на бензине „Нормаль"
Детонационное регулирование у турбодвигателей
У двигателей с турбонаддувом от выхлопных газов комбинация регулирования давления наддува и детонации имеет особое преимущество. При возникновении детонации производится сначала смещение момента зажигания в сторону „позднее" и только при значительном превышении порога опаздывающего смещения зажигания, который определяется температурой отработавших газов, производится снижение давления наддува как следущее мероприятие по снижению детонации.
Таким образом турбодвигатель может работать с допустимой температурой отработавших газов с оптимальным коэффициентом полезного действия на пороге детонации.
Регулирование давления наддува
Газотурбинный наддув
Из всех известных способов наддува у двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием наибольшее распостранение получил газотурбинный наддув по сравнению с волновым или механическим. Турбокомпрессор позволяет достигать даже у двига-
50
Рабочий
режим
телей с малым рабочим объёмом цилиндров высоких крутящих моментов и мощностей при хороших коэффициентах полезного действия. По сравнению с двигателями со свободным впуском сравнимой мощности турбодвигатели имеют меньший габаритный объем и удельный вес. Проведённые в автомобилестроении исследования показали, что при одинаковых ездовых показателях турбодвигатель с малым рабочим объёмом и электронным регулированием давления наддува имеет по сравнению с двигателем со свободных впуском такую же экономию топлива, как и дизельные двигатели с разделенной камерой.
Конструкция турбокомпрессора состоит в основном из компрессора и турбины, работающей от отработавших газов и расположенных на общем валу.
Турбина преобразует часть энергии отработавших газов во вращательную
Рис. 11: Исполнительный элемент электронной регулировки давления наддува.
1	тактовый клапан
Р2	давление наддува
рп	давление в мембранной камере
TVM регулировочный сигнал блока управления для тактового клапана Гт объёмный поток через турбину Vwg объёмный поток через обводной клапан Waste-Gate.
энергию и приводит в движение компрессор, который всасывает свежий воздух и нагнетает сжатый воздух через охладитель и дроссельную заслонку во впускную трубу к двигателю.
Исполнительный элемент системы управления газотурбинным наддувом
Двигатели легковых автомобилей должны при низких оборотах достигать высокого крутящего момента, поэтому корпус турбины рассчитан на малый массовый объём отработавших газов, например для режима полной нагрузки с л = 2000 мин~1.
Чтобы большой массовый поток отработавших газов не перегружал двигатель, необходимо в этой зоне произвести отвод части потока мимо турбины через байпас Waste-Gate в систему выпуска отработавших газов. Обычно этот байпасный клапан в форме заслонки интегрируется в корпус турбины. Реже применяется тарельчатая форма клапана в отдельном корпусе параллельно турбине. Варьируемая турбинная геометрия ещё не применялась в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, но её можно комбинировать с регулированием давления наддува (Рис. 11).
Регулирование давления наддува
При пневмомеханической регулировке исполнительный элемент турбокомпрессора увязывается прямо с давлением наддува у выходного отверстия компрессора. При этом имеется только ограниченный выбор характеристики протекания крутящего момента по частоте вращения двигателя. По нагрузке определяется только ограничение полной нагрузки. Допуски на степень наддува при полной нагрузке не могут быть использованы полностью. При частичной нагрузке закрытый байпасный клапан ухудшает коэффициент полезного действия. Ускорение с низких частот вращения могут вызвать замедленную реакцию турбокомпрессора (провал). Эти недостатки можно устранить
51
Motronic
электронным регулированием давления наддува. В определённых зонах частичных нагрузок можно достичь снижения удельного расхода топлива. Достигается это открыванием байпасного клапана, что имеет следующие последствия:
-	снижение потерь на выпуске двигателя и мощности турбины,
-	снижение давления и температуры на выходе компрессора,
-	уменьшение перепада давления на дроссельной заслонке.
Также линеаризуется протекание характеристики крутящего момента по углу поворота дроссельной заслонки с лучшим дозированием потребной мощности педалью акселератора. Для реализации вышеперечисленных улучшений необходимо произвести оптимальный подбор турбокомпрессора с исполнительным механизмом и двигателя.
К исполнительному механизму относятся:
-	электропневматический тактовый клапан,
-	эффективная поверхность мембраны, ход и пружина мембранной камеры и
-	сечение клапанной тарелки или заслонки байпасного клапана.
В системе Motronic с электронным регулированием наддува имеются заданные параметры давления, воздушного объёма или массы в зависимости от датчика нагрузки. Эти параметры программируются в таблице характеристик в зависимости от частоты вращения двигателя и угла поворота дроссельной заслонки. Звенья контура регулирования выбирают разность между зависящей от рабочей точки заданной и измеренной действительной величиной. Рассчитанная величина на выходе регулятора подаётся в виде сигнала (широтноимпульсная модуляция) к тактовому клапану. В исполнительном элементе этот сигнал посредством изменения регулировочного давления и хода штока ведёт к изменению поперечного сечения байпаса. *
У турбодвигателя температура отработавших газов между двигателем и турби
ной не должна превышать определённой величины. Поэтому фирма Бош применяет регулирование давления наддува только во взаимосвязи с детонационным регулированием. Потому что только детонационное регулирование даёт возможность всё время эксплуатации двигателя работать с возможно ранним моментом зажигания. Этот оптимальный для каждой рабочей точки двигателя момент зажигания обеспечивает низкую температуру отработавших газов.
Дальнейшее более значительное понижение температуры отработавших газов возможно при воздействии на давление наддува и/или топливовоздушную смесь.
Ограничение частоты вращения и скорости
Чрезмерно высокие обороты могут привести к разрушению двигателя (клапанный механизм, поршень). За счёт ограничения частоты вращения предотвращается превышение максимально допустимой частоты вращения двигателя.
Система Motronic даёт возможность ограничения частоты вращения и скорости за счёт прерывания впрыска топлива. При превышении максимально допустимой частоты вращения по, а также максимальной скорости подавляются импульсы впрыска. Так ограничиваются эти параметры. При достижении нижней уставки вновь происходит включение впрыска.
Это происходит в виде колебаний в рамках допустимого диапазона около
Рис. 12: Ограничение максимальной частоты вращения п0 за счёт выключения впрыска.
а зона отключения подачи топлилва.
о	s
время t —►
52
Рабочий
режим
заданной максимальной допустимой частоты вращения двигателя.
Водитель замечает ограничение частоты вращения по снижению комфорта при езде и вынужден соответственно реагировать.
Рис. 12 показывает характеристику частоты вращения при активном ограничении частоты вращения.
рания, следствием чего является снижение эмиссии окислов азота.
Одновременно увеличение доли остаточных газов сверх определённой величины приводит к неполному сгоранию, и тем самым к увеличению выбросов углеводородных эмиссий, расхода топлива и нестабильному вращению двигателя (рис.14).
Рециркуляция отработавших газов
В период перекрытия клапанов определённое количество остаточных газов переходит из камеры сгорания во впускную трубу. При последующем процессе впуска дополнительно к свежему воздуху всасывается некоторое количество остаточных газов.
Это количество однозначно определено перекрытием клапанов в рабочей точке двигателя.
Изменение количества остаточных газов возможно с помощью возврата отработавших газов снаружи с помощью регулируемого системой Motronic клапана рециркуляции или при помощи смещения фазы поворота распределительного вала (рис. 13).
Увеличение доли остаточных газов до определённой степени может иметь положительное влияние на преобразование энергии и тем самым на расход топлива. Увеличение доли остаточных газов ведёт к уменьшению максимальной температуры сго-
Рис. 14: Влияние доли остаточных газов на расход топлива и эмиссии.
1 коэффициент избытка воздуха а (доля остаточных газов RG = constant),
2 доля остаточных газов RG (a = constant).
коэффициент избытка воздуха a (RG=const.)
0.16 '	036	1	036	1 0.76
доля остаточных газов RG (a=const.)
Рис. 13: Рециркуляция отработавших газов (пример).
1	возврат отработавших газов
2	электропневматический преобразователь
3	клапан рециркуляции
4	блок управления
5	измеритель массового расхода воздуха п частота вращения
2
3
53
Motronic
Регулировка фаз газораспределения
Регулировка фаз газораспределения может иметь многопараметровое влияние на показатели двигателя :
-	увеличение крутящего момента и мощности, снижение эмиссий отработавших газов и расхода топлива, - регулировка заряда смеси,
-	ступенчатое или бесступенчатое регулирование впуска и выпуска.
Момент закрывания впускного клапана является главным для максимального наполнения цилиндра в зависимости от частоты вращения. При раннем закрывании впускного клапана максимум расхода воздуха находится в нижнем диапазоне частот вращения, при позднем закрывании он передвигается в диапазон повышенных частот вращения.
Фаза, в течение которой оба клапана перекрываются по времени (фазы „впуск открываются" и „выпуск закрывается" перекрываются) определяет внутренний возврат остаточных газов.
Продление открытия клапана слишком ранним смещением момента открывания впуска ведёт к увеличению доли остаточных газов, так как увеличивается вытолкнутая во впускную трубу и вновь засосанная масса остаточных газов.
Тем самым при том же положении дроссельной заслонки уменьшается масса свежего воздуха; дроссельная заслонка должна открываться на больший угол для такого же нагрузочного момента. Возникшее из-за „раздросселирования11 (снижение дроссельного влияния) уменьшение петли газообмена улучшает коэффициент полезного действия, т.е. снижает расход топлива.
Смещение фазы открывания впуска в позднем направлении снижает долю остаточных газов.
При этом достигается заметное улучшение на холостом ходу токсичности отработавших газов и плавности хода.
Проворот распределительного вала
Гидравлические и электрические исполнительные элементы проворачивают в зависимости от частоты вращения двигателя или рабочей точки соответствующи й распредел ител ьн ы й вал (для процесса его поворота необходимо иметь в головке цилиндра
Рис. 15: Смещение впускного распределительного вала.
1 запаздывающее, 2 нормальное, 3 опережающее.
угол поворота коленчатого вала
Рис. 16: Переключение распределительного вала.
1 стандартный кулачок, 2 дополнительный кулачок.
угол поворота коленчатого вала
54
Рабочий
режим
два распределительных вала; один для впуска, другой для выпуска) и изменяют этим фазы „впуск/выпуск открыт" или „впуск/выпуск закрыт" (рис. 15).
Если исполнительный механизм повернет впускной распределительный вал на режиме холостого хода или высоких частот вращения в сторону поздней фазы впуска, то в результате на холостом ходу доля остаточных газов уменьшается, а при высоких частотах вращения расход воздуха увеличивается.
При низких до средних частотах вращения или определённых диапазонах частичных нагрузок поворот впускного распределительного вала в направлении ранней фазы впуска ведёт к увеличенному максимальному расходу воздуха.
Одновременно это ведёт в диапазонах частичной нагрузки к увеличению доли остаточных газов со связанным с этим влияниям на расход топлива и эмиссии ОГ
Переключение кулачков
При переключении кулачков меняются фазы газораспределения вследствие различных форм кулачков.
Первый кулачок даёт оптимальные фазы и подъём впускного и выпускного клапанов для малых и средних частот вращения.
Второй кулачок задает повышенный ход клапанов и их продлённое открытие. Он включается за счёт соединения ранее свободных рычагов с основными клапанными рычагами в зависимости от частоты вращения (рис 16).
Оптимальным, но сложным является способ бесступенчатого изменения фаз открытия и хода клапанов. При этом способе пространственный кулачковый профиль и продольно смещаемый распределительный вал обеспечивают наибольший выбор оптимальных условий для двигателя (рис. 17).
Рис. 17: Бесступенчатое изменение фаз открытия и хода клапанов, а) минимальный ход, б) максимальный ход.
55
Motronic
Переключение впускной трубы
Целью концепции двигателя является как достижение наивысшего крутящего момента при низких частотах вращения, так и высокая номинальная мощность при максимальной частоте вращения. Значение крутящего момента двигателя пропорционально поступившей массе воздуха, отнесенной к частоте вращения.
Одним из вспомогательных средств влияния на крутящий момент является геометрическая форма впускной трубы. Самый простой вид наддува заключается в использовании динамики поступающего воздуха. Впускные трубы под карбюратор или центральный впрыск (Mono-Jetronic) требуют для равномерного распределения топливовоздушной смеси коротких труб желательно одинаковой длины.
Впускные трубы для систем многоточечного впрыска транспортируют
только воздух; топливо впрыскивается перед впускным клапаном. Это даёт больше возможностей для формирования впускной трубы. Стандартные впускные трубы системы многоточечного впрыска состоят из отдельных пульсационных труб и рессивера с дроссельной заслонкой. При этом имеет место:
-	Короткие пульсационные трубы дают возможность получения высокой номинальной мощности с одновременными потерями крутящего момента при низких частотах вращения, длинные трубы показывают противоположные свойства.
-	Большой объём рессивера частично создает резонансные эффекты в определённом диапазоне частот вращения, которые приводят к улучшению наполнения. Однако они имеют как следствие динамические недостатки, например отклонения в составе смеси при быстром изменении нагрузки.
Почти идеальное протекание крутящего момента обеспечивает переклю-
Рис. 18: Резонансный наддув.
а) конфигурация, б) диаграмма расхода воздуха.
1 резонансная труба, 2 резонансный рессивер, 3 цилиндр, 4 с резонансным наддувом воздуха, 5 с обычной впускной трубой.
Рис. 19: Впускные переключаемые системы.
Возможные переключения: а) двухступенчатое, б) трёхступенчатое. А, Б группы цилиндров: 1, 2 заслонки, открываются в зависимости от частоты вращения.
56
Рабочий
режим
чение впускной трубы, при котором, например, в зависимости от нагрузки двигателя, частоты вращения и положения дроссельной заслонки возможны вариации:
-	длины пульсационной трубы,
-	переключение между пульсационными трубами различной длины или диаметра,
-	выборочное отключение отдельной трубы одного цилиндра при наличии большого их количества,
-	переключение объёма рессивера.
Пульсационный наддув
Каждый цилиндр оснащён отдельной трубой определённой длины, которая обычно соединяется с рессивером.
Энергетический баланс отличается тем, что работа всасывания поршня пробразуется в кинетическую энергию газового потока перед впускным клапаном, а она - в работу сжатия свежего заряда.
Резонансный наддув
При резонасном наддуве группы цилиндров с одинаковым интервалом вспышек присоединяют короткими трубами к резонансным рессиверам, которые через резонансные трубы соединяются с атмосферой или же со сборным рессивером, действующим в качестве резонатора Гельмгольца (рис. 18).
Переключаемые впускные системы
Обе системы динамического наддува повышают наполнение, особенно при малых частотах вращения.
Для переключения используются заслонки, которые разделяют относящиеся к группам цилиндров зоны или соединяют их (рис 19).
Регулируемая длина впускной трубы работает с первым объёмным резонатором на малых частотах вращения. При высоких оборотах она изменяется, производя открывание второго резонатора (рис. 20).
Рис. 20: Бесступенчатая впускная система переменной длины
1	жёсткий корпус
2	вращающийся барабан (распределитель воздуха)
3	отверстие входа воздуха в барабан
4	отверстие входа воздуха во впускной канал
5	уплотнение (например плоская пружина)
6	впускные каналы
7	впускной клапан
8	поток воздуха на впуске
Рис. 21: Эффективное среднее давление в зависимости от частоты вращения при трёх длинах бесступенчатой впускной системы.
L, эффективная длина впускной трубы I)., диаметр впускной трубы
частота вращения п
57
Motronic
Встроенная диагностика
Методы диагностики
У систем Motronic к основному методу относится бортовая диагностика. Система диагностики сравнивает реакции системы с командами блока управления и проверяет сигналы различных датчиков на правдоподобность. Эта проверка производится постоянно в течение всего нормального рабочего режима.
Распознанные ошибки запоминаются блоком управления вместе с рабочими режимами при которых они появились. При проверке автомобиля записанные ошибки с помощью серийного интерфейса диагностики и тестера могут быть прочитаны и показаны. Эти данные облегчают поиск неисправностей персоналу, проводящему сервисное обслуживание. На основании требований по защите окружающей среды в Калифорнии были разработаны способы диагностики, которые по объему значительно опередили все ранее известные. Все компоненты, вызывающие при неполадках существенное повышение объёма вредных выбросов, должны находиться под контролем.
Области диагностики
Измеритель массового расхода воздуха
Примером самодиагностики систем Motronic является контроль измерителя расхода воздуха. Наряду с расчётом времени вспрыска по массе поступившего воздуха производится сравнительный расчет этого параметра по углу поворота дроссельной заслонки и частоте вращения. Если эти две величины недопустимо далеко расходятся, то это фиксируется в памяти. В дальнейшем производится определение правдоподобности обоих датчиков, чтобы выявить дефектный. Только после выявления неисправного датчика блок управления запоминает соответствующий код ошибки.
Пропуски вспышек
При появлении сбоев воспламенения, например, из-за выгоревших свечей или неисправности электропроводки, в катализатор попадает несгоревшая смесь. Она может разрушить катализатор и в любом случае загрязняет окружающую среду. В связи с тем, что даже незначительные сбои ведут к увеличению токсичности, нужно, чтобы даже единичные пропуски вспышек фиксировались.
На рис. 1 показано влияние пропусков вспышек на эмиссию углеводородов (СН), угарного газа (СО) и окислов азота (NOx).
Из всех проверенных методов определения пропусков вспышек самым пригодным оказался метод контроля неравномерности вращения коленчатого вала. При пропусках вспышек двигатель недополучает часть крутящего момента, развиваемого при сгорании. Это ведёт к замедлению вращения. При этом на высоких частотах вращения и малой нагрузке интервал от одной вспышки до другой (длительность периода) удлинняется только на 0,2%. Поэтому требуется очень точный контроль равномерности вращения и сложный способ расчёта, чтобы можно было пропуски вспышек отличить от других помех.
Катализатор
Следующая диагностическая функция контролирует коэффициент полезного действия катализатора. С этой целью дополнительно к обычному Лямбда-зонду перед катализатором устанавливается ещё один Лямбда-зонд за ним. Функционирующий катализатор обладает аккумулирующей способностью на кислород, чем производится демпфирование регулировочных колебаний Лямбда-регулятора. У состарившегося катализатора эти свойства слабеют, пока не произойдёт совпадение протекания сигнала после катализатора и такой же функции до него.
При сравнении сигналов Лямбда-зондов можно определить состояние катализатора и при возникновении
58
Встроенная
диагностика
Рис. 1: Токсичные выбросы в зависимости от пропусков вспышек.
Двигатель: 6 цилиндров, 2,8 л
Предельные величины эмиссий по нормам США - 94г.
СН = 0.25 г/миля
СО =3.40 г/миля
NO, = 0.40 г/миля
Рис. 2: Контроль динамического режима Лямбда-зондов.
а) новый зонд, 6) устаревший зонд тип II, в) устаревший зонд тип III.
неисправности водитель получает сигнал с помощью лампочки диагностики.
Лямбда-зонд
Для оптимального использования катализатора топливовоздушная смесь должна иметь точно стехиометрический состав. Это обеспечивается Лямбда-регулированием при помощи Лямбда-зондов. В связи с тем, что на поток отработавших газов имеется два Лямбда-зонда, можно через показания зонда за катализатором проверить зонд перед катализатором на сдвиг точки регулирования. Лямбда-зонд, работающий длительное время при повышенной температуре, в зависимости от обстоятельств медленнее реагирует на изменения состава смеси. Поэтому увеличивается длительность периодов срабатывания двухточечного регулятора по а (Рис. 2). Диагностикой контролируется эта частота регулирования и замедленное срабатывание зонда сигнализирует водителю посредством контрольной лампы.
Подогреватель Лямбда-зонда проверяется измерением тока и напряжения. Чтобы измерение было возможно, Motronic управляет подогревателем непосредственно, а не через реле. Подаваемый зондом сигнал проверяется на правдоподобность. При появлении вероятных сигналов Лямбда-регулирование производит блокирование всех зависимых функций и код ошибки будет записан в память.
Подача топлива
Длительное отклонение состава топливовоздушной смеси от стехиометрического учитывается с помощью адаптации состава смеси. Если эти отклонения выходят за установленные пределы, то какой-либо компонент системы топли-воподачи или дозирования находится за пределами допуска спецификации. Примером этого может быть неисправность регулятора давления, датчика нагрузки или утечки во впускной трубе или системе выпуска газов.
59
Motronic
Подача вторичного воздуха
Осуществляемая после холодного пуска подача вторичного воздуха должна также контролироваться, т.к. нарушение функции влияет на эмиссии. При активной подаче вторичного воздуха можно проверить сигнал Лямбда-зондов или же контролировать их при активных тестовых функциях Лямбда-регулятора на холостом ходу.
Рециркуляция отработавших газов
Для диагностики системы рециркуляции отработавших газов используются различные возможности. В основном оправдали себя два способа. При первом способе в том месте, где производится ввод отработавших газов во впускную трубу, датчиком измеряется повышение температуры при активной рециркуляции отработавших газов.
При втором способе на принудительном холостом ходу (при отключении подачи топлива) производится полное открывание клапана рециркуляции.
Поступающие во впускную трубу газы приводят к увеличению давления.
При помощи датчика давления производится измерение и регистрация роста давления во впускной трубе.
Топливная система
Загрязнение окружающей среды производится не только выбросами отработавших газов, но и за счёт выделения топливных паров из топливной системы. В настоящее время законодательство ограничивается лишь довольно простой проверкой функции клапана продувки адсорбера. Позднее потребуется и диагностика утечки в системе улавливания паров топлива.
На рис. 3 изображён основной принцип диагностики. Закрывание системы улавливания паров производится запорным клапаном.
Затем, преимущественно на холостом ходу двигателя, открывается клапан продувки адсорбера, при этом давление во впускной трубе распост-раняется по всей системе. Его рост
Рис. 3: Контроль разрежения для распознавания утечки в системе улавливания паров топлива.
1 впускная труба, 2 клапан продувки адсорбера, 3 запорный клапан, 4 топливный бак, 5 датчик дифференциального давления, предохранительный клапан.
60
Встроенная
диагностика
контролируется датчиком давления в топливном баке и по его сигналам производится распознавание утечки.
Другие проверки
Помимо системы управления двигателем, на которую в основном рас-постраняются новые законодательства, контролю подвергаются и другие системы (например автоматическая передача). При этом сигнал о наличии ошибок передается в систему управления двигателем и она включает диагностическую лампочку. Вследствие растущей сложности систем и издающихся законов о защите окружающей среды, диагностике придаётся всё большее значение.
Аварийный ход
В период от возникновения неисправности до приезда на станцию технического обслуживания подготов
ка топливовоздушной смеси и зажигание производятся через замещающие величины и аварийные функции таким образом, чтобы с некоторой потерей комфорта было возможно ехать дальше. При определении ошибки одного входного канала, блок управления заменяет отсутствующую информацию или выдаёт замещающую величину.
При выходе из строя одного из выходных агрегатов проводятся индивидуальные аварийные мероприятия в зависимости от неисправности. Так, например при дефекте в цепи зажигания отключается впрыск соответствующего цилиндра, с целью предотвращения повреждения катализатора.
На станции технического обслуживания можно при помощи мотор-тестера фирмы Бош произвести считывание и индикацию возникших во время эксплуатации неисправностей (рис. 4).
f
Рис. 4: Мотор-тестер фирмы Бош.
61
Motronic
Блок управления
Назначение
Электронный блок управления является вычислительным и коммутационным центром системы управления двигателем. Из входных сигналов, подаваемых датчиками, блок при помощи запрограммированных функций и алгоритмов (расчётные способы) рассчитывает управляющие сигналы для исполнительных элементов (например катушки зажигания, форсунки и т.д.) и непосредственно коммутирует их с помощью выходных каскадов (рис. 1).
Механическая конструкция
Блок управления находится в металлическом корпусе, который содержит печатную плату с электронными компонентами. Датчики, исполнительные элементы и питание подключаются к блоку управления многополюсным штекерным разъемом. Он имеет в зависимости от типа, соответствующего различному объёму функций, 35, 55, или 88 контактов.
Мощные компоненты для прямого управления исполнительными элементами монтируются на радиаторы в блоке управления. Из-за выделяющегося и подлежащего отводу тепла этих электронных компонентов необходим хороший теплопроводящий контакт с кузовом.
Условия окружающей среды
Блок управления должен удовлетворять высоким требованиям относительно температуры окружающей среды, влажности и механических нагрузок. Такие же высокие требования предъявляются к электромагнитной помехочувствительности и ограничению излучения высокочастотных сигналов.
Блок управления должен безошибочно обрабатывать сигналы в нормальной эксплуатации при температуре окружающей среды от -30°С до +60°С и напряжении батарей от 6В (при пуске) до 15В.
Электропитание
Регулятор напряжения постоянно снабжает цифровые микросхемы напряжением равным 5В.
Ввод сигнала
Входные сигналы передаются в блок управления в различной форме. Они проходят через защитные цепи и, при необходимости, через преобразователи и усилители. Микропроцессор производит прямую обработку этих цифровых сигналов.
Аналоговые сигналы (например информация о количестве поступающего воздуха, положении дроссельной заслонки, температуре двигателя и воздуха на впуске, напряжении батареи, Лямбда-зонде и др.) преобразуются аналогоцифровым преобразователем (АЦП) в микропроцессоре в цифровые сигналы.
Сигнал индуктивного датчика с информацией о частоте вращения и опорной метке обрабатывается компаратором, чтобы подавить импульсные помехи.
Отработка сигнала
Микропроцессор блока управления обрабатывает входные сигналы. Для этого ему необходима программа, которая занесена в блоке памяти (ПЗУ или СПЗУ). Дополнительно к этому в память записываются специфические для двигателя характеристики и таблицы управления.
Вследствие разнообразия двигателей и оснащения автомобилей некоторые блоки управления имеют вариантное кодирование. С его помощью на автозаводе или станции технического обслуживания призводится выбор из запрограммированных в СПЗУ семейств характеристик для реализации желаемых функций для данного исполнения двигателя.
62
Блок
управления
к
I
Другие типы блоков спроектированы так, что блок данных может быть запрограммирован в СПЗУ при окончании сборки автомобиля. Блок оперативной памяти (ОЗУ) необходим для запоминания отклонений, возникающих в расчётных и адаптируемых величинах всей системы. ОЗУ должно постоянно снабжаться электроэнергией.
При снятии аккумулятора эта оперативная память теряет всю записанную информацию. Поэтому в данном случае при подключении батареи блок управления должен рассчитать все адаптируемые величины заново. Для предотвращения этого отдельные типы блоков записывают необходимые в дальнейшем варьируемые величины в СПЗУ вместо ОЗУ
Выходные сигналы
Микропроцессор включает выходные каскады, которые дают достаточную мощность для непосредственного подключения исполнительных элементов. Выходные каскады защище
ны от замыканий на массу или напряжение батареи, а также от разрушения электрической перегрузкой.
Диагностика распознаёт возникшие на отдельных выходных каскадах дефекты и отключает (при необходимости) неисправный выход. В ОЗУ происходит запоминание информации о дефекте. Она может быть прочитана через последовательный интерфейс при помощи тестера на станции технического обслуживания.
Другой защитный сигнал производит отключение электрического топливного насоса как только сигнал частоты вращения уходит за нижний предел.
В некоторых блоках управления при отключении клеммы 15 в замке зажигания (зажигание выкл.) через блокировочную схему главное реле удерживается включенным до тех пор, пока не будет закончена обработка программы.
I 4
I

Рис. 1: Блок-схема блока управления Motronic.
датчики	подготовка Процессор Выходные
коммутационные входы: зажигание вкл/выкл положение распредвала скорость движения рабочая передача
включение передачи кондиционер
аналоговые входы: напряжение батареи температура двигателя темп, воздуха на впуске Расход воздуха угол дроссельной заслонки Лямбда-зонд
датчик детонации
сигнал частоты вращения
катушка зажигания реле топливного насоса главное реле
клапан продувки адсорбера регулятор холостого хода пампа неисправностей
диагностика
испонительные элементы
форсунка
63
Motronic
Интерфейс к другим системам
Обзор систем
Широкое применение электронных систем управления в автомобилях, таких как
-	управление коробкой передач,
-	электронная регулировка мощности двигателя (EMS или E-Gas), - электронный блок управления двигателем (Motronic),
- антиблокировочная система (АБС), - противобуксовочная система (ПБС), - бортовый компьютер и тд., требует сетевой коммуникации между этими системами. Обмен информацией между отдельными системами управления снижает количество датчиков и улучшает использование их в отдельности.
Интерфейсы можно разделить на две категории:
- обычный, например двоичные сигналы (коммутационные входы), скважность (широтно-импульсная модуляция),	.
- последовательная передача данных, как например Controller Area Network (CAN).
Обычные интерфейсы
Обычная коммуникация в автомобиле характеризуется тем, что к каждому отдельному сигналу привязан отдельный провод. Двоичные сигналы могут передаваться только двумя кодами „1“ и „0“ например компрессор кондиционера „вкл.“ или „выкл.“ Скважностью (потенциометр) можно передавать несколько состояний, например, положение дроссельной заслонки.
Рост обмена данными между электронными компонентами автомобиля уже невозможно рационально осуществить обычными интерфейсами. Сложность кабельных жгутов уже сейчас сопряжена с большими затра
тами, а требования обмена данными между системами управления растут (рис. 1).
Эти проблемы устраняются с помощью применения CAN - специально разработанной для автомобилей шинной системы (шина сбора данных). При оснащении электронных блоков управления последовательными интерфейсами CAN вышеперечисленные сигналы можно передавать с их помощью.
Последовательная передача данных (CAN)
В автомобилях существуют три основных области применения CAN: - стыковка блоков управления, - электроника кузова и комфорта (мультиплекс),
- мобильная телефонная связь. Нижеследующее описание относится к стыковке блоков управления.
Стыковка блоков управления
При стыковке блоков управления реализуется связь таких систем как Motronic, управление коробкой передач и др. Обычная передача данных происходит со скоростью от 125 кбит/сек и до 1 Мбит/сек. Она должна быть настолько высокой, чтобы мог быть гарантирован требуемый режим реального времени. Пре-
Рис. 1: Обычная передача данных
GS управление коробкой передач,
EMS электронная регулировка мощности двигателя, ABS антиблокировочная тормозная система, ASR противобуксовочная система, MSR регулировка момента прокрутки
64
Блок
управления
имуществом последовательного способа передачи данных, по сравнению с обычным, (например скважность, коммутационный и аналоговый сигналы) является высокая скорость без большой нагрузки центрального процессора блока управления (CPU).
Конфигурация шин
CAN работает по принципу „Multi-Master" При этом производится объединение нескольких равнозначных блоков управления в одну взаимосвязанную линейную шинную структуру (рис. 2).
Её преимуществом является то, что при выходе из строя одного из участников все остальные продолжают работать нормально. По сравнению с другими логическими устройствами (такими как кольцевая или звездообразная структура) вероятность выхода из строя всей системы значительно снижается.
В случае кольцевых или звездообразных структур выход из строя одного из участников или центрального участника выводит из строя всю структуру.
Адресация согласно содержания
Шинная система CAN адресует информацию в соответствии с её содержанием. При этом каждой от-
Рис. 3: Линейная шинная структура.
*
дельной посылке присваивается постоянный, состоящий из 11 бит идентификатор. Он характеризует содержание информации (например, частота вращения двигателя). Одна станция принимает только те данные, идентификатор которых находится в списке памяти принимаемых ею данных (проверка акцептования).
Благодаря этому CAN не нуждается в адресах принимающих станций для передачи данных, а узлы не должны управлять конфигурацией системы.
Шинный приоритет
При наличии свободной шины каждая из станций может начинать передачу наиболее важной посылки. Если несколько станций начинают это делать одновременно, то для разрешения вытекающих из этого шинных конфликтов применяется арбитражная система „Проволочное И" При этом проходит информация с высшим приоритетом без возникновения потерь времени и бит информации.
Каждый отправитель с более низким приоритетом автоматически становится получателем и повторяет попытку передачи данных как только шина становится свободной.
Формат посылки
Для передачи данных шиной образуется формат данных (Data Frame), длина которого составляет менее 130 бит. Этим обеспечивается то, что время ожидания до следующей, возможно очень нужной передачи информации было всегда коротким.
Формат состоит из семи последовательных полей.
Стандартизация
CAN предусмотрен международной организацией по стандартизации ISO для использования в автостроении в качестве стандарта для скоростей передачи свыше 125 кбит/сек и вместе с двумя другими протоколами для скоростей передачи данных до 125 кбит/сек.
65
Отработавшие
газы
Отработавшие газы
Состав отработавших газов
Полного сгорания топлива в цилиндрах двигателя нет даже при наличии избытка кислорода в воздухе. Чем несовершеннее сгорание, тем больше выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. В целях защиты окружающей среды необходимо усовершенствовать очистку отработавших газов, например при помощи катализатора (рис. 1 и 2).
Все мероприятия по ограничению эмиссии вредных веществ, предписанной законом, базируются на том, чтобы при
возможно низком расходе топлива, высокой рабочей мощности и благоприятных условиях движения добиться минимальной эмиссии вредных веществ. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания имеют наряду с большим процентом содержания невредных основных компонентов побочные вещества, которые по меньшей мере в высокой концентрации наносят вред окружающей среде. Доля вредных компонентов составляет примерно 1 % отработавших газов и состоит из угарного газа (СО), окиси азота (NOX) и углеводорода (СН). Особенного внимания требует при этом противоположная зависимость протекания концентрации СО и СН с одной стороны и NOxc другой от коэффициента избытка воздуха.
Рис. 1: Содержание вредных веществ в Германии (с 03.10.1990).
Без учёта природных эмиссий и эмиссии СО2 (см. таблицу) по 5-му отчёту правительства (ёрмании о защите природы от эмиссий от 15.12.1992.
Величины в скобках: западная/восточная (ёрмания в прцентном содержании от указанной величины.
К( 7,6/92,4)71.5%
К (55,7/44,3) 18,9%
*
66
Рис. 2: Катализатор для снижения концентрации вредных веществ СО, СН и NO*.
Состав выхлопных газов
Основные составные части
Основными составными частями отработавших газов являются азот, углекислый газ и водяной пар. Они неядовиты. Азот (N2) как основная часть воздуха не участвует в процессе горения и тем самым составляет приблизительно 71% отработанного газа. Но в незначительном количестве азот реагирует с кислородом, образуя окислы азота. Содержащийся в топливе, связанный химически, углерод образует при полном сгорании углекислый газ (СО2) с долей примерно 14% отработавших газов. Содержащийся в топливе, связанный химически, кислород образует при сгорании водяной пар (Н2О), который большей частью конденсируется при остывании (в холодное время года его хорошо видно в качестве парового облака у выхлопной трубы).
Состав примесей
Примеси - угарный газ, углеводороды и частично окисленные углеводороды образуются вследствие неполного сгорания, в то время как окислы азота являются результатом побочных реакций с воздухом при любом процессе сгорания. Угарный газ (СО) - газ без запаха и цвета. Он снижает усваи-ваемость кислорода в крови и тем
самым вызывает отравление живых организмов. Поэтому двигатели не должны работать в закрытых помещениях без включённой установки отсоса выхлопных газов.
Углеводороды состоят из недогоревших частей топлива или из вновь образовавшихся углеводородов. Низко-кипящие алифатические углеводороды не имеют запаха. Циклические ароматические углеводороды (бензол, толуол, полициклические углеводороды) обладают запахом. Считается, что при длительном влиянии они вызывают раковые заболевания. Окислившиеся частично углеводороды (альдегиды, кетоны и т.д.) имеют неприятный запах и образуют под влиянием солнечных лучей вещества, которые при длительном влиянии в определённой концентрации вызывают раковые заболевания.
Как NOX обозначается смесь окислов азота (в основном NO и NO2), которая образуется при высоких температурах сгорания из азота и кислорода. NO является веществом без цвета и запаха, которое при реакции с воздухом медленно преобразуется в NO2. В чистой форме NO2 является краснокоричневым ядовитым газом с резким запахом. При его концентрации имеющей место в отработавших газах или сильно загрязненном воздухе может привести к раздражению слизистых оболочек.
67
Техника выхлопных газов
Катал итическая доработка
На токсичность двигателя можно воздействовать в трёх местах. Первое вмешательство можно произвести при подготовке топливной смеси перед двигателем, второе - в самом двигателе (например оптимизация камеры сгорания) и третье - в последующей доработке отработавших газов на выпуске двигателя. В последнем случае речь идет в основном о сжигании неполностью сгоревшего топлива. Дожигание производится с помощью катализатора. Он способствует последующему догоранию СО и СН, преобразуя их в безвредные углекислый газ (СО2) и воду (Н2О) и производит одновременное снижение находящихся в отработавших газах окислов азота (NOX), преобразуя их в нейтральный азот (N). Каталитическая доработка является более эффективной, чем, например чисто термическое дожигание вредных веществ в горячем пламени. При помощи катализатора можно преобразовать свыше 90% вредных веществ в безвредные.
Трёхкомпонентный катализатор производит одновременную доработку всех трёх вредных веществ СО, СН и NOX. Он оснащён трубчатым каркасом из керамики, которая имеет слой благородных металлов, состоящий преимущественно из платины и родия (рис.2). При прохождении отработанного газа через керамику платина и родий ускоряют химический процесс нейтрализации вредных веществ. Оснащение катализатором требует использования бензина без содержания свинца, потому что он разрушает каталитическое действие благородных металлов. Этот способ предпосылает оптимальный состав смеси, то есть стехиометрический состав, характеризующийся коэффициентом избытка воздуха a = 1. Только при таком значении а катализатор работает с высоким коэффициентом
полезного действия (рис. 3). Даже отклонение в 1% ведёт к значительному влиянию на последующую обработку. Удерживание состава смеси постоянным в пределах незначительных допусков параметрическим управлением невозможно; для этого необходимо точно работающее, почти безинерционное регулирующее устройство. Причина заключается в том, что управление составом смеси производит расчёт и измерение подачи топлива, но не контролирует результат. Регулирование состава смеси, напротив, замеряет состав отработавших газов и использует эти замеры для корректировки рассчитанной подачи топлива.
Рис. 3: Эффективность каталитической доработки отработавших газов при помощи Лямбда-регулирования.
СН углеводороды, СО угарный газ NOX окислы азота.
Оптимальный диапазон регулировки состава смеси а - 0.99... 1.0.
Содержание вредных веществ: а) без доработки, Ь) с доработкой.
68