Количество топлива, подаваемого форсунками, регулируется электрическим импульсным сигналом от ЭБУ. Блок управления отслеживает множество данных о состоянии двигателя, рассчитывает потребность в топливе и определяет необходимую длительность подачи топлива форсунками. Эту длительность называют шириной или длительностью импульса впрыскивания. Для увеличения количества подаваемого топлива ширина импульса увеличивается, а для уменьшения подачи топлива - уменьшается. Ширина (длительность) импульса впрыска подбирается блоком управления также и в зависимости от различных условий работы двигателя, таких, например, как пуск, высокогорье, мощностное обогащение рабочей смеси, торможение двигателем и т.д. Обычно к форсункам подается один импульс на один опорный импульс от датчика положения КВ двигателя. Причем импульсы подаются поочередно сразу на две форсунки. Например, сначала на форсунки первого и четвертого цилиндров, затем через 180° ПКВ на форсунки второго и третьего цилиндров, еще через 180° снова на форсунки первого и четвертого цилиндров и т.д. Впрыскивание топлива осуществляется синхронно с опорными импульсами от датчика положения коленчатого вала или асинхронно, независимо от опорных импульсов. Независимо от метода впрыска подача топлива определяется состоянием двигателя, т.е. режимом его работы. Эти режимы обеспечиваются блоком управления.
Режимы управления топливоподачей включают ряд последовательных операций.
Режим пуска двигателя. При включении зажигания ЭБУ на 2 с включает реле топливного насоса, который создает давление в магистрали подачи топлива к топливной рампе. ЭБУ учитывает показания от датчиков температуры охлаждающей жидкости и положения дроссельной заслонки и определяет правильное соотношение воздуха к топливу для пуска. После начала вращения КВ двигателя ЭБУ будет работать в пусковом режиме пока обороты двигателя не превысят 500 мин-1, в противном случае возможно переключение на режим продувки двигателя.
Режим продувки двигателя. Если двигатель «залит топливом», он может быть пущен путем полного открытия дроссельной заслонки при одновременном повороте КВ. Блок управления в этом режиме не выдает на ЭМФ импульсы впрыска, благодаря чему залитый двигатель «очищается». Блок управления поддерживает указанную длительность импульсов до тех пор, пока обороты двигателя ниже 500 мин-1, и датчик положения дроссельной заслонки показывает, что она почти полностью открыта (более 75%).
Режим открытого цикла (без обратной связи по датчику кислорода). После пуска двигателя (обороты более 500 мин-1) ЭБУ будет управлять системой подачи топлива в режиме «открытого цикла». На этом режиме он игнорирует сигнал от датчика концентрации кислорода и рассчитывает длительность импульса на форсунку по сигналам от следующих датчиков: ДПКВ, ДМРВ, ДТОЖ, ДПДЗ.
На режиме открытого цикла расчетная длительность импульса может давать соотношение воздуха к топливу, отличное от 14,7:1,0. Это будет, например, на холодном двигателе, так как в этом случае для получения хороших нагрузочных характеристик необходима обогащенная смесь. Блок управления будет оставаться в режиме открытого цикла до тех пор, пока не выполнены следующие условия: сигнал датчика концентрации кислорода начал изменяться, показывая, что он достаточно прогрет для нормальной работы; температура охлаждающей жидкости стала больше 32°С; двигатель проработал определенный период времени после пуска. Это время может варьироваться от 6 с до 5 мин в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в момент пуска.
Режим замкнутого цикла (с обратной связью по датчику кислорода). На этом режиме блок управления сначала рассчитывает длительность импульса на форсунки на основе сигналов от тех же датчиков, что и в режиме открытого цикла. Отличие состоит в том, что в режиме замкнутого цикла дополнительно используется сигнал от датчика концентрации кислорода для корректировки и тонкой регулировки расчетного импульса, чтобы точно поддерживать соотношение воздуха к топливу на уровне 14,6:1,0. Это позволяет каталитическому нейтрализатору работать с максимальной эффективностью.
Режим ускорения. Блок управления следит за резкими изменениями положения дроссельной заслонки и за расходом воздуха и обеспечивает подачу добавочного количества топлива за счет увеличения длительности импульса на форсунки. Если возросшая потребность в топливе слишком велика из-за резкого открытия дроссельной заслонки, то блок управления может добавить асинхронные импульсы на форсунки в промежутках между синхронными, которых при нормальной работе приходится один на каждый опорный импульс от датчика положения коленчатого вала.
Мощностное обогащение. Для определения моментов, в которые необходима максимальная мощность двигателя, блок управления следит за положением дроссельной заслонки и частотой вращения коленчатого вала. Для развития максимальной мощности требуется более богатый состав воздушно-топливной смеси, чем 14,6:1,0, т.е. больше топлива. В этом режиме блок управления изменяет состав смеси на соотношение 12:1 и не учитывает сигнал от датчика концентрации кислорода, так как он показывает переобогащение горючей смеси.
Режим торможения характерен для закрытой дроссельной заслонки при снижении частоты вращения КВ двигателя. Оставшееся топливо в ВТ может быть причиной увеличения токсичности ОГ. Блок управления отслеживает поворот заслонки на закрытие, а также уменьшение расхода воздуха, и снижает подачу топлива сокращением длительности импульсов на форсунки.
Торможение двигателем происходит при включенном сцеплении и передаче, блок управления может кратковременно прекратить подачу импульсов на форсунки. Такой режим наступает, когда выполняются следующие условия: температура охлаждающей жидкости выше 20°С, частота вращения КВ выше 1800 мин-1; скорость движения автомобиля более 20 км/ч, дроссельная заслонка закрыта, массовый расход воздуха более 43 г/с. Возобновление импульсов впрыскивания топлива произойдет при наличии любого из следующих условий: частота вращения КВ ниже 1600 мин-1, скорость автомобиля меньше 20 км/ч, массовый расход топлива меньше 38 г/с, дроссельная заслонка открыта на угол 2°; включено сцепление, что определяется по быстрому падению оборотов КВ.
Режим корректировки напряжения аккумуляторной батареи характерен при понижении этого напряжения. В этом случае форсунки открываются медленнее. Блок управления компенсирует это увеличением длительности импульсов на форсунки и оборотов холостого хода. Кроме того, увеличивается время накопления тока на катушках модуля зажигания.
Режим отключения подачи топлива происходит при выключенном зажигании. В этом случае не подаются импульсы на форсунки. ЭБУ не получает опорные импульсы от датчика положения КВ, что означает остановку двигателя. Режим отключения подачи топлива возможен также при высокой частоте вращения КВ двигателя (свыше 6188 мин-1) для защиты его от разноса. В последнем случае подача топлива возобновляется, как только обороты двигателя станут ниже 6000 мин-1.
Комплексная микропроцессорная система управления двигателем формирует импульс электрического тока в первичных обмотках двухвыводных катушек зажигания и обмотках электромагнитных форсунок. При этом автоматически оптимизируются угол опережения зажигания, количество и момент подачи топлива в зависимости от режима работы двигателя.
При закрытом положении дроссельной заслонки работу двигателя на холостом ходу обеспечивает регулятор холостого хода, поддерживающий минимальную частоту вращения КВ. В автомобилях семейства ГАЗ, «Святогор», а также большинстве автомобилей «Лада» применяется система прерывистого впрыска топлива низкого давления. Блок управления обеспечивает приготовление горючей смеси в соответствии с нагрузкой и частотой вращения КВ двигателя.
Работа системы центрального впрыска. Блок управления по сигналу ДПКВ вычисляет частоту вращения КВ и по датчику давления определяет величину циклового наполнения каждого цилиндра двигателя воздухом. В ПЗУ хранятся значения углов опережения зажигания в зависимости от частоты вращения и циклового наполнения, соответствующих работе двигателя. Эти значения углов дополнительно корректируются в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Для холодного двигателя устанавливаются увеличенные значения углов опережения зажигания, что обеспечивает его хорошие тяговые свойства в этих условиях.
Блок управления дополнительно корректирует УОЗ при обнаружении детонационного сгорания, возникшего в результате изменения окружающих условий или других причин.
В случае повреждения датчика абсолютного давления или датчика охлаждающей жидкости в блоке активизируются аварийные программы и включается лампа диагностики. Эксплуатация двигателя с этими неисправностями приводит к снижению эксплуатационных показателей автомобиля - увеличивается расход топлива, снижается мощность и ухудшаются динамические свойства.
Количество топлива, подаваемого форсункой, регулируется электрическим импульсным сигналом от ЭБУ, отслеживающего данные о состоянии двигателя. ЭБУ рассчитывает потребность в топливе и определяет необходимую длительность подачи топлива форсункой (длительность импульса). Для увеличения количества подаваемого топлива длительность импульса увеличивается, а для уменьшения подачи топлива - сокращается.
Электронный блок обладает способностью оценивать результаты своих расчетов и команд, а также запоминать опыт недавней работы и действовать в соответствии с ним. «Самообучение» ЭБУ является непрерывным процессом, продолжающимся в течение всего срока эксплуатации автомобиля.
Работа системы распределенного впрыска. Общие принципы построения электронных систем распределенного впрыска можно рассмотреть на примере рис. 3.14. При включении зажигания и получении верного пароля от иммобилизатора ЭБН создает в рампе форсунок давление топлива около 300 кПа и ждет начала прокрутки КВ от стартера. Постоянное давление в рампе поддерживается механическим клапаном.
Рис. 3.14. Работа системы питания: 1 - свеча зажигания; 2 - форсунка; 3 - трубопровод; 4 - регулятор давления топлива; 5 - соединительный трубопровод; 6 - полость ресивера; 7 - дроссельный патрубок; 8 - винт регулировки СО; 9 - дроссельная заслонка; 10 - гофрированный патрубок для гашения колебаний; 11 - потенциометр; 12 - расходомер воздуха; 13 - электрический разъем; 14 - трубопровод подачи; 15 - сливной топливный трубопровод; 16 - топливный бак; 17 - трубопровод высокого давления; 18 - ЭБН; 19 - фильтр тонкой очистки топлива; 20 - ЭБУ; 21 - РХХ; 22 - додроссельное пространство; 23 - задроссельное пространство; 24 - ДПДЗ; 25 - датчик температуры; 26 - электрическая цепь; 27 - воздушный ресивер; 28 - воздушный патрубок; 29 - впускной клапан; 30 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 31 - датчик положения КВ двигателя; 32 - задающий диск
В момент начала прокрутки КВ система формирует первый асинхронный (во все цилиндры) импульс впрыскивания топлива для быстрого запуска. При достижении частоты вращения КВ 1000 мин-1 система начинает работать в синхронном режиме. Впрыскивание осуществляется только в нужный цилиндр. В системах с ЭБУ «Январь» впрыск производится попарно. Так как клапан одного из цилиндров закрыт, то топливо испаряется в воздушный канал ВТ.
Если в момент начала прокрутки дроссельная заслонка открыта, то ЭБУ не подает топливо в цилиндр, реализуя режим продувки двигателя.
При работающем двигателе ЭБУ снимает показания датчиков и рассчитывает необходимый объем топлива для подачи в цилиндры двигателя, а также параметры системы зажигания. При выключении зажигания ЭБУ еще 2 с удерживает напряжение питания на силовых элементах системы, завершает вычисления и после этого отключает главное реле системы впрыска. Система электронного впрыска топлива является самонастраивающейся системой. В своих вычислениях она заменяет показания любого неисправного датчика (кроме датчика ДПКВ) на рассчитанные исходя из показаний остальных датчиков, зажигает контрольную лампу и записывает в память код возникшей неисправности. Двигатель при этом продолжает работать, глушить его не надо, а включение лампы говорит о необходимости проведения ТО в ближайшее время. Коды неисправностей хранятся в памяти до сброса питания с ЭБУ и их можно считать с помощью прибора ДСТ-2, подключив его к диагностической колодке.
Двигатель не может работать в случае неисправностей самого ЭБУ, модуля зажигания в сборе, ЭБН и отсутствия питания на ЭМФ. Что касается датчиков, обслуживающих работу системы, то критичной является только неисправность ДПКВ. В этом случае двигатель глохнет сразу. Топливо из бака 16 засасывается электрическим бензонасосом 18 и под давлением поступает сначала к топливному фильтру 19, а затем к распределительной трубке (топливной рампе).
Впрыск топлива осуществляется при подаче на клеммы форсунок импульсов управляющего напряжения. Если импульс соответствует 12 В, то в начале фазы впуска находится первый цилиндр, а если О В - четвертый цилиндр. Через 180° поворота КВ в положении ВМТ будут находиться поршни второго и третьего цилиндров. При этом, если импульс, поступающий на ЭБУ, равен 12 В, то в начале фазы впуска находится второй цилиндр, а если 0 В - третий цилиндр.
Особенности работы ЭБН. При непрогретом двигателе после включения зажигания одновременно включается ЭБН. Во время поворота КВ двигателя стартером в сети автомобиля резко падает напряжение (до 8 В). В этом случае уменьшается сила тока и более чем в 2 раза снижается цикловая подача топлива через форсунки при равном времени открытия клапана. ЭБН приводится в движение электродвигателем с возбуждением от постоянного магнита.
Ротор с ячейками (рис. 3.15) вращается в овальном корпусе насоса со скоростью 3500-4500 мин-1. При вращении ротора между корпусом насоса и роликами создается разрежение, обеспечивающее подачу топлива. При продолжении вращения ротора зазор между корпусом насоса, роликами и ротором уменьшается, поднимая давление топлива и выбрасывая его через выпускной клапан насоса.
Рис. 3.15. Общая схема работы топливного насоса автомобилей семейства ГАЗ: а - продольный разрез; б - схема нагнетания топлива; 1 - входной штуцер; 2 - предохранительный клапан; 3 - основание; 4 - постоянный магнит; 5 - якорь электродвигателя; 6 - электрический коллектор; 7 - контакт электродвигателя; 8 - обратный клапан; 9 - выходной штуцер; 10 - выходной канал; 11 - корпус; 12 - ролик; 13 - ротор; 14 - всасываемая полость; 15 - вал электродвигателя; 16 - нагнетательная полость; 17 - выходная полость; 18 - полость
Нагнетающее действие ротора имеет место, когда ролики после перекрытия входного канала подают захваченное топливо по окружности до тех пор, пока оно не выйдет из насоса через выходной канал.
Топливо протекает непосредственно вокруг электродвигателя. Опасности воспламенения и взрыва при этом не возникает, так как в корпусе насоса никогда не образуется воспламеняемая смесь. Топливный насос начинает свою работу сразу же после включения зажигания и стартера и остается постоянно включенным после запуска двигателя. Предохранительная цепь предотвращает подачу топлива при включенном зажигании, но не работающем ДВС (в случае аварии).
Включение ЭБН происходит через реле управления работой двигателя в резервном режиме при выходе из строя отдельных элементов системы. При вращении ротора создается зона разрежения (всасывание) и зона повышенного давления (нагнетание). Бензин выдавливается в топливную магистраль из-за уменьшения объема камер, разделенных роликами, зубцами шестерен или пластинами.
Необходимое давление в топливной магистрали системы впрыскивания поддерживается при помощи регулятора давления топлива. Он сбрасывает излишки топлива в бак по обратному трубопроводу. Все составные части бензинового насоса омываются бензином, охлаждая его и снижая трение. Причин для воспламенения нет, так как отсутствует необходимый для горения воздух. Насос работает только после заполнения топливом.
ЭБН имеет трех-, четырехкратный запас подачи по отношению к режиму максимальных нагрузок. Применение дополнительного насоса на входе в основной топливный насос резко снижает образование пробок. При расположении основного насоса вне бака отдельный подкачивающий насос устанавливается в топливном баке.
Особенности работы датчика Холла. Для измерения угловых перемещений в современных системах применяют бесконтактные датчики, основанные на эффекте, открытом американским физиком Холлом в 1879 г.
Датчик Холла (рис. 3.16, а) содержит тонкую пластину 8, изготовленную из полупроводникового материала (например, кремния) и размещенную в зазоре между электродами постоянного магнита 4. Электроды 3 и 7 цепи Холла сообщены с верхней и нижней гранями пластины 8 и вольтметром 6. Проводник 5 питающего напряжения подключен к пластине 8. Между пластиной и электродами магнитного стержня размещают подвижный экран с окнами, открывающими доступ прохождения к ней магнитного поля.
Рис. 3.16. Датчик Холла: а - схема датчика; б - диаграмма напряжения; 1, 5 - электроды приложения напряжения на полупроводнике; 2 - поток электронов полупроводника; 3, 7 - электроды цепи Холла; 4 - источник индукции (магнит); 6 - вольтметр; 8 - полупроводник (подвижная пластина)
В проводнике с током, помещенном в магнитное поле источника 4 индукции, вектор напряженности которого перпендикулярен направлению тока в цепи электродов 1 и 5, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Напряжение электрической цепи эффекта Холла может быть представлено зависимостью
где Uэх, Iэх - напряжение и ток электрической цепи эффекта Холла; kэх - постоянная величина эффекта Холла; μ - магнитная индукция; hпл - толщина полупроводниковой пластины.
Напряжение эффекта Холла Uэх пропорционально магнитной индукции μ. Современные датчики сконструированы на принципе изменения величины магнитной индукции. Частота f и период Т следования импульсов датчика Холла связаны соотношением
Напряжение Холла представляет собой результат взаимодействия носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. В гранях пластины 8 происходит накопление заряда (поток электронов 2) и возникает электрическое поле, воздействующее на электроны в направлении электродов 7 и 3. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направление движения. Напряжение Холла регистрируют вольтметром 6.
При появлении между магнитом и пластиной экрана происходит прерывание магнитного потока. В соответствии с его изменением в зоне пластины в выходной цепи возникает или исчезает напряжение Холла (рис. 3.16, б). Датчик Холла является активным. Он использует электронные компоненты «усилитель-ограничитель», поэтому требует наличия питающего напряжения.
К двум противоположным граням 1 кремниевой пластины подведено напряжение питания 12 В. Если пластину поместить в магнитное поле так, чтобы его силовые линии пересекали ее в поперечном направлении, то на двух других гранях пластины возникает небольшое напряжение. Обычно в датчике кремниевая пластина и постоянный магнит - источник магнитного поля - закреплены неподвижно. Между магнитом и пластиной помещен движущийся экран, изготовленный из магнитного проводящего материала (например, железа). В экране имеются окна, открывающие доступ магнитного поля к пластине датчика. Когда между магнитом и пластиной оказывается экран, он перекрывает магнитный поток. При движении экрана магнитный поток попадает или не попадает на пластину. Чаще всего подвижный экран выполняется в виде вращающегося обтюратора, тогда датчик позволяет отслеживать угол его поворота. На этом основаны многочисленные варианты датчиков угла поворота КВ или задающих генераторов.
Особенности работы датчика частоты вращения и положения КВ. Наибольшее распространение получили индукционные, основанные на эффекте Холла, и оптические датчики. Конструкция индукционного датчика, устанавливаемого в системе зажигания, и его электрический сигнал на выходе приведены на рис. 3.17.
Рис. 3.17. Датчик положения КВ двигателя ЗМЗ: а - размещение датчика; б -напряжение вторичной обмотки катушки зажигания; в -сигнал датчика положения КВ; г - сигнал датчика распредвала; 1 - кабель датчика; 2 - постоянный магнит; 3 - корпус датчика; 4 - картер; 5 - сердечник; 6 - индуктивная катушка; 7 - зуб; 8 - площадка; 9 - диск синхронизации; 10 - начало подачи напряжения; 11 - напряжение зажигания; 12 - средняя величина напряжения; 13 - максимальная величина напряжения; 14 - сигнал датчика распределительного вала
При вращении вала распределителя в обмотках возникает переменное напряжение, форма напряжения которого показана на рис. 3.17, б. На режиме прокрутки выходное напряжение составляет 0,5-1,0 В и увеличивается с ростом частоты вращения КВ. Величина сигнала напряжения в ЭБУ ограничена диапазоном 6-10 В. Моменту закрывания выходного транзистора-коммутатора соответствует момент перехода через ноль.
В микропроцессорных системах зажигания индукционные датчики устанавливают в непосредственной близости от зубцов маховика или специального диска, закрепленного на КВ двигателя. Датчик положения КВ 23.3847 двигателя 3M3-4063.10 (см. рис. 3.17) индуктивного типа производства ОАО «Автоэлектроника» (г. Калуга) или фирмы Bosch 0 261 21013 предназначен для определения углового положения КВ двигателя, синхронизации работы ЭБУ с ВМТ поршней цилиндров 1 и 4 с рабочим процессом двигателя, а также определения частоты вращения КВ.
В большинстве случаев датчики положения КВ выполнены индукционными. Они могут располагаться как в распределителе зажигания, так и непосредственно в блоке двигателя или картере сцепления. Диск синхронизации представляет собой зубчатое колесо с 58-ю равноудаленными (через 6°) впадинами.
На переднем конце КВ с помощью стяжного болта закреплен зубчатый диск. Для создания импульса синхронизации (опорного импульса) в нем удалено два зубца. Вырезанные зубцы строго соответствуют определенному положению КВ, которое является началом отсчета для определения углового положения КВ и реализации момента зажигания. При изготовлении двигателя достигается точная ориентация выреза на диске относительно кривошипа КВ, благодаря чему обеспечивается соответствие задаваемого блоком момента искрообразования фактическому положению поршня в цилиндре. Опорный импульс необходим для согласования работы ЭБУ с ВМТ поршней в первом и четвертом цилиндрах.
Отсчет номера зубца на диске синхронизации производится против часовой стрелки от площадки пропуска двух зубцов. При вращении диска синхронизации впадины вместе с КВ изменяют магнитный поток в магнитопроводе датчика, наводя импульсы напряжения переменного тока в его обмотке. Датчик установлен на крышке масляного насоса напротив диска синхронизации на шкиве привода генератора с правой стороны и снабжен гибким соединительным кабелем с трехконтактной вилкой.
Отметчик датчика положения распределительного вала, расположенный на звездочке распределительного вала привода выпускных клапанов, будет находиться ниже датчика его положения.
Датчик содержит индуктивную катушку 6 с постоянным магнитом 2 и сердечником 5, установленным на шкиве КВ двигателя. Принцип действия этого датчика также основан на изменении величины магнитного потока при прохождении зубьев или впадин диска синхронизации 9 вблизи сердечника 5 датчика. Изменение магнитного потока индуцирует в обмотке катушки 6 переменное напряжение, частота которого пропорциональна скорости вращения и числу зубцов или выступов в нем.
Напряжение может изменяться от 5 В на холостом ходу до 100 В при частоте вращения 5500 мин'1. Для процессора характерен цифровой сигнал «Включено/Выключено». Переменное напряжение преобразуется в АЦП.
Переменное напряжение на выходе индуктивного датчика приведено на рис. 3.17, в. Кривые 12 представляют собой средние значения напряжения (70%), а кривая 13 - пиковое значение, соответствующее ВМТ.
Затем переменное напряжение с датчика передается в ЭБУ, который обрабатывает их совместно с другими сигналами датчиков и формирует параметры электрических импульсов для работы ЭМФ и катушек зажигания.
Интенсивность прохождения тока индукции в обмотке катушки датчика носит синусоидальный характер. Амплитуда тока зависит от частоты вращения диска, от зазора между зубцами и датчиком, от формы зубцов, магнитной характеристики датчика и способа его крепления.
При выходе из строя датчика положения КВ двигателя, зубчатого диска или его цепей прекращается работа системы зажигания и соответственно двигателя.
Исправность датчика можно проверить омметром. Сопротивление катушки датчика должно находиться в пределах 850-900 Ом. Нормальная его работа обеспечивается при зазоре между сердечником 5 датчика и зубцами 7 диска синхронизации h - 1±0,5 мм. По сигналам датчика ЭБУ синхронизирует момент зажигания с тактами двигателя.