Принципы работы системы управления двигателем

Принципиальная схема системы управления двигателя с искровым зажиганием представлена на рис. 3.1. Входными параметрами системы управления являются величина открытия дроссельной заслонки 2, момент зажигания и состав горючей смеси. В зависимости от режима работы двигателя необходимо изменять значения входных параметров. В процессе движения водитель 1 изменяет угол открытия дроссельной заслонки 2, а также передаточное отношение в КП и получает от двигателя необходимые мощность и крутящий момент для данного режима. Изменение угла открытия дроссельной заслонки задается водителем. Изменение величины расхода воздуха сопровождается изменением количества поступившего топлива и угла опережения зажигания.




Создание адаптивной системы управления и поиск минимального расхода топлива (g_e) осуществляют путем измерения циклоной подачи топлива (ΔG_γ). В этом случае изменяются крутящий момент двигателя (М_е) и частота вращения КВ двигателя (n). Поэтому невозможно минимизировать g_е, так как при ΔG_γ двигаешь переходит на другой режим, что не позволяет судить о достижении g_е.

Важные показатели рабочих процессов ДВС - g_e и минимальный выброс токсичных веществ с ОГ - в каждой рабочей точке поля режимов могут изменяться в широких пределах. В ДВС с искровым зажиганием они определяются совершенством рабочего процесса и составом горючей смеси. К числу влияющих факторов относятся также тепловое состояние двигателя, параметры окружающей среды и элементарный состав топлива. Перечисленные факторы представляют собой медленно изменяющиеся параметры. При необходимости они могут быть учтены как варианты внешних условий, измеряемых специальными датчиками информации. Алгоритм учета упомянутых и других внешних факторов при поиске управляющих воздействий могут храниться в памяти ЭБУ в виде пакета прикладных программ.

В микропроцессорных системах управления используют подпрограммы коррекции температуры окружающей среды (Т_окр), температуры охлаждающей жидкости двигателя (Т_охж) и элементарного состава топлива в виде отношения углерода и водорода (С:Н).

Очередное наполнение свежим зарядом одного из цилиндров ДВС представляет собой быстроизменяющийся фактор. При частоте вращения КВ двигателя n совершается 2in ходов поршней ДВС. В четырехтактных двигателях только в 2in/τ_γ ходах совершается наполнение цилиндров свежим зарядом или любой другой одноименный такт (сжатие, рабочий ход и выпуск ОГ). Обратная величина представляет собой период следования цикловых подач и может быть определена по формуле




где Δt_пс - период следования цикловых подач, мс; τ_γ - коэффициент тактности двигателя (для четырехтактных равен 4); n - частота вращения КВ, мин^-1; i_гф - число групп форсунок; j_кв - кратность впрыскивания, равная числу срабатываний (групп форсунок) за цикл.

Если i_гф=4, τ_γ=4, j_кв=1, то период следования цикловых подач n будет находиться в диапазоне 800-6000 мин^-1



Периодичность повторения одноименных тактов в современных двигателях при максимальной частоте вращения КВ составляет несколько миллисекунд. Эффективная работа двигателя и управление его процессами характеризуется частотой дискретности, представляющей собой переменную величину. При работе двигателя во всем диапазоне частот вращения КВ кратность изменения величины Δtпс может быть представлена зависимостью




Автомобильный двигатель представляет собой импульсный тепловой источник энергии автоколебательного типа с переменной дискретностью протекания рабочих процессов. Наполнение цилиндра свежим зарядом - быстро протекающий процесс. В работу двигателя для управления его рабочими процессами можно вмешиваться в периоды наполнения цилиндров свежим зарядом, начинающиеся в определенный момент времени (t_вп):



Продолжительности одного такта в четырехтактных двигателях отводится половина оборота КВ. В зависимости от скоростного режима продолжительность одного такта можно оценить равенством



Для ДВС с частотой вращения КВ n=800-6000 мин^-1 продолжительность одного такта Δt_γ составляет 0,225-0,03 с.


Для выработки команды управления микропроцессорной системе может быть выделено времени не более



Данная величина является основным критерием при выборе элементной базы микропроцессорной системы управления.

Параметры двигателя в значительной степени определяются величиной крутящего момента двигателя (М_е), частотой вращения КВ (n), положением дроссельной заслонки (ψ), составом горючей смеси (α), углом опережения зажигания (φ), средним эффективным давлением (Р_n).

Первые два параметра (М_е и n) являются независимыми переменными (координатами поля режимов работы). Их численные значения, с одной стороны, определяются водителем, а с другой представляют нагрузку на двигатель.

Управление дроссельной заслонкой (ψ) водитель осуществляет, руководствуясь условиями конкретной обстановки и требуемой скоростью движения. На этом основании М_е, n и ψ следует отнести к независимым переменным аргументам управлений. Другие параметры (α, φ, Р_n) можно отнести к компонентам соответствующих вектор-функций управлений.

Алгоритмизация управления двигателя заключается в поиске вектор-функций управлений по критериям наименьшего расхода топлива и минимального выброса вредных веществ с ОГ:



Необходимо найти численное значение вектор-функций управления вида (3.6) или более сложных воздействий и режима работы.

Подставив в правую часть уравнения значения других факторов, можно определить значение функции по критериям наимень-niero расхода топлива максимальной мощности ДВС и ограничениям на выброс вредных веществ с ОГ.

Оптимальные значения U(α, φ) для второго, третьего и других режимов работы двигателя вычисляются аналогично. Результат решения задачи оптимизации путем табличной матрицы управления включает состав смеси (α_ij), давление наддува (P_kij), угол опережения зажигания φ_ij и угол опережения начала впрыскивания топлива Q_ij. Индексы при управлениях ij указывают на режим работы по крутящему моменту i=1, 2,...,n и частоте вращения вала ДВС j=1, 2,..., m.

Многообразие режимов работы, исключая пуск и прогрев ДВС, образуют поле режимов, представляющее собой прямоугольную сетку для отыскания оптимальных условий управления рабочими процессами. Вектор-функции управлений определяются точно при более насыщенной сетке режимов.

Базовые матрицы системы управления рабочими процессами могут содержать 30x30 ед. и более элементов. Взаимодействие между узлами системы определяют с использованием линейной и квадратичной интерполяции.

Отклонения медленно изменяющихся факторов Т_окв, Т_охж и других от номинальных значений влияют на показатели рабочих процессов ДВС и на характер протекания вектор-функции управлений. При этом для каждой точки режима работы вычисляют удельный эффективный расход топлива и удельные объемные или массовые выбросы видов ВВ для множества допустимых управлений: коэффициента избытка воздуха (α) и угла опережения зажигания (φ). Затем определяют минимум g_е в плоскости α, φ, используя ограничения на допустимую токсичность ОГ. Оптимальное управление в этом случае чаще всего использует корректирующие алгоритмы и созданные на их основе специальные подпрограммы коррекции управлений.

Оптимальное управление системой обеспечивается с помощью корректирующих алгоритмов и созданных на их основе специальных подпрограмм коррекции управлений.

Основу микропроцессорной системы зажигания бензиновых двигателей составляют оптимальные параметры системы зажигания. Пределы регулирования системы зажигания при работе двигателя изменяются в широких пределах. Угол опережения зажигания может быть определен по следующей зависимости:



где φ^σ_ij - базовое значение угла опережения зажигания, соответствующее (ij)-му режиму работы ДВС; Δφ_к - величина, обусловленная отклонением каждого медленно меняющегося фактора Т_к от номинального Т_кн значения:



где μ_к - коэффициент пропорциональности.

Основу построения алгоритма составляют условия работы двигателя в реальных условиях эксплуатации на наиболее характерных представительных режимах, это режимы активного холостого хода (АХХ) и принудительного холостого хода (ПХХ).

Параметры работы бензинового двигателя (рис. 3.2) на режимах АХХ (область Б) и ПХХ (область А), разделенные кривой 2, характерны для городских условий эксплуатации. Изменение разрежения в ВТ на режиме АХХ (кривая 3) и ПХХ (кривая 1) существенно различаются как по величине, так и по характеру закономерностей протекания упомянутых кривых 1 и 3. Эти кривые, пересекаясь, образуют характерную для режимов ПХХ и АХХ общую точку 4. Продолжительность работы легковых и грузовых автомобилей в городских условиях эксплуатации на режимах АХХ в среднем составляет 35,4 и 17,0% соответственно, относительный расход топлива - 14 и 12%, а выброс массы ОГ от общего их количества - 26,0 и 12,5%.



Режимы ПХХ составляют 13,8 и 25,0% от общего баланса времени пребывания легкового и грузового автомобилей на линии, в том числе при закрытом положении дросселя (наиболее характерном режиме) - 10 и 18% соответственно. На этом режиме двигатель также не совершает полезной транспортной работы, но одновременно с этим потребляет 8-12% топлива от общего его баланса и выбрасывает 13,0 и 23,6% массы ОГ соответственно.

Наиболее представительным скоростным ПХХ в городских условиях эксплуатации является частота вращения КВ двигателя I250 мин^-1. Скоростной режим работы двигателя на конкретном загруженном маршруте в центральной части города в летний период составляет 1420 мин^-1, а в зимний - 1300 мин^-1. При этом величина открытия дросселя, характерная для упомянутых режимов, равна 4,5; 5,1 и 5,0° соответственно. Максимальная величина угла открытия дросселя при работе двигателя на режимах ПХХ может достигать 12°.

Величина замедления при служебном торможении грузового автомобиля в городских условиях эксплуатации изменяется в пределах 0,6-1,8 м/с².

При движении автомобиля на внегородских дорогах в зависимости от плотности транспортного потока и продольного профиля дороги продолжительность работы двигателя на АХХ составляет 2-10%.

Наиболее представительным скоростным АХХ режимом в городских условиях является частота вращения КВ двигателя 1450 мин^-1. Скоростной режим работы двигателя в центральной части города (загруженный маршрут, например, «Садовое кольцо» г. Москва) составляет 1390 мин^-1, а на хордовом маршруте, проходящем от центра города до его окраины - 1600 мин^-1. Величина открытия дросселя, соответствующая упомянутым режимам, равна 37; 34 и 40°.

В режиме разгона продолжительность работы автомобиля составляет около 42%, расход топлива - 51, выброс ОГ соответственно 47%.

Количество топлива за один цикл определяется длительностью импульса. Он рассчитывается ЭБУ на основании сигналов, поступающих от соответствующих датчиков. Под базовым временем Т_баз понимается составляющая длительности управляющего импульса, которая зависит только от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.

Базовая поверхность системы подачи топлива представлена на рис. 3.3. Она содержит значения длительности управляющего импульса во множестве дискретных точек. Каждая точка характеризуется определенной величиной значения частоты вращения КВ и нагрузки на ДВС (т.е. расхода воздуха). Информация в виде матрицы заносится в ПЗУ блока управления. Величина продолжительности впрыскивания для конкретного ДВС определяется для поддержания идеального стехиометрического соотношения при различных режимах работы двигателя.



Базовая поверхность включает 225 рабочих точек, содержащих 15 точек для угла открывания дроссельной заслонки (α) и 15 точек для частоты вращения КВ (n). Заданная нелинейность поверхности данных по параметрам (α/n) содержит точки данных, расположенных близко друг к другу. Рабочие точки поверхности определяются в ЭБУ с помощью линейной интерполяции.

При работе двигателя ЭБУ получает от соответствующих датчиков информацию о частоте вращения КВ и нагрузке на ДВС и находит в ПЗУ соответствующее значение Т_баз. При отличии одной или обеих входных переменных от дискретных значений, записанных в ПЗУ, блок управления производит интерполяцию. После определения Т_баз производится коррекция этой величины, если это необходимо по условиям работы двигателя.

Для каждой точки режима работы вычисляются удельный эффективный расход топлива и удельные объемные или массовые выбросы видов токсичных веществ с отработавшими газами для множества допустимых управлений: α и угла опережения зажигания φ.

Система содержит карту впрыскивания и карту зажигания. Трехмерная таблица, хранящаяся в памяти ЭБУ, содержит оптимальные значения длительности впрыскивания топлива в зависимости от скорости и нагрузки двигателя. Получив сигналы от соответствующих датчиков, ЭБУ обращается к этой таблице, из которой выбирается требуемое значение длительности впрыскивания, соответствующее текущим условиям работы двигателя. Для особых условий работы (пуск и прогрев) ЭБУ корректирует длительность по отношению к найденной карте для обогащения смеси. При работе двигателя на режиме XX ЭБУ переводит на специальную карту режимов XX.

Доза топлива, впрыскиваемая одной форсункой за одну подачу, составляет



где G_т - часовой расход топлива, кг/ч; n - частота вращения КВ двигателя, мин^-1; k - число форсунок; j_кв - кратность впрыскивания, равная числу срабатываний форсунок за цикл.

Величина производительности единичной дозы топлива (Q_т) пропорциональна длительности управляющего импульса и может быть представлена зависимостью



где V_т - объем топлива в мерном сосуде, см³; n_имп - количество проследовавших импульсов.



где Т_и - период следования импульсов, мс; τ - продолжительность заполнения объема V_т, с.

Для перехода к массовой дозе G_т полученное значение умножается на плотность топлива с учетом его температуры, т.е.



где G_т - массовый расход топлива; ρ_t - плотность топлива при t_γ, зарегистрированной в ходе эксперимента:



Форсунка обеспечивает преобразование электрических импульсов в параметры дозирования топлива. Она характеризуется показателями быстродействия, производительности и формы топливного факела. Клапан форсунки имеет два устойчивых состояния - открытое и закрытое.

Карта впрыскивания. Временная диаграмма изменения электрических и временных параметров срабатывания электромагнитной форсунки приведена на рис. 3.4. Это трехмерная таблица, хранящаяся в памяти ЭБУ, в которой размещены оптимальные значения длительности впрыскивания топлива в зависимости от скорости и нагрузки двигателя. Получив сигналы соответствующих датчиков, ЭБУ обращается к этой таблице, из которой и выбирается требуемое значение длительности впрыскивания, соответствующее текущим условиям работы двигателя. Для особых условий работы, таких, как пуск, прогрев двигателя, режим полной нагрузки и др., блок управления корректирует длительность впрыскивания для обогащения смеси по отношению к величине, найденной по карте. При работе двигателя на режимах XX блок управления переходит на специальную карту холостого хода.



Эффективность ЭМФ зависит от тяговой и механической его характеристик. Тяговая характеристика представляет зависимость электромагнитного усилия F_э от перемещения δ якоря, т.е. F_э=f(δ). Механическая характеристика представляет собой зависимость противодействующих сил F_м, создаваемых пружинами и силой тяжести, от величины перемещения якоря, т.е. F_м=ψ(δ). Надежная работа ЭМФ может быть достигнута путем согласования тяговой и механической ее характеристики.

Между якорем управляющего электромагнита и топливным запирающим узлом (плоский клапан, конический затвор) существует жесткая связь, поэтому временная диаграмма срабатывания однозначно связана с динамикой электромагнитной части форсунки. Продолжительность (длительность) циклового впрыскивания τ_цв можно представить уравнением



где τ_и - длительность управляющего импульса; τ_Oa - запаздывание начала движения затвора; τ_ab - время движения затвора при ею открытии; τ_cd - запаздывание движения затвора при его закрытии; τ_de - время движения затвора при его закрытии. Цикловая объемная доза топлива может быть представлена выражением



где q₀ - статическая производительность ЭМФ.

В реальной ЭМФ клапан открывается и закрывается не одновременно с началом поступления и окончанием управляющего импульса подачи тока, а с некоторым запаздыванием. Это запаздывание определяется рядом электрических и механических факторов. Магнитный поток из-за наличия индуктивности катушки достигает своего максимального значения через некоторое время после приложения напряжения к обмотке электромагнита. Нарастание магнитного потока сопровождается увеличением силы, обеспечивающей притяжение якоря электромагнита к сердечнику магнитопровода. При достижении усилия, необходимого для начала движения якоря, начинается его движение и клапан открывается.

Продолжительность от момента приложения напряжения к обмотке электромагнита до начала движения якоря называется временем начала движения (отрезок «0-а»). На перелет якоря из положения, соответствующего закрытому клапану, в открытое положение «в» требуется определенное время, называемое временем перелета якоря (отрезок «а-b»). Под временем срабатывания электромагнита (отрезок «0-b») понимается сумма времени начала движения и времени перелета якоря.

До окончания импульса тока якорь находится в приподнятом состоянии, клапан ЭМФ открыт. Выключение тока в обмотке сопровождается задержкой магнитного потока в сердечнике электромагнита. Усилие, притягивающее якорь к сердечнику электромагнита, не сразу достигает значения, при котором начинается обратный перелет якоря.

Время уменьшения усилия от максимального значения до величины, воздействующий на якорь со стороны запорной пружины, представляет собой время зависания (отрезок «с-d»). Время обратного перелета якоря составляет отрезок «с-е». Это время включает в себя время отпускания электромагнита. Продолжительность управляющего импульса равна «0-с». Время отпускания клапана составляет «с-е».

Как время срабатывания, так и время отпускания электромагнита не зависит от продолжительности импульса тока в обмотке - они являются неуправляемыми временными параметрами. На их величину значительно влияют конструкция и материалы магнитопровода (наличие вихревых токов в нем), величина массы подвижных частей ЭМФ, наличие трения при перемещении этих частей, а также соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями цепи форсунки и амплитудой тока, управляющего работой электромагнита.

Быстродействие форсунки с электромагнитным управлением характеризуется неуправляемым временем открытия затвора, которое складывается из времени трогания и прямого перемещения



Неуправляемое время закрытия - соответственно из времени задержки клапана и обратного его перемещения:



Фактическая продолжительность открытого состояния затвора τ_ad отличается от длительности импульса τ_0c. Экспериментально эти величины (Δτ_оз и Δτ_зз) определяются по точкам излома кривых тока и напряжения в обмотке форсунки, наблюдаемых на экране осциллографа.

Производительность форсунки представляет собой величину расхода проходящего через нее топлива. Статическая производительность характеризует величину предельного расхода при постоянно открытом клапане форсунки. Она определяется как частное от деления объема топлива, поданного форсункой в мерный сосуд, на продолжительность постоянного открытия ее клапана.

Стабилизация управляющего импульса в значительной мере зависит от параметров ЭМФ. Ток форсирования открытия ЭМФ должен иметь стабильную величину - вблизи верхнего открытия форсунки, а ток удержания - вблизи нижнего уровня. Минимизация цикловых подач обеспечивается за счет сокращения запаздывания закрытия клапана.

Динамическая производительность характеризует величину расхода топлива в зависимости от частоты и длительности поступающих на обмотку ЭМФ управляющих импульсов.

Чтобы форсунки не потеряли управляемость при максимальных цикловых подачах и максимальных оборотах, между управляющими импульсами должна быть пауза продолжительностью не менее времени отпускания t_отп. Реальная продолжительность паузы должна быть не менее 2 мс. Максимальная продолжительность управляющих импульсов может быть определена как



Чтобы форсунка не потеряла управляемость при минимальных цикловых подачах, минимальная продолжительность управляющих импульсов должна быть больше или равна времени срабатывания клапана:



Максимально возможная продолжительность открытого состояния клапана в такой системе подачи топлива ограничивается периодом следования формируемых импульсов тока (Т), который определяется по формуле



где Т - период следования импульсов тока, мс; n - частота вращения КВ двигателя, мин^-1; τ - коэффициент тактности двигателя; i - общее число срабатываний ЭМФ за один оборот распределительного вала.

Период следования импульса тока будет минимальным при максимальной скорости вращения КВ двигателя. Минимальный период следования импульсов тока четырехцилиндрового двигателя на выходе устройства формирователя импульсов будет равен 5,3 мс при частоте вращения 5500 мин^-1. Расчеты показывают, что величины емкостей хронирующих конденсаторов для таких временных параметров должны быть 0,2-1,0 мкФ.

В обесточенном состоянии игла распылителя прижата пружиной к ее седлу. Если на электромагнит подается импульс тока, то игла ЭМФ поднимается на 0,1 мм над седлом и топливо выходит через калиброванную кольцевую щель. Для более мелкого распыления топлива передний конец иглы, входящий в отверстие распылителя, имеет специальную форму. Время задержки открытия и закрытия ЭМФ находятся в диапазоне 1-1,5 мс. Чтобы обеспечить хорошее распыление топлива с малыми потерями на конденсацию, необходимо уменьшить площадь контакта струи топлива со стенками ВТ.

Игольчатый клапан в состоянии покоя прижимается пружиной к седлу, а открывается с помощью электромагнита и якоря. Задержка срабатывания клапана составляет 1 мс, продолжительность открытого состояния 2-10 мс в зависимости от необходимого количества топлива. Напряжение системы привода ЭМФ 4 В, форсунка заземлена на «массу» в БУ.

В идеальном случае продолжительность открытого состояния клапана должна быть равна продолжительности импульса тока, поступающего на обмотку электромагнита. Усилие электромагнита пропорционально величине магнитного потока в его сердечнике.

Магнитный поток в магнитопроводе ЭМФ достигает своего максимального значения не мгновенно, а через промежуток времени



где L_эмф - индуктивность обмотки электромагнита форсунки; R_эмф - активное сопротивление обмотки форсунки.

Ток, проходящий через обмотку ЭМФ, после ее срабатывания изменяется по экспоненциальному закону (кривые 2, 3), что приводит к нечеткому отпусканию клапана во времени (кривая 4) и к недостаточно точному дозированию топлива.

После окончания управляющего импульса магнитный поток исчезает не сразу. Усилие, с которым якорь притягивается к сердечнику, уменьшается постепенно.

На частотах 500 Гц и выше время срабатывания и время отпускания электромагнита не зависят от продолжительности импульса тока в обмотке и являются неуправляемыми временными параметрами, заложенными конструктивно. Это отрицательно сказывается на точности дозирования топлива. Чем меньше продолжи-юльность срабатывания и отпускания, тем выше быстродействие ЭМФ и меньше погрешность дозирования топлива.

Электромагнитная форсунка обеспечивает открытие отверстия для прохода топлива за 0,6 мс и закрытие за 0,2 мс и позволяет работать с частотой 250 Гц. Магнитный поток из-за наличия индуктивности катушки достигает своего максимума через некоторое время после приложения напряжения к обмотке электромагнита.

Зависимость цикловой подачи топлива q_ц от давления ΔР_вт в ВТ приведена на рис. 3.5. Экономичная регулировка (α=1,10-1.15), обеспечивающая минимальный удельный расход топлива, соответствует режиму работы двигателя на частичных нагрузках на участке «в-д». На режимах полных нагрузок система питания должна обеспечивать состав смеси, соответствующий мощностной регулировке (α=0,8-0,9), что вызывает необходимость увеличения цикловой подачи топлива. Мощностной режим работы двигателя (участок «д-е») характеризуется малым давлением в ВТ, т.е. близким к давлению окружающей среды.



На режимах ПХХ минимальный расход топлива и снижение выброса ВВ обеспечивают отключением подачи топлива (участок «в-г»). Зависимость цикловой подачи топлива от величины давления в ВТ на режимах частичных нагрузок практически является неизменной. На режимах полных нагрузок необходимую величину наполнения цилиндров поддерживают путем введения дополнительных корректирующих элементов.

При резком открытии дроссельной заслонки необходимо значительное обогащение горючей смеси, поступающей в цилиндры. Подача топлива должна быть больше цикловой подачи, соответствующей мощностному режиму. Для обеспечения бесперебойной работы двигателя в системе питания должны быть предусмотрены устройства, позволяющие увеличивать цикловую подачу при резких открытиях дроссельной заслонки, а также средства регулирования подачи топлива на режимах пуска и прогрева двигателя (участок «а-в-г» на рис. 3.5).

Функциональная схема блока управления впрыскиванием топлива показана на рис. 3.6.



Дифференциальный усилитель сигнала λ-зонда, размещенный в цепи обратной связи, усиливает и нормирует сигнал с датчика Х-зонда и корректирует длительность импульса впрыскивания. Подобная система регулирования позволяет достичь наиболее эффективного снижения выбросов CO и СН, а также стехиометрического состава газовоздушной смеси.

Основным элементом входного каскада является измеритель временных интервалов (τ_н) между импульсами, считываемыми с ДПКВ (рис. 3.7). Принимаем некоторый известный момент времени за начало измеряемого интервала t_ни, а момент завершения измеряемого параметра - t_ки. Тогда t_ки задается некоторой характерной точкой сигнального импульса, который представлен известной функцией сигнала импульса s(t).



Момент t_ки (см. рис. 3.7) соответствует точке пересечения уровня U_τ с фронтом импульса (показан штриховой линией). При отсутствии помех эта точка определяется однозначно



где S^-1(U_τ) - функция, обратная s(f).

При наличии помех с выхода ДПКВ поступает смесь сигнала и помех u(t)=s(t)+n(t).

Обратная функция u^-1(U_τ) оказывается многофакторной задачей. В результате уравнение имеет вид



Это уравнение имеет множество решений при t^(j)_ки=1,2,...,m (см. рис. 3.7). В задачу измерительного устройства входит выбор истинной точки t^·_ки (точка t⁽²⁾_ки) из множества точек t^(j)_ки на основе статистического анализа совокупности выборочных данных {u_i=u(iΔ₀)}, принятых за время наблюдения. Этот выбор также может сопровождаться ошибками (например, выбор t⁽¹⁾_ки вместо t⁽²⁾_ки) т.е. могут появляться аномальные ошибки, связанные с помехами от различных систем и устройств автомобиля, условиями его эксплуатации и т.п., в отличие от «нормальных» ошибок, обусловленных небольшими флюктуациями точки отсчета «в» в окрестности истинного значения t_ки. Это обусловлено конструктивными параметрами ДПКВ и задающего диска.

При небольшой интенсивности помех количество точек t^(m)_ки, удовлетворяющих уравнению (3.22) на интервале измерения τ_max невелико, и устранение аномальных ошибок осуществляется программным путем. ЭБУ производит статистический анализ выборочных данных {u_i} в окрестности всех подозрительных точек по критерию u(t), при t_ки≤t≤t_ки+τ_max.

В качестве истинного значения t^·_ки выбирается такое значение t^m_ки, которое имеет наименьшую меру разброса в принятом программном диапазоне.

По мере возрастания интенсивности помех увеличивается количество «подозрительных» точек t^m_ки, а следовательно, и объем вычислительных затрат, необходимых для выполнения статистического анализа, связанного с устранением аномальных ошибок.

Так, например, если максимальная длительность впрыска τ_max равна 2 мс (что соответствует неудовлетворительной работе ДПКВ) и вероятность превышения шумом порогового уровня Ux < оставит 0,05 при интервале корреляции шумовых выбросов 1 мкс, io среднее количество «подозрительных» точек на интервале τ_max будет равным 100. Это значит, что в 100 раз возрастает объем массива входных данных, который необходим для программного осуществления всех операций, связанных с выделением полезного сигнала в процессе измерения. Соответственно в 100 раз возрастает требуемый объем ОЗУ и продолжительность вычислений. Такое увеличение вычислительных затрат неприемлемо.

Поэтому в программе управления впрыскиванием топлива плодят условие ограничения массива ошибок считывания (не более 100). Если превышен допустимый предел, то выдается сигнал на ЭБУ управления двигателем, выставляется соответствующий код ошибки и загорается лампа «Check Engine».

При групповом методе впрыскивания форсунки объединяют в несколько единиц в каждой группе (рис. 3.8). В пределах каждой группы ЭМФ также соединены параллельно. Каждая группа форсунок управляется от соответствующего вывода блока управления. В этом случае при поступлении на группу ЭМФ управляющего импульса от блока управления впрыскивание топлива осуществляется одновременно всеми форсунками данной группы.

Все форсунки (см. рис. 3.8) открываются и закрываются в одно и то же время. На каждой форсунке в ее цепь встроен последовательный резистор, работающий как ограничитель тока. Выходной каскад 6 системы постоянно снабжает током 4 форсунки. Цикл впрыскивания подбирают таким образом, чтобы за каждый оборот распределительного вала (один рабочий цикл) половина количества топлива, требуемого для каждого работающего цилиндра, впрыскивалась дважды.



Квазипоследовательное впрыскивание топлива (рис. 3.9) происходит одновременно в группе из двух цилиндров (1-4 и 2-3). Форсунки этих групп питаются от двух выводов ЭБУ. В каждом цилиндре имеет место одно впрыскивание за один оборот КВ двигателя. В результате получается два впрыскивания за один рабочий цикл. Впрыскивание происходит в тактах сжатия и выпуска ОГ. Поскольку ЭБУ системы впрыска управляет одновременно двумя парами инжекторов, то необходимо знать, когда и какую пару форсунок активизировать. Для определения момента достижения ВМТ в цилиндрах 1-4 и 2-3 анализируется сигнал от датчика маховика двигателя.



Использование одновременного и группового методов получило самое широкое распространение, поскольку при впрыскивании топлива в зону над впускным клапаном момент впрыскивания не оказывает решающего воздействия на мощностные характеристики двигателя. Синхронизация импульсов управления форсунками при одновременном и групповом впрыскивании осуществляется по импульсам управления коммутатором системы зажигания.

Более прогрессивным, прежде всего с точки зрения уменьшения токсичности, и все чаще применяемым в последние годы является метод последовательного, или фазированного, впрыскивания.

Схема включения и диаграмма работы ЭМФ при фазированном впрыскивании топлива приведена на рис. 3.10. В этом случае момент подачи управляющего импульса на форсунку каждого цилиндра увязывается с моментом открытия впускного клапана в этом цилиндре и даже может изменяться в зависимости от режима работы двигателя. Такая схема сложней и дороже, требует более совершенного блока управления, однако обеспечивает лучшие характеристики работы двигателя, особенно на неустановившихся режимах.



Механические и электромеханические системы распределенного впрыскивания разработаны и серийно выпускаются исключительно фирмой Bosch. Для синхронизации работы форсунок используется метод фазированного или последовательного впрыскивания. Момент подачи управляющего импульса на форсунку каждого цилиндра связан с моментом открытия впускного клапана в этом цилиндре (см. рис. 3.10) и изменяется в зависимости от режима работы двигателя, что особенно важно на неуста-новившихся режимах. При пуске холодного двигателя, а также при переходе системы в резервный режим работы, управление ЭМФ в системах фазированного впрыскивания осуществляется по одновременному принципу.

Фазированное впрыскивание представляет собой наиболее современный способ подачи топлива в цилиндры ДВС, обеспечивающий максимально возможную экономичность и экологичность современного двигателя.

Принципиальная схема мультивибратора приведена на рис. 3.11. Генератор содержит электрическую плату 6 с размещенными на ней электронными функциональными элементами, входную электрическую цепь с резистором 2 и конденсатором 3, сообщенную с ЭБУ, и электрические входные цепи М₁ и М₂, сообщенные с «массой» автомобиля.



Схема расширения управляющего импульса содержит короткий входной импульс 1, поступающий на вход В платы. Импульс своим нарастающим фронтом запускает мультивибратор. Соответствующий импульс на выходной цепи 4 или 7 имеет необходимую длительность.

Частоту колебаний мультивибратора f можно определить по упрощенной зависимости



где f - частота колебаний, Гц; R - сопротивление базовых резисторов, Ом; С - емкость конденсаторов, мФ.

Частота колебаний мультивибратора зависит от емкости конденсатора и сопротивления базовых резисторов. Длительность импульса t_i будет во столько раз меньше пауз t_п, во сколько раз уменьшилась емкость конденсатора по сравнению с его прежней емкостью.

Любой следующий импульс, приходящий до того, как на выходе восстановится состояние логического параметра «О», будет проигнорирован.

С приходом входного запускающего импульса на вход 1 напряжение на выходе Q_вых переходит с низкого уровня на высокий на время, определяемое RC цепью (2 и 3). Входные электрические цепи М₁ и М₂ реализуют логическую функцию «И-НЕ» и запускают схему отрицательным фронтом импульса.

В период между двумя последовательными разрядками конденсатор с блока управления заряжается постоянным током I_д. Вследствие этого напряжение конденсатора U_c в конце зарядки пропорционально продолжительности зарядки, т.е. обратно пропорционально частоте вращения. После этого конденсатор разряжается постоянным током I_Е, причем величина разрядного тока зависит от количества воздуха Q_L, засасываемого в единицу времени. Поскольку продолжительность разрядки определяет время t_p переключения мультивибратора, то в конечном счете оно пропорционально количеству воздуха, засасываемого за один ход поршня. Ждущий мультивибратор корректирует длительность импульса, определяемую соотношением:



Упрощенная функциональная схема блока управления работой электромагнитных форсунок (рис. 3.12) содержит последовательно сообщенные управляющий мультивибратор и умножитель импульсов 9, связанный с блоком управления 7. Импульсный счетчик-делитель 3 сообщен с мультивибратором 4 и умножителем импульсов 9.



Каскад 13 температурной коррекции связан с датчиком температуры окружающей среды и получает коррекцию по температуре окружающей среды. Датчик температуры охлаждающей жидкости 16 сообщен с умножителем импульсов 9, который предназначен для увеличения ширины управляющего импульса в соответствии с требуемой коррекцией. Он обеспечивает обогащение горючей смеси, необходимое при пуске и прогреве двигателя, на холостом ходу и при полной нагрузке. Блок управления получает информацию о пуске двигателя от стартера и температурного датчика системы охлаждения, а информацию о холостом ходе и полной нагрузке - от реле дроссельной заслонки.

Сигнал частоты вращения КВ двигателя поступает от датчика 1 из цепи зажигания на БУ через формирователь 2 и делитель импульсов 3.

В системе топливоподачи блок управления 7 также вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения, необходимые для открытия на определенное время электромагнитных форсунок 12.

Выходное напряжение расходомера 5 поступает на мультивибратор 4, управляющий делением, и определяет ширину прямоугольных импульсов, появляющихся на выходе мультивибратора. Мультивибратор 4 переключается под действием импульсов, поступающих от выхода звена формирования сигналов, подключенного к бесконтактному датчику системы зажигания. У четырехцилиндровых четырехтактных двигателей по уже известным причинам впрыскивание происходит при каждом втором импульсе вторичного напряжения, поэтому в блоке управления осуществляется также формирование сигнала зажигания и деление частоты следования полученных прямоугольных импульсов.

Особенности работы электромагнитной форсунки. При подаче напряжения от ЭБУ ток проходит через обмотку ЭМФ, создавая сильное электромагнитное поле. Оно поднимает соленоид, открывая игольчатый клапан ЭМФ. Штифт в отверстии клапана способствует лучшему распылению топлива.

Когда ЭБУ прекращает подачу питания, магнитное поле пропадает и пружина закрывает игольчатый клапан. Топливо подается на ЭБУ с постоянным давлением, поэтому его количество зависит от промежутка времени, в течение которого клапан открыт. Принцип работы всех ЭБН одинаков. Они различаются лишь по конструкции клапана.

Принципиальная схема формирования импульсов, управляющих работой ЭМФ, приведена на рис. 3.13.



Частота следования импульсов впрыскивания определяется на основании оборотов двигателя. Импульсы, вырабатываемые системой зажигания для этой цели, обрабатываются ЭБУ. Они проходят через цепь формирования импульсов, которая генерирует прямоугольные импульсы из сигналов, поступающих в форме пакета колебаний, и подает их на делитель частоты.

Делитель частоты преобразует частоту импульсов, определяемую порядком зажигания, причем независимо от числа цилиндров на рабочий цикл приходится два импульса. Начало импульса соответствует началу впрыскивания топлива форсункой. За один оборот КВ двигателя каждая форсунка впрыскивает топливо один раз независимо от положения впускного клапана. При закрытом клапане топливо остается на нем и при следующем открытии клапана сдувается в камеру сгорания.

На выходе делителя частоты формируются прямоугольные импульсы, частота следования которых вдвое меньше по сравнению с частотой следования импульсов зажигания, снимаемых с системы впрыска «L-Jetronic», а длительность равна периоду следования импульсов зажигания, т.е. 1/2 n (для четырехцилиндрового двигателя). Задний фронт импульсов, снимаемых с выхода делителя частоты, определяет момент начала формирования импульсов, управляющих работой ЭМФ. В этом случае обеспечивается срабатывание ЭМФ один раз на один оборот КВ двигателя.

Схема формирования управляющего импульса t, подачи топлива, представленная временными диаграммами, содержит электрический сигнал II системы зажигания, поступающий в соответствии с порядком работы I цилиндров двигателя. Из каждого импульса зажигания формирователь III генерирует прямоугольные импульсы (напряжение «Включено/Выключено») по четыре на каждый цикл с четырьмя ходами. Они разделены на два, чтобы обеспечить один импульс впрыска на один оборот КВ для четырехцилиндровых ДВС.

Формирователь III импульсов электрической цепью сообщен с делителем IV частоты вращения КВ двигателя и мультивибратором V, управляющим делением. В мультивибраторе управления выходной сигнал, соответствующий частоте вращения КВ, деленной на 2, объединяется с входным сигналом нагрузки от датчика воздушного потока и с основным импульсом. Результирующий импульс по длительности соответствует времени подачи топлива для каждого открытия инжектора.

Ширина импульса мультивибратора V содержит информацию, относящуюся к одному ходу поршня двигателя, так как она пропорциональна временному промежутку между двумя импульсами зажигания, т.е. обратно пропорциональна частоте вращения КВ двигателя и требует деления. Перемножающее звено VI обеспечивает обогащение горючей смеси при пуске и прогреве двигателя, а также при работе на холостом ходу и полной его нагрузке.

Мультивибратор управления делением V получает информацию об оборотах от частотного делителя IV и обрабатывает ее вместе с сигналом о количестве воздуха U_s.

Перемножающее звено VI управляет изменением ширины импульса, а оконечный каскад (усилитель) VII - усилением выходного каскада.

ЭБУ обрабатывает информацию часового расхода воздуха в виде напряжения U_s, обратно пропорционального этому расходу, и формирует импульс t_p, длительность которого пропорциональна цикловому расходу воздуха. В современных системах за основу принят цикловой расход топлива. Количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя за единицу времени, автоматически пересчитывается на один ход поршня путем его деления на частоту вращения КВ двигателя.

Если напряжение батареи ниже 10 В, то меньше энергии подается к обмотке форсунки и меньше топлива потребляется в течение запуска. Дискретное (прерывистое) впрыскивание топлива обеспечивает мультивибратор, преобразующий напряжение U_s в прямоугольные импульсы. Продолжительность такого импульса t_p определяет базовое количество впрыскиваемого топлива, т.е. количество топлива, впрыскиваемого за такт впуска без учета каких-либо корректирующих факторов. Чем больше поступает воздуха при каждом такте, тем длиннее базовая продолжительность впрыскивания.

Импульсы t_p далее поступают на вход каскада умножения длительности, принцип работы которого аналогичен принципу работы управляющего мультивибратора. Хронирующая емкость этого каскада заряжается постоянным током в течение времени t_p, а после окончания импульса разряжается также постоянным током, формируя в процессе разрядки импульс длительностью t_m. Изменением токов зарядки и разрядки можно регулировать коэффициент умножения длительности К₂. Каскад используется для введения коррекции по температуре охлаждающей жидкости, для обогащения состава смеси при пусках непрогретого двигателя и на режимах полных нагрузок, а также для корректирования программы топливоподачи при работе на минимальных оборотах холостого хода. Информация о температуре жидкости и о режимах пуска двигателя поступает в блок температурной коррекции, откуда после соответствующей обработки вводится в каскад умножения длительности. Информация о режимах полных нагрузок и холостого хода снимается с контактного датчика открытия дроссельной заслонки.

Увеличение ширины импульсов, необходимое на отдельных режимах, осуществляют также коррекцией по времени ts, компенсирующей изменение быстродействия электромагнитов форсунок, обусловленных колебаниями напряжения в сети. В ширину полученного импульса уже входит вся информация о потребности двигателя в топливе. Этот импульс шириной t_i приводит в действие оконечный каскад, непосредственно управляющий впрыскиванием топлива:



В каскаде умножения длительности формируется и импульс t_s, длительность которого является функцией напряжения в бортовой сети автомобиля. Чем меньше продолжительность срабатывания ЭМФ и отпускания ее электромагнита, тем меньше продолжительность погрешности при дозировании топлива и тем шире могут быть диапазоны использования длительностей управляющих импульсов.

Необходимость введения такой коррекции вызвана тем, что время срабатывания и отпускания электромагнитных форсунок фирмы Bosch заметно зависит от амплитуды управляющих импульсов, т.е. от напряжения питания. Длительность результирующего импульса t_i, управляющего работой электромагнитных форсунок, с учетом формулы (3.26) составит общую продолжительность впрыскивания



где К=K₁(1+K₂), что и требуется для реализации программы топливоподачи.

Продолжительность начала подъема якоря t_тр равна 1,4 мс, время прямого перелета составляет 0,6 мс, полное время срабатывания tcp равно 2 мс, время зависания - 1,3 мс, время обратного перелета - 0,6 мс, время отпускания - 2 мс. Цикловая подача зависит от длительности импульса. Поле разброса ЭМФ при малой длительности должно быть±3,5%, а при больших -±2,5%.

Максимальная продолжительность открытого состояния ЭМФ на максимальном режиме ее работы составляет 3,0 мс. Конструкция ЭМФ обеспечивает минимальное время открытого состояния клапана не менее 2 мс. В идеальном случае продолжительность открытого состояния клапана должна быть равной продолжительности импульса тока, поступающего на обмотку электромагнита. В условиях эксплуатации клапан ЭМФ открывается не одновременно с началом поступления тока, а с некоторым запаздыванием. Это запаздывание определяется рядом электрических и механических факторов. Усилие электромагнита пропорционально величине магнитного потока в его сердечнике.

Ток, проходящий через обмотку ЭМФ, после ее срабатывания изменяется по экспоненциальному закону, что приводит к нечеткому отпусканию клапана во времени, а следовательно, к недостаточно точному дозированию топлива. Магнитный поток из-за наличия индуктивности катушки достигает своего максимума через некоторое время после приложения напряжения к обмотке электромагнита.

Чтобы ЭМФ не потеряли управляемость при минимальных цикловых подачах, минимальная продолжительность управляющих импульсов t_min должна быть равна или больше времени срабатывания. Она имеет конечное время открытого и закрытого состояния клапана. Обычно минимальная длительность подачи топлива не может быть меньше 5 мс. За время 20 мс должны сработать все четыре ЭМФ цилиндра. Реальная пауза должна быть не менее 2 мс.

Угол опережения зажигания определяется длительностью импульса, формируемого в момент поступления в ЭБУ импульса начала отсчета, т.е. при прохождении мимо индукционного датчика площадки, образованной путем удаления двух зубцов, размещенных на маховике за 70° до ВМТ. В момент окончания действия этого импульса срабатывает электронный ключ, управляющий работой двух катушек зажигания.

Расчет базового времени t_i для систем впрыска, использующих различные принципы измерения, содержит исходную информацию в виде матрицы, заносимой в ПЗУ электронного блока.

При работе двигателя ЭБУ получает от датчиков информацию о частоте вращения КВ(n), нагрузке двигателя Q и находит в ПЗУ соответствующие им оптимальные значения длительности импульса t_i. При отличии одной из входных переменных (Q и n) от дискретных значений, записанных в ПЗУ, ЭБУ выполняет операции путем интерполяции. После определения t_i ЭБУ корректирует базовую величину. Для приготовления необходимого состава горючей смеси ЭБУ рассчитывает длительность управляющего импульса. Синхронизацию работы системы зажигания с работой двигателя осуществляют с помощью единственного импульса начала отсчета от соответствующего положения КВ двигателя.

Подача топлива пропорциональна произведению циклового расхода воздуха и частоты вращения КВ двигателя. Минимальный расход воздуха в 30-40 раз меньше максимального его расхода, измеряемого с высокой степенью точности.

Адаптация базовой продолжительности впрыскивания к различным условиям работы производится каскадом умножения в ЭБУ. Этот каскад управляется делителем с помощью импульсов продолжительностью t_p.

Каскад умножения накапливает информацию о различных режимах двигателя (запуск холодного двигателя, прогрев, полная нагрузка и др.). На основе этого вырабатывается корректирующий коэффициент К. Он умножается на базовую продолжительность t_p, вычисленную мультивибратором управления делением. Полученное время обозначается как t_m и добавляется к базовой продолжительности впрыскивания t_p, т.е. продолжительность впрыскивания увеличивается, а смесь обогащается.

Параметр t_m называют коэффициентом обогащения. В холодную погоду форсунки впрыскивают топлива в 2 раза больше в начале периода прогрева.

Продолжительность срабатывания ЭМФ в значительной мере зависит от напряжения аккумуляторной батареи. Задержка срабатывания при низком напряжении аккумуляторной батареи может привести к короткому импульсу и топлива будет недостаточно. По этой причине низкое напряжение аккумуляторной батареи после запуска при ее разряженности будет скомпенсировано соответствующим увеличением времени впрыскивания на величину t_s, чтобы в двигатель поступило необходимое количество топлива. Этот эффект известен как компенсация напряжения.

Для такой компенсации эффективное напряжение аккумуляторной батареи подается на ЭБУ в качестве управляющей переменной. Каскад электронной компенсации увеличивает управляющие импульсы на величину t_s, которая является временем задержки срабатывания ЭМФ.

Программа изменения углов опережения зажигания реализуется за счет изменения длительности этого импульса в зависимости от режимов и условий работы двигателя. В аппаратуре распределенного впрыскивания отсутствует датчик давления (или разрежения), сигналы которого в первом приближении пропорциональны нагрузке на двигатель. В аппаратуре «Motronic» для этой цели используется длительность импульсов, управляющих работой электромагнитных форсунок. Для синхронизации впрыскивания топлива в аппаратуре (например, «Motronic») используется тот же импульс, снимаемый с датчика отметки начала отсчета, с помощью которого осуществляется синхронизация работы системы зажигания. Моменты начала формирования остальных импульсов системы зажигания, которые должны следовать через 120° по КВ (шестицилиндровый двигатель), определяются соответствующим счетчиком электронного блока. Необходимые для этой цели входные сигналы снимаются с датчика частоты вращения, по конструкции аналогичного датчику отметки начала отсчета, но срабатывающего от прохождения мимо него зубцов венца маховика.

Моменты начала отсчета углов опережения зажигания жестко связаны с положением КВ двигателя, что несомненно повышает точность системы регулирования, поскольку отсутствуют промежуточные детали привода, а следовательно, и люфты.

Алгоритм управления основной исполнительной частью (электромагнитной форсункой) однозначно связан с динамикой электромагнитной части форсунки и влияет на продолжительность циклового впрыскивания t_вц и соответственно на цикловую объемную дозу впрыскивания Q_вц. Для обеспечения соответствующей дозы Q_вц при разных режимах длительность и форма электрического управляющего импульса будут зависеть от характеристик переходных процессов в электромагнитной форсунке (ЭМФ):



где t_имп - длительность электрического управляющего импульса; t_вц - продолжительность циклового впрыскивания; t_ппо - длительность переходного процесса открывания ЭМФ; t_ппз - длительность переходного процесса закрытия ЭМФ. Тогда цикловая объемная доза впрыскивания.



где q_c - статическая производительность ЭМФ.

Электронный блок обрабатывает информацию о часовом расходе воздуха, поступающую от датчика в виде напряжения U_s, обратно пропорционального этому расходу, и формирует импульс t_и, длительность которого пропорциональна цикловому расходу воздуха. В блоке должна осуществляться операция деления 1/U_s на частоту вращения двигателя n. Для синхронизации работы аппаратуры с работой двигателя здесь используют импульсы, снимаемые с системы зажигания, период следования которых жестко связан с частотой вращения двигателя и может служить входным параметром системы для введения информации о частоте вращения.

Длительность впрыскивания представляет собой время, в течение которого ЭМФ находится в открытом состоянии. Длительность впрыска при постоянном давлении в топливной системе однозначно определяет количество топлива, поступающего в цилиндры двигателя для сгорания. ЭБУ в широких пределах изменяет длительность впрыскивания 1,5-10 мс и регулирует состав смеси.