Система управления двигателем - Теория, обучающий материал
Система управления двигателем
- Система управления двигателем
- Screenshot_1.jpg (149.21 КБ) 191 просмотр
Этапы развития систем управления двигателем
- Этапы развития систем управления двигателем
- Screenshot_2.jpg (247.9 КБ) 214 просмотров
Требования, предъявляемые к безопасности, комфортабельности, экономичности и экологичности автомобиля постоянно повышаются. Для их удовлетворения необходимо непрерывное усовершенствование применяемых конструкций и технологий. Первые системы управления двигателем были механическими, как, например, карбюратор или распределитель зажигания. Но с помощью подобных систем невозможно одновременно обеспечить и высокий КПД двигателя, и соответствие строгим нормам токсичности отработавших газов. Поэтому следующим этапом развития систем стало появление механических систем впрыска топлива, например, так называемой K Jetronic Bosch, а затем их сменили системы с электронным управлением, в том числе L Jetronic Bosch. В некоторых системах устанавливалась только одна форсунка (одноточечная система впрыска), но большинство современных систем имеет несколько форсунок, по одной на каждый цилиндр, которые управляются индивидуально (многоточечная система). Системы управления обеспечивают оптимальное соотношение между воздухом и топливом в смеси и эффективные значения угла опережения зажигания, что позволяет получить высокие мощность и крутящий момент при низком уровне выбросов вредных веществ ОГ. В настоящее время системы управления двигателем EMS состоят из датчиков, необходимых для получения данных о режимах работы двигателя, исполнительных механизмов, осуществляющих корректирование работы двигателя, и управляющего всей системой ЭБУ двигателя. ЭБУ обрабатывает данные от датчиков, рассчитывает оптимальные условия работы двигателя и реализует их, управляя исполнительными механизмами. Чтобы понимать принципы управления, необходимо знать, как работает двигатель.
Основы процесса сгорания
- Основы процесса сгорания
- Screenshot_3.jpg (160.32 КБ) 212 просмотров
Бензиновый двигатель является двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Он оснащен устройством для приготовления рабочей смеси. Смесеобразование осуществляется вне камеры сгорания. Форсунки установлены во впускном коллекторе и подают топливо перед впускным клапаном (непрямой впрыск), где происходит его смешивание с воздухом. При движении поршня вниз топливовоздушная смесь заполняет камеру сгорания. Затем она сжимается движущимся вверх поршнем. Происходит воспламенение смеси свечой зажигания, и начинается процесс сгорания. Высвобождающаяся тепловая энергия увеличивает давление в цилиндре, которое толкает поршень вниз, заставляя его совершать работу. Двигатель получает мощность. Поршень поднимается вверх и вытесняет из цилиндра горячие газы, затем рабочий цикл снова повторяется. Давайте более внимательно рассмотрим процесс сгорания в цилиндре: при полном сгорании в результате взаимодействия углеводородов с кислородом воздуха, содержащимся в топливовоздушной смеси, образуется водяной пар (Н2О) и углекислый газ (СО2). К сожалению, сгорание в двигателе не является идеальным, поэтому выхлопные газы содержат загрязняющие вредные вещества, например, НС и СО. Кроме того: при определенных режимах работы двигателя азот, содержащийся в воздухе, взаимодействует с кислородом с образованием ядовитых окислов азота (NOX). Поэтому необходимо снижать содержание NOX и других вредных веществ в отработавших газах. Для этого применяются различные меры по снижению выброса вредных веществ. Наиболее важной из них является установка трехкомпонентного катализатора, но существуют и другие методы, с которыми вы познакомитесь в данном учебном курсе.
Влияние состава смеси
- Влияние состава смеси
- Screenshot_4.jpg (250.79 КБ) 207 просмотров
Как упоминалось ранее: для работы бензинового двигателя требуется кислород и топливо. Кислород берется из атмосферного воздуха, который содержит примерно 21% кислорода О2 и 78% азота N2. Также в состав воздуха входят различные газы. Топливо, которое преимущественно состоит из углеводородов, находится в топливном баке автомобиля. Углеводороды представляют собой атомы водорода, химически связанные с атомами углерода. При сгорании топлива энергия, образующаяся в результате химической реакции, преобразуется в механическую работу. Для полного сгорания рабочей смеси воздух и топливо должны находиться в пропорции 14,7:1, которую называют стехиометрической. Так как расход топлива в двигателе с искровым зажиганием зависит от состава смеси, то избыток воздуха (обедненная смесь) обеспечивает сгорание всего топлива, содержащегося в смеси, а значит его максимальную экономию. Степень обеднения смеси ограничена способностью ее воспламенения и временем сгорания. То есть, слишком бедная смесь не способна воспламеняться. На современных двигателях, максимальная топливная экономичность достигается при отношении массы воздуха к массе топлива, равном 15-18:1, то есть на 15-18 кг воздуха приходится 1 кг топлива. В этом случае примерно 10 000 л воздуха потребуется для сгорания 1 л топлива. Для обеспечения устойчивого холостого хода и максимальной мощности при полностью открытой дроссельной заслонке необходим обогащенный состав топливовоздушной смеси. Система, осуществляющая подготовку топливовоздушной смеси, должна учитывать эти условия. Коэффициент избытка воздуха (лямбда) указывает, насколько фактическое соотношение воздуха и топлива в рабочей смеси отличается от теоретически необходимого 14,7:1. Стехиометрическому составу смеси соответствует коэффициент лямбда, равный единице. Каталитический катализатор устанавливается в выпускной системе двигателя для очистки отработавших газов от вредных веществ. Эффективная очистка ОГ в трехкомпонентном каталитическом катализаторе осуществляется при условии, если коэффициент избытка воздуха равен 1.
Для этого необходимо точно измерять количество поступающего в двигатель воздуха и, соответственно, правильно дозировать топливо. Высокие температура и давление в цилиндре могут привести к активизации процесса окисления азота с образованием ядовитых окислов NOX. Несмотря на то, что существуют различные формы азотсодержащих выбросов, основным загрязняющим веществом является оксид азота NO, на который приходится около 98% всех производимых двигателем выбросов NOX. Основная часть NOX образуется в условиях средних и высоких нагрузок на двигатель, но в небольшом количестве они образуются и на малых нагрузках и при установившемся режиме движения. Высокий уровень выброса NOX возникает при небольшом обеднении смеси. С другой стороны, как показано на диаграмме, уровни HC и CO достигают минимума при стехиометрическом составе смеси 14,7:1. Именно поэтому необходимо очень точное управление составом топливовоздушной смеси. Разная направленность в изменениях выбросов HC/CO и NOX в зависимости от состава смеси создает определенные трудности для управления процессами снижения токсичности ОГ. Довольно сложно в этих условиях сокращать выбросы одновременно трех видов загрязняющих веществ. Основными причинами роста выбросов NOX являются неисправности в системе рециркуляции отработавших газов (EGR), обедненная топливовоздушная смесь и высокая температура воздуха на впуске. Но даже уровень выбросов безвредных веществ, содержащихся в отработавших газах, например CO2, необходимо уменьшать, так как CO2 способствует усилению глобального потепления. Уровень CO2 может быть снижен путем уменьшения расхода топлива. Только 20% тепловой энергии от сгорания топлива в двигателе преобразуется в механическую работу и движение автомобиля; остальные 80% неизбежно теряются на трение движущихся частей в двигателе, аэродинамическое сопротивление движению автомобиля, привод дополнительных устройств и разогрев. Поэтому еще одной важной задачей является повышение КПД двигателя для снижения расхода топлива.
Управление смесеобразованием
- Управление смесеобразованием
- Screenshot_5.jpg (174.39 КБ) 206 просмотров
Как упоминалось ранее, основным методом очистки ОГ является установка трехкомпонентного катализатора. Он называется так потому, что снижает содержание HC, NOX и CО в отработавших газах. Для эффективной работы катализатора необходимо поддерживать определенное соотношение воздуха и топлива в смеси. Это соотношение обеспечивает полное сгорание топлива и называется стехиометрической смесью. На диаграмме видно, что отклонение от этого состава приводит к росту уровня выбросов загрязняющих веществ. Поэтому в современных системах впрыска имеется замкнутый контур лямбда-управления, с помощью которого блок управления контролирует состав рабочей смеси и непрерывно его регулирует, обеспечивая требуемое стехиометрическое соотношение. Такой вид управления называется управлением с обратной связью.
Блок управления
- Блок управления
- Screenshot_6.jpg (168.04 КБ) 205 просмотров
Все функции управления выполняет ЭБУ двигателя. Управление становится возможным только в том случае, если режимы работы двигателя определяются по сигналам специальных устройств, или датчиков. Они, например, определяют частоту вращения коленчатого вала двигателя, угол открытия дроссельной заслонки и многое другое. Более подробная информация о датчиках приводится во второй части учебного курса, посвященного системам управления двигателем. ЭБУ двигателя принимает электрические сигналы от датчиков, обрабатывает их и генерирует выходные сигналы, которые поступают на механизмы управления. Последние называют также исполнительными механизмами. К основным исполнительным механизмам относятся форсунки впрыска и катушки зажигания, но есть также и другие. Более подробно входные сигналы будут рассмотрены позднее. Обработку сигналов и все функции управления можно разделить на 6 типов: управление впрыском топлива, управление зажиганием, управление частотой холостого хода, снижение уровня токсичных веществ в ОГ, аварийные режимы работы и самодиагностика. ЭБУ двигателя использует хранящиеся в его памяти программы для обработки сигналов, поступающих от датчиков. Входные сигналы необходимы для расчета и генерирования сигналов управления исполнительными механизмами (например, катушками зажигания и форсунками).
Подсистемы управления двигателем
- Подсистемы управления двигателем
- Screenshot_7.jpg (141.25 КБ) 204 просмотра
Современная электронная система управления двигателем состоит из четырех основных подсистем (или даже пяти, если подсистема снижения токсичности ОГ является самостоятельной). Здесь рассматриваются следующие четыре подсистемы, при этом контроль уровня токсичных веществ входит в одну из них: система управления топливоподачей, система подачи воздуха, электронная система управления и система зажигания. Перед изучением первой подсистемы сделаем небольшое историческое отступление и кратко рассмотрим основные этапы развития системы впрыска топлива.
Описание систем впрыска топлива
- Описание систем впрыска топлива
- Screenshot_8.jpg (167.37 КБ) 203 просмотра
Имея четкие представления о требованиях, предъявляемых к точности работы систем управления двигателем, рассмотрим те системы, которые устанавливаются на автомобилях KIA. Начнем с подсистемы управления топливоподачей. Она состоит из топливного бака, топливного насоса, топливного фильтра, топливоподающего трубопровода, топливных форсунок, регулятора давления топлива и возвратной топливной магистрали. Топливо забирается из топливного бака и подается к форсункам топливным насосом, расположенным в баке или рядом с ним. Топливный фильтр большой емкости задерживает загрязняющие частицы, которые содержатся в топливе. До сих пор в большинстве систем устанавливается регулятор давления топлива, который компенсирует нагрузку двигателя, изменяя давление топлива в зависимости от давления воздуха во впускном коллекторе. Благодаря этому поддерживается правильное количество впрыскиваемого топлива при заданной продолжительности впрыска. Избыточное топливо отводится регулятором обратно в топливный бак. Сравнительно недавно появились также системы топливоподачи без обратной магистрали слива. Оба типа систем будут рассмотрены подробно позднее. Такие дополнительные устройства, как адсорбер, применяются для улавливания паров топлива и предотвращения их попадания в атмосферу. Эта система также будет подробно рассмотрена в рамках данного курса.
Топливный насос
- Топливный насос
- Screenshot_9.jpg (195.64 КБ) 197 просмотров
Многие годы электронные системы впрыска топлива EFI автомобилей KIA оснащались двумя типами электрических топливных насосов. На самых первых системах применялся внешний подвесной насос (роторный с роликами) в сборе с демпфером давления топлива, который сглаживал пульсации давления и тем самым снижал уровень шума от его работы. Его производительность составляла 1,5 2,5 л/мин, а рабочее давление — 3 6 кг/см2. В настоящее время применяются топливные насосы погружного типа, которые устанавливаются в топливный бак (тип насоса WESCO). Такая конструкция имеет следующие основные преимущества: низкий уровень шума, снижение пульсаций давления топлива, низкомоментный и высокооборотистый двигатель более компактного размера и небольшого веса. Их рабочие характеристики препятствуют возникновению утечек топлива и образованию паровых пробок. В новых моделях в насос встроен датчик уровня топлива. Несмотря на эти различия оба типа насосов имеют много сходных черт. Например, оба называются охлаждаемыми насосами, так как электродвигатель омывается топливом. Проходя через электродвигатель, топливо охлаждает и смазывает его. Редукционный клапан срабатывает в том случае, если магистраль подачи топлива засорена. Клапан открывается при превышении давления топлива определенной величины и направляет топливо под высоким давлением обратно на вход насоса. В насосе установлен запорный клапан, который перекрывает канал нагнетания топлива в момент остановки насоса. Поэтому в топливоподающей магистрали поддерживается избыточное давление топлива, что препятствует образованию паровых пробок. Кроме того, это облегчает повторный запуск двигателя. В топливоподающей магистрали установлен топливный фильтр, который предотвращает попадание загрязняющих частиц в узлы топливной системы и препятствует повреждению или засорению форсунок впрыска. Если фильтр засоряется и начинает создавать сопротивление движению топлива, появляется неравномерность работы двигателя, потери мощности под нагрузкой и проблемы с горячим запуском. Несмотря на то, что полностью засоренные фильтры меняются редко, причиной его засорения может быть, например, плохое топливо. В этом случае двигатель перестанет заводиться. Поэтому необходимо соблюдать интервал замены топливного фильтра.
При замене топливного фильтра необходимо соблюдать направление его установки, так как большинство из них имеют определенное направление потока, указанного стрелкой на корпусе. При проведении работ по замене топливного фильтра и проверке топливного насоса следует обращаться к разделу «Эксплуатация и техническое обслуживание автомобиля».
Предупреждение
Если магистраль подачи топлива открыта, возникает опасность пожара. Поэтому очень важно сбросить давление в топливной системе перед отсоединением топливопровода от фильтра. Также необходимо отсоединить отрицательный провод аккумуляторной батареи перед отсоединением топливопроводов, так как некоторые фильтры расположены в непосредственной близости от клеммы +В стартера. Необходимо использовать заводскую инструкцию, неукоснительно соблюдать меры предосторожности и порядок замены фильтра.
Если магистраль подачи топлива открыта, возникает опасность пожара. Поэтому очень важно сбросить давление в топливной системе перед отсоединением топливопровода от фильтра. Также необходимо отсоединить отрицательный провод аккумуляторной батареи перед отсоединением топливопроводов, так как некоторые фильтры расположены в непосредственной близости от клеммы +В стартера. Необходимо использовать заводскую инструкцию, неукоснительно соблюдать меры предосторожности и порядок замены фильтра.
Управление топливным насосом
- Управление топливным насосом
- Screenshot_10.jpg (202.35 КБ) 196 просмотров
Управление топливным насосом в системах разных производителей незначительно отличается друг от друга. В основном, топливный насос включается по сигналу от электронного блока управления. ЭБУ двигателя запускает насос после получения сигнала о вращении коленчатого вала CKP. В целях упрощения диагностики и для включения насоса без подачи сигнала управления от ЭБУ двигателя можно использовать разъем для проверки насоса, который позволяет напрямую подключать насос к источнику питания. Насос можно включить также в режиме проверки исполнительных устройств с помощью диагностического прибора (HI-SCAN-PRO). Некоторые модели автомобилей оснащены системой автоматического отключения подачи топлива. Система предотвращает возгорание автомобиля в момент аварии. Как только датчик устройства зарегистрировал удар, сразу прекращается подача топлива к форсункам. В момент столкновения автомобиля стальной шарик по инерции выходит из углубления и, поднимаясь, нажимает на контакт, размыкая его. Если столкновение произошло на скорости свыше 15 миль/ч, датчик обязательно сработает и отключит подачу топлива. Если авария случилась на скорости менее 8 миль/ч, датчик не среагирует. В диапазоне скоростей 9-14 миль/ч датчик может сработать или нет. Это зависит от условий столкновения и чувствительности датчика. Датчик расположен в моторном отсеке на арке левого переднего колеса. Для замыкания контактов датчика и запуска двигателя после аварии необходимо нажать на его кнопку.