Класифікація систем керування бензиновими двигунами внутрішнього згорання як об'єктів діагностики

Класифікація систем керування бензиновими ДВЗ як об'єктів діагностики

Системи керування (СК) двигуном управляють робочими процесами та оптимізують вихідні параметри ДВЗ (потужність, токсичність, паливну економічність) залежно від режимів та умов його роботи. До таких електричних систем слід віднести керування запалюванням, паливоподачею (упорскуванням), впуском повітря, газорозподілом, ступенем стискування у циліндрах, екологічні системи.

Під назвою "системи керування ДВЗ" розуміють комплексні системи, які виконують декілька функцій керування одночасно. Назва системи керування Motronic (Mono Electronic) перекладається, як "Єдине електронне керування". Як найменш у СК ДВЗ реалізовано дві основні підсистеми керування - запалюванням та упорскуванням палива. Слід зауважити, що атрибут Mono використовується також при позначенні системи центрального (одноточечного) упорскування палива.

Мікропроцесорні системи запалювання, які застосовуються в СК ДВЗ забезпечують оптимізацію моменту запалювання та нормування часу накопичення енергії в котушці запалювання. Ці системи можуть відрізнятися способом розподілу вторинної напруги по циліндрах двигуна. По-перше, мають місце системи з механічним (динамічним) розподілом напруги за допомогою звичайних роторних розподільників. По-друге, використовуються системи із статичним розподілом напруги на електронному рівні. В разі статистичного розподілу напруги застосовуються двовивідні або багатовивідні (модулі запалювання) або автономні (трансформатори запалювання) котушки запалювання. Слід додати, що в сучасних системах запалювання застосовується датчик детонації, який забезпечує зворотний зв'язок системи для усунення детонаційних процесів, які можуть відбуватися у двигуні за деяких обставин.

Процес розвитку систем паливоподачі складається з декількох етапів. Спочатку до конструкції карбюратора було застосовано електромагнітний клапан економайзера примусового неробочого ходу (ЕПНХ). Така система дозволила знизити витрати палива за рахунок перекриття паливоподачі при русі автомобіля накатом. При такому управлінні використовувалась інформація про частоту обертання двигуна та про зачинений стан дросельної заслінки.

Далі до керування карбюраторів було упроваджено МП системи типу "Ecotronic" (рис. 1). На цьому рівні система забезпечує оптимальний склад горючої суміші на режимах пуску, прогріву двигуна, примусового неробочого ходу та виконує підтримку визначеної частоти обертів колінчастого валу в режимі неробочого ходу. Як виконавчі пристрої у таких системах застосовані лінійні приводи (з використанням електродвигунів) дросельної та повітряної заслінок карбюратора.

За інформаційні датчики у системах "Ecotronic" обрано: кінцевий та лінійний датчики положення дросельної заслінки, які інформують про навантажувальний режим ДВЗ; датчик частоти обертання колін- частого валу (швидкісний режим); датчик температури охолоджуючої рідини (температурний режим); датчик кисню (зворотний зв'язок за екологічними та паливо-економічним показниками).

Наведені удосконалення системи паливоподачі, безумовно, поліпшили паливо-економічні показники ДВЗ, але не дозволили позбавитися принципових недоліків карбюраторних систем живлення: низький об'ємний коефіцієнт корисної дії, який визначається як відношення фактичного об'єму паливної суміші до об'єму циліндра; нерівномірність розподілу суміші по циліндрах і, як наслідок, - використання більш збагачених сумішей; конденсація палива на впускному колекторі і, як наслідок, - зниження експлуатаційних якостей ДВЗ.

Наступним кроком удосконалення систем паливоподачі стало упровадження систем упорскування палива (СУП), які дозволили відмовитися від карбюратора взагалі.

До переваг СУП, у порівнянні з карбюраторними системами живлення слід віднести: підвищення потужності на одиницю об'єму циліндрів та паливної економічності ДВЗ; більший крутний момент на низьких обертах; полегшений пуск та підвищена приємістість; низька концентрація токсичних речовин у відпрацьованих газах.

Системи упорскування палива, що існують на даний час, можна класифікувати за декількома принциповими ознаками. (рис. 2). Надамо коротку характеристику кожної системи щодо їх технічного втілення в системи керування ДВЗ.

Системи упорскування К-Jetronic (K - від нім. Kontiniuerlich - безперервність, Jet - від англ. струмінь). Механічна система безперервного (одночасного) упорскування перед впускними клапанами у впускному колекторі, багатоточечна. Система забезпечує неузгоджене з робочим циклом упорскування, тому що функціонує у безперервному режимі. Дозування палива здійснюється за рахунок зміни його тиску за допомогою дозатора-розподільника палива на підставі реакції механічного витратоміра повітря. Завдяки цьому на потужних режимах ДВЗ підтримується постійне співвідношення паливо - повітря 1:14,7. Для оптимізації процесу упорскування у режимі пуску ( коли двигун не прогрітий) у системі передбачена пускова паливна форсунка, яка на час пуску забезпечує збагачення паливної суміші. Додаткове збагачення паливної суміші також використовується у режимі повного навантаження. Таким чином, дозування палива у системі К-Jetronic відбувається залежно від навантажувального режиму та температурного стану ДВЗ. Слід додати, що система упорскування К-Jetronic хоч і реалізована на механічному рівні, але в ній використовуються електричні пристрої такі як: електромеханічний паливний насос, термобіметалевий регулятор підігріву двигуна, електромагнітний клапан додаткової подачі повітря, термореле часу, електромагнітна пускова форсунка, електронне реле керування. Система упорскування КЕ-Jetronic (Е -Elektronic) за атрибутами класифікаційної структури відповідає ознакам системи К-Jetronic, за винятком технічного рішення. Керування подачею палива в цій системі реалізовано на електронному (мікропроцесорному) рівні із застосуванням датчиків вимірювальної інформації (витратомір повітря потенціметрічного типу, кінцевий датчик положення дросельної заслінки, датчик температури охолоджуючої рідини, датчик кисню), електронного (мікропроцесорного) блоку керування та електричних виконавчих пристроїв (електрогідравлічний регулятор тиску палива, електромагнітна пускова форсунка, електромагнітні клапани стабілізування режиму неробочого ходу та вугільного фільтра абсорберу). У різних типах СУП бензинових ДВЗ застосовуються від чотирьох до одинадцяти первинних перетворювачів енергії (датчиків).

Незважаючи на таку "електронізацію", основні паливні форсунки системи залишаються гідромеханічними за принципом дії та мають конструкцію зачиненого типу.

Система упорскування Mono-Jetronic (один струмінь) - електронна система одноточечного (центрального) упорскування у впускний колектор за допомогою центральної електромеханічної паливної форсунки, яка розташована попереду дросельної заслінки. Дозування палива у системі відбувається за рахунок керування тривалістю спрацьовування форсунки (упорскування палива). Центральна форсунка таким чином працює в імпульсному режимі та забезпечує неузгоджене (але синхронізоване з моментом запалювання), одночасне упорскування палива.

До складу системи входять сім датчиків вимірювальної інформації (моменту упорскування, положення дросельної заслінки, температури повітря, температури охолоджуючої рідини, частоти обертання двигуна, положення сервоприводу дросельної заслінки, концентрації кисню), електронний блок керування та виконавчі пристрої (електромеханічна паливна форсунка, електросервопривід дросельної заслінки, запорний електропневмоклапан, основний та допоміжний електробензонасоси). Тиск палива у магістралі паливоподачі постійний та складає 1кгс/см2. Масова витрата повітря у системі вимірюється не прямо (витратомір повітря відсутній), а розраховується ЕБК на підставі аналізу інформації про положення дросельної заслінки, температури повітря та частоти обертання двигуна. Оптимізація токсичності вихлопу газів відбувається на основі сигналів з датчика кисню (л-зонд). Функціональні можливості ЕБК системи Mono-Jetronic дозволяють компенсувати коливання напруги бортової мережі (шляхом зміни тривалості упорскування); регулювати та підтримувати оберти неробочого ходу двигуна; сприймати та реагувати на динамічні впливи (форсаж) водія на акселератор (дросельну заслінку), збагачуючи при цьому паливну суміш. Система упорскування L-Jetronic (від нім. Lade - точна позиція, заряд) - електронна система багатоточечного (розподіленого) імпульсного упорскування палива за допомогою електромеханічних паливних форсунок, які розташовані над впускними клапанами газорозподільного механізму. Дозування палива відбувається за рахунок керування тривалістю спрацьовування форсунок кожного циліндра. За алгоритмом упорскування залежно від модифікації системи може здійснюватися одночасне групове або фазоване упорскування палива. У перших двох випадках відбувається неузгоджене упорскування, в останньому - узгоджене. Система має пускову електромеханічну форсунку, яка розташована під дросельною заслінкою у розширювальному ресивері впускного колектора. Пускова форсунка працює у безперервному режимі під час пуску двигуна. Тривалість відчиненого стану форсунки в пусковому режимі визначається часом спрацьовування термореле. До складу системи входять такі датчики вимірювальної інформації: положення дросельної заслінки, потенціметрічний витратомір повітря, температури повітря, частоти обертання двигуна, атмосферного тиску, температури охолоджуючої рідини, концентрації кисню у вихлопних газах. Система стабілізації обертів неробочого ходу реалізована аналогічно системі Mono-Jetronic. Системи упорскування LЕ-Jetronic є різновидами системи L-Jetronic з деякою відміною електронного керування, що не порушують атрибутів системи упорскування за класифікаційного структурою (рис. 2). Відміна між системами L та LЕ груп:

1. Кількість контактів рознімання ЕБК зменшилось від 35 до 25.

2. Удосконалена схема керування пуском холодного двигуна (реле паливного насоса та реле пуску замінені електронною схемою керування).

3. Обмотки робочих паливних форсунок виконано латунним а не мідним проводом ( активний опір підвищився від 2,4 Ом до 12 Ом, що дозволило виключити з кіл керування додаткові резистори).

4. У потенціметричного датчика витрати повітря усунена контактна пара вимикання паливного насоса при непрацюючому ДВЗ (кількість контактів рознімання витратоміра зменшено від 7 до 5).

5. ЕБК коригує тривалість спрацьовування форсунок залежно від коливань напруги бортової мережі.

Система LЕ2-Jetronic відрізняється від LЕ відсутністю пускової форсунки. Її функції по збагаченню паливної суміші під час пуску двигуна передані основним паливним форсункам завдяки поліпшенню функцій ЕБК.

Системи LЕ3(4)-Jetronic мають більш досконалі ЕБК (з використанням трьохмірних характеристичних карт упорскування), цифрові витратоміри повітря та деякі зміни у системах, що забезпечують режими пуску та неробочого ходу двигуна. Система LН-Jetronic (від нім. Hauch - подув вітру) відрізняється від попередніх систем L-групи застосуванням принципово нового датчика масової витрати повітря термоанемометричного типу (від греч. Anemos - вітер). Такий датчик дозволяє одночасно ураховувати температуру, вологість та тиск повітря, які визначають дійсну масу повітряного заряду, що використовується для приготування паливної суміші. Такі датчики отримали назву масметри. Система LD-Jetronic (від нім. Direckt - безпосередній) відрізняється від попередніх систем L-групи відсутністю будь-якого вимірювача кількості повітря, що значно знижує вартість системи. Інформацію про витрату повітря в таких системах одержують на основі обробки сигналів датчиків температури повітря, частоти обертання та навантаження двигуна, положення дросельної заслінки. ЕБК містить мікро-ЕОМ з використанням трьохмірних характеристичних карт упорскування.

В системах D-Jetronic здійснюється упорскування палива за допомогою форсунок безпосередньо у циліндри ДВЗ. Система може бути реалізована на механічному або електронному рівні. Завдяки особливості безпосереднього упорскування такі системи реалізують тільки розподілене імпульсне узгоджене фазоване упорскування. Ці ознаки визначають декілька переваг систем безпосереднього упорскування над системами упорскування у впускний колектор або на впускні клапани. Ознакою систем такого типу є підвищений тиск у паливній магістралі 30-38 кгс/см2 (як у дизельних двигунів), який забезпечується за допомогою насос-форсунок механічного або електромеханічного типу. Прикладом системи D-Jetronic є система упорскування Kugelfisher, яка керує процесом упорскування за допомогою ЕБК на основі інформації з датчиків положення колінчастого валу двигуна, температури охолоджуючої рідини та палива, кутового положення дросельної заслінки, температури та тиску повітря, швидкості руху автомобіля. Системи керування газорозподільним механізмом (ГРМ) теж можна класифікувати за рядом ознак (рис 3). Принциповою відзнакою систем ГРМ різного типу є спосіб їх реалізації. У системах з тангенціальною корекцією розподільчий вал провертається відносно початкового положення виконавчим пристроєм. Така корекція кутового положення валу на різних експлуатаційних режимах приводить до зміни моменту відкриття (закриття) впускних та випускних клапанів, що підвищує ефективну потужність ДВЗ.

Тривалість фази впуску робочої суміші або випуску відпрацьованих газів корегується шляхом зміни профілю кулачка. Для цього на валу встановлюють по два кулачка (замість одного) з різними профілями робочої поверхні. Виконавчий пристрій здійснює осьове переміщення валу і кулачків відносно штовхачів клапанів. Таким чином забезпечується двоступеневий режим функціонування ГРМ. Пропускна здатність клапанного канала залежить від довжини ходу штовхача. Для керування цим параметром здійснюють підняття розподільчого валу разом з кулачками за допомогою виконавчого пристрою. До екологічних систем слід віднести системи нейтралізації відпрацьованих газів та утилізації випаровувань палива. Існує декілька способів зниження концентрації токсичних речовин у вихлопних газах.

1. Використання екологічно чистого бензину (система ЕСАУД-Д).

2. Оптимізація процесу упорскування палива за рахунок застосування замкнутих систем керування упорскуванням палива з датчиком кисню - ЕСК, системи рециркуляції відпрацьованих газів -ЕСР.

3. Нейтралізація токсичних компонентів у випускному тракті двигуна (системи термічної, окислювальної та відшкодувальної нейтралізації ЕСН).

На базі поєднання різних систем упорскування, запалювання та екологічних підсистем фірмою Bosch розроблено ряд комплексних систем керування двигуном під загальною назвою Motronic. Ці системи складають групу М-систем керування в яких у більшості випадків інтегровано систему розподіленого упорскування L-типу.

Залежно від периферійних пристроїв (датчиків та виконавчих пристроїв), їх принципового рівня та особливості функцій перетворення в ЕБК (тип ЕБК) створено багато модифікацій систем групи "М": у системах М1.1(2) - інтегрована система L-Jetronic; в М1.3(7) - LЕ-Jetronic; в М3.1(2) - LН-Jetronic; в М5.4 - LН4-Jetronic; МЕ-М - LЕ2-Jetronic.

Крім фірми Bosch існують й інші виробники електронних систем керування: Weber; Siemens; Ford; Mitsubishi; Nissan; Mazda; Suzuki: Lucas: Rover; Toyota, які теж пропонують різни типи (модифікації) системи керування двигуном. В табл. 1 наведено приклади позначення систем керування зарубіжних виробників.