Глава I. Развитие электроники на автомобильном транспорте

1.1. Роль электроники в развитии автомобильного транспорта

Научно-технический прогресс на автомобильном транспорте во второй половине XX в. неразрывно связан с развитием электроники. Основными ведущими тенденциями развития автомобильного транспорта за этот период являются:

повышение топливной экономичности; снижение вредного влияния отработанных газов автомобиля на окружающую среду; повышение безопасности движения; снижение трудоемкости технического обслуживания; повышение эффективности управления работой автомобильного транспорта.

Рассмотрим более подробно роль и значение ЭУ в развитии этих тенденций.

Повышение топливной экономичности. В основе этой тенденции лежат объективные причины: ограниченность запасов естественного топлива - нефти и растущий спрос на нефтепродукты со стороны многочисленных потребителей. Разведанные на сегодня запасы нефти на земном шаре оцениваются специалистами в 90-100 млрд. т, в то же время добыча нефти в 1980 г. составила около 3 млрд. т, ежегодно увеличиваясь на 100-150 млн. т. Ограниченность нефтяных ресурсов, в особенности легкодоступных, неизбежно ведет к удорожанию жидких топлив и увеличению стоимости эксплуатации автомобильного транспорта.

Топливная экономичность стала основным эксплуатационным показателем технического уровня автомобиля любого класса и назначения.

Анализ данных топливной экономичности [13] показывает существенный скачок в сторону снижения расхода топлива автомобилями, происшедший за последнее десятилетие. В среднем, начиная с 1970 г. расход топлива легковыми автомобилями снизился на 30- 40%, грузовыми автомобилями с карбюраторными двигателями на 20-35%, а с дизельными двигателями на 10-15%. Столь значительное снижение расхода топлива достигнуто в основном разработкой и внедрением новых конструкций двигателей, снижением собственной массы автомобилей и широким применением электронных систем автоматического управления двигателями (ЭСАУД) [16].

С этой же точки зрения необходимо упомянуть об электромобилях, получающих большое распространение [7]. Расчеты показывают, что применение электромобилей позволяет в несколько раз уменьшить потребление нефтяных ресурсов. Еще большая экономия естественного топлива может быть достигнута при использовании электромобилями топливных элементов, позволяющих осуществить прямое преобразование химической энергии в электрическую. Дальнейшее совершенствование электромобилей тесно связано как с поиском оптимальных источников тока, так и с применением ЭУ для регулирования и управления электрической энергией. В качестве дополнительного источника энергии в транспортных средствах все чаще применяют фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи, применяемые как для подзарядки аккумуляторов, так и в качестве самостоятельных источников энергии.

Снижение вредного влияния отработавших газов автомобиля на окружающую среду. Как указывалось ранее, одной из проблем автомобилизации является загрязнение воздушного бассейна отработавшими газами. Защита воздушного бассейна от загрязнений в нашей стране находится под строгим контролем государства, разработаны строгие нормы, предусмотрено совершенствование технологических процессов и транспортных средств с целью уменьшения выбросов токсичных веществ в окружающую среду.

Автомобили играют главную роль в загрязнении воздушного бассейна. В США, например, доля автомобилей в выбросе токсичных соединений в атмосферу составляет 60%, в странах Европы 30-40%. В отработавших газах (ОГ) содержится окись углерода (CO), соединения азота и серы, углекислый газ (CO₂), соединения свинца, предельные и непредельные углеводороды, которые оказывают отрицательное влияние на чистоту воздушного басейна городов. Помимо загрязнения воздушного бассейна, автомобили создают шум, загрязняют почву и водные бассейны вредными компонентами ОГ, выпадающими с осадками.

Разработка и внедрение ЭСАУД позволили наряду с улучшением топливной экономичности автомобилей значительно снизить токсичность ОГ. Загрязнение атмосферы ОГ можно считать пропорциональным расходу топлива автомобилями. Работы по уменьшению токсичности отработавших газов, интенсивно проводившиеся в ряде стран (США, Япония, СССР, ГДР), уже с середины 60-х годов привели к созданию противотоксичных устройств, в том числе и электронных.

Известно, что выброс вредных веществ автомобильными двигателями определяется режимом их работы. Особо "опасными", с точки зрения токсичности, режимами работы являются разгон, торможение двигателем, холостой ход, при которых рабочие процессы в двигателе протекают в условиях недостатка воздуха. Именно эти режимы характерны для городских условий движения (частые остановки на перекрестках, перед светофорами, ускорения и торможения), что налагает особые требования на городской автомобильный транспорт. В СССР, США, Японии и Западной Европе нормирование ОГ для грузовых автомобилей введено в 1975-1977 гг.

Борьба с токсичностью ОГ ведется как конструктивным улучшением двигателей, так и внедрением систем каталитической нейтрализации вредных компонентов отработанных газов. Значительный эффект дает применение электроники для регулирования систем питания и зажигания двигателей. Электронное регулирование этих систем позволяет оптимизировать работу двигателя на всех эксплуатационных режимах. Перспективными среди этих систем являются системы, позволяющие поддерживать оптимальный состав рабочей смеси по результатам контроля состава отработанных газов.

Повышение безопасности движения. Серьезной проблемой автомобилизации является увеличение числа жертв дорожно-транспортных происшествий (ДТП)" что создает необходимость существенного улучшения пассивной и активной безопасности автомобилей.

Повышение эффективности и надежности, тормозных систем, систем предупреждения столкновений и наездов, автоматизация операции по управлению автомобилем в критических ситуациях - таковы основные направления совершенствования активной безопасности автомобилей. К решению этих задач широко привлекается электроника. Разработаны и нашли достаточно широкое применение антиблокировочные электронные системы - автоматические устройства, повышающие управляемость и устойчивость автомобиля при торможении. Ведутся интенсивные работы по оснащению автомобилей эффективными электронными устройствами предупреждения водителя об опасной близости препятствий на дороге в условиях плохой видимости (ночью, при ослеплении водителя, большой запыленности). Помимо оповещения водителя, эти электронные устройства могут также автоматически включать тормозную систему, предотвращая столкновения.

Для решения этих задач используются радиолокационные, лазерные, ультразвуковые и другие датчики. Наибольшее распространение получили автомобильные радиолокационные станции (РЛС), обнаруживающие опасные объекты, определяющие его параметры, оповещающие водителя об опасности и автоматически включающие тормозные системы.

Большой интерес представляют ЭУ, контролирующие скорость движения транспортных средств. Эти средства позволяют поддерживать постоянство скорости, предостерегать водителя об опасной скорости, определять дистанцию до движущихся впереди автомобилей и рассчитывать эту опасную дистанцию с учетом относительной скорости. Интересными представляются разработки РЛС, позволяющие предупреждать водителя об изменении состояния дорожного покрытия - льде, Неровностях и др.

Значительное место среди устройств, повышающих пассивную безопасность, занимают системы, защищающие водителя и пассажиров при столкновении, обеспечивающие комфорт и нормальные условия труда водителя, информирующие об исправности агрегатов, узлов и систем автомобиля. Средства пассивной защиты водителя и пассажиров от опасных последствий ДТП позволяют значительно уменьшить травматизм, хотя практически не снижают материального ущерба от аварий. К ним относятся ремни безопасности, устройства, содержащие надувные подушки, элементы конструкции, повышающие ударную стойкость.

Общим требованиям к разработке и внедрению средств пассивной безопасности на автомобиле, намерившимся в последнее десятилетие, является создание таких условий работы водителей, которые обеспечили бы не только их личную безопасность (т. е. условия, уменьшающие снижение работоспособности), но и безопасность других участников дорожного движения. Разработаны строгие требования к конструкции и оборудованию легковых, грузовых автомобилей и автобусов.

Реализация требований стандартов безопасности приводит к широкому внедрению электронных устройств для оборудования кабин грузовых автомобилей, салонов автобусов и легковых автомобилей.

К электронным устройствам, повышающим безопасность движения в результате улучшения условий труда водителя, следует отнести системы автоматического поддержания оптимального микроклимата в кабине, системы автоматического управления головным освещением, устройства, облегчающие регулирование положения сидения водителя на основе запоминающих устройств. Ведутся работы по созданию оптимальных конструкций приборов на передней панели автомобиля, обеспечивающих хорошую видимость шкал, не отвлекающих водителя от выполнения его основных функций по управлению автомобилем и наблюдению за дорогой.

На передней панели современного большегрузного автомобиля располагают до 35 индикаторов, наблюдение за которыми затрудняет работу водителя. Поэтому главным в разработке этих приборов является создание интегрирующих приборов, обеспечение необходимой приоритетности их показаний и привлечение внимания водителя в первую очередь к ним.

Снижение трудоемкости технического обслуживания. Одной из существенных тенденций, развития конструкции автомобилей является повышение его надежности, увеличение продолжительности его непрерывной работы без технического обслуживания, увеличение ресурса его и агрегатов, сокращение трудозатрат на техническое обслуживание и ремонт. Эта тенденция находит свое выражение в уменьшении числа необходимых регулировок, применении саморегулирующихся и самозатягивающихся элементов крепления, значительном (почти вдвое) увеличении интервалов смены масла, достижением равнопрочности узлов и агрегатов. Необходимым условием увеличения ресурса автомобиля является своевременное диагностирование технического состояния его узлов и агрегатов. Датчики, встроенные в узлы и системы автомобиля, позволяют получать информацию о степени износа деталей, определять оптимальный режим работы двигателя и трансмиссии, сигнализировать о необходимости замены деталей. Эта информация позволяет ввести автоматизированную систему учета технического состояния автомобилей на крупных АТП, снизить трудозатраты на получение этих важнейших данных, наиболее эффективно и быстро устранять неисправности и тем самым лучше использовать парк автомобилей [7].

Важное значение для снижения эксплуатационных расходов имеют своевременное определение и учет технического состояния автомобилей средствами внешней диагностики с помощью специальных постов, оборудованных современными техническими средствами. Большинство этих средств основано на использовании электроники. Это различные температурные дистанционные датчики, электронные расходомеры, анализаторы состава ОГ, приборы, определяющие качество работы системы зажигания, лазерные установки по проверке углов установки управляемых колес автомобиля, электронные весы.

Все большее применение в службе контроля и учета технической готовности автомобилей начинает находить и электронно-вычислйтельная техника. Особенно важно ее значение в организации планово-предупредительных работ по поддержанию исправности автомобильного парка (комплектации и снабжения ГСМ, запасными частями и инструментами).

Повышение эффективности управления работой автомобильного транспорта. Характерной тенденцией развития современного автомобильного транспорта является совершенствование его управления. Рост объемов перевозок, увеличение количества транспортных средств - все это предъявляет повышенные требования к качеству управления, его оперативности.

Оперативность управления работой автомобильного транспорта во многом определяется своевременностью и полнотой информации о местонахождении транспортных средств, параметрах движения и дорожных условиях.

Помимо этой задачи, в функции управления входят своевременное оповещение о ДТП, технических неисправностях в пути, о необходимости медицинской помощи. Частными задачами управления автомобильным транспортом является диспетчеризация работы общественного транспорта, обеспечение надежной служебной связи, оценка загруженности отдельных участков дорог (улиц) транспортными средствами и оптимизация маршрутов автомобилей в условиях интенсивного городского движения. Подобные электронные системы получили название автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ). Эти системы, предназначенные для контроля за регулярностью движения пассажирского транспорта (автобусов и автомобилей-такси), созданы на автобусном транспорте Лондона, Парижа, Нью-Йорка.

В Стокгольме система управления движением городских автобусов "Стэнсааб" позволяет осуществлять автоматизированное слежение за движением автобусов на всем протяжении маршрута, обеспечивать регулярность движения автобусов на линии, а также получать необходимую статистическую информацию для оперативного планирования, в том числе для составления расписаний движения. АСДУ включает в себя: сеть радиосвязи; аппаратуру, позволяющую определить местонахождение автобуса на маршруте; датчики учета количества входящих, выходящих и находящихся в салоне пассажиров; устройство, обеспечивающее безостановочный проезд перекрестков; оборудование для накопления статистической информации и информирования пассажиров; ЭВМ для обработки информации. Поступившие па ЭВМ данные обрабатываются, результаты обработки в любых требуемых объемах представляются диспетчеру центра.