1.2. Развитие электронных устройств, применяющихся на автомобильном транспорте

По мере создания и развития новых электронных приборов, основанных на использовании физических явлений в вакууме и полупроводниках, они все глубже проникают в различные области техники, в том числе и в автомобильную технику, где привлекаются к решению задач по получению, хранению и обработке информации, по управлению различными системами и процессами, а также к контролирующим функциям. Условно историю развития ЭУ, используемых на автомобильном транспорте, можно представить в виде нескольких этапов (поколений).

Первый этап (до 1950 г.). Его можно назвать начальным этапом развития электроники на автомобильном транспорте. Основу элементной базы электронных устройств, этого этапа составляли электронные лампы, с присущими им повышенной чувствительностью к вибрации и ударам, со значительными габаритами и необходимостью дополнительного питания. Условия работы узлов и агрегатов автомобилей (изменение температуры в больших пределах часто при повышенной влажности, тряска и вибрация с большим ускорением, непостоянство напряжения бортовой сети, запыленность и загрязнение нефтепродуктами) казалось ставили непреодолимые препятствия внедрению электронных устройств того времени. Тем не менее широкое распространение получили автомобильные радиоприемники и приемопередающие радиостанции служебной связи, электронные системы управления кондиционерами, системы дистанционного управления и контроля отдельных узлов автомобилей.

Применение на автомобильном транспорте ЭУ первого поколения носило эпизодический характер и не могло оказывать существенного влияния на технические и эксплуатационные характеристики автомобилей.

Второй этап (1950-1970 гг.). Это этап интенсивной разработки ЭУ для автомобилей. Он связан прежде всего с изобретением и широким распространением транзисторов - полупроводниковых приборов, сочетающих в себе высокую экономичность и малые габариты. Появление транзисторов позволило усиливать слабые сигналы различных датчиков, открыло возможности формирования сигналов требуемой формы и длительности. В этот период были разработаны и внедрены электронные регуляторы напряжения и полупроводниковые выпрямители для автомобильных генераторов переменного тока, электронные антиблокировочные устройства. Появились электронные системы зажигания. В СССР работы в области электронных систем зажигания начались в 60-х годах.

Последовательно создавались сначала транзисторные и затем тиристорные устройства, значительно повысившие надежность и экономичность работы системы зажигания и общую топливную экономичность автомобилей с карбюраторными двигателями. Системы с электронным зажиганием, первоначально устанавливающиеся на легковых автомобилях, постепенно стали монтироваться и на грузовых автомобилях средней грузоподъемности. На смену контактным электронным системам зажигания пришли бесконтактные, еще более улучшившие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей. Развитие электронных систем зажигания открыло новые возможности автоматического регулирования опережения зажигания, продолжительности и мощности искрового разряда в соответствии с эксплуатационными режимами и видом используемого топлива [5].

Среди электронных устройств этого периода наибольшее место занимают информационные системы и приборы. Большое распространение получают противоугонные устройства, различные дистанционные датчики: уровня топлива, охлаждающей и тормозной жидкостей, сигнализаторы исправности освещения, сигнальные устройства ремней безопасности, состояния аккумуляторных батарей и т. д.

В этот период в автомобильной электронике зарождаются некоторые тенденции, ставшие в последующем основополагающими направлениями ее развития. Ведущей среди них явилось стремление к автоматизации управления автомобилем, передаче части функций контроля и слежения автоматическим устройствам, работающим по определенной программе. Другой тенденцией было увеличение роли и качества информации водителя о работе отдельных узлов и систем для повышения эксплуатационной надежности транспортных средств. Третьей тенденцией следует признать применение в ЭУ новейшей элементной базы, непрерывное ее обновление, новизну схемных решений.

В качестве иллюстрации к истории развития ЭУ второго поколения проследим эволюцию электронных устройств поддержания постоянной скорости автомобиля.

Одной из задач улучшения условий труда водителей является автоматическое поддержание скорости автомобиля в заданных пределах. Задача эта, возникшая первоначально как частный случай автоматизации управления автомобилем и уменьшения физической и психофизиологической нагрузки водителя, привела к разработке (в Западной Европе, США и Японии) устройств стабилизации скорости автомобиля. Внедрение этих устройств выявило также некоторые дополнительные преимущества оснащенных ими автомобилей и стимулировало дальнейшее совершенствование устройств поддержания постоянной скорости (УППС). К таким преимуществам относят дополнительную экономию топлива (до 10-15%); а также потенциальную возможность принудительного (извне) управления скоростью автомобиля.

Первые УППС были установлены на легковых автомобилях высшего класса Шевроле, Крайслер, Линкольн, Олдсмобил, Бьюик в 1961 г. в США и получили название "циферблатных". Принцип работы этих устройств состоял в том, что водитель устанавливал на шкале спидометра желаемую скорость, после, чего регулирующий механизм УППС определял разность установленной и действительной скорости (число оборотов гибкого вала спидометра) и включал электродвигатель, приводивший в действие дроссельную заслонку карбюратора.

В 1963 г. в США было разработано устройство поддержания постоянной скорости "электрокруиз" с двухступенчатым управлением. Водитель, эксплуатирующий автомобиль с таким устройством, сначала устанавливал на шкале спидометра метку желаемой скорости, а затем после достижения скорости автомобиля значения соответствующей метки нажатием кнопки на рычаге управления скоростью переводил автомобиль в режим автоматического поддержания скорости. Хотя данное устройство относилось формально к циферблатным, наличие переключения режима движения в автоматический содержало уже признаки УППС "кнопочного" типа. Кроме того, в этом устройстве в качестве исполнительного механизма впервые использовалось вакуумное устройство, объединяющее в себе контакты шкалы спидометра и магнитный соленоид.

Третьим устройством данного типа было устройство под названием "Маркет систем", выпускавшееся компанией "Кертис-Райт" с 1964 г. и устанавливавшееся на автомобилях Тандербет и Форд. В отличие от двух вышеупомянутых устройств устройство "Маркет систем" имело режим возобновления ранее заданной скорости. Это означало, что после того как устройство поддержания постоянной скорости было отключено (например, нажатием на тормозную педаль), повторное его включение предусматривало автоматический переход на заданную раньше скорость. Исполнительный механизм этого УППС был пневматическим.

В 1965 г. в США было разработано УППС кнопочного типа "Итон". Это устройство позволяло при нажатии кнопки автоматически поддерживать скорость автомобиля, набранную им к моменту нажатия кнопки. Кроме кнопочного управления, это устройство имело позицию возобновления скорости. В УППС "Итон" уже были заложены основные принципы современных устройств. Исполнительный механизм устройства включал в себя центробежный регулятор, связанный с гибким валом спидометра. При нажатии водителем кнопки включения УППС положение регулятора фиксировалось электромагнитным реле, управляя таким образом положением дроссельной заслонки карбюратора.

В 1968 г. компания "Бендикс" (США) разработала первые полностью электронные УППС. В этих устройствах вращение гибкого вала спидометра преобразовывалось в последовательные импульсы, которые в электронной схеме формировали напряжение, пропорциональное значению скорости автомобиля в данный момент. При нажатии водителем кнопки желаемой скорости эталонное напряжение (соответствующее этой скорости) сравнивалось в электронном устройстве с напряжением, пропорциональным текущей, т. е. наблюдаемой в данный момент времени скорости, и разностное усиленное напряжение воздействовало на соленоид, который теля, информирующие об исправности агрегатов, узлов сельной заслонки. На этом этапе электроника, применяемая на автомобиле, оформилась в самостоятельную подотрасль автомобильной промышленности.

Третий этап. Он продолжается и в настоящее время и характеризуется прежде всего внедрением в электронику, применяющуюся на автомобиле, средств вычислительной техники, значительно расширившим возможности ЭУ. На смену одиночным устройствам стали приходить многоцелевые, объединенные с помощью микро- ЭВМ и процессоров в электронные системы.

Ярким примером такого системного комплексного подхода к внедрению электроники на автомобильном транспорте явилась разработка электронных систем управления впрыском топлива. К 60-м годам было установлено, что системы принудительного впрыска топлива обеспечивают более точную дозировку топлива при приготовлении воздушно-топливной смеси для двигателей внутреннего сгорания. Задачей электронных систем дозирования топлива является автоматическое управление количеством подаваемого электромагнитными форсунками топлива для оптимизации состава рабочей смеси на всех режимах работы двигателя. В Советском Союзе работы по внедрению электроники в системы питания автомобильных двигателей начались в середине 50-х годов. Так, Московским карбюраторным заводом в начале 60-х годов были разработаны промышленные образцы карбюраторов с электронным управлением.

Первые электронные системы впрыска западногерманской фирмы "Бош", ("Robert Bosch GmbH") начали выпускаться в конце 60-х годов и уже к 1973 г. устанавливались на ряде моделей европейских легковых автомобилей. В системе "Джетроник" дозировка топлива осуществлялась в соответствии с разрежением воздуха во впускном трубопроводе. В последующем система впрыска была усовершенствована за счет более точного измерения количества воздуха и введения узлов обратной связи, позволяющих изменять продолжительность впрыска в зависимости от количества кислорода в отработавших газах.

Применение электронных систем управления впрыском топлива позволило, помимо улучшения топливной экономичности легковых автомобилей (на 15-20%) и снижения токсичности ОГ, увеличить межремонтный срок службы цилиндро-поршневой группы.

На этом этапе получили дальнейшее развитие системы автоматического управления автомобилями, основанные на применении ЭУ, такие, как антиблокировочные тормозные системы (США), системы поддержания постоянной скорости (Франция, ФРГ) и др. Новым в их применении явилось использование микропроцессоров, вырабатывающих управляющие сигналы после обработки данных, поступающих от датчиков положения автомобиля. Микропроцессоры и другие логические электронные системы все шире начинают применяться в ряде других систем автомобиля. Они, например, ведут непрерывный расчет средней скорости (Франция, Швеция), расхода топлива, учет оставшегося топлива. Широкое распространение, особенно на большегрузных грузовых автомобилях, получают тахографы - электронные самописцы, позволяющие строго контролировать режим эксплуатации.

Фирма "Фиат" ("Fiat SpA"), помимо этого, разработала автоматическое записывающее устройство наподобие применяющихся в авиации для регистрации всех процессов управления автомобилем (пуска двигателя, переключения передач, торможения, поворотов [4]).

Большое внимание уделяется повышению безопасности движения с помощью ЭУ. Так, на ряде автомобилей (легковых и грузовых) устанавливают автоматические системы управления головным освещением, регулирующие угол падения светового пучка в зависимости от скорости движения или нагрузки автомобиля. Разрабатываются и устанавливаются на автомобили электронные тахометры и спидометры - устройства, предупреждающие об опасной (максимальной) скорости, автомобильные радиолокационные станции, позволяющие предупредить опасность лобового столкновения и в результате автоматического включения тормозов или подачи сжатого воздуха в демпфирующие воздушные подушки уменьшить опасность аварии.

Дальнейшее развитие получили средства пассивной безопасности. К ним относятся электронные системы управления аварийной сигнализацией и сигнализацией указателей поворота, электронные переключатели света (в зависимости от внешней освещенности, действия света фар встречных автомобилей), управляющие устройства стеклоочистителя и омывателя стекол. Степень оснащенности автомобиля ЭУ пассивной безопасности становится показателем технического совершенства и одним из признаков его конкурентоспособности на международном рынке.

Развитие электроники на автомобильном транспорте в СССР имеет свои особенности. Выше уже отмечались определенные ее достижения в области разработки электронных систем питания и зажигания. Эти два направления развивались наиболее интенсивно и в последующие годы. Так, известные успехи в области адаптивных электронных систем управления питанием дизелей достигнуты в работах лаборатории ВЗПИ (Коломенский филиал).

Широко применяют в отечественных легковых и меньше в грузовых автомобилях электронные реле-регуляторы, обеспечивающие увеличение срока службы аккумуляторных батарей и генератора переменного тока. Имеются определенные успехи в области разработки отечественных автомобильных РЛС, -электронных систем автоматического управления приводом сцепления, создания современных диагностических стендов (например, СТК-2М), расходомеров топлива непрерывного действия К-457, приборов газового анализа ОГ (ГАИ-1 и СИД) и т. д. При этом существенным является требование возможности дооборудования или уже освоенных промышленностью и находящихся в эксплуатации моделей автомобилей.

Такой подход к внедрению электроники на автомобильном транспорте позволяет избежать негативных сторон зарубежного опыта, где многие ЭУ носят явно рекламный характер, рассчитанный на потребительские вкусы покупателей. Вместе с тем изучение зарубежного опыта создания ЭУ для автомобильного транспорта позволяет избежать неверных решений и ускорить научно-технический прогресс в этой области.

Электронные устройства третьего поколения находят применение в управлении переключением передач, где они успешно конкурируют с гидравлическим управлением. Получили широкое распространение электронные регуляторы скорости вращения вентилятора системы охлаждения, системы автоматического пуска двигателя, системы управления работы отопителя. Уже разработаны и выпускаются специальные встроенные электронные индикаторы (фирма "Велья Борлетти", Италия), предупреждающие водителя о необходимости смены, мас.ца в двигателе, замены воздушного фильтра или замены свеч [4].

Начата экспериментальная проработка электронных систем для автоматического вождения автомобилей. Необходимость создания подобных устройств вытекает из увеличения скорости движения автомобилей на некоторых особо напряженных автомагистралях. Применение приборов автоматического вождения - своеобразных автоводителей позволяет снизить количество дорожно-транспортных происшествий, возникающих из-за неправильных действий водителей, не уменьшая при этом пропускную способность дорог. Эксперименты по автоматическому управлению автомобилями проводятся в США, Канаде, ФРГ, Италии, Англии и Швеции. Испытываемые ЭУ автоматического вождения неизбежно включают специальное оборудование дороги направляющим кабелем или индуктивным петлям, что позволяет вести автомобиль по криволинейным участкам [5].

Наличие на автомобиле, движущемся по такой трассе, специальных датчиков позволяет с учетом реальных скоростей определить безопасную дистанцию, исключающую возможность наезда.

Рассмотренная тенденция - специальное оборудование автомобильных дорог электронными устройствами - находит свое выражение и в разработке систем управления транспортными потоками в крупных городах. Такие системы, включающие в себя ЭВМ, могут мгновенно оценивать транспортные ситуации на перекрестках улиц и быстро разрешать их, управляя переключением светофоров.

В ряде стран (СССР, Болгария) проводятся работы по диспетчеризации движения общественного транспорта с помощью ЭУ в результате оборудования остановочных пунктов сигнализаторами, регулирующими интервалы следования автобусов, применения ЭВМ, оперативно управляющими резервными автобусами и т. д.

Помимо выполнения вышеупомянутых функций, третье поколение ЭУ отличает дальнейшее совершенствование элементной базы. В логических устройствах все шире применяется интегральная схемотехника, модернизируются оконечные устройства: стрелочные Электромеханические приборы вытесняются цифровыми на жидких кристаллах. Ведутся работы по созданию показывающих и контролирующих индикаторов с предварительной обработкой данных, что позволяет уменьшить само число приборов и ведет к улучшению условий работы водителя.

В кратом обзоре невозможно охватить достаточно полно все многообразие ЭУ третьего поколения, однако следует подчеркнуть, что генеральным направлением их развития является непрерывное повышение доли автоматического управления автомобилем в результате уменьшения удельного веса неавтоматического управления, т. е. управления, требующего непосредственного участия (физического или нервно-психического напряжения) водителя - в управлении автомобилем. По некоторым оценкам [5], если участие ЭУ второго поколения в управлении автомобилем составляло единицы процентов от общего числа функций управления, то ЭУ третьего поколения в состоянии выполнять 10-15% функций управления, одновременно улучшая качество управления, организации и эксплуатации автомобильного транспорта.

Дальнейшей перспективой развития ЭУ является увеличение доли автоматического управления собственно автомобилем, дорожным движением, ремонтом и обслуживанием автомобилей.

В Москве организована телеавтоматическая система управления движением транспорта в центре города (в пределах Садового кольца), которая вступила в опытную эксплуатацию в 1983 г. Система "Старт" позволяет визуально наблюдать за движением автомобилей, определять интенсивность их движения, передавать информацию (автоматически) на ЭВМ,, управлять в комплексе переключением светофоров. Внедрение подобной системы позволит повысить безопасность движения, пропускную способность улиц, снизит загрязнение воздуха выхлопными газами, расход топлива и, несомненно, явится прототипом систем управления автомобильным движением будущего. Предполагается, в частности, что действие системы "Старт" в дальнейшем будет распространено на весь город.

Учитывая общие закономерности развития транспортных средств, уже в ближайшем будущем можно ожидать появления на автомобилях комплексных централизованных систем управления и диагностики, позволяющих наиболее эффективно использовать совокупность уже имеющихся ЭУ как встроенных, так и внешних.

Создание комплексной централизованной системы контроля, управления и диагностики автомобиля неизбежно потребует применения микро- или мини-ЭВМ, обладающих значительным объемом памяти и быстродействием. Объединение ряда функций отдельных ЭУ и электронных систем в единой централизованной системе позволит сократить коммуникации, а также расширит возможности уже известных ЭУ и электронных систем.

Внедрение централизованных электронных систем управления автомобилем требует совершенствования ее элементной базы, т. е. применения интегральной схемотехники, волоконной оптики и электронно-оптических приборов.