Глава 3. Электронные устройства управления и регулирования автомобильными агрегатами и системами

3.1. Управление двигателем

Среди разнообразных электронных устройств на автомобиле наибольшее внимание уделяется электронным системам автоматического управления двигателем (ЭС АУД). Благодаря этим системам уменьшается расход топлива, снижается токсичность отработавших газов. Действие ЭСАУД основано на регулировании угла опережения зажигания, состава рабочей смеси, степени рециркуляции отработавших газов, изменении количества цилиндров, в которые подается топливо, и т. д. Параметрами управления являются: скорость вращения коленчатого вала, разрежение во впускном трубопроводе, температура охлаждающей жидкости, состав отработавших газов, скорость движения автомобиля и т. д.

Типичным примером ЭСАУД может служить система "МИСАР", название котором расшифровывается как "Обработка данных при помощи микропроцессора и автоматическая регулировка". Система (рис. 14) была создана фирмой "Делко-Реми" ("Delco-Remy") концерна "Дженерал моторе" и стала первой микропроцессорной ЭСАУД, устанавливаемой в качестве стандартного оборудования на автомобили массового производства. Системой оснащались автомобили Олдсмобил Торонадо модели 1977 г. Ее применение позволило уменьшить расход топлива до 10% благодаря управлению моментом зажигания.

Рис. 14. Система 'МИСАР': 1 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя и положения поршня в в. м. т.; 2 - блок управления; 3 - высоковольтный распределитель зажигания; 4 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 5 - датчик разрежения во впускном трубопроводе

В системе предусмотрены два режима функционирования: пуск и работа. При пуске двигателя момент зажигания не регулируется и угол опережения зажигания всегда равен 20° до верхней мертвой точки (в. м.т.). Это связано с тем, что в пусковом режиме напряжение источника питания во время начала проворачивания коленчатого вала может значительно уменьшиться и в этих условиях нельзя гарантировать надежную работу микро-ЭВМ.

В режиме работы система определяет оптимальный момент зажигания на основании информации о частоте вращения коленчатого вала, разрежении во впускном трубопроводе и температуре охлаждающей жидкости (при низкой температуре требуется увеличение угла опережения зажигания).

Блок управления системы (см. рис. 14), расположенный под панелью приборов, представляет собой печатную плату, используемую для монтажа датчика разрежения во впускном трубопроводе, подложки микро-ЭВМ, стабилизатора напряжения и мощных транзисторов, управляющих двумя контрольными лампами.

Чувствительным элементом датчика разрежения во впускном трубопроводе является кремниевая диафрагма, изменяющая сопротивление при деформации, происходящей в результате действия разности между атмосферным давлением и разрежением. Датчик установлен непосредственно в блоке управления и связан с двигателем трубопроводом.

Датчик температуры охлаждающей жидкости выполнен на базе термистора и помещен в герметичный латунный корпус. Для увеличения его быстродействия внутренняя полость корпуса заполнена специальным составом.

Частота вращения коленчатого вала. и положение поршня в в. м. т. определяются при помощи зубчатого колеса из ферромагнитного материала, закрепленного на коленчатом вале, и индукционного преобразователя с постоянным магнитом. Конструкция преобразователя позволяет устанавливать начало момента зажигания. кВ зубчатом колесе (76 зубьев) имеются четыре прорези, расположенных под углом 90° друг к другу (для 8-цилиндрового двигателя). Прорези предназначены 1 для формирования импульсов, свидетельствующих о нахождении поршня в в. м. т. Зубья служат для определения частоты вращения и положения коленчатого "вала. Скорость определяется по частоте импульсов, а угловое положение коленчатого вала по числу импульсов, выданных после прохождения поршнем в. м. т.

За один оборот коленчатого вала формируется 304 импульса, так как используются две последовательно соединенных катушки. Поскольку 304 импульсам соответствует 608 перепадов напряжения, то положение коленчатого вала определяется с разрешающей способностью, равной 0,6°.

В корпусе высоковольтного распределителя зажигания размещаются модуль зажигания, катушка зажигания и высоковольтный переключатель. Распределитель зажигания неподвижен, так как первоначальная установка зажигания выполнена при помощи датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя и положения поршня в в. м. т.

Система работает следующим образом. Аналоговые сигналы от датчиков разрежения и температуры охлаждающей жидкости поступают в аналого-цифровой преобразователь. На выходе преобразователя аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код. Импульсы от аналого-цифрового преобразователя и датчика скорости вводятся в микропроцессор.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация о зависимости оптимального угла опережения зажигания от параметров управления, графическое изображение которой для конкретного автомобиля показано на рис. 15. Трехмерная поверхность получена из условия максимальной топливной экономичности при соблюдении норм токсичности и отсутствии детонации.

Рис. 15. Зависимость между углом опережения зажигания 0, частотой вращения коленчатого вала п и разрежением р во впускном трубопроводе для автомобиля Торонадо (США)

Вся поверхность, координаты которой хранятся в ПЗУ, состоит более чем из 200 микроповерхностей, так как точки перехода от одной микроповерхности на другую распределены по угловой скорости коленчатого вала через 20,9 рад/с и по разрежению - через 5 кПа. В зависимости от измеренных значений угловой скорости коленчатого вала и разрежения во впускном трубопроводе определяется микроповерхность, которую следует использовать для вычисления. Угол опережения зажигания вычисляется методом линейной интерполяции и корректируется с учетом температуры охлаждающей жидкости. При этом принимаются на рассмотрение нелинейность вольт-амперной характеристики термистора, таблица для линеаризации показаний которого хранится также в ПЗУ.

При положении коленчатого вала, соответствующем заранее вычисленному, микро-ЭВМ формирует команду "Включить". По этому сигналу замыкается цепь первичной обмотки катушки зажигания. Когда положение коленчатого вала соответствует вычисленному углу опережения зажигания, подается команда "Выключить". При этом прерывается ток в первичной обмотке катушки зажигания и в соответствующем цилиндре образуется искра.

Основной программный цикл в системе "МИСАР" состоит из 335 команд. Время их выполнения 12 мс. Следовательно, каждые 12 мс определяется новый угол опережения зажигания. При неисправности микро-ЭВМ модулем зажигания управляет резервное логическое устройство (в качестве параметра управления используется сигнал датчика частоты вращения коленчатого вала и положения поршня в в. м. т.). Это же устройство управляет зажиганием и при пуске двигателя.

На рис. 16 приведены графики, характеризующие работу обычного (механического центробежного) регулятора момента зажигания (сплошные линии) и системы "МИСАР" (штриховые линии) для двух значений разрежения. Видно, что электронная система обеспечивает более сложный закон изменения угла опережения зажигания, что и позволяет выполнить нормы по токсичности ОГ при минимальном расходе топлива.

Рис. 16. Сравнение законов управления механического регулятора и системы 'МИСАР' [6]: θ - угол опережения зажигания; n - частота вращения коленчатого вала; ρ - разрежение во впускном трубопроводе

При разработке ЭСАУД очень сложно определить и задать закон управления, Не случайно поэтому все большее внимание уделяется построению экстремальных систем, которые сами находят значение регулируемой величины, обеспечивающее предельное значение выбранного критерия оптимальности. Алгоритмам работы ЭСАУД посвящены книги [8, 16]. Поэтому рассмотрим здесь лишь те устройства, описанию которых в литературе уделялось недостаточное внимание.

В ряде случаев водитель выходит из автомобиля, не выключив двигатель, который продолжает бесполезно работать. Для того чтобы избежать лишнего расхода топлива в подобных ситуациях, концерном "Крайслер" разработано устройство, автоматически выключающее двигатель через некоторый, заранее заданный промежуток времени.

Отсчет времени начинается при включении ручного тормоза и нейтральной передачи. В момент, предшествующий разрыву цепи зажигания, подается звуковой и оптический сигналы. Для отмены выключения двигателя необходимо отключить ручной тормоз и включить передачу, соответствующую режиму движения. В противном случае цепь зажигания разрывается и двигатель впоследствии включается обычным способом.

Устройство испытывалось на автомобилях, используемых для перевозки газет, которыми заправляются автоматы для их продажи. Особенностью режима движения данных автомобилей являются частые кратковременные остановки. При периоде выключения, равном одной минуте, была получена экономия топлива, достигающая 20%.

Несколько по другому была решена та же проблема уменьшения расхода топлива выключением двигателя даже на кратковременных стоянках в разработанном швейцарской фирмой "Джакёр Рилайсбэн" ("Е. Jucker Relaisban") устройстве, названном "Стартомэтик" или "Стоп-старт". Водители часто не выключают двигатель лишь потому, что его включение евязано с некоторыми усилиями и затратами времени. Устройство типа "Стоп- старт" значительно уменьшило объем и продолжительность работ по включению двигателя. Поэтому ими охотно пользуются во время остановки перед светофорами, на перекрестках, железнодорожных переездах и т. п. Экономия топлива, получаемая при использовании данных устройств, достигает 10%.

Для выключения двигателя на остановке следует нажать Кнопку, разрывающую цепь питания двигателя (кнопка может быть установлена в любом удобном для водителя месте: на рулевом колесе, приборной панели, рычаге переключения передач и т. д.); Затем водитель должен включить первую передачу (при автоматическом управлении коробкой передач - установить нейтральное положение). При этом загорается лампочка, сигнализирующая о готовности к пуску двигателя.

Для начала движения следует нажать и отпустить педаль сцепления (при автоматическом управлении КП необходимо включать режим "движение вперед") и надавить на педаль управления дроссельной заслонкой. Переключатель, установленный под этой педалью, включает стартер. Кроме того, устройство "Стоп-старт" контролирует частоту вращения вала стартера и автоматически отключает стартер после пуска двигателя.

Ночью при включенных фарах нажатие кнопки, выключающей двигатель, приводит к выключению фар и включению огней, используемых при стоянке. Это позволяет уменьшить расход электроэнергии аккумуляторной батареей и не ослеплять водителей встречных автомобилей.

В автомобилях применяются выпускаемые концерном "Сименс" ("Siemens AG") устройства, автоматически выключающие зажигание при достижении предельно допустимой частоты вращения коленчатого вала и снова включающие зажигание после того, как частота вращения коленчатого вала двигателя уменьшится до безопасного значения. Устройство работает совместно с транзисторной системой зажигания этой же фирмы. Принцип действия ограничителя максимальной частоты вращения заключается в прекращении подачи искровых импульсов на свечи зажигания. Отсутствие напряжения на свечах зажигания вызывает некоторую неустойчивость в работе двигателя, что сигнализирует водителю о достижении предельной частоты вращения коленчатого вала.