Группа окислов азота, NOx.

· Окись азота NO — бесцветный газ без вкуса и запаха. При соединении окислов азо­та с углеводородом СН в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический смог, вредный для органов дыхания человека;

· Дву­окись азота NOx — рыжеватый газ с кислым едким запахом, слабо токсичен.

 

2. Экология бензиновых двигателей

 

При полном сжигании I кг (I л) бензина в 14,7 кг (10 м³) воздуха образуются нетоксичные вещества—вода и двуокись углерода.

Стехиометрическим называется соотно­шение между массой воздуха и топлива равное 14,7:1.

Коэффициентом избытка воздуха , называется отношению фактического состава ТВ-смеси к ее стехиометрическому составу.

ü Полное сгорание топлива имеет место при = 1;

ü Сгорание богатой ТВ-смеси ( <1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н₂ и СН;

ü Бед­ные ТВ-смеси ( > 1) сгорают с образованием NO₂ и приводят к пропускам вос­пламенения.

3. Каталитический газонейтрализатор

В каталитическом газонейтрализаторе происходят химические реакции, умень­шающие концентрацию токсичных веществ в выхлопных газах:

Катализаторы химических ре­акций – это благородные металлы, нр., платина.

Для нормальной эксплуатации газонейтрализатора требуется поддержание стехиометрического состава ТВ-смеси с высокой точностью — менее 1%, иначе нейтрализатор деградирует (точность дозирования без ЭБУ недостижима). Нейтрализа­тор перерабатывает до 90% токсичных веществ в нетоксичные.

4. Угол опережения зажигания

Неоптимальные значения угла опережения зажигания приводят к увеличению концентрации СН и N0. Точное задание угла опережения за­жигания для всех режимов работы двигателя возможно только с помощью элект­ронной системы управления.

5. Экология дизельных двигателей

В дизелях топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры и воспламеня­ется за счет разогрева сжимаемого воздуха. В дизелях всегда больше единицы. При оптимальных значениях = 1,1...1,2 в выхлопных газах содержится минима­льное количество сажи, СН и СО. На дизелях работают двухкомпонентные окис­лительные каталитические нейтрализа-торы, преобразующие СН и СО в СО₂ и Н₂О. Применение трехкомпонентного каталитического нейтрализатора невозмож­но из-за избытка воздуха. На процесс сгорания топлива сильно влияет точность синхронизации его впрыска. Нр, погрешность начала впрыска в 1° оборота коленчатого вала ведет к увеличению содержания в выхлопных газах N0₂ на 5% и СН на 15%.

Для уменьшения концентрации N0₂ применяется система рециркуляции выхлопных газов.

6. Уменьшение потребления топлива

Экономия топлива в двигателях с электронным управлением достигается за счет:

Ø его точного дозирования во всех режимах работы;

Ø отключения подачи топлива, когда это допустимо, нр, при торможении двигателем.

Обеднение ТВ-смеси с целью экономии топлива приводит к необходимости увели­чивать угол опережения зажигания, т.к. бедная смесь горит медленно, но при этом возрастает токсичность выхлопных газов.

7. Диагностика

ЭБУ в фоновом режиме контролирует исправность:

Ø датчиков и исполнительных механизмов,

Ø систем, выход из строя которых ведет к увеличению загрязнения окружающей среды (ка­талитический газонейтрализатор,

система подачи топлива и т. д.).

 

3.2. ФУНКЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БЕНЗИНОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Определение необходимого количества топлива

Масса подаваемого в двигатель топлива связана с массой воздуха и тре­буемым значением коэффициента избытка воздуха соотношением:

Масса воздуха может быть выражена через его объем и плотность

Плотность воздуха А_D определяется по его давлению и температуре во впуск­ном коллекторе с помощью соответствующих датчиков.

Объ­ем воздуха рассчитывается по числу оборотов ДВС в минуту N:

где D — объем двигателя, — коэффициент использования объема, зависящий от оборотов.

Если в двигателе применяется рециркуляция выхлопных газов, их объем также учитывается:

Объем a_vecr зависит от положения клапана системы рециркуляции выхлопных газов.

В датчиках расхода воздуха с измерительной заслонкой по отклонениям за­слонки определяют непосредственно объем воздуха Vу.

Для определения плотности воздуха во впускном коллекторе устанав­ливаются датчики температуры и давления.

В ЭСАУ-Д устанавливаются датчики массового расхода воздуха. Определив необходимую массу топлива Fм, контроллер по известной произво­дительности форсунок вычисляет для них базовые значения времени включения.

Чтобы масса подаваемого через форсунки топлива зависела только от длительности их включения, в рампе форсунок относительно впускного коллекто­ра специальным регулятором поддерживается постоянное давление топлива.

В двигателях с распределенным впрыском подача топлива производится следующим об­разом:

o все форсунки включаются одновременно один раз за один оборот коленча­того вала;

o форсунки включаются группами, нр., парами для 4-цилиндрового двигателя, один раз за 4 такта. Группы управляются раздельно;

o форсунки управляются независимо, т.е. подача топлива на соответству-ю­щем такте впуска ТВ-смеси в каждый цилиндр регулируется индивидуально.

 

Управление по сигналу датчика кислорода

Сигнал с датчика кислорода поступает в ЭБУ двигателя, где сравнивается с опорным напряжением V_S = 0 > 45 В. Это напряжение находится примерно посере­дине между уровнями сигналов для обедненной и обогащенной ТВ-смеси для циркониевого датчика.

Когда сигнал с датчика кислорода превышает опорный уровень, программное обеспечение ЭБУ двигателя определяет рабочую ТВ-смесь как обогащенную и ЭБУ начинает постепенно уменьшать длительность импульса отпирания форсун­ки. Датчик реагирует на изменение состава топливовоздушной смеси с некоторой задержкой. Чем дольше датчик кислорода индицирует обогащенный состав ТВ-смеси, тем больше уменьшается длительность импульса отпирания форсунок и тем беднее становится ТВ-смесь. В результате таких действий выходной сигнал датчика кислорода перейдет на уровень ниже опорного и ЭБУ зафиксирует обед­ненный состав смеси. Далее начнется постепенное увеличение длительности им­пульса отпирания форсунок и обогащение ТВ-смеси будет продолжаться до тех пор, пока датчик кислорода вновь не переключится.

Таким образом, состав ТВ-смеси постоянно колеблется между обедненным и обогащенным состояниями при постоянной нагрузке двигате­ля (рис.3.1). Имеет место релейная стабилизация при колебаниях по предельному циклу.

 

Рис. 3.1. Сигналы в системе стабилизации стехиометрического состава

ТВ-смеси

Частота переключений сигналов датчика (обедненный состав смеси — обога­щенный состав смеси) определяется по формуле:

F=1/4

где t_L — время, за которое топливо проходит путь от форсунки впрыска, через Впускной коллектор, цилиндр и выпускной коллектор до датчика кислорода. Для большинства двигателей при работе на холостом ходу частота/лежит в диа­пазоне 0,5...2,0 Гц. У новейших ДВС — до 10 Гц.

Данная релейная система стабилизации поддерживает стехиометрический состав ТВ-смеси 1...5%. Каталитический газонейтрали­затор имеет рабочий объем для выхлопных газов, выполняющий функцию ресивера, демпфирующего колебания в составе отработанных газов. Т.о., в ресивере катализатора продукты сгорания перемешиваются и усред­ненный их состав становится близким к составу продуктов сгорания стехиометри-ческой ТВ-смеси. Это способствует более эффективной работе газонейтрализато­ра, и количество токсичных веществ на его выходе становится минимальным.

Из-за задержки срабатывания СУ соста­вом ТВ-смеси по сигналу датчика кислорода не имеет необходимого быстродейст­вия. Следствием инерционности м.б. увеличение выброса токсичных ве­ществ на переходных режимах. Контроллер для управления подачей топлива использует не только сиг­нал с датчика кислорода, но и калибровочные диаграммы в осях «обороты — на­грузка двигателя», хранящиеся в памяти ЭБУ.

3. Управление углом опережения зажигания

 

Правильная установка текущего значения угла опережения зажигания:

Ø оптими­зирует крутящий момент на валу двигателя,

Ø минимизирует содержание токсичных веществ в выхлопных газах,

Ø уменьшает расход топлива,

Ø улучшает ездовые характе­ристики,

Ø исключает детонацию.

Базовые значения для определения угла опереже­ния зажигания в зависимости от нагрузки и оборотов двигателя заложены в по­стоянной памяти контроллера. Их получают во время экспериментальных иссле­дований вновь разрабатываемого двигателя на стендовом динамометре.

Базовые значения корректируются в зависимости от режима работы ДВС:

· перегрев,

· ускорение,

· включение системы рециркуляции выхлопных газов, и т. д.

В системах зажигания первичный ток катушки зажигания регули­руется временем ее подключения к напряжению питания. ЭБУ определяет длите­льность временного интервала подключения по калибровочным диаграммам, хра­нящимся в ПЗУ, и в зависимости от оборотов двигателя и напря­жения бортовой сети выполняет корректировку. Работа ключа (коммутатора зажигания) синхронизируется так, чтобы необходимое значение тока первичной обмотки катушки зажигания достигалось непосредственно перед моментом искрообразования.

Значения угла опережения зажигания, обеспечивающие наиболее эффектив­ную работу двигателя, близки к предельным, на которых возникает детонация. При обнаружении детонации угол опережения зажигания со­ответственно уменьшается. В современных СУ угол опережения зажигания регулируется раздельно по цилиндрам.

3.3. Режимы работы системы управления двигателем

1. Запуск двигателя

Двигатель при прокрутке стартером должен быстро запускаться при любой температуре охладителя и внешней среды. При пуске топливо подается с избыт­ком (богатая ТВ-смесь), т.к. оно плохо испаряется в холодном двигателе и кон­денсируется на стенках впускного коллектора. Но свечи зажигания заливаться не должны, иначе искрообразование ухудшится. Во время запуска ЭБУ управляет по­дачей топлива по калибровочным диаграммам, хранящимся в ПЗУ, и корректируют состав ТВ-смеси по температуре ОЖ. Датчик кислорода в это время еще не работает, так как не прогрет, а ТВ-смесь переобога­щена. Количество подаваемого топлива начинает уменьшаться, после того как скорость вращения коленчатого вала превысит пороговое значение для данного типа двигателя. В некоторых СУ при прокрутке ДВС все фор­сунки открываются одновременно и только после запуска начинают работать син­хронно с тактами впуска своих цилиндров.

Угол опережения зажигания при прокрутке определяется ЭБУ по оборотам и температуре двигателя. Для холодного двигателя и низкой скорости прокрутки угол опережения зажигания почти равен нулю. В любом случае при прокрутке ДВС значение угла опережения зажигания ограничивается, т. к. вспышка в камере сгорания до верхней мертвой точки может провернуть коленчатый вал в обратном направлении и повредить стартер.

2. Прогрев двигателя

После запуска ДВС во время его прогрева СУ ДВС обеспечивает:

Ø устойчивую работу двигателя;

Ø быстрый нагрев датчика кислорода икаталитического нейтрализатора для введения их в рабочее состояние;

Ø минимальное потребление топлива и загрязнение окружающей среды.

Для устойчивой работы холодного ДВС в него подается обогащенная ТВ-смесь. Во время прогрева степень обогащения зависит от температуры ДВС и всасываемого воздуха:

1. в каталитический газонейтрали­затор подается дополнительный воздух. Образовавшиеся в цилиндрах излишки СО и СН (из-за обогащенной ТВ-смеси) доокисляются в каталитическом нейтра­лизаторе. Химическая реакция окисления ускоряет разогрев нейтрализатора;

2. увеличивают обороты ХХ и уменьшают угол опережения зажигания, что повышает температуру вы­хлопных газов и ускоряет разогрев каталитического газонейтрализатора и датчика кислорода;

3. применяется и электрический разогрев датчика кислорода и нейтрализатора.

 

3. Работа в переходных режимах

В переходных режимах, (при быстром увеличении, уменьшении на­грузки или оборотов ДВС), СУ должна обеспечивать плавную устойчивую работу ДВС.

При ускорении автомобиля дроссельная заслонка резко открывается, во впуск­ной коллектор поступает больше воздуха. СУ должна быстро от­реагировать, чтобы успеть обогатить ее так. При этом не должно увеличиваться загрязнение окружающей среды выхлоп­ными газами. Для обеспечения максимального крутящего момента на валу угол опережения зажигания устанавливается на грани детонации.

При торможении, езде под гору, торможении двигателем подача - топлива рез­ко ограничивается или полностью отключается до тех пор, пока обороты двигателя остаются выше заданного значения (чуть больше оборотов ХХ). СУ двигателем следит, чтобы при отключении подачи топлива не остыли и не перешли в нерабочее состояние датчик кислорода и ка­талитический нейтрализатор. Это реализуется дополнительным электро­подогревом.

4. Полная нагрузка

При езде автомобиля под полной нагрузкой, нр. в гору, двигатель дол­жен развивать максимальную мощность. ЭБУ управляет составом ТВ-смеси и углом опережения зажигания по калибровочным таблицам. Двигатель имеет наилучшие тяговые характеристики при 1= 0,9...0,95, в этом диапазоне датчик кислорода не работает. Угол опережения зажигания имеет значение, обеспечи­вающее максимальный крутящий момент на валу, при необходимости произво­дится коррекция по детонации. Экологические показатели двигателя несколько ухудшаются.

5. Работа на холостых оборотах

В режиме ХХ СУ двигателем в целях экономии топлива поддерживает минимальные устойчивые обороты. В городском цикле движения на ХХ автомобиль потребляет около 30% топлива. Система регулирования холостых оборотов должна отрабатывать как скачкообразно, так и плавно меняющиеся нагрузки.

Обороты двигателя на ХХ автоматически регулируются изменением количества подаваемого воздуха или угла опережения зажигания.

Воздух в режиме ХХ обычно подается через байпасный канал, сече­ние которого регулируется шаговым двигателем, по командам ЭБУ. Есть вариан­ты, когда количество подаваемого воздуха регулируется автоматически управляе­мым ЭП дроссельной заслонки. Недостатком СУ оборотами ХХ путем изменения пропускного сечения воздушного ка­нала является ее инерционность, особенно при скачкообразных изменениях на­грузки. Более высокое быстродействие имеет система, работающая с изменением угла опережения зажигания в заданных пределах. В современных ЭБУ для управ­ления оборотами ХХ используются оба эти варианта управления.

Чтобы двигатель, работающий на ХХ, не останавливался при подключении мощной нагрузки (нр, компрессора кондиционера), сначала от выключателя нагрузки на ЭБУ поступает сигнал о предстоящем увели­чении нагрузки, по которому ЭБУ увеличивает обороты двигателя, и затем включается нагрузка.

3.4. СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

Работа системы подачи топлива в цилиндры двигателя заключается:

Ø в формиро­вании состава ТВ-смеси,

Ø ее дозировании,

Ø транспортировке;

Ø распределении по цилиндрам.

Водитель управляет оборотами двигателя посредством дроссель­ной заслонки, которая дозирует количество поступающего в цилиндры воздуха. СУ измеряет объем или массу всасываемого воздуха и формирует оптимальный состав ТВ-смеси.

1. Классификация систем

Системы подачи топлива бывают:

одноточечные (карбюратор или центральный впрыск, рис.3.2,а);

многоточечные (распределенный впрыск, рис.3.2, б).

В сис­темах с одноточечной подачей топлива формирование ТВ-смеси производится вблизи дроссельной заслонки. Транспортировка и распределение смеси по цилин­драм возлагается на конструкцию патрубков впускного коллектора. Удовлетвори­тельной работы такой системы во всех режимах добиться трудно.

Рис.3.2. Патрубки впускного коллектора:

а — для центрального впрыска; б — для распределенного впрыска; 1 — топливо, 2 — воздух, 3 — дроссельная заслонка, 4 — впускной коллектор, 5 — форсунки, 6 — двигатель

В многоточечных системах подача топлива и внешнее смесеобразование произ­водятся в непосредственной близости от впускных клапанов. Топливо лучше ис­паряется, минимизировано влияние конструкции впускного коллектора на равно­мерность распределения смеси по цилиндрам, патрубки впускного коллектора транспортируют только воздух.

2. Карбюратор с электронным управлением

В поплавковом карбюраторе, чем больше воз­духа засасывается в цилиндры, тем больше топлива поступает для образования ТВ-смеси. Основной недостаток такой системы смесеобразования—нелинейная связь между массой поступающего в двигатель воздуха и количеством распылен­ного топлива, т.е. не выдерживается стехиометрический состав ТВ-смеси при раз­личных оборотах двигателя. Для компенсации этого недостатка вво­дят электронное управление.

Электронный карбюратор позволяет реализовать следующие функции:

· стабилизация оборотов ХХ. Обороты ДВС на ХХ поддерживаются постоянными на низком уровне с целью эко­номии топлива и уменьшения токсичности выхлопных газов. Регулирование производится шаговым двигателем. Обороты ХХ могут быть изменены по сигналу от авто­матической коробки переключения передач, от реле включения муфты кондиционера и другим сигналом об увеличении нагрузки;

· Прогрев двигателя. При прогреве двигателя обороты ХХ поддер­живаются увеличенными до тех пор, пока соответствующий сигнал не по­ступит от датчика температуры ОЖ;

· обогащение ТВ- смеси при прогреве. Используется вращающаяся воздуш­ная заслонка или иной тип клапана для обогащения смеси в зависимости от режима работы двигателя и температуры ОС;

· отключение подачи топлива при больших оборотах двигателя. Для отклю­чения подачи топлива используется запирающий электроклапан, который срабатывает, когда температура двигателя выше установленного предела или обороты двигателя выше допустимого значения при отпущенной педа­ли акселератора (случай — торможение двигателем).

 

Рис. 3.3. Основные компоненты карбюратора с электронным управлением

На рис.3.3 показаны основные компоненты карбюратора с электронным управлением, используемые на некоторых ранних моделях автомобилей фирмы Rover. Блок-схема СУ карбюратором рис.3.4, содержит набор датчиков, устройст­во обработки информации, исполнительные механизмы.

В такой системе обороты двигателя определяются по частоте импульсного сиг­нала, поступающего с отрицательного зажима первичной обмотки катушки зажи­гания, как и во многих других системах.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (термистор) размешен в рубашке водяного охлаждения двигателя, этот же датчик используется в СУ зажиганием.

Температура окружающего воздуха определяется термистором, расположенным под передним бампером или за фарой. В более поздних системах температура вса­сываемого воздуха измеряется датчиком, установленным во впускном коллекторе.

Датчик закрытого положения дроссельной заслонки помещен под педалью ак­селератора и срабатывает, когда педаль отпущена, т.е. дроссельная заслонка за­крыта.

Основным исполнительным механизмом в электронном карбюраторе является шаговый электродвигатель. Шаговый двигатель изменяет положение дроссельной заслонки в соответствии с командами, которые формируются в ЭБУ с учетом режима работы двигателя, температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха.

Когда обороты двигателя превышают допустимое значение, ЭБУ с помощью электроклапана уравнивает давление в поплавковой и смесительной камерах и по­дача топлива прекращается.

ЭБУ выдает также сигнал на указатель температуры двигателя, который уста­новлен на щитке приборов для водителя.

 

3. Системы с центральным впрыском топлива

Используются одна или две форсунки, устанавливаемые перед дроссельной заслонкой (рис.3.5). Электробензона­сос постоянно прокачивает топливо через форсунку 2. Регулятор давления топли­ва I поддерживает давление топлива постоянным на уровне 0,71 бар. Топливо по­дается через ввод 7 и сливается обратно в бак по возвратной линии 3. По команде ЭБУ форсунка включается один раз за два оборота КВ. Соп­ло сконструировано так, чтобы топливо проходило между стенками трубопровода и краями дроссельной заслонки. На ХХ ТВ-смесь пода­ется во впускной коллектор через байпасный канал 5, сечение которого регулиру­ется шаговым двигателем 4.

рис. 3.5. Форсунка центрального впрыска

 

4. Системы с распределенным впрыском топлива

 

Топливо подается вблизи впускных клапанов каждого цилиндра с помощью механических или электромеханических форсунок. Преимущества распределенно­го впрыска по сравнению с центральным:

o экономия топлива за счет его более равномерного распределения по ци­линдрам. В системах с центральным впрыском подача топлива регулирует­ся под цилиндр, получающий наиболее бедную смесь, в результате суммар­ное потребление топлива возрастает;

o в системах с распределенным впрыском есть возможность оптимизировать конструкцию впускного коллектора под подачу максимального количества воздуха, в результате с двигателя снимается большая мощность;

o за счет подачи топлива непосредственно в зону впускных клапанов умень­шается транспортное запаздывание, двигатель быстрее реагирует на изме­нение положения дроссельной заслонки;

o за счет сокращения транспортного запаздывания в системе стабилизации стехиометрического состава топливовоздушной смеси по сигналу с датчика кислорода повышена частота переключений «бедная смесь — богатая смесь». Это улучшает работу каталитического нейтрализатора, уменьшается содержание токсичных веществ в выхлопных газах.

В системах распределенного постоянного впрыска, нр. K-Jetronic фир­мы BOSCH, количество подводимого воздуха непрерывно измеряется расходо­мером, а масса впрыскиваемого топлива пропорциональна объему поступающего воздуха. Система поддерживает стехиометрическое соотношение 1:14,7 в ТВ-смеси, кроме переходных режимов и работы двигателя с полной нагрузкой. Топливо впрыскивается постоянно, его количество регулируется дозатором-рас­пределителем, управляемым расходомером воздуха и регулятором управляющего давления. В свою очередь воздействие регулятора управляющего давления определяется величиной подводимого к нему разреженияво впускном коллекторе и температурой ОЖ. В этой чисто механической системе используются датчики температуры на основе биметаллических пластин. Датчики управляют работой дозатора-распределителя через систему диафрагм и патрубков.

В системах распределенного постоянного впрыска с электронным управле­нием, нр. в KE-Jetronic, используется больше датчиков, информация с которых обрабатывается в микропроцессорном ЭБУ. Управляющее давление в дозаторе-распределителе меняется электрогидравлическим регулятором по командам ЭБУ. За счет электронного управления лучше оптимизировано дозирование топлива.

Наиболее совершенными являются системы прерывисто­го распределенного впрыска топлива. В них давление подводимого к форсункам топлива поддерживается постоянным по отношению к впускному коллектору. Ко­личество подаваемого топлива регулируется временем включения электромагнит­ных форсунок, управляемых непосредственно от ЭБУ, чем достигается высокое быстродействие и точность дозирования. Неотъемлемыми частями современных систем подачи топлива с прерывистым впрыском являются:

• датчик массового расхода воздуха (массметр), обычно термоанемометриче-ский;

• система дозирования топлива: электробензонасос, топливный фильтр, рам­па форсунок, электромагнитные форсунки, регулятор давления топлива. Бензонасос подает топливо в рампу под давлением 250...350 кПа. Регулятор давления поддерживает постоянный перепад давления между впускной тру­бой и нагнетающей магистралью рампы, излишки топлива возвращаются в бензобак по линии слива. Соленоиды форсунок управляются силовыми транзисторами эбу. В некоторых системах имеется дополнительная пуско­вая форсунка, которая устанавливается за дроссельной заслонкой и вклю­чается при холодном пуске двигателя;

• датчик кислорода, сигнал которого используется ЭБУ для работы в замкну­том режиме стабилизации стехиометрического состава топливовоздушной смеси.