Объединенное управление зажиганием и подачей топлива

Введение

Поскольку наряду с требованиями повышения ка­чества работы двигателя сохраняются и требова­ния пэ снижению вредных выбросов, инженеры постоянно исследуют все возможности управления двигателем. Контроль выбросов станочнтся даже более важным, так как с каждым голого растет ве­роятность включения в будушнё инструкции но регули рованию выбросов лаже эмиссии умскисло- го газа. В этот раздел включены некоторые из су­ществующих и потенциальных областей управле­ния работой двигателя. Хотя некоторые из общих воироюа управления двигателем были раскрыты в двух предыдущих главах, в данной главе подробнее раскрыты дополнительные аспекты управления и метод»! регулирования двигателей. Вот некоторые из главных проблем:

момент зажигания смсси;

угол активации;

дозирование топлива;

рециркуляция выхлопного газа {«hast gas ге- sureulation - EGR);

очистка топливного бака;

скорость холостого хода.

Рис. 10.1. Представление контура управления двигателем в виде стандартной функциональной системы

 

Система оптимального управления двигателем может быть представлена стандартной трехкаскад­ной моделью, покпзанной на рис. 10.1. На рисун­ке показана обратная связь замкнутого контура уп­равления, которая присуща системам регулирова­ния, учтггмпаипким такие факторы, как:

 

лямбда-показатель;

детонацию;

частоту прткеиия двигателя.

На рис. 10.2 показана блок-схема расширенной системы управления двигателем. Ряды «входов» и «выходов» помогают хорошо представить всю слож­ность системы. Данный раздел можно рассматри­вать как продолжение обзора некоторых менее из­вестных «входов» и «выходов*.

Изменяемый впускной тракт

Достижение максимальной эффективности невоз­можно на двигателях с постоянными трактами.

Рис. 10.3. Впускной тракт коллектора с вменяемой длиной: А -длинный зраки В - короткий тракг

 

Длина впускного тракта определяет скороегь всасы­ваемого воздуха и. в частности, распространение волн давления, вызываемых насосным действием ннлнплров. Эти постоянно возникающие полны можно исполтоовать, чтобы улучшить скоростной напор смеси, когда она входит в шишвдр, «о толь­ко в том случае, сап и волны совпадают с открытием впускных клапаной. Длина впускного тракта влияет на частоту этих волн. Один из методов изменения длины впускного тракта показан на рис. 10.3. Дви­жение управляющих клапанов изменяет эффектив­ную длину впускного канала.

Ни рис. 10.4 на примере двигателя автомобиля Volvo S80 показано, насколько дизайн впускного коллектора определяет общий вид двигателя.

Изменения в режиме работы клапана

При широко распространенном использовании двигателей со сдвоенными кулачками газораспре­деления, где один кулачок применяется для при­вода впускных клапанов и один лля выпускных, можно изменять перекрытие клапанов во время работы двигателя. Компания Honda разработала систему; которая заметно увеличивает мощность и диапазон крутящего момента только за счет от­крытия обоих впускных клапанов на высокой час­тоте вращения. Эта система показана на рис. 10.5.

В снстсмё компании BMW, показанной на рис. 10.6, для управления положением кулачка от­носительно приводного механизма используется давление масла. Положение кулачков определяет­ся но соответствующим установкам карты посто­янной памяти в блоке управления.,

 

 

Рис. 10.5. Система улраяла \т клапанами в автомобиле Honda. При тших оборотах о двигателе V7EC-E полностыо открыт только один впускной клапан на каждом из цилиндров. Таким образом. 12 клапанов контролируют смешанно' и сгорание воздуха и топлива. Это обеспечивает максимальную эффективность с точки зрения наименьшего уровня зыбросов. При бопее высоких оборотах гидравлические толкатепи задействуют дополнительные клапаны, чтобы

обеспечить качество 16-клапанной работы двигателя

 

 

В последнее время начинает примениться сис­тема, которая не только позволяет менять выбор момента открытия клапана, но и период откры­тия. Система известна как активная регулировка клапана (active valve train - AVT}, она обещала дать дальнейшее развитие конструкции газораспреде­лительного механизма с кулачками постоянного профиля. Однако сейчас разрабатываются более эффективные версии этого метода. Oiкрыше впус­кных и выпускных клапанов будет осуществляться гидравлическими приводами, работающими при давлении до 200 Бар. Управление потоком маелп к приводим клапанов осуществляется быстродейству­ющим: сервоклапаном.

Рис. 10.6. Регулировка момента открытия клапанов а двигателе компании BMW

 

Контроль факела сгорания и давления

Продолжаются исследования по созданию эффек­тивных но стоимости датчиков для определения ка­чества факела и давления в камере сгорания. Эти датчики используются пока лишь в исследователь­ских иелях. так как в настоящее время они чрезвы­чайно дороги для использования в серийном про­изводстве. Коша они станут доступны, эти датчики обеспечат мгновенную обратную связь замкнутого контура управления процессом сгорания. Это будет особенно важно для двигателей, исподьзуюших обедненную смесь.

Лямбда-датчики широкого диапазона

Большинство датчиков кислородного показателя в замкнутом контуре управления ^обеспечивает пре­восходный контроль отношения воздух-топливо и поддерживают его близким к стехиометрическому отношению (14,7:1). Теперь существует датчик, спо­собный обеспечить линейный выход в диапазоне между значениями отношения от 12:1 н до 24:1. Это позволяет осуществить обратную связь в замк­нутом контуре управления в значительно более широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Инжекторы с воздушным экранированием

Впускной

коллектор

Впускной коллектор •..

Рис. 10,7. Клапан инжекгора с воздушным экранированием

Объединенное управление зажиганием и подачей топлива 1305 Воздух Воздухопровод

Если в сопло инже ктора ввести быструю струю воз­духа, дисперсия топлива значительно улучшается. Размер капель может быть уменьшен до значений

ниже 50 мкм в режиме холостого хода. На рис. 10.7 показан инжектор с воздушным экранированием.

На рис. 10.8 на двух фотографиях проиллюст­рирован эффект воздушного экранировании, На одной фотографии экранирования нет, а на дру­гой показпн впрыск с воздушным экранировани­ем. Визуально заметно улучшение дисперсии и уменьшение размера капель при экранировании.

Рис. 10.8. Улучшение дисперсии топлива за счет применения инжектора с воздушным экранированием. Слова на фотографии инжектор без экранирования. Справа - инжектор с эк|эвнируюишй воздушной струей

 

Бортовая диагностика

На ркс. 10.9 показана система упрамсния двигате­лем Motronic М5 (компания Bosch) с бортовой диаг­ностикой OBD-2. Борговая диагностика (on - board diagnostics — OBD) становится все более важной час­тью системы, обеспечивающей длительную эксплуа­тацию атомобиля с чистым выхлопом. Многие стра­ны теперь требуют всеобъемлющей диалюстикн всех компонентов, влияющих на выхлоп. Индикатор пре­дупредит водителя о любой обнаруженной ошибке.

Система бортовой диагностики OBD-2 призвана стандартизировать множество разнообразных ме­тодов, используемых различными изготовителя­ми. Возможно, в ближайшем будущем произой­дет переход к всеобъемлющей диагностике транс­портного средства через общий интерфейс.

Цифровая электроника позволяет контролиро­вать и датчики, и приводы. Это достигается раз­мещением в памяти установочных значений для всех рабочих состояний датчиков и приводов. Если будет обнаружено отклонение от этих значений, информация сохраняется в памяти блока управ­ления и может быть выведена в мастерской при поиске неисправности.

Очень важен контроль системы зажигания, по­скольку осечки зажигания не только увеличивают выхлоп углеводородов, но и дают возможность не­сгоревшему топливу войти в каталитический кон­вертер и гореть гам. Это может вызвать превыше­ние моральных температур работы конвертера и повредить его. •

Чтобы контролировать воспламенение и сгора­ние в цилиндрах, используется точный датчик ско­рости вращения коленчатого вала. Осечка зажига­ния на мгновение изменяет врастающий момент коленчатого вала, что вызывает его неравномерное вращение. Эю явление можно контролировать, что позволяет мгновенно обнаруживать пропуск зажи­гания.

Для реализации функций системы OBD-2 требу­ется и ряд других датчиков. Например, сшс один лямбда-датчик, помешенный после каталитическо­го конвертера, контролирует функционирование OBD-2. Датчик входного давления воздуха и кла­пан необходимы для управления фильтром из ак­тивированного древесного угля, чтобы уменьшать и контролировать эмиссию испарстгй из топливного
бака. Датчик разностного давления также контро­лирует проницаемость топливного бака. Требуется значительное услэжнсние электроники блока уп­равления, чтобы управлять системой OBD лопол- нительно к выводу индикации о неисправностях для водителя. Ппдсс полная контролирующая сис­тема позволяет получить больший эффект в сокри- шении эмиссии транспортир го средства, чем вес изощренные инструкции годового регулирования эмиссии (МОТ).

Диагностический разъем, используемый систе­мами, еошвелетпуюшими стандарту OBD-2, дол­жен иметь следующую конфигурацию штырьков (табл. 10.1).

Таблица 10.1. Конфигурация штырьков стандарте» борггопой дислностики QBD-2

Назначение

Номер

ипырька

На усмотрение производителя J1 инк? «-* шимн стандарта 5АЕ J1850 На усмотрение производителя Сило*оп земля

Онкольная земля '

На усмотрение производителя K'JIkws стандарта ISO 9141 На усмотрение производителя Но усмотрение производителя Литии «-», шины стандарта SAE Л 850

Таблице 10.1. Конфигурация штырьков стандарта бортовой диагностики OBD-2 (ок'длчетнне)

Номер штырька	Нсзначение
	Не усмотрение производителя
	Не усмогр«иие производителя
	Не усмотрение производителя
	Не усмотрение производителя
	L-щнкй стандарта ISO 9141
	Положительный вывод боторем автомобиля

 

«— -

Дл»вст*<вс*»* «»*Х1

BI

Рис. 10.9. Система Motrorvc MS с бортовой диагностикой 080*2

- '		У	од

Есть надежда, что в предвидении будуши^ стан­дартов и провозглашенных целей в области эмис­сии, изготовителям транспортных средств станет пыгодно начать реализовывать идеи обшего разъе­ма в самое ближайшее время. Многие изготовите­ли дилгностнчоских систем прмпетстооплли бы это движение.

Если же стандартизация гак и не будет приня­та, это станет непродуктивным исходом для всех заинтересованных в ней сторон.

Вредные выбросы

Конструкция двигателя

Многие детали конструкции двигателя оказывают заметное шшяьме на образование выбросов. Ясно, что финальный проект двигателя будущего станет

компромиссом между противоречивыми интере­сами. Основные области этих интересов обсужда­ются в последующих разделах.

Конструкция камеры сгорания

Главный источник эмиссии углеводорода - нссго* реп(нее топливо, которое находится в контакте со стенками камеры сгорания. По этой причине об­ласть стенок должна обладать как* можно меньшей поверхностью и самой простой формой. Теорети­ческий идеал - сфера, ко сфера не совсем практич­на. Важно хорошее перемешивание порции смеси в цилиндре, поскольку это способствует более ка­чественному и быстрому горению. Возможно, еше важнее гарантированно хорошее перемешивание в области свечи зажигания. Эго улучшает воспламене­ние. Лучше всего помешать свечу зажигшшя в центр камеры сгорания, поскольку это уменьшает вероят­ность изрыпного сгорания за счет сокращения рас­стояния, которое должен пройти фронт пламени.

Степень сжатия

Чем выше степень сжатия, тем, вообще говоря, вы­ше тепловая эффективность двигателя, и. следова­тельно. лучше качество его рйботы и меньше рас­ход топлива. Существуют два главных препятствия на пути к болсс высоким степеням сжатия — уве­личение эмиссии н тенденция к детонашш. Про­блема с эмиссией возникает из-за пмеокой тем­пературы, которая, в свою очередь, вызывает большее образование окислов NOx. Увеличение температуры делает топливо-воздушную смесь бо­лее склонной к самовозгоранию и, спелопательно, создает высокий риск взрывного сгорания, ('тра­лы, в которых в течение некоторого времени дей­ствовали строгие инструкции регулирования эмис­сии, нппричер'США и Япония, стремились раз­вивать двигатели с болсс низкими степенями сжатия. Однако благодаря изменениям в конст­рукции камеры сгорания и более широкому рас­пространению нилнилроп е четырьмя клапанами вкупе с развитием систем электронного управле­ния и другими методами снижения уровня эмис­сии, степень сжатия эа прошедшие годы возросла.

Выбор момента и длительности открытия клапана

Влияние момента срабатывания клапана на состав выхлопа может быть весьма значительным. Один из главных факторов - продолжительность пере­крытия клапанов. Это время, в течение которого впускной клапан уже открыт, но выпускной клапан еше не закрыт. Продолжительность этой фазы оп­ределяет количество выхлопного газа, остающегося в цилиндре, когда выпускной клапан наконец зак­рывается. Этот газ оказывает существенное шшямие на температуру реакции (больше выхлопного паза — ниже температура), и, следовательно, на эмиссию NOx. Главное противоречие здесь о том, что иа бо­лее высоких скоростях увеличение фазы впуска уве- личикаег рэ лишаемую мощность. С другой сторо­ны, это вызывает большее перекрытие клапанов и на холостом ходу, что может значительно увеличи­вать эмиссию углеводородов. Это противоречие привело к введению электронных систем управле­нии моментом и продолжительностью открытия клапанов.

Конструкции коллекторов

Газовый погок в зоне входных и выпускных кол­лекторов— очень сложный для изучения объект. Главная причина этой сложности - изменения характеристик потока, обусловленные не только изменениями в скорости двигателя, по также дей­ствием цилиндров как насосов. Это насосное дей- ci пне цилиндров вызывает колебания давления в коллекторах. Если коллекторы и системы впуска и выпуска разработаны так. чтобы в соответствую­щий момент прсмени отразить назад волну даадс- нии. можно улучшить объемную эффективность работ коллекторов. Многие транспортные сред­ства теперь оснашены трактами впуска регулиру­емой длины. Длинные тракты используются при низких скоростях вращения, а укороченные - при высоких.

Стратификация дозы топлива

Если роркия смеси может быть введена в цилиндр таким способом, чтобы более богатая смесь находи­лась вблизи свечи зажигания, то в среднем по ци­линдру смесь может быть намного более бедной. Эта идея может обеспечить большие преимущества в потреблении топлива, по эмиссия окислов NOx все еще может «ставятся проблемой. Далее в раз­деле по раэшгтню систем прямого впрыска смеси* приведен хороший пример использования этого метола. Многие лпигагели обедненного горения ис­пользуют тот или иной способ стратификации топ­лива, чтобы уменьшить возможность осечки зажи­гания и неровной работы шшппеля.

Время прогрева

Основные выбросы, создаваемые средним автомо­билем, возникают в процессе прогрева двигателя. Применение подходящих материалов и тщательная

проработка системы охлаждения могут уменьшить згу проблему. Некоторые системы управления даже заставляют лвшягсль по прсмя прогрева работать при слегка задержанном зажигании, чтобы он быс­трее прогрелся.

Рециркуляция выхлопного газа

Эта методика используется, прежде всего, для того, чтобы уменьшит!: пикппые температуры сгорания и, слсдошлсльно, образование окисло» азота (NOx). Рециркуляция выхлопного газа (exhaust gas recircu­lation — EGR) может быть или внутренняя, за счет перекрытии клипйиов (об этом говорилось пышс), или же внешняя, через обычные трубы и клапан (рис. 10.10). Определенная порция выхлопного газа

Клапан рециркуляции выхлопного газа

д Направление V рециркуляции выхлопа

Система формирования топливной смеси

Рис. 10.10. Система рециркуляции выхлопного газа

 

График потребления

рециркуляции йьалоплог о гяяа

Рис. 10. И. Впитюдоли рециркуляции на состав выхлопа и расход топпива

 

просто возврапдстся к впускному коллектору дви­гателя.

Рециркуляцией управляют с помошью элект­роники по уешюпкам в постоянной памяти бло­ка управления двигателем. Это гарантирует, что не будут затронуты ходовые качества автомобиля, а также, что дшя рециркуляции будет контролиро­ваться. Если эта доля слишком велика, увеличива­ется эмиссия у'леводородоВ' Па рис. 10.11 показа­но влияние доли рециркуляции на выхлоп к расход топлива

Один из недостатков систем EGR заключается в том. «гто клапаны через некоторый период вре­мени Moiyr забиваться продуктами выхлопа и, та­ким образом, изменять фактический процент ре­циркуляции. Однако теперь имеются клапаны, которые уменьшают эту проблему.

Система зажигания

Система зажигания.может воздействовать иа вых­лопную эмиссию двумя способами: во-первых, за счет качества произведенной искры и, во-вторых, выбором момента образования искры. Качество искры будет определять ее способность зажечь смесь. Продолжительность искры, в частности, существенна при воспламенении более бедных сме­сей. Болсс сильная искра уменьшает вероятность осечек, которые могут привест и к увеличению выб­роса углеводородов.

График потребления

Рис. 10.12. Влияние времени зажигания на эмиссию выбрэсоа и потребление топлива

 

Понятно, что выбор момента зажигания являет-. ся критическим фактором, и как всегда этот выбор является компромиссом между мощностью, ходо­выми качествами автомобиля, потреблением топ­лива и эмиссией. На рнс. 10.12 приведен график, показывающий влияние- выбора момента зажига­ния на эмиссию и потребление топлива. Образова­ние угарного газа зависит практически тшьки от состава топливной смеси и лишь незначительно от выбора момента зажипшия. Электронные и про­граммные системы зажигания внесли существен­ный вклад на пути к достижению уровней эмис­сии сегодняшних двигателей..

Термическое дожигание топлива

Чтобы уменьшить долю углеводородов в выхлопе, задолго до широкого распространения каталити­ческих конвертеров использовалось термическое дожигание топлива. Углеводороды действительно продолжают гореть в выпускном коллекторе, а не­давнее исследование показало, что выбор матери­ала используемого коллектора, например чугуна или нержавеющей стали, может иметь значимое воздействие на сокращение выбросов НС. При температурах приблизительно 600 “С, НС и СО сгорают или окисляются в Н?0 и СО,. Если «во­дить в выпускной коллектор после клапанов воз­дух, то можно стимулировать процесс дожигания топлива. ■

Каталитические конвертеры

Строгие требования по регулированию выбросов в большинстве частей света сделали использова­ние каталитического конвертера почти обязатель­ным. Катализатор с тремя реакциями (three-way catalyst — TWC) с огромным эффектом используется большинством автоизготовитслей. Эго очень про­стое устройство, и выглядит оно подобно стандарт­ной коробке выхлопного фильтра. Отмстим, однако, что для того, чтобы конвертер работал правиль­но, рабочая смесь в двигателе должна быть очень близкой к стехиометрическому отношению. Не­обходимо гарантировать доступность для катали­затора правильных •ингредиентов*, чтобы он вы­полнил свою функцию.

На рис. 10.13 показана внутренняя часть катали­тического конвертера. Существует много видов уг­леводородов, но следующий пример иллюстрирует главную реакцию. Отмстим, что рсакшш предпола­гается осуществлять с участием некоторого количе­ства СО, производимого двигателем, чтобы умень­шить NOx. В этом одна из причин того, что изго­товители были вынуждены заставлять двигатели работать на стехиометрической смеси. Это же об- <лоятсл!>ство сдерживает развитие методов обед­ненного горения. Таким образом, даже мелкие де­тали инструкций по регулировашно эмиссии могут в действительности иметь очень серьезное влияние на выбор используемых методов сокращения эмис­сии. Главные реакции следующие:

 

Boon выхлопного газо в коллектор

I система

мгт*ип*чвс*о*овйнв5ртера. вмммахшю* трубы аыпуешоепмпаимтппа пяыбда- дат-лси хятэдмг пи агностической еистемы ово-'гггпгвныиттрооормоёавель схдаотруиротан^аидаЕооерядвнного 2-сяойного еснаеотеоз, оштеьного

I К::

ашдушнмм промежутком о(цдогрдоьной чо&ти. Рязмйщбньш каталитического конвертера нбтнихдвигатеяй тзрвчтируег' малое время реакции (пыбег) вфвзо халолнош спуска, Изготом»**»** КОНСТРУКЦИЯ ХОПГНЖГОреСМИЖйеТ оГхштй вес автомобиля и благоприятствует.... созд»1июыштоАтормичсс»»ймаосы:т «оиооргеш с бусгрмм оыбогом. Зга,. ишюоац.1<он*зя система, таким образом, -'. уже согласуется с будущими лиаченйями миеа«теы«шпя „ ■.•

 

2СО + О, -» 2СО,;

2СгН4 I- 2СО -» 4СОг I' 6Н?0;

2NO + 2СО -* N, + 2СОа.

Керамическая монолитная основа, используе­мая как материал катализатора, является алюмо- магниевым силикатом и благодаря многим тыся­чам мельчайших каналов обеспечивает большую

•

площадь поверхности. Эта поверхность покрыта тончайшей пленкой окиси алюминия, которая дополнительно увеличивает эффективную повер­хность приблизительно в семь тысяч раз. Для ка­тализаторов используются благородные металлы. Платина способствует окислению НС и СО, а ро­дий помогает сокращению NOx. Представленный конвертер - самый современный вид с металли­ческим основанием и встроенным коллектором. Только один такой каталитический конвертер, поддерживаюший три упомянутые реакции, со­держит приблизительно 3-4 г драгоценных ме­таллов.

Идеальный диапазон рабочих температур кон- вергера - от 400 до 800 °С. Часто встречающаяся се­рьезная проблема— задержка достижения катали­затором этой температуры с момента начала работы двигателя. Она известна как «время выбега катали­затора*. Используются различные методы, умень­шающие это время, поскольку пока катализатор не нагреется, идет выброс вредных продуктов сгора­ния. Возможные решения — электрический подо­грев или горелка, которая вводит в конвертер лег­кое топливо. Другая возможность- размещение конвертера между выпускным коллектором и тру­бопроводом глушителя. Это значительно уменьша­ет «время выбега*, но газовый ноток, вибрация и чрезмерные перепады температуры могут умень­шить срок службы катализатора.

Каталитическим конвертерам угрожают два видя повреждений. Первый — использование этилиро­ванного топлива, которое приводит к отложению составляющих свшша на активных поверхностях гг, таким образом, уменьшает эффективную поверх­ность катализатора. Второй— вследствие осечек зажигания нссгоревшсе в цилиндрах топливо бу­дет догорать в катализаторе и вызовет его перегрев. Компания BMW, например, использует на неко­торых транспортных средствах систему, где датчик контролирует высоковольтный выход системы за­жигания, и если не образуется искры, система п дальнейшем не подает топливо в «сбойный» ци­линдр.

Ешс один возможный технический прием для снижения эмиссии в период разогрева катализа­тора заключается в использовании электрически нагреваемого предварительного конвертера мало­го размера, как показано иа рис. 10.14. Первые испытания этой системы показывают, что эмис­сия углеводородов в течение фазы разогрева мо­жет быть значительно уменьшена. Нерешенная пока проблема состоит в том, что для нагрева пред­варительного конвертера в течение первых 30 с не­обходимо иметь примерно 30 кВт тепловой мощ­ности. Это потребует ток порядка 250 А. Одним из решений проблемы может быть установка до­полнительной батареи.

Для каталитического конвертора, способного с оптимальной скоростью окислять СО и НС при одновременном сокращении окислов NOx, суще­ственно состояние смсси в пределах узкой полосы в 0,5% от лямбда-значения 1. Используемые в на­стоящее время кислородные датчики могут обес­печить точность в пределах приблизительно 3% от указанного значения лямбла-показатсля. Когда каталитический конвертер находится в хорошем состоянии, это не представляет проблемы благо­даря накопительной способности конвертера в от­ношении СО и О,. Поврежденные конвертеры, однако, не могут хранить достаточное количество этих газов и, следовательно, становятся меиее эф­фективными. Повреждение конвертера, как гово­рилось ранее в этом разделе, может произойти из- за перегрева или из-за «отравления» свинцом или

 

Лямбда-датчик («.тусклом холликторо

1ы^К j лушитспю

Г лаяний (сэтатммчххий <oHHUf»ep

Нпгреппкммм лредпялмтспьный

KOHt!dpte(>

 

даже кремнием. Если состав топливной смеси мо­жет поддерживаться в пределах 0,5% от стехиомет­рического лямбда-показателя, конвертер останется эффективным, даже если он ло некоторой степени поврежден. Сейчас становятся доступными датчи­ки, которые могут обеспечить требуемую точность. Чтобы гарантировать идеальную работу конверте­ра, можно использовать второй датчик, установ­ленный после конвертера.

Лямбда-контроль в замкнутом контуре управления

Действующие инструкции регулирования выбросов сделали почти обязательным замкнутый контур управления составом воздушно-топливной смсси в сочетании с каталитическим конвертером. В то же время несмотря иа оживленные дискуссии, инже­неры не достигли согласия о том, что лямбда-пока­затель должен обязательно быть равен единице для всех эксплуатационных режимов.,

Лямбда-контроль - системах замкнутым кон­туром управлении, дейсгвуюшая гак, чтобы сиг­нал от кислородного датчика в выхлопе мог не­посредственно илиять на количество вводимого топлива. Х-датчик очень подробно описан в гл. 2. На рис. 10.15 показана блок-схема системы уп­равления по лямбла-показателго.

Результаты управлении по X-показателю и дей­ствие катализатора приведены на рис. 10.16. Прин­цип действия системы следуюигий: Х-датчик генери­рует напряжение, пропорциональное содержанию кислорода в выхлопе, содержание кислорода, в свою очередь, пропорционально отношению «воздух- топливо*. При идеальном регулировании это напря­жение составляет приблизительно 450 мВ. Если на­пряжение, подученное ECU, ниже этого значения {бедная смесь), количество введенного топлива по­немногу увеличивается. Если напряжение си тала выше порога (богатая смесь), количество топлива

Рис. 10.15. Дозирование топлива в замкнутом контуре управления

 

График без каталитического конвертера

Обогзикжнар Окно лямбда- Обедненная

омсеь показателя омесъ

смеси

Рис. 10.16. Результаты управления поХ-лсказателю и действие конвертера TWC

 

уменьшается. Это изменение в воздушно-топлив­ном отношения не должно быть слишком резким, поскольку это заставит двигатель «взбрыкивать*. Чтобы предотвратить это явление, блок управле­ния двигателем содержит шгтегратор, который из­меняет состав смеси в течение определенною вре­мени..

Существует также задержка между формировани­ем смсси в коллекторе и измерением содержания кислорода в выхлопном газе. Эго обусловлено рабо­чим циклом двигателя и скоростью смсси иа впуске, временем, необходимым выхлопным газам, чтобы достигнуть датчика, и временем реакции датчика. Эту задержку иногда называют «мертвым временем», и она может достигать одной секунды на скорости холостого хода и нсскольюгх сотен миллисекунд на более высоких скоростях двигателя.

Из-за «мертвого времени* смесь невозможно привести к точному значению X = 1. Если в сис­теме установлен интеграпгор. который может учи­тывать скорость двигателя, тогда удается удержи­вать значение X смеси в диапазоне 0,97—1,03, то есть в обдасги, в которой TWC наиболее эффек­тивен.

Контроль выхлопа дизеля

Введение

Выбросы дизельных двтптелей были в значитель­ной степени снижены благодаря изменениям кон­струкции камеры сгорания и методов впрыска.

Дальнейшие усовершенствования позволяли сде­лать болсс точным управление началом и перио­дом впрыска. Существенный вклад также внес ме­тод электронного управления. Чтобы управлять эмиссией выбросов, можно использовать еще ряд методов.

Рециркуляция выхлопного газа

Как и в случае бензиновых двигателей, реинркуля- имя выхлопного газа (EGK) используется, прежде всего, для того, чтобы уменьшить выброс окислов NOx за счет уменьшения температуры реакции в камере сгорания. Однако если процент рецирку­ляции станет слишком высоким, возрастает обра­зование углеводородов и сажи.

Температуре всасываемого воздуха

Это решение может применяться в двигателях с турбонаддувом. Если воздух пропускается через промежуточный теплообменник и нр:дусмогрсно измерение объема этого воздуха, то понижение его температуры уменьшит эмиссию NOx. Промежу­точный теплообменник устпншшмвпетея в той же самой зоне автомобиля, что и рплиа~ор системы охлаждения.

Каталитический конвертер

На дизельном двигателе катализатор может ис­пользоваться, чтобы уменьшить эмиссию углево­дородов, но он окажет меньшее влиягние ка обра­зование окислов азота. Это происходит потому, что дизельные двигатели всегда рабешюпг с избыт­ком воздуха, чтобы гарантировать лучшее и болсс эффективное горение топлива. Поэтому обычный катализатор не отнимет кислород огг NOx, чтобы окислить углеводороды, и вместо этого будет ис­пользован дополнительный кислород. Теперь по­являются специальные конвертеры для NOx.

Фильтры

Чтобы уменьшить эмиссию микрочастиц (сажп), Moiyi быть использованы фильтры. Очи могут ва­рьироваться по конструкции от тончайшей сетки, сделанной от ксрахшческого матсриата, до цент­робежных фильтров и водяных ловушек. Не пре­одоленная пока проблема состоит в том, что филь­тры могут забиваться, чтр неблагоприятно влияет на работу в целом. Здесь используется ряд техни­ческих приемов, включая центробежные фильтры.

Системы комплексного управления автомобилем

Введение •

Возможность создания системы комплексного управления транспортным средством появилась после разработки систем цифрового контроля. На рис. 10.17 показана схема комплексной систе­мы управления автомобилем. В принципе, она требует использования всего одного блока управ­ления, способного контролировать все параметры транспортного средства.

Иа рис. ШЛЯ показан один из вариантов со­единения между сабой нескольких блоков управ­ления. В действительности, однако, используют несколько отдельных контроллеров (ECU), спо­собных общаться друг с другом через шину дан­ных (CAN). „

Датчики входного, Средства Исполнительные

сигнала управления механизмы

и/ip. и др.

 

Соедините блоков управления обычного типа для силовой установки оатомоГшля

I Блок управления «М<лролик- И ЭлокфО) шов ynpsumiium дроссельным клала* mu Hi Элик* рошюо yi *рааление трансмиссией W Блок управлении системой А6С и тягой

Измеритель массовою рпсхпДп воздуха

Инжскция и зажигание

Гидравлический модулятор системы А5С.

Летчик скорости колос для системы ABC

Яячтбдз-яатчик

Приподдроссол»,ной заслонки

Дшчик педали газа.

6. Датчик скорости, регулятор давления, приводы клапанов 9. Датчик скорости вращения двигателя

 

Рис. 10.18. Связи мехшу блоками упрашгамия

 

Преимущества централизованного управления

Преимущества централизованного управления мож­но разделить на две группы - «входы» it «выходы». Рассмотрим все исходные величины, требуемые для управления в каждой из нижеследующих об­ластей:

система зажигания;

система подачи топлива;

система трансмиссии.

Очевидно, ’гго даже для указанных трех систем управления транспортным средством имеется мно­го оби (их требований. Наличие одной централиза- ванной системы управления может потенциально уменьшить сложность кабельной сети при одновре­менном расширении возможностей кшлгроля. Это, фактически, п|>еимущест»а «выходов*. Рассмотрим общие условия эксплуатации транспортного сред­ства во время внезапного и резкого ускорения и возможные «ответы» каждом из перечисленных систем (табл. 10.2)».

Таблица 10.2. Пример реакции систем на ускорение

Система	Возможная реакция
Зажигание	Опережение момента зажиганий
Подано гаппива	Инжехцмя дополнительною обьемо
	топлива
Трансмиссия	Переход мо болсо низкую передачу

 

Если бы каждая система работала сама по себе, возможно, что оно не среагировала бы оптималь­ным образом с учетом работы других систем. На­пример, могут быть установлены момент времени зажигания и величина порции топлива, но затем ECU трансмиссии решит понизить передачу, уве­личивая, таким образом, обороты двигателя. Это, в свою очередь, потребует изменений в дозирова­нии топлива и выборе момента зажигания. В те­чение переходного процесса вполне вероятны уменьшение эффективности работы к увеличение эмиссии. •

Таким образом, идеальное управление возмож­но лишь при единственном блоке управления или, по крайней мере, при наличии связи между отдельными блоками. Программирование такого, управления требует, однако, очень значительной произвсдитсяьности вычислительных модулей. Это становится особенно очевидным, если учи­тывать л другие системы управления. шпример, сцеплением, антиблокировкой тормозов, актив­ной подвеской, рулем. Эш системы обсуждаются ишшвюуалыш в других разделах этой книга.

Система Cartronic компании Bosch

Сложность объединения систем постоянно увели­чивается. Компания Dosch разработала систему, нспользуюшую иерархию электронных средств транспортного срелс-ва. Усовершенствования в ка­честве работы двигетсля, уровне эмиссии, безо­пасности водителя к комфорте требуют большего взаимодействия различных электронных Систем. К предыдущем разделе на простом примере проде­монстрирована потребность в отдельных элек­тронных системах, способных общаться друг

 

Через кабальные жгугы

Через шику данный

I

Управление

трансмиссией

Система

«Мотрпник*

Система |электр>пескао управления вождением

Управление

тягой

 

I

CAN-мадуль

{сете области контроллера)

 

Рис. 10/9. Типы связи систем автомобиля

 

Поток данных о иерархической системе

Налшопив водителя

Двигатель

ИРТТ^ЯГТ

Команды управления

Функции распределен»™ и соединения

Поток дан *ых мевду огдолоными системами

Жпморонио водителя

К	,я7а J V	} -К
Пг1 :i f I •

 

-О

Оьпие

Экономия

топлива

(км/л)

Прогресс в направлении большей эффективности двигателя

Смось ^

Отношение «еоэдух - топливо»

Мощность

(от/я)

Прогресс» направлении большей удельной мощности

Год

О

Оышв

 

с другом. П|к>екг1 компании Bosch использует иерар­хическую структуру сигнала, чтобы решить эту проблему. На рис. 10.19 показаны дна способа, ко­торыми могут быть связаны системы. Первый ис­пользует сбычную кабельную разводку, второй — шину CAN.

На рис. 10.20 показано различие между потоком данных в автономной системе и потоком данных в иерархичхкой системе. Система Carlronie исполь­зует принцип, при котором каждая система может управляться от системы, занимающей в иерархии управления болсс высокий уровень. К примеру, интегрированные системы управлении двигате­лем и управления коробкой передач не общают­ся непосредственно между собой, а тальке через статную ккгшг по иерархии систему упражнения трансмиссией. а

Резюме

Производители транспортных средств продолжают вести исследования в облает комплексных зисхем управления. Все больше и больше систем интегри­руется между собой, что приводит к снижению сто­имости электронного оборудования автомобиля. Одновременно растут требования к вычислитель­ной мощности систем, и скоро станет нормой при­менение 32-разрядных (или лаже 64-разрядных) бысгрояейсжующих микриконфшшерин. OOpai- ная сторона использования единственного блока управления для управления всем транспортным средст вом - это стоимость замены блока управле­ния. При существующих иенах даже ECU единой системы г/ожет стоить не так уж и мало, хоггя, в среднем, стоимость изготовления всего транспорт­ного средства может уменьшиться.

Комплексный централизованный контроль дает к другие возможные преимущества, например рас­ширение бортовой диагностики (OBD) для контро­ля над транспортным средством в целом, что потен­циально экономит время ремонта н эксплуатацион­ные расходы.

Пример для изучения - система GDI (Mitsubishi)

Введение

Я благодарен компании Mitsubishi за предостав­ленную п этом разделе информацию.

Инновационная технология дшиателестроснии в течение многих лет была приоритетом развития компании Mitsubishi Motors. В частности, ком­пания Mitsubishi стремилась повысить эффектив­ность двигателей в стремлении удовлетворить ра­стущие требования со стороны экологии, как-то уменьшение расхода топлива и сокращение эмис­сии СО,, чтобы ограничить отрицательное дей­ствие парникового эффекта.

Mitsubishi приложила существенные усилия к развитию двигателя с грямым ‘впрыском бензина. В течение многих лет атомобильиые инженеры ио-

лпгали, что зпог тип двитоедя имеет самый большой потенциал для оптимизации подачи топлива и сго­рания, что, в свою очередь, может обеспечить лучшее качество работы и снизить потребление топлива. Однако до сих пор никга не спроектировал удачный двигатель с прямым впрыском топлива в нидиидр (Gasoline Direct Injection - GDI), пригодный для
массового производства. Разработанный в компа­нии Mitsubishi двигатель типа GD! (усовершенство­ванного прямого впрыска бензина) — это реализа­ция мечты инженера.

Для подачи топлива обычные двигатели исполь­зуют систему впрыска топлива, которая заменила систему карбюрации. Система MPI, или система многоточечного впрыска, где топливо подводится к каждому устройству ввода, является в настоящее время одной из наиболее широко используемых си­стем. Однако даже в двигателях MPI имеются огра­ничения на условия подачи топлива и управление сгоранием, потому что топливо смешивается с воз­духом перед введением в цилиндр. Mitsubishi на­меревалась раздвинуть эти пределы, разрабатывая двигатель, где бензин вводится непосредственно в цилиндр, аналогично дизельному двигателю, и, кро­ме того, моментом впрыска управляют в точном со­ответствии с условиями шнрузки. Двигатель GDI достиг следующих выдающихся показателей:

чрезвычайно точный контроль порции топ­лива, в результате сгорания ультрабслиых сме­сей топливная, эффективность превышает эф­фективность дизельйых двигателей;

очень эффективный впрыск и уникально вы­сокая степень сжатия обеспечивают данному двигателю GDI высокую эффективность и отличную приемистость, которые превосхо­дят таковые для обычных двигателей MPI.

Карбюратор

Иижпетпр

Струп ТОЛПИОЭ

1970 1980 1990 2000

Год

Инжектор

На рис. 10.21 показан прогресс двигателей на пути к более высокой мощности и эффективнос­ти. Технология, реализованная Mitsubishi для дви­гателя GDI, является краеугольным камнем для

Рис. 10.23. Двигатель GDI от Mteubishi

 

следующего поколения высокоэффективных двига­телей. Очевидно, эта технология будет развиваться и далее.

На рис. 10.22 показано развитие системы по­дачи топлива.

На рис. 10.23 показан внешний вид двигателя с прямым впрыском бензина.

Главные цели двигателя GDI

Разработка двигателя GDI позволяет решить сле­дующие основные задачи:

♦ добиться ультранизкого потребления топ­лива, лучшего, чем у любого из дизельных двигателей;

обеспечить мощность, превосходящую мощ­ность обычных двигателей MPI.

Технические особенности двигателя бб1

Двигатель GDI имеет следующие технические осо­бенности:

строго вертикальные каналы ввода для оп­тимального управлении потоком воздуха в цилиндре;

поршни с круглой выборкой в верхней час­ти для лучшего сгорания топлива;

топливный нпсос высокого давления для по­дачи топлива в инжекторы под давлением;

вихревые инжекторы высокого давления для создания оптимальной возлуишо-топливпой смеси.

Основные особенности двигателя GDI рас­сматриваются в нескольких следующих разделах.

Пониженное потребление топлива и повышенная мощность

Оптимальная топливная струя для двух. режимов сгорания

Используя собственные уникальные методы и тех­нологии, Mitsubishi смогла добиться, что двигатель GDI обеспечивает и мсньшсс потребление топ­лива, и болсс высокую выходную мощность. Этот внешне противоречивый и трудный трюк реализо­ван путем применением двух режимов сгорания. Кроме того, момент впрыска.меняется, чтобы соот­ветствовать нагрузке двигателя.

Для условий нагрузки, испытываемой автомоби­лем при типичном город скочг движении, топливо

впрыскивается в коинс такта сжатия, аналогично дизельному двигателю. Благодаря этому достигаег- ся ультрабед нос сгорание за счет идеального фор­мирования стратифицированной воздушно-топ­ливной смсси. В идеальных условиях движения топливо вводится на такте впуски. Эго гарантиру­ет гомогенную воздушно-топливную смссь, подоб­ную смсси обычных двигателей МИ, что обеспе­чивает болое высокую выходную мощность.

Режим ультра бедного сгорания

При нормальных условиях движения, до скорос­ти 120 км/ч, двигатель GDI Mitsubishi работает в режиме ультрабешшго сгорания, что приводит к наименьшему потреблению топлива. В этом ре­жиме впрыск происходит на последней стадии такта сжатия, и в цилиндре сгорает ультрабедная смссь с отношением «воаяух-топливо» 30-40 (вклю­чая EG К 35-55).

Режим повышенной выходкой мощности

Когда двигатель GDI работает с болсс высокими нафуоками или на более высоких оборотах, имеем место впрыск топлива во время такта впуска. Это оптимизирует сгорание благодаря гомогенной и более холодной воздушно-топливной смеси, ко го- рая минимизирует возможность детоиаиии..

Эти два режима работы двигателя представле­ны на рис. 10.24.

Фундаментальные технологии двигателя GDI

В основе конструкции двигателя- GDI лежат четы­ре технических особенности. «Вертикально пря­мой канал ввода» поставляет оптимальный ноток

 

Крутящий

момент

рэдуЯЗоПЛИво: ЗСМШ

»*ж*-е реци эмуляцией *;>пз (Ёюздод/топпиоо: 35- 4ёОеюЙ Скорость ляигйтсля (об/Мкн)

воздуха в цйлинлр. «Поршень с криволинейной пе(ь шиной» управляв! сюрам нем. помогая формирован, воздушно-топли иную смесь. «Топливный насос вы­сокого давления» обеспечивает лшшснис, необходи мое для прямого впрыска в цилиндр. Кроме того, «вихревой тгжектор высокого давления о управляет испарением и дисперсией 'топливной струн.

Эти фундаментальные технологии, объединен­ные с другими уникальными технологиями управ­ления подачей топлива, позволили компании Mit­subishi достигнуть обеих иелеЙ разработки по­требления топлива у двигателя GDI ниже, чем у дизельных двигателей, а выходная мощность выше, чем мощность обычных двигателей MPI. Упомяну­тые технологии рассмотрены более подробно ниже.

Струя воздухе внутрь цилиндре

Двигатель GDI имеет вертикальные прямые кана­лы впуска смсси, a itc горизонтальные, используе­мые в обычных двигателях. Вертикальные прямые каналы эффективно направляют поток.воздуха вниз на поршень с криволинейной поверхностью верх­ней части, которая сильно изменяет направление сгруи, образуя обратный вихрь для оптимального перемешивания впрыснутого топлива, как показа­но на рис. 10.25.

Недавно разработанные вихревые инжекторы вы­сокого давления обеспечивают идеальную струю со структурой, соответствую шей каждому из рс- Аимшт эксплуатации двигателя. Это показано на рис. 10.26. В то же самое время, благодаря сильно турбулентному движению топливной струи, ин­жекторы обеспечивают достаточную степень рас­пыления топлива, что является обязательным для двигателя типа GDI даже с относительно низким топливным давлением 50 кг/см2.

Оптимизированная конфигурация камеры сгорания

Поршень с криволинейной выемкой на вершине управляет формой воздушно-топливной смсси, так же как и струя пгшуха в камере сгорания, что игра­ет южную роль в образовании компактной воздуш­но-топливной смсси. Смесь, которая вводится на последней спиши такта сжатия, направляется к све­че зажигания прежде, чем спа сможет рассеяться.

Чтобы определить оптимальную форму вершины поршни, такую, как изображено на рис. 10.27, ком­пания Mitsubishi использовала передовые методы

Прямой впрыск бензина Обычная система ммскготочечнпго апрыска

Крипопиндйпая дисперсии Впрыск на т,ипе сжатия

топливе (вид Сливу)

Рис. 10.26. Каналы вертикального впуска

SnpBtcK на такте плугжз

I

- Сопло ииже<торв

Внхроат* поток распыляомого

тоттлии.-i

 

Рис. 10.27. Оптимальная форма вершины поршня

 

наблюдения процессов и цилиндре, включая ла­зерные методы.

Пути достижения более низкого потребления топлива

Вазовая концепция

В обычных бензиновых двигателях было бы зат­руднительно обеспечить распадение воздушно­топливной смсси с идеальной плотностью вокруг свечи зажигания. Однако это стало возможным в двигателе GDI. Кроме того, достигнуто чрезвы­чайно низкое потребление топлива, потому что идеальная стратификация позволяет топливу, вве­денному на поздней фазе такта сжатия, поддер­жать сгорание сверхбедных воздушно-топливных смесей.

В ходе тестовых испытаний двигателя было по­казано, что воздуншо-тосшивная смесь с оптималь­ной плотностью собирается вокруг свечи зажигания в виде стратифицированного заряда топлива. Это также было подтверждено анализом поведения топ­ливной струи непосредственно перед воспламене­нном и анализом мгновенного состава воздушно­топливной смеси.

В результате достигнуто чрезвычайно устойчи­вое сгорание улырабедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 при включении рецир­куляции выхлопа). Процесс показан на фотографии (рис. 10.28), сделанной методом Шпиона.

Сгорание улырабедной смеси

В обычных двигателях MPI существовали преде­лы обеднения смсси из-за больших вариаций ха­рактеристик сгорания. Однако стратифицирован­ная смесь в двигателе GDI позволила значительно уменьшить воздушно-топливное отношение, не приводя к худшему сгоранию. Например, п пери­од холостого хода, когда сгорание является наи­менее активным и непостоянным, двигатель GDI поддерживает устойчивое и быстрое сгорание да­же чрезвычайно бедной смсси с отношением «воз­дух-топливо» 40:1 (55:1 с включением режима KGR). На рис. 10.29 показана разница в работе.между GDI и обычной многоточечной системой впрыска.

Потребление топлива автомобилем

Потребление топлива авгомобиле.м рассматрива­ется в условиях холостого хода, круиза и город­ского движения.

Потребление топлива в режиме холостого хода

Двигатель GDI поддерживает устойчивое сгораипе даже на низких оборотах холостого хода. Более то­го. он обеспечивает большую гибкость в регулиро­вании скорости холостого хода. Его потребление топлива в этом режиме на 40% меньше по сравне­нию с обычными двигателями (рис. 10.30.).

 

Злокгродь саачя Инжектоо зажигания топлива

с крииолинейипй поверхностью

За 40* до верхноя мертвой тонки {TDCJ ЗаЗО'доТОС За 20' до TDG

Рис. 10.28. Поведение струи топлива (впрыск на такте сжатия)

 

Обычный мнигеточпчнмй впрыск

Прямой впрыск бензина

	- /"^v		-
Давление		Длплпиип
оцилиндре	-	в цилиндре	-
Скорое!»	А	Скорость	-
тепло-		тепло-
	-—1» 1 1 ■

30* Верхний 30* 30* до Верхняя 30' •

даТОС мартам точка поспвТОС ТОС мершая точка после TDC

Угол поворота вала двигателя Угол поворота вала двигателя

 

Рис. 10.29. Параметры двигателя GDI и двигателя с обычной системой MPI

Руч| юя трансмиссия

Скорость двигателя {об/мим)

Рис. 10.30. Потребление топлива в режиме холостого хода

 

Qi нйшшйс <воэдух/гсшш©*

Рис. 10.31. Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения

 

Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения

Иа скорости 40 км/ч двигатель GDI потребляет на 35% меньше топлива, чем сопоставимый по размерам обычный двигатель (рис. 10.31).

Потребление топлива в городском цикле

При проведении испытании в соответствии с тре­бованиями японского теста развел 1015 (типовой режим городского движения в Японии! двигатель GDI потреблял на 35% меньше топлива, чем обыч­ные бензиновые двигатели тех же размеров. Кроме того, испытания показали, что двигатель GDI по­требляет шоке меньше толлива. чем дизельные дви­гатели (рис. 10.32).

Контроль эмиссии

Предыдущие попытки.сжигать бедные воздуш­но-топливные смсси приводили к трудностям в регулирошптн эмиссии NOx. Однако дон двигателя GDI достигнуто 97-процентнос сокращение окис­лов NOx при использовании высокого (поряд­ка 30%) уровня рециркуляции выхлопного газа. Этот результат достигается благодаря уникально ус- 1оИчипому сгоранию толлива в двигателе GDI, а так­же благодаря недавно разработанному катализатору обедненных окислов азота. На рис. [0.33 пока­зан график эмиссии NOx для этого двигателя, на рис. I0.34— катализатор обедненных окислов азота.

Достижение повышенной мощности Базовая концепция

Чтобы достичь мощности выше, чем у обычных двигателей типа MPI, двигатель GDI имеет высо­кую степень сжатия и очень эффективную систе­му забора воздуха, которые приводят к повыше­нию объемной эффективности.

Ручная лздмемиссия

 

Хзрахшрис! ики двигателя

Показатели экономим топлива к городском цикле движения 10-15 (км/л I

Рис. 10.32. Потребление юппиаа в городском цикле

 

Эмиссия окислов азота ка 40 км/ч

|

(9

!)5

Стехмометричесхое

отношении

20 25 30 35

Отношение «ноадух-тоилино»

 

Высокая эффективность иа бедных смесях

Большой срок эксплуатации

Недавно разработанный каталитический конвертор окнспоа азота об&внвнных смесей

Рис. 10.34. Новейший катализатор обедненных скислое азота

Скорость двигателя (об/ммн)

Рис. 10.35. Повышенная объемная эффективность

Степень сжатия Рис. 10.36. Увелименная степень сжатия

Преимущества

J I I I L

О 2000 4000 6000 0000

Скпрскти» ЛвКГТНвЛЯ (об/мин)

Рис. 10.37. Характеристики двигателя

Крутящий момемт на валу (кг-м)

Мощность

Ручная трансмиссии

Тил двигателя	Разгон ло ЮО км/ч <о ofccynaox) 9 10 11 1 1 1
С прямым впрыском Оананна	штттжт	10%
С обычной системой впрыска

 

По ерапненшо с обычными двигателями, двига­тель GDI от Mitsubishi обеспечивает более высо­кую объемную эффективность. Вертикальные пря­мые впускные каналы создают более ровный забор воздуха. Испарение топлива, которое происходит в цилиндре иа последней стадии такта сжатия, ох­лаждает воздух для повышения объемной эффек­тивности (рис. 10.35).

Увеличенная степень сжатия

Охлаждение воздуха в цилиндре за счет испа­рения топлива имеет и другое преимущество -*• мииимнзашш возможности детонации. Это позво­ляет применить высокую сгенень'сжатия, около 12, и, таким образом, улучшить сгорание (рис. 10.36). По сравнению с обычными двигателями МР1 со­поставимого размера, двигатель GDI обеспечива­ет приблизительно на 10% большую выходную мощность и кругяший момент на всех скоростях «ращения (рис. 10.37).

В режиме повышенной выходной мощности дви­гатель GDI обеспечивает значительное постоянное ускорение. На рис. 10.38 сравнивается работа двига­теля GDI и обычного двигателя MPI в режиме уско­рения автомобиля.

Пример для изучения -

компания Bosch

Система Mofronic М3

Комбинация управления зажиганием и впрыском обеспечивает существенное преимущество. Инфор­мация. получаемая от различных датчиков, исполь­зуется для того, чтобы вычислить требуемые пара­метры питания топливом и зажигания. Еще болсс важно тс-, что зажигание и впрыск тесно звязаны. Влияние, которое они имеют друг на лруга, может быть легко учтено. Эго гарантирует работу двигате­ля в оптимальных условиях при всех режиьах эксп- луатациг.

Вообше-то этот тип системы менее сложен, чем отдельные системы управления топливом и зажи­ганием. и во многих случаях блок управления дви­гателем з состоянии работать в аварийном режи­ме, заме «яя недостающую информацию датчиков усрсднеышмн установочными данными. Это по­зволяет в случае определенных отказов системы какое-то время эксплуатировать машину, хотя и с некоторыми ограничениями.

Система зажигания интегрирована с контро­лем подг.чн топлива и работает без распределите­ля высокою напряжения зажигания. Процессом зажигания управляет ECU в цифровой форме. Данные для идеальных параметров режимов хра­нятся в постоянной памяти, эти данные подучены в ходе опытного моделирования и в процессе раз­работки двигателя. Главные параметры для расчета момента опережения зажигания — это частота вра­щения и нагрузка на двигатель. Еще большая точ­ность достигается, если принимать во внимание и другие параметры, например температуру двигате­ля. Такой расчет обеспечивает одновременно опти­мальную выходную ьошность и допустимый уро­вень зшрязнения окружающей среды. Это означает, что фактическая точка зажигания во многих случа­ях должна быть компромиссом между требования­ми экологии и качества работы дпкгателя.

Система ипрыска является многоточечной и, как это имеет место для всех топливных систем, количество подаваемого топлива определяется, прежде всего, количеством воздуха, всасываемого двигателем.

В данной системе используется косвенный ме­тод измерения этих данных, для определения ко­личества поступающего воздуха используется дат­чик давления.

Подачей топлива в двигатель.управляют электро­магнитные инжскторн. Период открытия инжекто­ра определяет ECU. Это дает возможность очень точно управлять полатей воздушно-топливной смс­си на всех режимах эксплуатации двигателя. Дан­ные, необходимые для управления этим процессом, сохраняются в иосгоя-жоН намят и (ROM) таким же образом, как и для системы зажигания.

На рис. 10.39 показаны компоненты этой сис­темы.

 

 

*? I t

•< DOSCH

i

Нерегулярность п сигнале аз счет пропущенного зуйщ. рел^хтора.

Это дает информацию о положении вала двигателя

Дпгч«к зглсодго пэяохочда вала

Рис. 10.40. Сигнал датчика углового положения коленчатого вала

Утоп зажигания

Картографический прсфмпь зажигании «Мотромик*

Ж* '

1РПЯ ЮЙЦ1

Картографический профиль угпа акпшвцки котушки звж»гпнкя

Кис. 10.41. УЦрсн ценная блок-схема управления системой зажигания

 

Главный источник информации для системы зажи­гания — лптчик уггоного положения коленчатого вала. Это матишый индуктивный датчик. поме­шенный рядом с венцом махового колеса и содер­жащий 58 зубков. Зубцы расположены через 6* с одним промежутком 12", расположенным за 114* перед верхней мертвой точкой (top dead centre — TDC) первого цшшшра.

Типичное сопротивление катушки датчика - 800 Ом. Воздушный зазор между датчиком н венцом махового колеса W приблизительно 1 мм. Сигнал, производимый датчиком углового положения ма­ховика, показан на рис. 10.40. Фактически это си­нусоида с одним огсутствуюшим циклом. Пауза со­ответствует промежутку в зубцах вениа-релуктора.

Информации, поступающая к ECU, — скорость вращения двигателя (определяется но частоте сиг­нала) и утл поворота — определяется по числу им­пульсов ло или после паузы.

На рис. 10.41 и ж меде на блок-схема системы уп­равления зажиганием. Система зажигании ECU должен быть в состоянии:

определить и сформировать кривые опере­жения момента зажигания; •

обеспечить постоянную энергию зажигания;

передать сигнал зажигания не иосреде г вея­но ка катушку зажигания.

Базовое значение угла зажигания определяет­ся на основе картографического профиля устано­вочных значений. Эти профили хранятся в чипе ROM внутри ECU. Параметрами для выбора про­филя являются:

скорость вращения в об/мин — определяет­ся датчиком махового колеса;

давление воздуха на входе в двигатель - оп­ределяется датчиком абсолютного давления в коллекторе.

Вышеупомянутые два параметра {скорость и на­грузка) определяют базовое установочное значение, но чтобы гарантировать оптимальный угол опере­жения момента зажигания, базовое значение кор­ректируется по:

температуре охлаждающей жидкости;

температуре воздуха;

положению заслонки дроссельного клапана.

Момент зажигания во время запуска двигателя устанавливается на определенное значение опе­режения. На рис. 10.42 показаны типичные про­фили угла опережения и периода протекания то­ка через первичную обмотку катушки зажигания, используемые системой Motronic. Эти данные внесены в ROM. Для полного контроля зажига­ния электронный блок управления должен снача­ла определить выбор ба