Системы управления дизельными двигателями

Рассмотрим кратко некоторые системы с электронным управлением, которые выпускались после 1990 г.

Известно, что для хорошей работы дизельного двигателя необходима точная дозировка, распыл, смешивание с воздухом и т.д. Добиться этого можно только с использованием точной механики, электроники и хороших топлив. Самая высокая точность требуется на режимах холостого хода, когда требуется примерно 5 мм3 топлива на впрыскивание (пятая часть капли). Разрабатываются различные типы и формы камер сгорания. Используются различные типы наддува воздуха. И это даёт результат — современные дизельные двигатели становятся мощнее бензиновых. Основной элемент системы впрыска, создающий высокое давление — топливный насос высокого давления (ТНВД) или насос-форсунка.

Легковые автомобили и лёгкие грузовики используют для создания давления топлива следующие типы устройств:

• рядные ТНВД разной производительности (M,MW,CW,ZMW…);
• индивидуальные механические ТНВД(РF);
• распределительные ТНВД с аксиальным движением плунжера(VE);
• распределительные ТНВД с радиальным движением плунжера(VR);
• насос-форсунки(UIS);
• аккумуляторные системы(CR).

В цилиндрах дизельных двигателей сжимается воздух до 30-50 bar и температурах 700-900 град. Топливо подаётся в конце такта сжатия и сразу начинает испаряться, перемешиваясь с воздухом образует топливовоздушную смесь. Подача топлива в цилиндры осуществляется по различным схемам. Современные дизельные двигатели имеют ТНВД с электронным управлением и электронные компоненты управления системой впрыска очень похожие на элементы бензиновых двигателей (некоторые взаимозаменяемы).

На рисунке приведен один из вариантов построения системы управления дизельным двигателем а\м ФОРД 2,5 л TCI.

Рис. Рабочая схема системы управления двигателем автомобиля ФОРД 2,5 л ТСI: 1 — ЭБУ двигателем, 2 — диагностический разъем, 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 4 — датчик оборотов двигателя, 5 — реле питания, 6 — потенциометрический датчик, 7 — клапан опережения впрыска, 8 — форсунка с датчиком перемещения иглы, 9 — клапан системы EGR (дожиг), 10 — электровакуумный клапан системы EGR, 11 — электроклапан топливоподачи.

Подобные системы использовали ЭБУ для регулирования момента начала впрыскивания и его длительность по сигналам датчика оборотов, положения иглы форсунки первого цилиндра, температуры двигателя, степени нажатия педали акселератора. На рисунке приведена электросхема системы управления двигателем.

Рис. Электросхема системы управления двигателем автомобиля ФОРД 2,5 л ТСI: 4 — датчик положения потенциометрического датчика, 6 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 22 — диагностический разъём, 25 — блок управления, 34 — электровакуумный клапан EGR, 50 — сигнал стартера, 82 — датчик подъёма иглы форсунки первого цилиндра, 85 — свечи подогрева топлива, 86 — клапан открытия\закрытия топливного канала, 87 — клапан времени впрыска топлива, 89 — реле включения свечей подогрева топлива, 90 — индикаторная лампа включения свечей подогрева, 93 — подогревательный элемент в топливном фильтре, 24 — датчик оборотов.

Рис. Расположение элементов управления автомобиля ФОРД 2,5 л TCI.

На рисунке показана схема расположения элементов топливоподачи и управления: 1 — ЭБУ, 2 — диагностический разъём, 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 24 — датчик оборотов, 5 — реле включения свечей подогрева топлива, 6 — потенциометрический датчик, 7 — клапан открытия\закрытия топливного канала, 8 — датчик подъёма иглы форсунки первого цилиндра, 9 — клапан EGR, 10 — электровакуумный клапан EGR.

Другой тип построения системы управления рассмотрим на примере а\м ОПЕЛЬ Астра G, 2,0 D DTi.

Рис. Схема расположения элементов автомобиля ОПЕЛЬ Астра X20DTL: 4 — датчик оборотов (коленвал); 6 — блок управления двигателем (под крылом); 7,13 — релейно-предохранительный блок; 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 9 — датчик температуры масла; 10,11 — клапана системы рециркуляции ОГ; 12 — подогрев топлива в фильтре; 14 — ТНВД; 20 — блок управления свечами подогрева топлива; 21 — свечи подогрева топлива; 22 — форсунки; 24 — датчик разрежения во впускном коллекторе(МАР); 25 — расходомер воздуха (MAF); 27 — клапан турбокомпрессора.

Рис. Электросхема системы управления двигателем X20DTL автомобиля ОПЕЛЬ: 23 — электровакуумный клапан системы EGR; 31 — расходомер воздуха (MAF); 32 — датчик разрежения во впускном коллекторе (MAP); 39 — датчик оборотов (СКР-коленвал); 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости(ЕСТ); 56 — датчик положения педали тормоза, 58 — датчик положения педали акселератора(АРР); 95 — блок управления свечами подогрева топлива; 100 — ЭБУ двигателем(ЕСМ); 140 — датчик температуры масла; 273 — блок управления ТНВД.

ЭБУ двигателем собирает информацию с датчиков, рассчитывает угол опережения и длительность впрыска и передаёт информацию в электронный блок управления насосом высокого давления (ТНВД). ЭБУ насосом расположен непосредственно на ТНВД и получает информацию о температуре топлива, оборотах и положении вала ТНВД от своих датчиков, рассчитывает цикловую подачу топлива и управляет процессом создания рабочего давления на форсунках. Форсунки механического типа и открываются от давления топлива. Из электросхсмы, приведённой на рисунке видно, что она почти не отличается от схем управления бензиновыми двигателями. Отсутствует только система зажигания и электронные форсунки.

Более сложной системой питания и управления является конструкция аккумуляторной системы. В таких системах функции создания высокого давления(ТНВД) и обеспечение длительности и момента впрыскивания(ЭБУ) разделены.

Для примера взята элсктросхема системы управления а\м ФОРД 2,0 TDCi.

Рис. Электросхема системы управления автомобилем ФОРД 2,0 TDCi: 1 — топливные форсунки; 29 — свечи подогрева топлива; 31 — расходомер воздуха(МАР); 39 — датчик оборотов двигателя (коленвал); 40 — датчик фазы (распредвал); 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 43 — датчик температуры поступающего воздуха; 45 — датчик детонации; 58 — датчик положения педали акселератора; 60 — датчик температуры топлива; 63 — датчик разрежения во впускном коллекторе (MAP); 100 — ЭБУ двигателем.

Топливо из бака поступает в ТНВД через фильтр от подкачивающего насоса (электрического или механического типа). TI ГОД работает от привода двигателя и создаёт высокое давление в постоянном режиме, закачивая топливо в топливную рейку(аккумулятор). Как и в бензиновых двигателях форсунки имеют электромагнитные клапана и подсоединены к топливной рейке. Давление топлива в рейке зависит or требуемых условий работы двигателя и регулируется в пределах 230 — 1600 bar. В самой топливной рейке установлен датчик и регулятор давления топлива, аварийный клапан ограничения давления. ЭБУ двигателем сканирует информацию с датчиков и по заложенным программам производит расчёт управляющих величин: давление топлива в аккумуляторной рейке; момент и длительность впрыска топлива и пр. По сигналам кислородных датчиков, расположенных в ОГ, осуществляется корректировка управляющих величин для обеспечения снижения вредных выбросов двигателя, снижения расхода топлива.

На рисунке показана схема расположения элементов системы топливоподачи и управления а\м ФОРД.

Рис. Расположение некоторых элементов питания и управления ФОРД TDCi Duratorg: 3 — датчик распредвала(фазы); 5 — датчик оборотов двигателя (коленвал); 8 — ЭБУ двигателем; 9,15,18 — релейный блок; 10 — клапан рециркуляции ОГ(EGR); 11 — насос высокого давления; 12 — регулятор давления топлива; 13 — датчик высокого давления(FRP) в топливной рейке(CR); 14 — датчик температуры топлива; 16 — свечи подогрева топлива; 19 — топливные форсунки; 20 — датчик температуры поступающего воздуха; 21 — датчик детонации; 22 — датчик разрежения во впускном коллекторе (MAP); 23 — расходомер воздуха(МАР); 25 — регулятор давления наддува.

Современные дизельные двигатели с непосредственным впрыском топлива имеют повышенную мощность и крутящий момент, низкую эмиссию выброса вредных веществ, низкий расход топлива. Всё это позволило поднять популярность легковых а\м, использующих дизельные двигатели. Достижение высоких показателей возможно только при использовании качественных топлив, в противном случае происходит быстрый износ элементов питания топливом и вместо экономии пользователь попадает на дорогостоящий ремонт ТНВД и др. элементов двигателя.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Управление работой дизельного двигателя

В дизельном двигателе топливо всегда впрыскивается непосредственно в камеру сгорания под давлением от 200 до 2200 бар. В зависимости от конструкции, в двигателях с непрямым впрыском топливо впрыскивается в форкамеру под относительно низким дав­лением (менее 350 бар). В системах прямого впрыска топлива, получивших наибольшее распространение, топливо впрыскивается в неразделенную камеру сгорания под высо­ким давлением (до более чем 2200 бар). Вот о том, как происходит управление работой дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.

Управление работой дизельного двигателя

Конструктивные требования к работе дизельного двигателя

Вырабатываемая дизельным двигателем мощ­ность Р определяется крутящим моментом на коленчатом вале, передаваемым сцеплению, и частотой вращения коленчатого вала. Кру­тящий момент на коленчатом вале равняется крутящему моменту, создаваемому в процессе сгорания топлива, за вычетом механических потерь на трение, газообмен и привод вспомо­гательных агрегатов. Крутящий момент созда­ется в процессе силового цикла, и при наличии достаточного количества воздуха определятся следующими переменными: массой пода­ваемого топлива, моментом начала сгорания топлива, определяемым началом впрыска, и процессами впрыска и сгорания топлива.

Кроме того, максимальный, зависящий от частоты вращения коленчатого вала кру­тящий момент ограничен требованиями к ограничению дымности выхлопа, давлением в цилиндрах, тепловой нагрузкой различных компонентов и величиной механической на­грузки всей кинематической цепи привода.

Основная функция системы управления дизельным двигателем

Основной функцией системы управления дви­гателем является регулирование создаваемого двигателем крутящего момента или, при некото­рых условиях, регулирование частоты вращения коленчатого вала в пределах допустимого диа­пазона (например, оборотов холостого хода).

В дизельном двигателе очистка отработав­ших газов и подавление шума осуществляются в значительной степени внутри самого двига­теля, т.е. путем управления процессом сгорания топлива. Это, в свою очередь, осуществляется системой управления двигателем посредством управления следующими переменными:

• Заряд смеси в цилиндре;
• Объем заряда смеси, подаваемого во время такта впуска;
• Состав заряда смеси (рециркуляция отра­ботавших газов);
• Движение заряда (завихрения на впуске);
• Момент начала впрыска;
• Давление впрыска;
• Распределение впрыска топлива (напри­мер, предварительный впрыск, разделен­ный впрыск топлива и т.д.).

До начала 1980-х годов управление впры­ском топлива и зажиганием осуществлялось исключительно при помощи механических устройств. Например, в топливном насосе вы­сокого давления количество подаваемого то­плива регулируется в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала путем поворота плунжера насоса, имею­щего спиральную канавку. В случае механиче­ского регулирования начало впрыска/подачи топлива регулируется при помощи центробеж­ного регулятора (зависимого от скорости вра­щения). Также применялись гидравлические системы регулирования, в которых количество топлива менялось посредством регулирова­ния давления в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Точность регулирования

В настоящее время, в связи со строгими требованиями законодательства в отношении ограничения токсичности выбросов, требуется очень точное регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска в зависимости от таких переменных, как темпе­ратура, частота вращения коленчатого вала, на­грузка и высота над уровнем моря. Это может быть обеспечено только при помощи электрон­ных систем управления. Сегодня электронные системы управления полностью вытеснили механические. Это единственный метод управ­ления, позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг функций системы впрыска топлива, влияющих на содержание вредных веществ в выбросах автомобиля. В некоторых случаях законодательство требует также нали­чия системы бортовой диагностики.

Регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска осуществля­ется системами EDC (электронная система управ­ления дизельным двигателем) при помощи электромагнитных клапанов высокого или низкого давления, или иных исполнительных устройств. Регулирование подачи топлива, т.е. количества топлива на один градус поворота коленчатого вала, может осуществляться косвенным образом, например, при помощи сервоклапана и регулиро­вания величины подъема игольчатого клапана.

Электронная система управления дизельным двигателем

Электронная система управления дизель­ным двигателем позволяет осуществлять точную и дифференцированную модуляцию параметров процесса впрыска топлива. Это единственный способ удовлетворить самые разные требования, предъявляемые к совре­менному дизельному двигателю.

Обзор электронной системы управления дизельным двигателем

Конструктивные требования

Снижение расхода топлива и содержания вред­ных веществ (NO_x, СО, НС, твердых частиц) в отработавших газах с одновременным повы­шением эффективной мощности двигателя являются главными задачами, стоящими перед разработчиками дизельных двигателей. За по­следние годы это привело ко все большему рас­пространению систем прямого впрыска топлива (DI), в которых давление впрыска значительно больше, чем в системах непрямого впрыска (IDI) с вихрекамерами или форкамерами. Кроме того, большое влияние оказывают возросшие требования к уровню комфорта современных автомобилей. Все более строгие требования предъявляются к уровню шума. В результате также значительно возросли требования, предъ­являемые к системам управления двигателем и впрыска топлива, в частности в отношении:

• Высоких давлений впрыска;
• Формирования параметров;
• Предварительного и, при необходимости, последующего впрыска топлива;
• Регулирования количества впрыскивае­мого топлива, давления наддувочного воз­духа и момента начала впрыска, в зависи­мости от условий работы двигателя;
• Подачи дополнительного, зависимого от температуры, количества топлива при пу­ске двигателя;
• Независимого от нагрузки регулирования частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя на холостом ходу;
• Регулируемой рециркуляции отработав­ших газов;
• Системы круиз-контроля;
• Высокой точности регулирования момента начала впрыска топлива и количества впрыскиваемого топлива на протяжении всего срока службы двигателя.

В обычных механических системах регули­рования частоты вращения коленчатого вала используется ряд регулирующих устройств, назначением которых является адаптация к различным условиям работы двигателя. Тем не менее, такие системы ограничиваются простым контуром регулирования, и существует ряд важ­ных переменных величин, которых они не могут учитывать или не могут достаточно быстро реа­гировать на их изменения. В связи с возросшими требованиями, относительно простые системы управления с использованием электрических исполнительных устройств развились в слож­ные электронные системы управления двигате­лем, способные обрабатывать большие объемы данных в режиме реального времени. Они могут составлять часть общей электронной системы управления автомобилем. Благодаря возросшей степени интеграции электронных компонентов, блоки управления чрезвычайно компактны.

Принципы действия системы ЕДС на дизельном двигателе

Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) способна обеспечивать вы­полнение всех вышеуказанных требований, благодаря применению микропроцессоров.

В отличие от автомобилей с дизельными двигателями с обычным рядным или распреде­лительным топливным насосом высокого дав­ления, водитель автомобиля с EDC не оказывает прямого влияния на количество впрыскивае­мого топлива при помощи педали акселератора и троса управления дроссельной заслонкой. Вместо этого количество впрыскиваемого то­плива определяется рядом переменных величин. Это, например, команды водителя (положение педали подачи топлива), условия работы дви­гателя, температура двигателя, вмешательства других систем (например, системы управления тяговым усилием) и состав отработавших газов.

Момент начала впрыска также может регулиро­ваться. Все это требует наличия всеобъемлющей концепции системы мониторинга, определяющей несоответствия и инициирующей соответствую­щие действия (например, ограничение крутящего момента или переход на аварийный режим в диапазоне оборотов холостого хода). Отсюда следует, что электронная система управления ди­зельным двигателем должна содержать большое количество контуров регулирования.

Электронная система управления дизель­ным двигателем может осуществлять обмен данными с другими электронными системами, такими как система регулирования тягового усилия (TCS), электронная система управле­ния трансмиссией (ЕТС) или система курсо­вой устойчивости (ESP). Отсюда следует, что система управления двигателем может быть встроена в общую систему управления авто­мобилем, приобретая новые функции, такие как снижение крутящего момента двигателя во время переключения передач автоматической трансмиссией или регулирование крутящего момента для компенсации пробуксовки колес.

Система EDC полностью интегрирована в си­стему диагностики автомобиля. Она отвечает всем требованиям OBD (система бортовой диа­гностики) и E0BD (европейские нормы OBD).

Блоки системы управления дизельным двигателем

Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) разделена на три блока (см. рис. «Компоненты электронной системы управления дизельным двигателем (EDC)» ).

Датчики и генераторы управляющих сигна­лов определяют условия работы двигателя (на­пример, частоту вращения коленчатого вала) и значения управляющих сигналов (например, по­ложение выключателей). Они преобразуют фи­зические переменные в электрические сигналы.

Блок управления двигателем обрабатывает сигналы датчиков и генераторов управляю­щих сигналов в соответствии с заложенными в нем алгоритмами вычислений (алгоритмами управления с обратной связью и без обрат­ной связи). Посредством электрических вы­ходных сигналов он осуществляет управление исполнительными механизмами. Кроме того, блок управления двигателем действует в ка­честве интерфейса с другими системами и с системой диагностики автомобиля.

Исполнительные механизмы (такие как электромагнитный клапан системы впрыска топлива) преобразуют электрические сиг­налы в механические параметры.

Обработка данных

Основная функция электронной системы управ­ления дизельным двигателем (EDC) — регули­рование количества впрыскиваемого топлива, момента начала впрыска и продолжительности впрыска. Система впрыска топлива с общей топливной магистралью также регулирует дав­ление топлива. Кроме того, блок управления дви­гателем осуществляет управление большим ко­личеством других исполнительных механизмов.

Для эффективной работы всех компонентов функции системы EDC на дизельном двигателе должны быть точно со­гласованы с каждым автомобилем и каждым двигателем. Это единственный способ оптими­зировать взаимодействие компонентов (см. рис. «Основные последовательности функционирования элементов электронной системы управления дизельным двигателем» ). Блок управления двигателем обрабатывает сигналы датчиков и ограничивает их до допусти­мого уровня напряжения. Некоторые входные сигналы также проверяются на предмет досто­верности. Используя эти входные данные и хра­нящиеся в памяти программы, микропроцессор вычисляет момент и продолжительность впры­ска топлива. Затем эта информация преобразуется в сигналы, согласованные с положениями поршней цилиндров двигателя. Эта программа вычислений имеет название «программное обеспечение блока управления».

Необходимая большая точность вместе с вы­сокими динамическими качествами двигателя требуют высокой вычислительной мощности. Выходные сигналы подаются на выходные каскады, обеспечивающие достаточную элек­трическую мощность для приведения в дей­ствие исполнительных механизмов (например, клапанов высокого давления системы впрыска топлива, клапана системы рециркуляции от­работавших газов или регулятора давления наддува). Кроме того, система осуществляет управление рядом вспомогательных компо­нентов (например, реле свечей накаливания и системой кондиционирования воздуха).

Отклонения характеристик сигналов опреде­ляются системой диагностики электромагнит­ных клапанов. Кроме того, блок управления осуществляет обмен сигналами и другими си­стемами автомобиля через соответствующие интерфейсы. Блок управления двигателем производит мониторинг всей системы впрыска топлива, являющийся частью общей стратегии обеспечения безопасности.