Микропроцессорные системы управления двигателем

МСУД стали устанавливать на автомобили с середины 80-х годов прошлого века. Система управляет двигателем по оптимальным хара­ктеристикам и не требует каких-либо регулировок и обслуживания в эксплуатации, т.е. автомобиль оборудуется системой внутреннего диаг­ностирования, в которой на колодку выводятся следующие контрольные точки системы электрооборудования:"+" аккумуляторной батареи, клем­ма "30" генератора, корпус ("масса") автомобиля, клеммы низкого напря­жения катушки зажигания и датчик ВМТ поршня первого цилиндра. С помощью мотор-тестера система диагностирования позволяет оп­ределить: уменьшение компрессии в цилиндрах; степень разреженности и состояние аккумуляторной батареи; исправность генератора, стартера и системы зажигания.

Системы (управления, диагностирования) довольно сложные. Необ­ходимо применять их только при максимальной надежности комплекту­ющих изделий.

МСУД включает коммутатор и контроллер с раз­личными датчиками. Применяемые у нас МСУД предназначены для уп­равления зажиганием (моментом и энергией искрообразования) и элек­тромагнитным клапаном карбюратора.

Управление зажиганием по оптимальным характеристикам осуще­ствляется в зависимости от:

• частоты вращения коленчатого вала двигателя;

• давления во впускном коллекторе;

• температуры охлаждающей жидкости;

• положения дроссельной заслонки карбюратора.

Управление электромагнитным клапаном карбюратора осуществля­ется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя и положения дроссельной заслонки карбюратора.

Электромагнитный запорный клапан топливного жиклера холостого хода появился у нас впервые на ВАЗ-2103 (1973 г.). Он ограничивает поступление топлива и обеспечивает мгновенную остановку двигателя после выключения зажигания, т.е. предотвращает работу горячего дви­гателя после выключения зажигания. На автомобилях ВАЗ-2108, -2109 электромагнитный запорный клапан и концевой выключатель регули­ровочного винта количества смеси холостого хода в комплекте с элек­тронным блоком управления уже составляли экономайзер принуди­тельного холостого хода (ЭПХХ). ЭПХХ — первое управляемое устрой­ство в системе питания карбюраторного двигателя.

ЭПХХ предназначен для экономии бензина при режимах принуди­тельного холостого хода, когда педаль "газа" отпущена, а вращение ко­ленчатого вала происходит принудительно "от колес" (торможение дви­гателем). При этом в связи с большим разряжением двигатель просто "высасывает" бензин из карбюратора.

Если электромагнитный клапан реагировал только на включение (открыт) и выключение (закрыт) зажигания, то при ЭПХХ клапан до­полнительно отключается (закрыт) при 2100 мин-¹, а включается (от­крыт) при 1900 мин~¹. Блок управления отключает клапан только в том случае, если замкнут концевой выключатель карбюратора, т.е. если не нажат акселератор. При нажатом акселераторе клапан отключаться не будет (или включится, если был отключен).

Микрокомпьютер в МСУД выполняет следующие функции:

• с помощью датчиков измеряет частоту вращения коленчатого ва­ла двигателя, давление во впускном коллекторе, температуру ох­лаждающей жидкости и определяет степень открытости дроссель­ной заслонки карбюратора;

• на основе информации, полученной от датчиков, выбирает из запо­минающего устройства оптимальные углы опережения зажигания и требуемое состояние (за­крытое или открытое) элект­ромагнитного клапана кар­бюратора;

• производит интерполяцию (расчет промежуточных зна­чений) углов опережения за­жигания и вырабатывает уп­равляющие сигналы для ра­боты коммутатора.

Рассмотрим основные эле­менты МСУД: коммутатор и микрокомпьютер. В связи с ми­ниатюризацией коммутатора его часто объединяют с микрокомпь­ютером. Такая схема МСУД, ко­гда микрокомпьютер объединяет в себе функции микрокомпьюте­ра и коммутатора.

Датчики синхронизации индуктивные, они генерируют им­пульс напряжения при прохожде­нии в их магнитном поле штифта или зуба. Установочные зазоры датчиков в пределах 0,3—1,2 мм. Датчик начала отсчета 3 установлен на картере сцепления так, что он генерирует импульс напряжения в момент прохождения в его магнитном поле маркерного штифта, запрессованного в маховик. И этот момент соответствует положению ВМТ поршней первого и четвертого цилиндров (интервал между импульсами 360"). Датчик угловых импульсов 12 реагирует на зубья маховика, т.е. если число зубьев 128, то сигнал посылается 128 раз за оборот коленчатого вала или через 2,8125 градуса.

Датчик положения дроссель­ной заслонки и электромагнит­ный клапан относятся к карбю­ратору. Датчик сообщает о по­ложении дроссельной заслонки (открыта, закрыта). Электромаг­нитный клапан, как отмечалось, управляется микрокомпьютером в зависимости от частоты враще­ния коленчатого вала и положе­ния дроссельной заслонки.

Иногда с целью увели­чения надежности работы сис­темы зажигания на каждый ци­линдр устанавливают свою ка­тушку, чтобы получить бескон­тактное распределение высоко­вольтного напряжения при двухканальном коммутаторе. Одна катушка генерирует высоко­вольтные импульсы на свечи первого и четвертого цилинд­ров, а другая — на свечи второ­го и третьего цилиндров. При­чем искровой разряд происходит одновременно на двух свечах зажигания, т.е. на два оборота коленчатого вала (4 такта) в каждом цилиндре происходит два искровых разряда: один рабочий (конец та­кта сжатия), а второй холостой (конец такта выпуска отработавших газов).

Рассмотренная МСУД, применяемая на части автомобилей ВАЗ, яв­ляется наиболее простой как по объектам управления системой зажи­гания (не полностью электронная) и питания (карбюратор), так и по па­раметрам, учитываемым при обеспечении оптимального управления двигателем. К более сложным МСУД относится, например, система фирмы Bosch "Мотроник" (модификации 1.1; 1.3; 1.7; 2.7; 3.1; МЕ и др.) (рис. 21).

Цифровая система управления двигателем "Мотроник" объединяет системы управления зажиганием и питанием (впрыском). Управление осуществляется контроллером, представляющим собой специализиро­ванный микрокомпьютер, обрабатывающий по программе импульсы дат­чиков систем зажигания и питания согласно заложенному алгоритму.

В названии — "микропроцессорная система управления двигате­лем" (МСУД) упомянут микропроцессор, который представляет собой "мыслящую" часть микрокомпьютера.

При рассмотрении системы "Мотроник" воспользуемся терминологи­ей, принятой в Европе. Главная часть системы управления двигателем (рис. 21) — контроллер (рис. 22). В состав контроллера входит мик­рокомпьютер (рис. 23), а в него, в свою очередь, входит процессор 8.

Система "Мотроник" объединяет в себе систему впрыска топлива "Джетроник" (модификации: К, КЕ, L, LЕ, 1.3, 14, LН, LH2.2 и др.) и сис­тему полного электронного зажигания (У32) без распределителя с чис­лом катушек зажигания, равным числу цилиндров.

Контроллер системы "Мотроник" выполняет следующие функции:

• управление системой впрыска топлива;

• управление системой зажигания и регулирование момента зажигания;

• распределение тока высокого напряжения;

• управление пуском холодного двигателя;

• регулирование холостого хода двигателя;

• регулирование частоты вращения коленчатого вала двигателя;

• самодиагностика.

Для упрощения рассмотрения системы "Мотроник" в функциональ­ной схеме контроллера (рис. 22) выделено устройство управления (про­цессор), являющийся микрокомпьютером, что позволяет, не загромож­дая функциональную схему контроллера, показать отдельно функцио­нальную схему микрокомпьютера (см. рис. 23).

Рассмотрим назначение основных датчиков системы "Мотроник".

Датчик положения коленчатого вала двигателя является общим для систем впрыска и зажигания. Он установлен на блоке цилиндров дви­гателя напротив зубчатого обода маховика и генерирует импульсы на­пряжения при прохождении в его магнитном поле обода маховика.

Датчик угловых импульсов установлен рядом с датчиком положения коленчатого вала двигателя и выдает на контроллер импульсы углово­го положения коленчатого вала, реагируя на зубья венца маховика. Од­новременно по сигналам (импульсам) этого датчика можно определить положение поршней относительно ВМТ.

Датчик температуры охлаждающей жидкости имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. его сопротивление падает при уве­личении температуры. Он установлен в головке цилиндров и выдает на контроллер сигналы температуры охлаждающей жидкости.

Датчик температуры поступающего воздуха также имеет отрица­тельный температурный коэффициент. Он встроен в измеритель рас­хода воздуха и с его выводов на контроллер поступают сигналы о тем­пературе всасываемого воздуха.

Измеритель расхода воздуха определяет объем всасываемого воз­духа за счет перемещения напорного диска, на оси которого установлен потенциометр, "преобразующий" угловое положение напорного диска в электрический сигнал. На основе информации, полученной от этого по­тенциометра, контроллер определяет нагрузку двигателя, поэтому из­меритель расхода воздуха с потенциометром — это датчик нагрузки двигателя.

Появились датчики расхода (измерители массы) воздуха чи­сто электрические без громозд­кой механической системы с на­порным диском. Масса воздуха, поступающего в двигатель, из­меряется по напряжению, необ­ходимому для поддержания по­стоянной температуры провод­ника, чувствительного к измене­ниям температуры проходящего мимо него потока воздуха. Из­менение "напряжения поддер­жания постоянной температу­ры" и является сигналом датчи­ка расхода воздуха. Измерители массы воздуха, где воздух обду­вает нагреваемый проводник, получили название термоанемо-метрических.Датчик углового положения дроссельной заслонки представ­ляет собой потенциометр, уста­новленный на оси заслонки.

Датчик детонации обеспечивает защиту двигателя от детонации. При этом имеется ввиду не детона­ция, вызванная низкооктановым бензином, а детонация, связанная с ре­жимом работы двигателя. Например, при высокой температуре наруж­ного воздуха в случае превышения нормальной рабочей температуры охлаждающей жидкости датчик детонации подает импульсы на контрол­лер, который вырабатывает команды на смещение угла опережения за­жигания в сторону запаздывания до наступления детонации. Есть также датчики детонации, которые реагируют на увеличение жесткости сгора­ния смеси в цилиндрах двигателя. Общей особенностью датчиков дето­нации является то, что они предупреждают детонацию, реагируя на при­знаки скорого ее появления.

Система самодиагностики обнаруживает нарушения работы конт­роллера, элементов системы "Мотроник" и вводит их в запоминающее устройство контроллера.

При неисправности датчиков температуры охлаждающей жидкости, температуры поступающего воздуха, потенциометра измерителя рас­хода воздуха, контроллер начинает работать согласно величинам, при­нимаемым по "умолчанию" ("умолчание" — это выбор программой сре­днего значения переменной при отсутствии указаний извне). После возвращения контроллера к нормальному режиму использование вели­чин, принимаемых по "умолчанию", прекращается.

Для облегчения поиска неисправностей предусмотрена возмож­ность затребования текущих параметров с помощью контроллера и приведения в действие того или иного элемента системы.

Для поиска неисправностей, введенных в запоминающее устройст­во контроллера, необходимо использование диагностических стендов на фирменных СТОА.

В системе "Мотроник" (см. рис. 21) установлено дополнительное оборудование для пуска холодного двигателя. Горючая смесь обогаща­ется при помощи электромагнитной пусковой форсунки, которая рабо­тает до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости остается ниже определенного значения. Продолжительность работы пусковой форсунки ограничивается тепловым реле времени.

Бесперебойная работа двигателя на холостом ходу во время прогре­ва обеспечивается специальным клапаном, управляемым регулятором холостого хода и подводящим к двигателю дополнительное количество воздуха, минуя дроссельную заслонку.При работе прогретого двигателя на холостом ходу воздух подво­дится также по дополнительному воздушному каналу параллельно дроссельной заслонке.