Основные компоненты ЭСАУ двигателем

Электробензонасосы

Электробензонасос постоянно нагнетает топливо из топливного бака. Он может быть встроен непосредственно в топливный бак (погружной) или расположен снаружи (магистральный).

Рис. 6.19.:

Применяемые в настоящее время погружные насосы (рис. 6.19 и 6.20) смонтированы в баке вместе с датчиком уровня топлива и завихрителем, служащим для отделения пузырьков пара в слив­ном канале. двухступенчатый электробензонасос с шестернями внутреннего зацепления, у которого: 1 - первая ступень (секция с боковым каналом); 2- главная ступень (шес­терни внутреннего зацепления; 3- якорь; 4 - коллектор; 5- обратный клапан; 6 – штекер. А на рис. 6.20 изображен вухступенчатый электробензонасос периферийного нагнетания, состоящего из: 1 - всасывающая крышка со штуцером; 2- крыльчатка; 3- первая ступень(секция с боковым каналом); 4- главная ступень (с периферийным нагнета­нием); 5- корпус; 6- якорь; 7- обратный клапан; 8- крышка подключения со штуцером. Во избежание перегрева при применении магист­ральных насосов, в топливный бак может быть встроен насос подкачки, который подает топливо к главному насосу под малым давлением.

Рис. 6.20.

Для обеспечения требуемого давления на любых режимах, к двигателю подается значительно больше топлива, чем он макси­мально расходует. Включение электробензонасоса осуществляется по сигналу от БУ двигателя.

Электробензонасосы состоят из насосной части, электродвига­теля постоянного тока и крышки подключения.

Электродвигатель и насосная часть электробензонасоса имеют общий корпус и постоянно омываются топливом. Это благоприятно сказывается на охлаждении электродвигателя. Отсутствие кисло­рода в корпусе исключает возможность образования взрывоопас­ной смеси. В крышке подключения смонтированы электрические контакты, обратный клапан, нагнетательный и сливной штуцеры. Обратный клапан определенное время сохраняет давление в сис­теме после отключения электробензонасоса во избежание образо­вания паровых пробок. Дополнительно в крышке подключения мо­жет быть установлено помехоподавительное устройство.

В зависимости от требований к системам применяются насосы различных принципов действия (рис. 6.21, а - роликовый насос; б - периферийный насос; в - шестеренныйнасосвнутреннего зацепления; г - насос с боковым каналом).

Объемные насосы. Роликовые насосы и шестеренчатые насо­сы внутреннего зацепления относятся к группе объемных насосов.

Рис. 6.21.:

Действие насоса состоит в том, что вращающиеся камеры ме­няющейся величины открывают впускной канал и за счет увеличе­ния камеры засасывают топливо. Когда достигается максимальное заполнение, впускной канал закрывается и открывается нагнета­тельный канал. Посредством уменьшения камер топливо выталки­вается. В роликовых насосах камеры образуются за счет вращаю­щихся роликов, находящихся в сепараторе. Под влиянием центро­бежной силы и топливного давления они прижимаются к эксцентри­ческой поверхности статора. Эксцентриситет между сепаратором и статором обуславливает увеличение и уменьшение объема камер.

Шестеренчатый насос внутреннего зацепления состоит из одной внутренней приводной шестерни, находящейся в зацеплении с экс­центрично установленным ротором, который имеет на один зуб больше. Боковые стороны зуба при вращении образуют в своих про­межутках меняющиеся камеры. Роликовые насосы могут применять­ся при давлении топлива до 650 кПа, шестеренчатый насос внутрен­него зацепления до 400 кПа, что вполне достаточно для использова­ния в системах впрыска топлива во впускной трубопровод.

Лопастные насосы. К лопастным насосам относятся перифе­рийные и насосы с боковым каналом. В них топливо ускоряется лопастями крыльчатки и вытесняется в один канал. Периферийные насосы отличаются от насосов с боковым каналом большим коли­чеством лопастей, формой крыльчатки и наличием распределен­ных по окружности каналов. Периферийные насосы могут создать давление топлива только до 300 кПа, но они отличаются малошум­ной работой и находят свое применение благодаря непрерывному, практически не пульсирующему течению топлива. Насосами с боко­вым каналом создается давление только до 100 кПа. Их применяют как подкачивающие насосы в системах с магистральным насосом и как первую ступень при двухступенчатых погружных насосах в ав­томобилях с проблемами горячего пуска, а также в системах с од­ноточечным впрыском.

Электроуправляемые форсунки

При распределенном впрыске бензина каждый цилиндр двига­теля имеет электромагнитную форсунку. Она впрыскивает топливо строго дозированно и в определяемый блоком управления момент времени непосредственно перед впускным (ыми) клапаном (нами) цилиндра. Электромагнитная форсунка имеет клапанную иглу с на­саженным магнитным сердечником (рис. 6.22 и 6.23). Она очень точно прилегает к корпусу распылителя. Спиральная пружина прижимает клапанную иглу в спокойном состоянии к уплотнительному седлу корпуса распылителя и закрывает, таким образом, выходное топливное отверстие во впускной трубопровод двигателя.

Как только блок управления подключает обмотку форсунки, сер­дечник с клапанной иглой поднимается на 60...100 мкм, вследствие чего топливо впрыскивается через калиброванное отверстие.

В зависимости от способа впрыска, частоты вращения и нагруз­ки двигателя время включения составляет 1,5...18 мс при частоте срабатывания 3...125 Гц.

В зависимости от особенностей системы имеются различные типы форсунок.

Форсунка с верхним подводом топлива. В такой форсунке то­пливо подается сверху по ее вертикальной оси. Верхний конец форсунки вставляется в соответствующей формы отверстие топ­ливной рампы, нижний - во впускной трубопровод двигателя. Фор­сунка притягивается пружинным фиксатором к топливной рампе. Уплотнение обеспечивается резиновыми кольцами.

Форсунка с боковым подводом топлива. Встроенная в топ­ливную рампу форсунка такого типа омывается топливом. Подвод топлива осуществляется сбоку. Топливная рампа монтируется не­посредственно на впускном коллекторе. Форсунка крепится прижи­мом или крышкой топливной рампы, в которой может располагаться также и электрический разъем. Два уплотнительных кольца предот­вращают утечку топлива. Наряду с хорошими характеристиками горячего пуска и работы за счет охлаждения топливом, конструкция модуля, состоящего из топливной рампы и форсунок, отличается меньшей высотой.

По способу дозирования различают форсунки с кольцевым, однодырчатым и многодырчатым распылением (рис. 6.24, где: 1 - распылитель с кольцевым каналом; 2- однодырчатый распылитель; 3 - многодырчатый распылитель; 4 - многодырчатый двухфакельный распылитель).

Для оптимизации топливоподачи на двигателях с двумя впускны­ми клапанами используется многодырчатый двухфакельный распы­литель.

Рис. 6.24

При выборе типа топливного дозирования учитывается требование наименьшего образования пленки на стенках впускного канала при хорошей одно­родности топливовоздушной смеси. Форсунки с обтеканием воздухом позволяют добиться дальнейшего улучшения смесеобразования. С этой целью воздух из впускной трубы перед дроссельной заслонкой всасывается со звуковой скоростью через калиброванную щель прямо у шайбы распылителя. Благодаря молекулярному взаимодействию топлива и воздуха топливо очень мелко распыляется.

Форсунки непосредствен­ного впрыска. В ЭСУ топливо-подачей для организации непо­средственного впрыска топлива в цилиндры двигателя исполь­зуются форсунки с электромаг­нитным или пьезоэлектриче­ским приводом. Конструкция электромагнитной форсунки системы топливоподачи для дизельных двигателей Com­mon Rail фирмы Bosch пред­ставлена на рис. 6.25. Она состоит из: 1- сливной штуцер; 2 – разъем; 3 – электромагнит; 4 – резьбовой штуцер; 5 – клапан; 6 - сливное отверстие; 7 – жиклер; 8 – управляющая камера; 9 – плунжер; 10 – топливный канал; 11 – запорная игла. Топливо под давлением 1350 кПа пода­ется к резьбовому штуцеру 4, откуда поступает к распылите­лю через канал 10 и в управ­ляющую камеру 8 через жиклер 7. Управляющая камера соеди­нена со сливным штуцером 1 через отверстие 6, закрываемое электромагнитным клапаном 5. При закрытом сливном отверстии к плунжеру 9 приложена гидравлическая сила, прижимающая иглу 11 к седлу.

Открытие электромагнитного клапана приводит к уменьшению давления в управляющей камере 8, поднятию плунжера 9 под дей­ствием давления со стороны распылителя и впрыску топлива в ци­линдр. При отключении электромагнита 3 сливное отверстия за­крывается под действием возвратной пружины. Давление в управ­ляющей камере повышается, и форсунка переходит в закрытое со­стояние. Применение электрогидравлического управления обу­словлено необходимостью создания значительного усилия для бы­строго открытия форсунки.

В системе Common Rail третьего поколения используются пьезофорсунки нового образца. Расположение пьезоэлемента в непо­средственной близости к игле форсунки позволило увеличить ско­рость ее срабатывания, снизить массу и число подвижных деталей. Развитие систем непосредственного впрыска направлено на орга­низацию ступенчатого открытия форсунки в зависимости от режима работы двигателя.

Исполнительные механизмы управления частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу

Регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу в ЭСАУ бензиновых двигателей осуществляется подачей до­полнительного воздуха в обход дроссельной заслонки или управ­ление ее положением.

В первом случае небольшое количество воздуха направляется во впускной коллектор в обход дроссельной заслонки. В этом кана­ле устанавливается клапан регулировки оборотов холостого хода. При изменении количества воздуха, проходящего через клапан, частота вращения коленчатого вала также изменяется.

В системах К, L-Jetronic фирмы Bosch количество добавочного воздуха регулировалось заслонкой, управляемой биметаллической пластиной (рис. 6.26, где: 1 - разъем; 2- электронагревательный элемент; 3 - биметаллическая пластина; 4 - заслонка). Впоследствии стал применяться трехпроводной клапан регулировки холостого хода (рис. 6.27) Электродвига­тель клапана вращается по или против часовой стрелки в зависи­мости от подключенной обмотки. БУ периодически переключает направление вращения двигателя, что предотвращает перемеще­ние клапана в любое из крайних положений. Изменяя соотношение времени включения одной или другой цепи, БУ может установить клапан в любое требуемое положение.

В некоторых модификациях систем впрыска используется двух­проводной клапан управляемый электромагнитом с возвратной пружиной.

Рис. 6.26.

БУ подает на электромагнит клапана управляющие импуль­сы напряжения с постоянной частотой (около 110 Гц). При включе­нии электромагнит преодолевает усилие пружины и открывает кла­пан. Время открытого состояния клапана определяется скважно­стью импульса (т.е. относительным временем подачи напряжения). Чем больше скважность импульсов, тем большее количество воз­духа пройдет через клапан. При неисправности электромагнита клапан останется в закрытом положении. Даже при полностью за­крытом клапане, через него проходит небольшое количество возду­ха для обеспечения базовой частоты вращения коленчатого вала на режиме холостого хода.

В современных системах для управления холостым ходом ис­пользуются шаговые электродвигатели. Шаговый электродвигатель может использоваться для открытия-закрытия клапана, регулирую­щего поступление воздуха во впускной коллектор или ступенчатого перемещения дроссельной заслонки.

На рис. 6.28 представлен регулятор холостого хода с шаговым электродвигателем (а) и схема его работы (б). Он состоит: 1- клапан; 2, 3- обмотки шагового электродвигателя; 4 - ротор шагового электродвигателя; 5- пружина; 6 - РХХ; 7 - дроссельный патрубок;5-дроссельная заслонка; 9- клапан; 10- разъем; А - поступающий воздух.

На статоре электродвигателя размещены об­мотки, имеющие четыре выхода. В продольных пазах ротора уста­новлены постоянные магниты с чередующимся расположением по­люсов. Управление двигателем ведется с помощью электрических импульсов различной полярности подаваемых на обмотки в опре­деленной последовательности. Винтовая передача преобразует вращение вала в поступательное движение клапана.

Датчики для определения нагрузки двигателя

Одной из основных величин для расчета цикловой подачи топ­лива и угла опережения зажигания является нагрузка двигателя;

Для определения нагруз­ки двигателя используются следующие чувствительные элементы:

- датчик количества воздуха;

- нитевой датчик массового расхода воздуха;

- пленочный датчик массового расхода воздуха;

- датчик давления во впускной трубе;

- датчик положения дроссельной заслонки.

Датчик количества воздуха. Датчик устанавливает­ся между воздушным фильт­ром и дроссельной заслон­кой и производит измерение объема воздуха (м³/ч), по­ступающего в двигатель (рис. 6.29, где: 1 - дроссельная заслонка; 2- датчик расхода воздуха; 3- сигнал терморезистора; 4- блок управления; 5- сигнал потенциометра; 6- воздушный фильтр. q_l - поступающий воздух; α - угол отклонения заслонки). Проходящий поток воздуха отклоняет за­слонку, противодействуя по­стоянной силе возвратной пружины. Угловое положе­ние заслонки регистрируется потенциометром. Напряже­ние с него передается на блок управления, где произ­водится его сравнение с пи­тающим напряжением по­тенциометра. Это отноше­ние напряжений является мерой для поступающего в двигатель объема воздуха. Определение отношений напряжений в блоке управления исключает влияние изно­са и температурных характеристик сопротивлений потенциометра на точность. Чтобы пульсации проходящего воздуха не вели к колеба­тельным движениям воздушной заслонки, она стабилизируется противовесной заслонкой. С целью учета изменения плотности посту­пающего воздуха при изменении температуры датчик расхода оснащен терморезистором.

Рис. 6.28.

По сопротивлению терморезистора проводит­ся корректировка показаний датчика. Датчик количества воздуха дол­гое время был составной частью большинства систем Motronic и Jetronic, выпускаемых серийно. Согласно современным требованиям показания датчика расхода воздуха не должны зависеть от атмо­сферного давления, температуры пульсаций и обратного потока воз­духа, возникающих при работе двигателя. Поэтому в настоящее вре­мя датчик количества воздуха с заслонкой заменен более совершен­ными датчиками массового расхода воздуха.

Рис. 6.29

Датчики массового расхода воздуха. Датчиками массового расхода воздуха называют нитевые или пленочные термоанемометрические датчики. Они устанавливаются между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и измеряют массу воздуха, по­ступающего в двигатель (кг/ч). Принцип действия обоих датчиков одинаков. В потоке поступающего воздуха находится электрически нагреваемое тело, которое охлаждается воздушным потоком.

Схема регулирования тока нагрева рассчитана таким образом, что всегда имеется положительная разность температуры измерительно­го тела относительно проходящего воздуха. В данном случае ток на­грева является мерой для массы воздушного потока. При таком ме­тоде измерения производится учет плотности воздуха, так как она также определяет величину теплоотдачи нагреваемого тела. Отсут­ствие в датчике подвижных частей делает его более надежным.

Нитевой датчик массового расхода воздуха. У данного дат­чика нагреваемым элементом является платиновая нить толщиной 70 мкм. Для учета температуры поступающего воздуха производит­ся ее измерение встроенным компенсационным терморезистором. Нагреваемая нить и терморезистор включены в мостовую схему. Рис. 6.30 – отражает компоненты нитевого датчика массового расхода воздуха: 1 - компенсационный терморезистор; 2— кольцо с нагреваемой нитью; 3 - прецизионный резистор; Q_м - поступающий воздух. Рис. 6. 31 – мостовая схема нитевого датчика массового расхода воздуха: R_н - нагреваемая нить; R_к - компенсационный терморезистор; R_м - прецизионный резистор; R₁, R₂ - балансировочные резисторы; (U_м - выход­ное напряжение; Q_м - поток воздуха. Нитевой датчик массового расхода воздуха приведен на рис. 6.32, где: 1 – электронный модуль; 2 – крышка; 3 – металлическая вставка; 4 – внутренняя труба с нагреваемой нитью; 5 – кожух; 6 – защитная решетка; 7 – стопорное кольцо. Ток нагрева образует на прецизионном резисторе падение напряжения, пропорциональное массе проходящего воздуха. С целью предупреждения дрейфа за счет отложения загрязнений на платиновой нити после отключения двигателя осуществ­ляется ее нагрев «прожиг» в течение нескольких секунд до темпе­ратуры, ведущей к испарению или осыпанию отложений и тем са­мым ее очистке.

Рис. 6.30.

Рис. 6.31

Рис.6.32.

Пленочный датчик массового расхода воздуха. У такого датчика нагреваемым элементом является пленочный платиновый резистор, который находится вместе с другими элементами мостовой схемы на керамической подложке. Рис. 6.33. - пленочный датчик массового расхода воздуха: а – корпус; б – чувствительный элемент с нагреваемой пленкой (смонтирован в центре корпуса); 1 – радиатор; 2 – промежуточная деталь; 3 - силовой блок; 4 – электронный модуль; 5 - чувствительный элемент.

Рис. 6.34 - чувствительный элемент с нагреваемой пленкой: 1 – керамическая подложка; 2 – паз; R_к – компенсационный терморезистор; R₁ – резистор моста; R_Н – нагреваемый резистор; R_S – терморезистор.

Рис. 6.35 - . Схема пленочного датчика массового расхода воздуха: R_к - компенсационный терморезистор; R_н - нагреваемый резистор; R₁, R₂, R₃- резисторы моста; U_м - выходное напряжение; I_н - ток нагрева; t_L - температура воздуха; Q_м - поток воздуха.

Рис.6.33:

Температура нагреваемого элемента измеряется терморезисто­ром, который включен в мостовую схему. Раздельное исполнение нагревательного элемента и терморезистора удобно для организа­ции управления. Для измерения температуры воздуха используется компенсационный терморези­стор, также расположенный на подложке, но отделенный канав­кой. Напряжение на нагреваемом элементе является мерой для массы воздушного потока. Это напряжение преобразовывается электронной схемой измерителя в напряжение, совместимое с блоком управления.

Стабильность показаний дат­чика сохраняется без «прожига». В связи с тем, что засорение происходит в основном на пе­редней кромке датчика, установ­ка основных элементов произве­дена по ходу потока так, что за­сорение не оказывает влияния на датчик.

Рис. 6.34

Датчик давления во впуск­ной трубе. Датчик давления во впускной трубе пневматически соединен с последней и замеряет абсолютное давление (кПа). Он изготавливается в виде встраи­ваемого в блок управления эле­мента или как отдельный датчик, который устанавливается вблизи или на самой впускной трубе. При применении встроенного датчика соединение с впускной трубой производится шлангом. Датчик со­стоит из пневматической секции с двумя чувствительными элемен­тами и схемы обработки сигнала, установленных на общей керами­ческой подложке (рис. 6.36, где: 1 – штуцер; 2 – камера под давлением с чувствительным элементом; 3 – уплотнительная стенка; 4 – блок обработки; 5 – толстопленочная гибридная стенка).

Чувствительный элемент представляет собой колоколообразную толстопленочную мембрану, которая образует камеру с образцо­вым внутренним давлением.

В зависимости от давления во впускной трубе мембрана проги­бается на определенную глубину. На мембране установлены пьезорезисторы, проводимость которых меняется от механического напряжения. Чувствительный элемент датчика давления представлен на рис. 6.37, где: 1 – пьезорезисторы; 2 – основная мембрана; 3 – камера образцового давления; 4 – керамическая подложка; Р - давление.

Рис. 6.35

Пьезорезисторы включены по мостовой схеме, так что смеще­ние мембраны вызывает напряжение рассогласования моста, кото­рое является мерой давления во впускной трубе.

Блок обработки увеличивает напряжения моста, компенсирует влияние температуры и обеспечивает линейный выходной сигнал, пропорциональный давлению.

Рис.6.36.

Рис.6.37.

Датчик положения дроссельной заслонки. Датчик положения дроссельной заслонки определяет угол ее поворота для расчета вспомогательного сигнала о нагрузке двигателя. Он позволяет получать дополнительную информацию для распознавания режимов (холостой ход, частичная и полная нагрузки) и может ис­пользоваться в качестве источника аварийного сигнала при выходе из строя основного датчика нагрузки. Обработка сигнала датчика в БУ позволяет рассчитывать не только положение, но и скорость перемещения педали управления дроссельной заслонкой. В боль­шинстве систем датчик устанавливается на патрубке дроссельной заслонки и находится на одной оси с ней. Потенциометр замеряет угловое положение дроссельной заслонки и передает соотношение напряжений через резисторную схему на блок управления (рис. 6.38 и 6.39). Использование датчика дроссельной заслонки в качестве основного датчика нагрузки предъявляет повышенные требования к его точности, что достигается за счет установки двух потенциометров и усовершенствования опор вращения. Поступаю­щая масса воздуха определяется блоком управления в зависимо­сти от положения дроссельной заслонки и частоты вращения дви­гателя. Температурные колебания воздушной массы учитываются после обработки сигналов температурных датчиков.

В системах с электроуправляемой дроссельной заслонкой дат­чик располагается на педали управления топливоподачей.