Электронное управление подачей топлива
Электронное управление подачей топлива
Сгорание
Введение
Процесс сгорании топлива в двигателях с воспламенением от искры и воспламенением от сжатия лучше всего рассматривать для бензиновых и дизельных двигателей по очереди. После многих лет исследования наиболее важных практических аспектов сгорания эти процессы все еще вызывают немало вопросов. Для получения самых новейших данных необходимо регулярно обращаться к соответствующим источникам. Однако раздел о сгорании, помещенный в этой книге, содержит немало информации. позволяющей составить взвешенное мнение о конструкции и функционировании электронных систем управлений подачей топлива.
Диапазон и скорость горения
Диапазон и скорость горения можно выразить графически. На рис. 9.3 показана приблизительная зависимость между температурой пламени и временем его распространения от момента возникновения искры для углеводородного топлива.
На рис. 9.4 показано соотношение между температурой пламени и концентрацией смеси. На рис. 9.5 показано соотношение между концентрацией смеси и скоростью горения.
Эти графики показывают, что минимальное время задержки (от А к В) приблизительно равно 0,2 мс для слегка обогащенной смеси. В то время как вторая стадия (от В к С), вообще говоря, зависит опт степени турбулентности смеси (от скорости вращении двигателя); по мере увеличения скорости вращения требуется увеличение опережения момента воспламенения. На рис. D.6 показано влияние неправильного выбора времени воспламенения. При раннем зажигании воспламенение начинается еще на фазе сжатия, что приводит к повышению максимального давления в цилиндре и обычно сопровождается снижением температуры выхлопа. При этом увеличивается скорость трения смеси, и процесс в целом имеет тенденцию к взрыву.
Детонация
Явление детонации— ограничивающий фактор для выходной мощности и эффективности двигателя с искровым воспламенением. Механизм детонации — нарастание внутри цилиндра двигателя волны давления, движущейся с такой скоростью, что ее улар о стенки цилиндра и поршень заставляет стенки цилиндра вибрировать и. таким образом, издавать характерный «звон». Когда искра воспламеняет горючую смесь из топлива и воздуха, ядро пламени растет сначала медленно, а затем быстро ускоряется. По мере того как фронт пламени продвигается, он сжимает перед собой еще не воспламененную смесь. Температура еще не воспламенившейся смеси поднимается за счет сжатия и теплового излучения от продвигающегося пламени, пока остающаяся часть смеси не воспламеняется спонтанным взрывом. Волна давления от этого взрыва проходит через горящую смесь с очень высокой скоростью, и стенки цилиндра испускают звенящий звук удара. Детонация не представляет опасности при малых скоростях движения, гак как водители обычно избегают этого, снижая нагрузку на двигатель при первом же предупреждении. Но на более высоких скоростях, когда уровень шума движения высок, характерный звук детонации часто почти невозможно обнаружить. Детонация — чрезвычайно опасная вещь, которая способна полностью разрушить двигатель. Высокая температура сжатия и давление способствуют детонации. Кроме того, важна способность пестревшей смеси поглощать или передавать тепло, излучаемое продвигающимся фронтом пламени. на эту способность влияют скрытая энтальпия (теплосодержание) смеси и конструкции камеры сгорания. Последняя должна быть устроена соответствующим образом для адекватного охлаждения несгоревшей части смеси, например, размещением ее вблизи хорошо охлаждаемой области вроде клапана входного отверстия. Путь фронта пламени должен быть максимально сокращен тщательным выбором расположения точки воспламенения. Прочие факторы включают время (и, следовательно, момент зажигания), так как реакция в несгоревшей смеси требует времени для своего развития, степень турбулентности (вообще говоря, более высокая степень турбулентности имеет тенденцию снижать детонацию за счет срыва фронта пламени) что наиболее важно, склонность самого топлива к детонации. Некоторые виды топлива о этом отношении ведут себя чуть лучше других. Чтобы улучшить качество топлива, его можно обработать добавками (на пример, тетраэтилсвинцом). Однако это усугубляет и без того трудную проблему выбросов. Топливо с хорошими антидетонационными свойствами — это изооктан, а наиболее склонен к детонации обычный гептан. Чтобы получить октановое число или оценку антидетонационных свойств конкретной смеси топлива, тест выполняют на двигателе, который работает при тщательно контролируемых условиях. и начало детонации сравнивают с теми значениями. которые получены от различных смесей изооктана и обычного гептана. Если работа двигателя идентична, например, работе на смеси 90% изооктана и 10% гептана, топливо имеет октановое число 90. Подмешивание к топливу воды (или метанола и полы) может уменьшить детонацию. Спиртосодержащее топливо, которое позволяет воле удерживаться в растворе, является полезным еще и потому, что благодаря скрытой энтальпии воды лает возможность добиться лучшего использования топлива.
Конструкция камеры сгорания
Чтобы избежать наступления детонации и преждевременного воспламенения, конструкторам приходится тщательно продумывать расположение клапанов и свечей зажигания. Малые двигатели жестко привязаны к тарельчатому клапану. Это вместе с ограничениями по пространству и наличием высоких степеней сжатия дарит конструктору интересные проблемы. Камера сгорания должна быть разработана с учетом следующих факторов:
♦ степень сжатия должна быть 9:1 для обычного двигателя, 11:1 или 12:1 для двигателя более высокого качества;
♦ свеча (свечи) должны быть помещены так, чтобы минимизировать длину пути пламени. Они не должны быть в карманах или как-то иначе закрыты, так как это уменьшает эффективное охлаждение, а также увеличивает тенденцию к циклическим изменениям параметров работы цилиндра.
Эксперименты свидетельствуют о значительном изменении давления в течение последующих так-то расширения. Эти изменения зависят от качества смеси в процессе работы двигателя. Снижение нагрузки и низкие степени сжатия также ухудшают условия протекания процесса. В то время как величина и положение точки максимального давления меняется, среднее эффективное давление, и мощность двигателя в значительной степени остаются неизменными.
Резюме по теме сгорания
В разделе 9.1 рассмотрены некоторые из проблем сгорания. Содержание раздела помогает понять некоторые другие разделы этой книги. В главе рас смотрены такие ключевые вопросы, как: время, необходимое для сгорания топливно-воздушной смеси; влияние изменений в концентрации смеси и в выборе момента воспламенения на параметры работы цилиндра; последствия детонации и ряд других проблем, возникающих при проектировании двигателя. Знания об изучаемом предмете постоянно пополняются. Точный контроль параметров функционирования двигателя - один из ключевых моментов для управления процессом сгорания. Эта проблема раскрывается в других главах.
Режимы эксплуатации
Идеальное отношение «воздух/топливо» приблизительно равно 14,7:1. Это теоретическое количество воздуха, требуемое для полного сжигания топлива. Оно определяет лямбда - показатель (?„) со значением! .
X — (фактическое количество воздуха)/(теоретическое количество воздуха).
Воздушно-топливное отношение при различных эксплуатационных режимах двигателя изменяется, чтобы улучшить качество его работы, ходовые свойства автомобиля, потребление топлива и состав выхлопных газов. Перечислим основные режимы работы двигателя с точки зрения используемой смеси:
♦ холодный старт — обогащенная смесь необходима для компенсации конденсации топлива и улучшения ходовых качеств автомобиля в этом режиме;
♦ нагрузка или ускорение — обогащенная смесь улучшает работу двигателя; ♦ равномерная езда или легкие нагрузки — обедненная смесь позволяет экономить топливо.
♦ запредельный режим — очень бедная смесь (насколько возможно) используется, чтобы улучишь состав выхлопных газов и повысить экономичность двигателя.
Чем точнее управление качеством воздушно-топливной смеси, тем лучше в целом работа двигателя.
Выхлопные газы
На рис. 9.11 показаны теоретические и фактические результаты анализа продуктов сгорания топлива.
Верхняя часть рисунка - идеальная картина, нижняя часть— реальный результат при нормальных условиях. Отметим, что этот результат получен до дальнейшей обработки выхлопа, например, каталитическим конвертером. На рис. 9.12. показано процентное соотношение различных составляющих выхлопных газов. Объем загрязнителей является малым, но в того, что они исключительно ядовиты, их присутствие крайне нежелательно. Сегодня существуют строгие законодательные меры, направленные на поощрение сокращения выбросов. Фактические значения объемов выбросов меняются в зависимости от конструкции двигателя, режимов эксплуатации, температуры, равномерности движения и некоторых других факторов. В табл. 9.1. дан список четырех основных опасных для здоровья составляющих выхлопа вместе с их кратким описанием.
Области управления
Существует один из; вариантов регулируемого карбюратора Вентури (рис. 9.17) с электронным управлением. Вообще говоря, электронное управление карбюратором используется в следующих областях.
Скорость холостого хода Карбюратор, управляемый шаговым электромотором. Это предотвращает остановку двигателя и обеспечивает при этом очень низкую скорость вращения на холостом ходу с целью экономии топлива и уменьшения вредных выбросов. Кроме того, скорость холостого хода может быть изменена в ответ на сигнал от автоматической коробки передач, чтобы предотвратить либо полную остановку двигателя, либо попытку юза автомобиля.
Режим прогрева
Тот же самый шаговый электромотор, упомянутый выше, в течение периода прогрева двигателя управляет оборотами холостого хода в ответ на сигнал от датчика температуры двигателя.
Отключение подачи топлива
Клапан, приводимый а действие маленьким соленоидом, или другой механизм блокирует поступление топлива при определенных условиях эксплуатации двигателя. Например: температур двигателя - выше заданного уровня, скорость двигателя - выше предела на педали акселератора находится в не рабочем положении. Главный объект регулирования — соотношение •воздух-топливо* - результат функционирования механической конструкции, которую очень трудно контролировать электрическими средствами. В некоторых системах применялось электронное управление иглой и жиклером, но это не получило большого распространения.
Впрыск топлива
Датчик скорости двигателя
Большинство систем впрыска, не объединенных непосредственно .с зажиганием, получают сигнал с отрицательной клеммы катушки зажигания. Таким образом получаются данные о скорости вращения, а также, до определенной степени, и положения вала двигателя. Обычно используется последовательно подсоединенный резистор, ограничивающий амплитуду напряжения, поступающего на вход блока управления ECU.
Температурный датчик
На рис. 9.25. представлен простой термистор, с которого получают информацию о температуре охлаждающей жидкости.
Лямбда-датчик
Это устройство (рис. 9.27) обеспечивает информацию для ECU о содержании кислорода в выхлопных газах, на основе этой информации могут быть скорректированы параметры регулировании, гарантирующие сохранение состава смеси. близкого, к стехиометрическому. Там же показан датчик давления камеры сгорании.
Топливный инжектор
На рис. 9.29 показаны дна типа инжекторов - осевой и дисковый. Они представляют собой простые клапаны с соленоидом, сконструированные так, чтобы срабатывать максимально быстро и создавать струю топлива точно определенной структуры. Резисторы инжектора. Эти резисторы использовались на некоторых системах, когда сопротивление катушки инжектора было очень низкое. Пониженное реактивное сопротивление (малая индуктивность) цепи позволяет обеспечить большее быстродействие инжекторов. Большинство систем теперь ограничивает максимальный ток инжектора с ECU способом, похожим на описанный ранее для катушек зажигания низкого сопротивления.
Топливный насос
Топливный насос (рис. 9.30) гарантирует постоянную подачу топлива в топливный трубопровод. Объем топлива в трубопроводе действует как демпфер, поглощающий колебания давления при работе инжекторов. Насос должен быть и состоянии поддерживать давление в трубопроводе на уровне 3 Бар.
Регулятор давления топлива
Регулятор давления топлива (рис. 9.31) гарантирует постоянное разностное давление на инжекторах, Это — механическое устройство, око имеет связь с входным отверстием коллектора.
Комбинированное реле
В различных системах комбинированное с реле (рис. 9.33.) выглядит по разному, но в основном это два реле в самом корпусе. Одно управляет топливным насосом, а другое подаст питание к остальной части системы инжекции. Обычно реле управляются от ECU и будет работать только в том случае, когда импульсы зажигании расцениваются системой как безопасные. Работа топливного насоса разрешается, если двигатель запускается или работает.
Электронный блок управления
Ранние блоки управления были аналоговыми. Все современные блоки управления двигателем (рис. 9.34) используют цифровую обработку сигналов.
Резюме
Развитие систем впрыска топлива в целом, и упрошенных одноточечных систем в частности, сделал к карбюраторную систему анахронизмом. Поскольку инструкции по регулированию выбросов становятся все более строгими, изготовители вынуждены использовать впрыск топлива даже ни моделях пониженной стоимости. Этот большой рынок, к свою очередь, сдвинет иены на системы впрыска вниз, делая их сопоставимыми по пенс с карбюраторными системами, но с более высоким качеством работы.
Впрыск дизельного топлива
Введение
Основной принцип действия четырехтактного дизельного двигателя очень напоминает бензиновую систему. Главное различие заключается в том, что формирование смеси происходит в цилиндрической камере сгорания, поскольку топлива вводится под очень высоким давлением на такте сжатия. Выбор времени и количество вводимого топлива важны с точки зрения качества работы, экономии топливо и выбросов. Топливо для впрыска в камеру сгорания отмеряется с помощью насоса высокого давления, связанной с инжекторами через мощный трубопровод. При впрыске топливо смешивается а цилиндре с воздухом к самовоспламеняется при температуре около 800 °С. Формирование смеси в цилиндре находится под влиянием следующих факторов.
Давление впрыска
Давление впрыска влияет на количество топлива, но наиболее важно влияние давления на степень дисперсности струи. При более высоких давлениях топливо будет рассеиваться на более мелкие капли с соответствующим улучшением показателей сгорании. Системы косвенного впрыска используют давление около 350 бар, тогда как системы прямо го впрыска могут подать давление до 1000 бар. Образование сажи уменьшается при более высоком давлении впрыска.
Примеры для изучения
Система 12-Jetronic
В этой системе произведены незначительные изменения по сравнению с системой L. Так, исключены резисторы, последовательно включенные с при приводом инжектора, поскольку теперь выходной ток инжекторов ограничивает блок управления. Сопротивление обмотки инжектора — 16 Ом.
Система LEI-Jetronic
Резисторы ограничении тока в этой системе не используются, и применен регулируемый переключатель положения дросселя. Топливный насос не имеет контактов безопасности в датчике воздушного потока. Цель обеспечения безопасности включена в электронное реле. Она позволяет топливному насосу работать только а случае включенного зажигании, то есть когда двигатель вращается.
Система LE2-Jefronk
Эта система очень похожа на систему LEI, за исключением того, что термодатчик времени и инжектор холодного пуска не используются. Блок управления определяет степень обогащения смеси при холодной запуске и, соответственно, настраивает период открытия инжектора.
Система Lu Jetronic
Эта система - дальнейшая модификация систем LE, но она также использует управление с замкнутым контуров по лямбда- показателю.
L3-Jetronic
Блок ECU для системы L3-Jctronic включает измеритель воздушного потока, как показано на рис. 9.44. В ECL включены средства «подстраховки». Систему можно заставить работать либо без контроля, либо с контролем по замкнутому контуру лямбда- показателя. Воздушно- топливное отношение можно регулировать потенциометром о ECU.
LH-Jetronic
Система LH включает многие усовершенствования, отмеченные выше. Главное ее отличие заключается в том, что в ней используется измеритель воздушного потока с нагретой нитью, Расположение компонентов системы показано на, рис. 9.45. Ведутся дальнейшие разработки, но. вообще говоря» большинство из них связаны с развитием в направлении объединения систем управления подачей топлива и зажигания, как эти будет рассмотрено в следую- шей главе.
Коррекция напряжения
Если напряжение батареи падает, длина импульса увеличивается. Это должно компенсировать «замедление реакции» инжекторов.
Обогащение горячего пуска
Короткий период дополнительного обогащения используется, чтобы помочь с горячим стартом.
Обогащение ускорения
Когда ECU обнаруживает ускорение транспортного средства по возрастанию напряжения от датчика дроссельной заслонки, длина импульса увеличивается, чтобы достигнуть более ровной реакции двигателя. Дополнительное топливо необходимо, поскольку быстрое открытие заслонки вызовет внезапный приток воздуха, и без дополнительной подачи топлива слабая смесь привела бы к провалу мощности.
Обеднение замедления
ECU обнаруживает это условие по падению напряжения на потенциометре дроссельной заслонки. Длина импульса сокращается, чтобы уменьшить потребление топлива и снизить выхлоп.
Снижение выбросов
С помощью более высоких давлений впрыска (до 2000 бар) достигается сокращение выбросов микрочастиц и окислов NOx и снижение уровня шума, традиционно связанного с дизельными двигателями.
Адаптация к топливу
Эта функция обеспечивает очень быструю переходную реакцию улучшая ходовые качества автомобиля.
Предварительный впрыск с электронным управлением
Новая техническая идеи, разработанная для соблюдения более строгих стандартов выброса NOx без ухудшения уровня потребления топлива. Так же уменьшает шум выхлопа.
Связь с другими системами
Связанная с блоком управления двигателем система £UJ может общаться с другими системами транспортного средства, например, системами антиблокировки тормозов, коробки передачи и усилителя руля, делая возможным дальнейшее развитие узлов автомобиля.
Отключение цилиндров
Эго свойство используется при диагностике и предоставляет дополнительную возможность экономии топлива в режиме холостого хода и низких нагрузок.
Компактная конструкция
Компактная конструкция внешнего оформления инжектора позволяет системе LD C R использовать 2 или 4 клапана на цилиндр двигателя.
Модульная система
С одним электронно-управляемым инжектором на цилиндр двигателя система становится модульной и может использоваться на двигателях с 3,4, 5 и 6 цилиндрами.
Меньше выбросы окислов NOx
Чтобы уменьшить выбросы, особенно окислов NOx, можно использовать серию впрысков и до, и после основного впрыска. Это позволяет системе удовлетворить строгие критерии выбросов, требуемые стандартом EUUO-JIJ, законодательством С Ш А US-98 и других стран.
Обработке выхлопных газов
В фокусе внимания компании Bosch по дальнейшем понижению выбросов дизельного двигателя прежде всего внутреннее совершенствование двигателя. Улучшение процесса сгорания топлива максимально предотвращает образование загрязните лей, а также уменьшает потребление топлива. В этом отношении производители автомобилей и их поставщики комплектующих уже достигли большого прогресса. Многие транспортные средства с максимально допустимым полным весом 1600-1800 кг (а в некоторых случаях и более) окажутся в пределах ограничений стандарта EURO 4 даже без какой- либо системы обработки выхлопа. Однако тяжелые пассажирские машины без систем обработки выхлопа не будут отвечать стандартам EURO 4. Методика электронного управления двигателем (Electronic Diesel Control — EDC) компании Bosch включает установку фильтров микрочастиц и каталитических конвертеров, улавливающих окислы азота. Это гибко совмещает впрыск с требованиями к системам обработки выхлопа, например, изменением количества и времени впрыска. ED C также согласует с потребностями двигателя количество подаваемого воздуха. Это достигается благодаря управлению рециркуляцией выхлопного газа и определением положения дроссельного клапана и рабочего давления турбо компрессора выхлопного газа. Датчики передают ED C информацию о температуре, противодавлении и составе выхлопного газа. Устройство по этому может не только определить условия работы фильтра микрочастиц и каталитического конвертера окиси азота, но и улучшить качество сгорания а двигателе.
Введение
Как и во всех системах, здесь необходимо придерживаться шести стадий поиска ошибок:
1. Проверьте наличие ошибки.
2. Соберите дополнительную информацию.
3. Оцените полученные сведения.
4. Выполняйте тесты далее в логической последовательности.
5. Устраните проблему.
6. Проверьте все системы.
Процедура, описанная в следующем разделе, связана, прежде всего, с четвертой стадией предлагаемого процесса поиска ошибок. В табл. 9.5 приведены некоторые общие признаки неисправно работающей топливной системы вместе с путями поиска возможной ошибки. Отметим, что при диагностике ошибок топливной системы тс же самые признаки могут указывать на проблему зажигания.
Процедуры испытаний
Caution/Achtung/Attention/Внимание! ■= Горящее топливо может серьезно повредить здоровью! Следующая процедура является основополагающей и, при небольшой адаптации, может быть применена к любой топливной системе впрыска. При малейшем сомнении обратитесь к рекомендациям изготовителя. Предполагается, что система зажигания работает правильно. Большинство тестов выполняется при запуске двигателя.
Новые разработки
Вопросы для самопроверки
Вопросы
Ответьте на следующие вопросы для проверки своих знаний:
1. Объясните, что обозначается лямбдой (Л) со значением 1.
2. Обоснуйте пять преимуществ впрыска топлива.
3. Опишите влияние выбора времени воспламенения на процесс сгорания.
4. Опишите влияние качества смеси на процесс сгорания.
5. Нарисуйте блок-схему топливной системы впрыска. Опишите кратко назначение каждого компонента.
6. Объясните процесс сгорания в дизельном двигателе.
7. Опишите, как достигается электронное управление впрыском дизельного топлива, и обоснуйте преимущества метода EUL
8. Перечислите все главные компоненты электронной систему управления карбюратором и обоснуйте назначение каждого компонента.
9. Сделайте четкий эскиз, показывающий действие топливного инжектора.
10. Опишите шесть источником вредных выбросов транспортного средства и кратко рас скажите. как изготовители автомобилей борются с каждым из них.
Задание
Нарисуйте таблицу о виде сетки 8x8 для цифровой системы управления топливом. Горизонтальна* ось должна представлять скорость двигателя от ноля до 5000 об/мин, а вертикальная ось - нагрузку двигателя от ноля до 100%. Заполните все ячейки правдоподобными цифрами и объясните, почему вы выбрали эти цифры. Вы должны объяснить тенденции, а не каждую индивидуальную цифру. Загрузите «Автомобильную технологию программу электронного моделирования с сайта автора и посмотрите, согласуются ли паши цифры с цифрами в программе. Обсудите причины» почему они могут отличаться.
Электронное управление подачей топлива
Сгорание
Введение
Процесс сгорании топлива в двигателях с воспламенением от искры и воспламенением от сжатия лучше всего рассматривать для бензиновых и дизельных двигателей по очереди. После многих лет исследования наиболее важных практических аспектов сгорания эти процессы все еще вызывают немало вопросов. Для получения самых новейших данных необходимо регулярно обращаться к соответствующим источникам. Однако раздел о сгорании, помещенный в этой книге, содержит немало информации. позволяющей составить взвешенное мнение о конструкции и функционировании электронных систем управлений подачей топлива.