Структурная схема типовой электронной системы управления двигателем
Поскольку работа всех систем управления впрыском топлива, которые будут рассматриваться ниже, так или иначе определяется работой ЭБУ, есть смысл сначала, объяснить работу всей системы электронного управления двигателя, а потом рассмотреть отличия и методы диагностики различных систем впрыска. Структурная схема типовой системы управления двигателем изображена на рисунке.
В электронную систему управления двигателя, кроме самого ЭБУ, входят датчики, которые подразделяются на аналоговые и цифровые. Расположение датчиков на двигателе показано на рисунке ниже.
Аналоговые датчики – это датчики, выходным параметром которых является величина напряжения. К ним относятся:
- датчик положения дроссельной заслонки ДПДЗ (поз. 2). Представляет собой потенциометр, движок которого механически соединен с дроссельной заслонкой. При повороте дроссельной заслонки меняется положение движка потенциометра, а следовательно, и выходное напряжение. По величине и скорости изменения этого напряжения ЭБУ определяет степень нажатия на педаль газа;
- датчик абсолютного давления в трубопроводе (датчик МАР) (поз. 21) – это кремниевый кристалл, на поверхности которого сформирован мостик сопротивлений. Ток через мостик изменяется под действием деформаций (пьезорезистивный эффект), вызванных изменением давления. Этот ток усиливается и вводится температурная компенсация. Датчик измеряет изменение давления во впускном трубопроводе, которое зависит от изменения нагрузки двигателя и скорости автомобиля, и преобразует его в напряжение на выходе.
Датчик МАР также используется для измерения барометрического давления при запуске двигателя и других определенных условиях, что позволяет ЭБУ автоматически регулировать качество горючей смеси. ЭБУ подает на вход датчика МАР напряжение 5 В и отслеживает напряжение на линии сигнала. Датчик связан с «массой» через переменный резистор. Сигнал с датчика МАР влияет на подачу топлива и опережение зажигания, определяемые ЭБУ.
- датчик температуры поступающего воздуха (поз. 19) сделан на базе терморезистора с отрицательным коэффициентом сопротивления. По его показаниям ЭБУ корректирует объем впрыска топлива, так как воздух меняет вес в зависимости от температуры.
- датчик температуры охлаждающей жидкости расположен на рубашке охлаждения двигателя (поз. 7) и аналогичен датчику температуры воздуха. По его сигналу ЭБУ оценивает температуру двигателя и обеспечивает обогащение топливной смеси при запуске холодного двигателя.
К цифровым датчикам относятся датчики, выходной сигнал которых имеет форму импульсов. Это следующие датчики:
- датчик скорости и положения коленчатого вала (поз. 3). Работа датчика основана на эффекте Холла. По частоте и фазе выходных импульсов ЭБУ определяет скорость вращения и положения коленвала в конкретной точке. Также при поступлении импульсов с датчика ЭБУ получает информацию о прокрутке двигателя. Если сигнала нет, то подачи бензина не происходит и двигатель не заведется. Тоже происходит, когда частота вращения коленатого вала превышает допустимую.
- датчик положения распределительного вала (поз. 1) определяет верхнюю мертвую точку в первом цилиндре на такте сжатия, и, получив сигнал с этого датчика ЭБУ определяет последовательность впрыска топлива.
- датчик скорости автомобиля представляет собой язычковое реле. Оно встроено в спидометр и на выходе имеет последовательность импульсов, частота которых пропорциональна скорости вращения привода прибора.
- датчик детонации (поз. 20) подсоединен к блоку цилиндров и отслеживает возникновение детонации в двигателе. Детонационные вибрации фиксируются чувствительным пьезоэлементом.
При возникновении детонации время опережения зажигания будет корректироваться системой, чтобы предотвратить детонацию.
- датчик кислорода – λ-зонд устанавливается в выпускной системе. Он выдает данные о концентрации кислорода в отработанных газах. В датчике используется сильная зависимость ЭДС твердотелого гальванического элемента из двуокиси циркония или титана от концентрации кислорода. Такая электрохимическая ячейка, реагируя на атомы кислорода, создает на полюсах разность потенциалов до 1 В. Это напряжение является управляющим. Оно поступает в ЭБУ, которое корректирует состав ДВС до тех пор, пока в отработанных газах не останется свободного, не вступившего в реакцию кислорода, т.е. добивается стехиометрического состава смеси.
Описание работы электронного блока управления
Так как сигналы, поступающие с датчиков, не годятся для непосредственной обработки в центральном процессоре, который понимает, как правило, только последовательность прямоугольных TTL импульсов, информация датчиков проходит дополнительную обработку. При этом сигналы аналоговых датчиков преобразуются в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Сигналы цифровых датчиков тоже нуждаются в обработке, поскольку форма и амплитуда сигнала, получаемая с них, тоже отличается от нужного вида. Поэтому информация от этих устройств проходит через систему обработки входных сигналов, где импульсы, генерируемые датчиками приводятся к виду TTL импульсов.
Сигнал с датчика детонации проходит отдельную обработку и поступает на специальный восьмиразрядный контроллер. После чего обработанный цифровой сигнал подается на центральный процессор, который получив эти данные, а также проанализировав показания датчиков положения коленатого вала, распредвала, определяет цилиндр в котором происходит детонация и производит изменения количества впрыска в конкретных форсунках или увеличивает угол опережения зажигания.
Структурная схема центральной ЭВМ стандартна для подобных устройств. Она состоит из:
- центрального процессора,
- оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), в котором содержится информация, необходимая для текущей работы двигателя,
- постоянного запоминающего устройства (энергонезависимое ПЗУ). В нем содержится вся информация о параметрах автомобиля – тип двигателя, его параметры, установочный угол опережения зажигания, параметры системы питания, тип используемого топлива, нормальные показания датчиков, коды противоугонного устройства и многое другое.
Обрабатывая показания датчиков и сравнивая их значения с данными, хранящимися в ОЗУ и ПЗУ, процессор осуществляет необходимую коррекцию работы систем двигателя. Воздействовать непосредственно на исполнительные механизмы центральный контроллер не может, поскольку токи переключателей достаточно велики и могут вывести из строя микросхему, поэтому используется система обработки выходных сигналов. Она состоит из цифрово-аналогового преобразователя (ЦАП), предназначенного для перевода цифровых сигналов центральной ЭВМ в сигналы, пригодные для работы микросхем-драйверов. Эти микросхемы в соответствии с полученной информацией воздействуют на мощные электронные транзисторные ключи, которые и запускают исполнительные внешние устройства.
Для связи и синхронизации работы ЭБУ с внешними электронными устройствами – контроллерами автоматической коробки передач, автоблокировочной системы, климат контроля, устройств диагностики, используется особый протокол передачи данных, поддерживаемый специальным контроллером.
Питание ЭБУ производится от бортовой электрической сети. Напряжение 12 поступающее на вход преобразуется в стабилизированное напряжение 5 В внутренним источником питания. К исполнительным устройствам относятся:
- Схема зажигания, в которой замыкание и размыкание катушек зажигания происходит ключами ЭБУ в зависимости от сигналов, поступающих на них с центрального контроллера.
- Механизмы управления частотой вращения холостого хода (Механизм ISC) имеет две катушки, управляемые раздельно с помощью инверсных сигналов, поступающих с ЭБУ и обеспечивающих взаимодействие электромагнитных сил на катушках. Результатом такого взаимодействия будут различные углы поворота шагового электродвигателя. При наличии механизма управления частотой вращения холостого хода организуется перепускной шланг, подключенный параллельно дроссельной заслонке.
- Клапаны (соленоиды) инжекторов (поз. 18). Инжекторы впрыскивают топливо по сигналам, поступающим с ЭБУ. Количество топлива, впрыскиваемого инжектором, определяется временем, в течении которого подается напряжение на электромагнитный клапан. Меняя время открытия инжекторов, ЭБУ регулирует количество и качество смеси, добиваясь максимальной мощности работы двигателя во всех режимах.
- Для уменьшения количества вредных импульсов в современных автомобилях применяются различные экологические системы. Они воздействуют на двигатель путем дожигания паров бензина, рециркуляцией отработанных газов, подачей дополнительного воздуха. Подробно о них я расскажу в следующих статьях.
Во всех современных двигателях предусмотрено подключение диагностического сканера, работающего по протоколу OBD-2. Для этого в салоне автомобиля предусмотрен специальный диагностический разъем, к которому подключается сканер С его помощью можно произвести полную диагностику автомобиля, считать ошибки, просмотреть в графическом виде основные параметры.
Функционирование ЭБУ в различных режимах работы двигателя.
Работа ЭБУ будет описана для распределенной импульсной системы впрыска, применяемой в четырехцилиндровом двигателе. Она наиболее часто используется в современных автомобилях среднего класса. В этой системе количество топлива, подаваемое форсунками, регулируется импульсным сигналам на соленоиды инжекторов. ЭБУ отслеживает данные о состоянии двигателя, рассчитывает потребность в бензине и определяет необходимое время открытия форсунок. Для увеличения подачи топлива длительность импульса увеличивается, а для уменьшения сокращается.
Контроллер ЭБУ оценивает результаты своих действий с помощью датчиков, запоминает ошибки и вводит коррективы в свою работу. Самообучение процессора является непрерывным и действует в течении всего срока службы автомобиля.
Подача топлива происходит по разным методам:
- Синхронному, когда впрыск топлива происходит при определенном положении коленчатого вала.
- Асинхронному, т.е. без синхронизации с вращение коленчатого вала.
Наиболее часто применяется синхронный способ подачи топлива. Асинхронный используется в основном при пуске двигателя и режиме ускорения.
Форсунки включаются попарно и поочередно: сначала форсунки 14 цилиндров, а после поворота коленчатого вала на 180º форсунки 2 и 3 цилиндра. Таким образом каждая форсунка включается один раз за полный оборот коленчатого вала два раза за полный цикл работы двигателя.
Количество впрыснутого топлива определяет ЭБУ в зависимости от состояния двигателя и следующих режим работы:
1.Первоначальный впрыск топлива происходит, когда коленчатый вал начинает прокручивается стартером. При этом на ЭБУ происходит первых импульс от датчика вращения коленчатого вала. Получив этот сигнал, ЭБУ дает команду на включение сразу всех форсунок, чем ускоряется пуск двигателя. Такая команда следует каждый раз при пуске двигателя. Причем время открытия форсунок зависит от температуры: на холодном двигателя импульс длиннее, на горячем короче. После первоначального впрыска ЭБУ переходит в синхронный режим управления форсунками.
2.Пуск двигателя. При включении зажигания контроллер дает команду на включение реле бензонасоса для создания давления в магистрали подачи топлива к топливной рампе. Соотношение воздух/топливо при пуске ЭБУ определяет к зависимости от показания датчиков температуры охлаждающей жидкости и входящего воздуха. После начала вращения коленвала ЭБУ работает в пусковом режиме, пока скорость не превысит 400 об/мин, или не наступит режим продувки «залитого» двигателя.
3.Режим продувки двигателя. Если двигатель «залит» топливом (т.е. топливо намочило свечи зажигания), он может быть очищен путем полного открытия дроссельной заслонки при одновременном проворачивании коленчатого вала. При этом ЭБУ не подает импульсы впрыска на форсунки и свечи должны очиститься. Процессор поддерживает этот режим до тех пор, пока обороты коленчатого вала ниже 400 об/мин, и датчик положения дроссельной заслонки показывает, что она полностью открыта. Если Дроссельная заслонка удерживается почти полностью открытой при пуске двигателя, то он не запуститься, т. к. при полностью открытой дроссельной заслонке импульсы вспрыска на форсунку на подаются.
4.Рабочий режим управления топливоподачей. После пуска двигателя (обороты превышают 400 об/мин) ЭБУ переходит в рабочий режим. При этом контроллер рассчитывает длительность импульса на форсунки по сигналам датчика положения коленчатого вала, массового расхода воздуха, датчика температуры охлаждающей жидкости и положения дроссельной заслонки. При холодном двигателе (менее 50º С) система работает без обратной связи (датчик кислорода отключен). Это необходимо в связи с тем, что при прогреве двигателя требуется более богатая смесь и соотношение воздух/топливо будет отличаться от стехиометрического. Этот же режим включается при резком ускорении и в мощностном режиме.
5.Рабочий режим для систем вспрыска с обратной связью. В этом режиме на работу ЭБУ влияют показания датчика кислорода. От его показаний зависит длительность импульсов вспрыска. При этом если сигнал имеет низкое напряжение (обедненная смесь) или высокое напряжение (обогащенный состав смеси), то корректировка продолжается до достижения напряжения сигнала, соответствующему стехиометрическому составу смеси (режим постоянных переключений, свидетельствующих о работе датчика в нормальных условиях). Считается нормальным диапазоном регулировки топливоподачи по замкнутому контуру в пределах 20% коррекции топливной смеси. Значения выходящие за этот диапазон являются признаками неисправности компонентов системы. Если корректировка топливоподачи в режиме замкнутого контура вышла за пределы регулирования, то через какое-то время ЭБУ определит, что работа системы подачи топлива нарушилась и контроллер дает команду на включение лампы «проверь двигатель» и внесет в память соответствующий код ошибки, например, «обогащенная смесь». При этом система программно переключается в режим разомкнутого контура. В этом случае коррекцию топливной смеси ЭБУ осуществляет в соответствии показания датчиков расхода воздуха и частоты вращения коленвала, пользуясь с заложенными в ОЗУ ЭБУ данными.
6.Режим обогащения при ускорении. ЭБУ контролирует не только положение дроссельной заслонки, но и скорость ее перемещения. При резком изменении показания датчика процессор выдает команду о переходе в кратковременный режим резкого обогащения смеси. При этом длительность импульсов на форсунках увеличивается, что обеспечивает автомобилю быстрое ускорение. Датчик кислорода при этом отключается.
7.Режим мощностного обогащения. Для достижения максимальной мощности требуется обогащенная горючая смесь, и ЭБУ изменяет соотношение воздух/топливо приблизительно 12/1. Система в этом случае работает в режиме разомкнутого контура.
8.Режим обеднения при торможении. При торможении автомобиля с закрытой дроссельной заслонкой может увеличиться выброс в атмосферу токсичных веществ. Для предотвращения этого ЭБУ уменьшает подачу топлива в уменьшении угла открытия дроссельной заслонки и количества расхода воздуха.
9.Режим отключения подачи топлива при торможении двигателем. При торможении двигателем, т.е. при движении со включенной передачей и закрытой дроссельной заслонкой, ЭБУ может на короткое время полностью отключать импульсы впрыска. Условиями отключения импульсов вспрыска при торможении являются:
- Закрытая дроссельная заслонка.
- Скорость автомобиля выше 30 км/ч.
- Частота вращения коленчатого вала выше 1800 об/мин.
- Температура охлаждающей жидкости не ниже 20ºC.
ЭБУ отменяет режим отключения подачи топлива при торможении, если изменились следующие параметры.
- Дроссельная заслонка открылась на 2% и более.
- Скорость автомобиля ниже 30 км/час.
- Частота вращения коленчатого вала ниже 1800 об/мин.
- Выключение сцепление (резкое падение частоты вращения коленчатого вала).
10.Компенсация падение напряжения питания в бортовой сети. При падении напряжения схема зажигания может давать слабую искру, а время срабатывания клапанов форсунки увеличивается. ЭБУ компенсирует это увеличением длительности открытия форсунок и времени замкнутого состояния первичных обмоток катушек зажигания.
11.Режим аварийного отключения подачи топлива. При включенном зажигании топливо форсункой не подается, во избежание самовоспламенении смеси при перегретом двигателе. Кроме того импульсы вспрыска не подаются, если ЭБУ не получает сигналов с датчика положения коленчатого вала, что воспринимается как остановка ДВС. Отключение питания также происходит при превышении предельно допустимой частоты вращения коленчатого вала двигателя, равной примерно 6500 об/мин, для защиты двигателя от перегрузки.
12.Управление электровентилятором системы охлаждения. Электровентилятор включается и выключается ЭБУ в зависимости от температуры двигателя, частоты вращения коленчатого вала, работы кондиционера и других факторов. Электровентилятор включается с помощью вспомогательного реле в том случае, если температура охлаждающей жидкости превысит 101ºC или будет дан запрос на включение кондиционера. Выключение происходит после падения температуры охлаждающей жидкости ниже 97ºC, отключения кондиционера, или выключения двигателя. (Температура включения и выключения вентилятора зависит от программы в ЭБУ двигателя.)
13.Обнаружение и регистрация неисправностей. ЭБУ постоянно выполняет самодиагностику по некоторым функциям управления. При обнаружении неисправности ЭБУ заносит код ошибки в память, и включатся контрольная лампочка «CHECK ENGINE». О том, как правильно диагностировать неисправности в этих системах будет подробно рассказано в следующих статьях.
Как провести диагностику двигателя автомобиля своими силами? Читайте в следующем материале:
Диагностика инжекторных двигателей. Учебный курс для начинающих.
