Не секрет, что двигатели всех современных автомобилей управляются электроникой. Однако даже опытные водители не всегда понимают, как осуществляется этот контроль.
Принципы работы ЭБУ
Не секрет, что двигатели всех современных автомобилей управляются электроникой. Однако даже опытные водители не всегда понимают, как осуществляется этот контроль. Они предпочитают пренебрежительно сказать: «О, электроника!» в случае возникновения непонятных им неисправностей.
Однако на практике все не так сложно, как кажется на первый взгляд. Таким образом, контроль и управление всеми процессами в двигателе осуществляется в основном электронным блоком управления (ЭБУ). Хотя его часто называют «мозгом», на самом деле он лишь выполняет различные вычисления и не принимает никаких решений самостоятельно.
Его задача — определить правильную пропорцию топливовоздушной смеси и момент зажигания на основе информации от датчиков. Главное, что нужно понять, — сами по себе датчики ничего не включают и не выключают. Все, что они делают, — отправляют информацию в блок управления. Управление осуществляется ЭБУ.
Целью такого регулирования является достижение баланса в работе двигателя между мощностью, экономичностью и экологичностью. [Часть 1. Выходные сигналы] [Управление количеством топлива] Бензин впрыскивается в двигатель форсунками. Время и продолжительность впрыска контролируются электроникой. Для работы двигателя внутреннего сгорания идеальное соотношение массы воздуха к массе бензина составляет 14,7 к 1.
При таком соотношении сгорание топлива считается идеальным. Ни одна капля бензина, ни один грамм воздуха не останутся несгоревшими. Такая идеальная смесь называется стехиометрической. Следует понимать, что за 4 такта работы двигателя топливо впрыскивается только один раз на цилиндр; Соответственно, для правильного впрыска топлива необходима информация о том, когда этот впрыск должен быть выполнен и сколько бензина необходимо впрыснуть. Количество бензина рассчитывается по количеству поступающего в двигатель воздуха, а информацию о моменте начала такта впуска ЭБУ получает от датчиков коленчатого и распределительного валов.
Следующее, что контролируется электронным блоком, — это катушки зажигания. При вращении двигателя поршни движутся попарно синхронно, то есть первый и четвертый поршни достигают верхней мертвой точки одновременно. В это же время второй и третий поршни достигают нижней мертвой точки; Однако в любой момент времени каждый поршень совершает свой собственный ход.
Например, первый и четвертый поршни движутся вниз, но первый цилиндр находится на такте впуска, а четвертый — на такте рабочего хода. Таким образом, воспламенение топлива происходит в одном цилиндре за раз. Воспламенение происходит следующим образом. Незадолго до момента зажигания ЭБУ подает сигнал на электронный ключ, который, замыкая свои силовые контакты, подает напряжение на первичную обмотку катушки зажигания. В результате через него начинает протекать ток, и катушка заряжается. В момент зажигания ЭБУ прекращает подачу сигнала, цепь разрывается и во вторичной обмотке катушки за счет электромагнитной индукции возникает напряжение. Напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания составляет тысячи вольт, тогда как на первичную обмотку подается всего 12 вольт. Это высокое напряжение необходимо для создания искры между электродами свечи зажигания. Из всего этого главное, что следует запомнить: ЭБУ контролирует момент появления искры на свече зажигания. Теперь о самом моменте зажигания. Воспламенение происходит не в верхней мертвой точке поршня, а немного раньше.
Идеальный момент зажигания наступает тогда, когда коленчатый вал должен провернуться еще на 10–12 градусов, чтобы поршень достиг верхней мертвой точки. Этот угол называется углом опережения зажигания. [Часть 2. Входные сигналы] [Датчик положения коленчатого вала] Теперь поговорим о сигналах от датчиков, передающих информацию в ЭБУ.
Положение коленчатого вала является наиболее важной информацией для системы управления. Без этого датчика работа двигателя невозможна. Этот датчик расположен рядом со шкивом коленчатого вала. Шкив имеет специальные зубцы, которые подсчитывает датчик. Датчик коленчатого вала реагирует на приближение к нему металла. При приближении зуба шкива датчик посылает импульс в ЭБУ.
Для определения верхней и нижней мертвых точек поршней на шкиве отсутствуют некоторые зубья. Допустим, на одной стороне отсутствует один зуб, а на противоположной стороне — два зуба. Если в последовательности импульсов, полученных от датчика, отсутствует один импульс, это означает, что поршни первого и четвертого цилиндров находятся в верхней мертвой точке.
Если отсутствуют два импульса, это означает, что поршни второго и третьего цилиндров находятся в мертвой точке. [Датчик положения распределительного вала (фазовый датчик)] Для управления ходом поршня двигателя одного лишь датчика положения коленчатого вала недостаточно. Необходима информация о том, в какой фазе находится каждый поршень.
Для этого существует датчик положения распределительного вала (датчик фазы). Этот датчик работает по тому же принципу, что и датчик положения коленчатого вала. Он реагирует на появление металла вблизи него. Распределительный вал вращается со скоростью, составляющей половину скорости коленчатого вала.
То есть за четыре такта коленчатый вал совершает два полных оборота, а распределительный вал — только один. На распределительном валу имеются три метки. Один находится с одной стороны, а два других — с противоположной. Соответственно, в зависимости от этих меток датчик посылает в ЭБУ либо один импульс, либо два.
Давайте разберемся, как все это работает. Датчик коленчатого вала помогает отличить верхнее положение поршня от нижнего, однако в верхнем положении существует два вида тактов: впускной и рабочий. Датчик распределительного вала (датчик фаз) помогает различать эти такты. Давайте рассмотрим пример. Один пропущенный импульс на датчике коленвала означает, что поршень находится в верхнем положении.
Один импульс с датчика фазы — начало такта сжатия. Затем поршень опускается вниз. Датчик коленчатого вала обнаруживает отсутствие двух зубцов — поршень достиг нижней мертвой точки. Такт впуска завершен. Поршень снова идет вверх. Датчик коленчатого вала снова посылает один пропущенный импульс в ЭБУ. Это означает, что поршень достиг верхней мертвой точки. На этот раз фазовый датчик посылает два импульса, что означает начало рабочего хода. Когда поршень находится в нижней точке, датчик коленчатого вала оповещает ЭБУ об окончании хода. Таким образом, электронный блок постоянно контролирует фазы работы поршней. Достаточно знать состояние одного из цилиндров. Такты в остальных цилиндрах определяются расчетным путем.
Для измерения количества воздуха, поступающего в двигатель, наиболее широко используются два типа систем: измерение количества воздуха с помощью датчика массового расхода воздуха и измерение давления и температуры всасываемого воздуха с последующим расчетом его массы.
В системе, использующей датчик массового расхода воздуха, сам датчик расположен во впускном тракте. Воздух проходит через него и затем поступает в двигатель. Здесь все просто — датчик передает в ЭБУ информацию о количестве проходящего через него воздуха. Датчик массового расхода воздуха работает следующим образом: он состоит из двух основных элементов — нагревателя и датчика температуры.
Во время работы нагреватель повышает температуру датчика до заданного значения. Когда двигатель начинает работать, во впускной коллектор начинает поступать свежий воздух, который, проходя через датчик, охлаждает его. Когда блок управления обнаруживает снижение температуры датчика, он увеличивает ток нагревателя, чтобы вернуть температуру в рабочий диапазон.
Чем больше воздуха проходит через датчик, тем выше ток, необходимый для поддержания его температуры на постоянном уровне. Таким образом, на основе текущего значения ЭБУ рассчитывает массу воздуха. Для блока управления важно не измерять температуру, а поддерживать ее примерно на одном уровне. Блок управления следит за уровнем тока, необходимым для поддержания постоянной температуры.
Другая система работает без датчика массового расхода воздуха и определяет массу воздуха косвенно. В этой системе измеряется не масса воздуха, а параметры, от которых она зависит, после чего рассчитывается масса воздуха. Эта система существует как альтернатива датчику массового расхода воздуха и использует два датчика: датчик абсолютного давления и датчик температуры воздуха. Соответственно, эти датчики измеряют давление воздуха внутри ресивера и температуру всасываемого воздуха. После этого блок управления рассчитывает массу воздуха по этим двум параметрам. Для интересующихся формула расчета показана на экране. Такие системы менее точны; Однако они дешевле и более универсальны.
Ранее уже говорилось, что количество бензина для впрыска рассчитывается по количеству воздуха, поступающего в двигатель. Однако это не единственное, что влияет на продолжительность инъекции. Фактически общая продолжительность инъекции состоит из базовой продолжительности и коррекции продолжительности инъекции.
Базовая продолжительность рассчитывается на основе количества воздуха и в идеале соответствует полному сгоранию топлива. Но на самом деле базовая длительность умножается на поправочный коэффициент, который рассчитывается на основе данных других датчиков и зависит от условий эксплуатации. Одним из основных параметров условий работы двигателя является его температура.
Режим работы двигателя зависит от температуры — холодный это пуск или он был предварительно прогрет. Датчик температуры обычно располагается на выходном канале системы охлаждения. Часто его устанавливают непосредственно в термостат. Когда двигатель холодный, трение всех его деталей увеличивается, соответственно, двигателю требуется больше топлива для преодоления механического сопротивления.
Также благодаря этому датчику ЭБУ может включать вентилятор охлаждения радиатора при повышении температуры. Температура двигателя, полученная от этого датчика, всегда отображается на панели приборов. Если его рабочее значение будет значительно превышено, водитель получит уведомление.
Датчик кислорода установлен в выпускном коллекторе, и все выхлопные газы двигателя проходят через него. Существует мнение, что единственная функция этого датчика — снижение вредного воздействия автомобиля на окружающую среду. Это крайне неверная теория. Функция этого датчика заключается в передаче данных в блок управления о количестве несгоревшего кислорода в выхлопных газах.
Это помогает контролировать правильность работы всей системы в целом и постоянно поддерживать стехиометрический состав смеси. Разумеется, информация с этого датчика учитывается при расчете поправочного коэффициента длительности впрыска топлива. Например, если в выхлопных газах слишком много кислорода, датчик это обнаруживает и отправляет данные в ЭБУ.
Большое количество несгоревшего кислорода свидетельствует о том, что смесь слишком бедная — тогда поправочный коэффициент увеличивается, форсунки заливают больше топлива и состав топливной смеси выравнивается. В этом и заключается принцип обратной связи — не просто смешивание бензина с воздухом в нужной пропорции, но и учет результата.
Применение данного датчика позволило существенно снизить вероятность возникновения детонации в двигателе, оптимизировать его работу и, конечно же, уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.
Датчик положения дроссельной заслонки работает по самому простому принципу. Дроссельная заслонка механически соединена с переменным резистором, и при изменении угла поворота дроссельной заслонки изменяется значение сопротивления резистора. Таким образом, на основе сопротивления датчика блок управления получает данные о положении дроссельной заслонки. Рассмотрим особенности работы этого датчика для двух распространенных сегодня систем — для автомобилей с электронной педалью акселератора и с механической. Функции этого датчика в этих системах немного различаются. Итак, наиболее распространенной и классической системой является механическая педаль акселератора. В этой системе открытие дроссельной заслонки контролируется тросом, идущим от педали к дроссельной заслонке.
Здесь все просто - педаль тянет трос, клапан открывается. Если педаль не нажата, клапан полностью закрыт. Несмотря на это, воздух все равно поступает в двигатель на холостом ходу. И он обходит дроссельную заслонку через регулятор холостого хода. Блок управления постоянно отслеживает положение дроссельной заслонки, чтобы в момент ее полного закрытия подать управляющий импульс на регулятор холостого хода. Получив задание от системы управления, регулятор холостого хода открывает канал для поступления свежего воздуха в двигатель, минуя дроссельную заслонку. Это обеспечивает работу двигателя на холостом ходу. Соответственно, в этот момент воздух через дроссельную заслонку не проходит.
В системе с электронным управлением дроссельной заслонкой регулятор холостого хода отсутствует, а поток воздуха на холостом ходу обеспечивается небольшим открытием дроссельной заслонки. В этой системе датчик положения дроссельной заслонки работает совместно с датчиком положения педали акселератора. Думаю, тут все понятно — насколько сильно нажата педаль, настолько и открывается клапан.
Когда педаль не нажата, электронный блок сам регулирует положение дроссельной заслонки, обеспечивая холостой ход. В такой системе датчик положения дроссельной заслонки является ключевым и используется постоянно. Но это еще не все функции этого датчика. В обеих этих системах датчик положения клапана помогает определить неисправность датчика массового расхода воздуха.
Фактически электронный блок содержит информацию о том, каким должен быть примерно расход воздуха при любом положении дроссельной заслонки. Если датчик массового расхода воздуха выходит из строя и ЭБУ видит, что показания расхода воздуха не соответствуют ожидаемым, блок переходит в аварийный режим работы, в котором он перестает учитывать данные, полученные от датчика массового расхода воздуха при все. В этом случае количество воздуха выводится исключительно из теоретического расчета на основе данных датчика положения дроссельной заслонки. [Датчик детонации] Детонация двигателя — это взрыв внутри камеры сгорания. Однако не зажигание дает поршням энергию для движения, а взрыв, который происходит раньше времени на такте сжатия и противодействует движению поршня.
Скорость распространения таких взрывов в десятки раз превышает нормальную. Очевидно, что детонация может быстро повредить двигатель. Это происходит по многим причинам, но сегодня мы не об этом. Датчик детонации состоит из пьезоэлектрического элемента — вещества, которое генерирует напряжение при физическом приложении к нему силы. Этот датчик прочно закреплен на блоке цилиндров двигателя. Благодаря этому при возникновении сильных взрывов внутри камеры сгорания датчик подвергается резкому вибрационному воздействию. В это время датчик генерирует напряжение, которое обнаруживается ЭБУ. Как только ЭБУ распознает, что в двигателе произошла детонация, он уменьшает угол опережения зажигания.
Другими словами, он начинает воспламенять смесь позже, пока детонация не исчезнет. [Скорость транспортного средства] Датчик скорости предназначен не только для того, чтобы сообщать водителю о скорости его движения. Это также довольно важный датчик, отвечающий за определение режима работы двигателя. При расчете нагрузки на двигатель ЭБУ учитывает положение педали газа, обороты двигателя, расход воздуха, скорость автомобиля и другие параметры.
Расчеты ЭБУ, помимо прочего, учитывают влияние частоты вращения двигателя на скорость автомобиля. Например, на холостом ходу обороты двигателя увеличатся, а скорость автомобиля — нет. Если педаль газа не нажата, расход воздуха двигателем отсутствует, скорость автомобиля и частота вращения двигателя не равны нулю, то автомобиль осуществляет торможение двигателем.
В этом режиме подача топлива в цилиндры полностью прекращается. Как уже было сказано, датчик скорости нужен не только водителю. Неисправность этого датчика может привести к нестабильной работе двигателя, плавающим оборотам, высокому расходу топлива и другим проблемам. [Эпилог] Итак, сегодня я рассказал об основных моментах электронного управления. Надеюсь, информация была понятной.
