В дизельном двигателе топливо всегда впрыскивается непосредственно в камеру сгорания под давлением от 200 до 2200 бар. В зависимости от конструкции, в двигателях с непрямым впрыском топливо впрыскивается в форкамеру под относительно низким дав­лением (менее 350 бар). В системах прямого впрыска топлива, получивших наибольшее распространение, топливо впрыскивается в неразделенную камеру сгорания под высо­ким давлением (до более чем 2200 бар). Вот о том, как происходит управление работой дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Управление работой дизельного двигателя

 

Конструктивные требования к работе дизельного двигателя

 

Вырабатываемая дизельным двигателем мощ­ность Р определяется крутящим моментом на коленчатом вале, передаваемым сцеплению, и частотой вращения коленчатого вала. Кру­тящий момент на коленчатом вале равняется крутящему моменту, создаваемому в процессе сгорания топлива, за вычетом механических потерь на трение, газообмен и привод вспомо­гательных агрегатов. Крутящий момент созда­ется в процессе силового цикла, и при наличии достаточного количества воздуха определятся следующими переменными: массой пода­ваемого топлива, моментом начала сгорания топлива, определяемым началом впрыска, и процессами впрыска и сгорания топлива.

Кроме того, максимальный, зависящий от частоты вращения коленчатого вала кру­тящий момент ограничен требованиями к ограничению дымности выхлопа, давлением в цилиндрах, тепловой нагрузкой различных компонентов и величиной механической на­грузки всей кинематической цепи привода.

 

Основная функция системы управления дизельным двигателем

 

Основной функцией системы управления дви­гателем является регулирование создаваемого двигателем крутящего момента или, при некото­рых условиях, регулирование частоты вращения коленчатого вала в пределах допустимого диа­пазона (например, оборотов холостого хода).

В дизельном двигателе очистка отработав­ших газов и подавление шума осуществляются в значительной степени внутри самого двига­теля, т.е. путем управления процессом сгорания топлива. Это, в свою очередь, осуществляется системой управления двигателем посредством управления следующими переменными:

• Заряд смеси в цилиндре;
• Объем заряда смеси, подаваемого во время такта впуска;
• Состав заряда смеси (рециркуляция отра­ботавших газов);
• Движение заряда (завихрения на впуске);
• Момент начала впрыска;
• Давление впрыска;
• Распределение впрыска топлива (напри­мер, предварительный впрыск, разделен­ный впрыск топлива и т.д.).

 

До начала 1980-х годов управление впры­ском топлива и зажиганием осуществлялось исключительно при помощи механических устройств. Например, в топливном насосе вы­сокого давления количество подаваемого то­плива регулируется в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала путем поворота плунжера насоса, имею­щего спиральную канавку. В случае механиче­ского регулирования начало впрыска/подачи топлива регулируется при помощи центробеж­ного регулятора (зависимого от скорости вра­щения). Также применялись гидравлические системы регулирования, в которых количество топлива менялось посредством регулирова­ния давления в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

 

Точность регулирования

 

В настоящее время, в связи со строгими требованиями законодательства в отношении ограничения токсичности выбросов, требуется очень точное регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска в зависимости от таких переменных, как темпе­ратура, частота вращения коленчатого вала, на­грузка и высота над уровнем моря. Это может быть обеспечено только при помощи электрон­ных систем управления. Сегодня электронные системы управления полностью вытеснили механические. Это единственный метод управ­ления, позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг функций системы впрыска топлива, влияющих на содержание вредных веществ в выбросах автомобиля. В некоторых случаях законодательство требует также нали­чия системы бортовой диагностики.

Регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска осуществля­ется системами EDC (электронная система управ­ления дизельным двигателем) при помощи электромагнитных клапанов высокого или низкого давления, или иных исполнительных устройств. Регулирование подачи топлива, т.е. количества топлива на один градус поворота коленчатого вала, может осуществляться косвенным образом, например, при помощи сервоклапана и регулиро­вания величины подъема игольчатого клапана.

 

Электронная система управления дизельным двигателем

 

Электронная система управления дизель­ным двигателем позволяет осуществлять точную и дифференцированную модуляцию параметров процесса впрыска топлива. Это единственный способ удовлетворить самые разные требования, предъявляемые к совре­менному дизельному двигателю.

 

Обзор электронной системы управления дизельным двигателем

 

Конструктивные требования

 

Снижение расхода топлива и содержания вред­ных веществ (NO_x, СО, НС, твердых частиц) в отработавших газах с одновременным повы­шением эффективной мощности двигателя являются главными задачами, стоящими перед разработчиками дизельных двигателей. За по­следние годы это привело ко все большему рас­пространению систем прямого впрыска топлива (DI), в которых давление впрыска значительно больше, чем в системах непрямого впрыска (IDI) с вихрекамерами или форкамерами. Кроме того, большое влияние оказывают возросшие требования к уровню комфорта современных автомобилей. Все более строгие требования предъявляются к уровню шума. В результате также значительно возросли требования, предъ­являемые к системам управления двигателем и впрыска топлива, в частности в отношении:

• Высоких давлений впрыска;
• Формирования параметров;
• Предварительного и, при необходимости, последующего впрыска топлива;
• Регулирования количества впрыскивае­мого топлива, давления наддувочного воз­духа и момента начала впрыска, в зависи­мости от условий работы двигателя;
• Подачи дополнительного, зависимого от температуры, количества топлива при пу­ске двигателя;
• Независимого от нагрузки регулирования частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя на холостом ходу;
• Регулируемой рециркуляции отработав­ших газов;
• Системы круиз-контроля;
• Высокой точности регулирования момента начала впрыска топлива и количества впрыскиваемого топлива на протяжении всего срока службы двигателя.

 

В обычных механических системах регули­рования частоты вращения коленчатого вала используется ряд регулирующих устройств, назначением которых является адаптация к различным условиям работы двигателя. Тем не менее, такие системы ограничиваются простым контуром регулирования, и существует ряд важ­ных переменных величин, которых они не могут учитывать или не могут достаточно быстро реа­гировать на их изменения. В связи с возросшими требованиями, относительно простые системы управления с использованием электрических исполнительных устройств развились в слож­ные электронные системы управления двигате­лем, способные обрабатывать большие объемы данных в режиме реального времени. Они могут составлять часть общей электронной системы управления автомобилем. Благодаря возросшей степени интеграции электронных компонентов, блоки управления чрезвычайно компактны.

 

Принципы действия системы ЕДС на дизельном двигателе

 

Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) способна обеспечивать вы­полнение всех вышеуказанных требований, благодаря применению микропроцессоров.

В отличие от автомобилей с дизельными двигателями с обычным рядным или распреде­лительным топливным насосом высокого дав­ления, водитель автомобиля с EDC не оказывает прямого влияния на количество впрыскивае­мого топлива при помощи педали акселератора и троса управления дроссельной заслонкой. Вместо этого количество впрыскиваемого то­плива определяется рядом переменных величин. Это, например, команды водителя (положение педали подачи топлива), условия работы дви­гателя, температура двигателя, вмешательства других систем (например, системы управления тяговым усилием) и состав отработавших газов.

Момент начала впрыска также может регулиро­ваться. Все это требует наличия всеобъемлющей концепции системы мониторинга, определяющей несоответствия и инициирующей соответствую­щие действия (например, ограничение крутящего момента или переход на аварийный режим в диапазоне оборотов холостого хода). Отсюда следует, что электронная система управления ди­зельным двигателем должна содержать большое количество контуров регулирования.

Электронная система управления дизель­ным двигателем может осуществлять обмен данными с другими электронными системами, такими как система регулирования тягового усилия (TCS), электронная система управле­ния трансмиссией (ЕТС) или система курсо­вой устойчивости (ESP). Отсюда следует, что система управления двигателем может быть встроена в общую систему управления авто­мобилем, приобретая новые функции, такие как снижение крутящего момента двигателя во время переключения передач автоматической трансмиссией или регулирование крутящего момента для компенсации пробуксовки колес.

Система EDC полностью интегрирована в си­стему диагностики автомобиля. Она отвечает всем требованиям OBD (система бортовой диа­гностики) и E0BD (европейские нормы OBD).

 

Блоки системы управления дизельным двигателем

 

Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) разделена на три блока (см. рис. «Компоненты электронной системы управления дизельным двигателем (EDC)» ).

 

 

Датчики и генераторы управляющих сигна­лов определяют условия работы двигателя (на­пример, частоту вращения коленчатого вала) и значения управляющих сигналов (например, по­ложение выключателей). Они преобразуют фи­зические переменные в электрические сигналы.

Блок управления двигателем обрабатывает сигналы датчиков и генераторов управляю­щих сигналов в соответствии с заложенными в нем алгоритмами вычислений (алгоритмами управления с обратной связью и без обрат­ной связи). Посредством электрических вы­ходных сигналов он осуществляет управление исполнительными механизмами. Кроме того, блок управления двигателем действует в ка­честве интерфейса с другими системами и с системой диагностики автомобиля.

Исполнительные механизмы (такие как электромагнитный клапан системы впрыска топлива) преобразуют электрические сиг­налы в механические параметры.

 

Обработка данных

 

Основная функция электронной системы управ­ления дизельным двигателем (EDC) — регули­рование количества впрыскиваемого топлива, момента начала впрыска и продолжительности впрыска. Система впрыска топлива с общей топливной магистралью также регулирует дав­ление топлива. Кроме того, блок управления дви­гателем осуществляет управление большим ко­личеством других исполнительных механизмов.

Для эффективной работы всех компонентов функции системы EDC на дизельном двигателе должны быть точно со­гласованы с каждым автомобилем и каждым двигателем. Это единственный способ оптими­зировать взаимодействие компонентов (см. рис. «Основные последовательности функционирования элементов электронной системы управления дизельным двигателем» ). Блок управления двигателем обрабатывает сигналы датчиков и ограничивает их до допусти­мого уровня напряжения. Некоторые входные сигналы также проверяются на предмет досто­верности. Используя эти входные данные и хра­нящиеся в памяти программы, микропроцессор вычисляет момент и продолжительность впры­ска топлива. Затем эта информация преобразуется в сигналы, согласованные с положениями поршней цилиндров двигателя. Эта программа вычислений имеет название «программное обеспечение блока управления».

 

 

Необходимая большая точность вместе с вы­сокими динамическими качествами двигателя требуют высокой вычислительной мощности. Выходные сигналы подаются на выходные каскады, обеспечивающие достаточную элек­трическую мощность для приведения в дей­ствие исполнительных механизмов (например, клапанов высокого давления системы впрыска топлива, клапана системы рециркуляции от­работавших газов или регулятора давления наддува). Кроме того, система осуществляет управление рядом вспомогательных компо­нентов (например, реле свечей накаливания и системой кондиционирования воздуха).

Отклонения характеристик сигналов опреде­ляются системой диагностики электромагнит­ных клапанов. Кроме того, блок управления осуществляет обмен сигналами и другими си­стемами автомобиля через соответствующие интерфейсы. Блок управления двигателем производит мониторинг всей системы впрыска топлива, являющийся частью общей стратегии обеспечения безопасности.