Более того, современные системы управления работой двигателя должны обеспечивать выполнение самых строгих требований к токсичности отработавших газов. Ниже перечислены типичные задачи, которые должна выполнять современная система управления работой двигателя.
- Автономное регулирование количества топлива и воздуха в зависимости от необходимого крутящего момента двигателя. Наряду с положением педали газа учитывается крутящий момент двигателя, необходимый для обеспечения комфорта или безопасности, как говорилось ранее. Педаль акселератора не имеет механической связи с дроссельной заслонкой, которая приводится в действие отдельным механизмом — «электронной педалью газа».
- Обеспечение состава рабочей смеси для безупречной работы лямбда-зондов и системы нейтрализации отработавших газов. Для этого используется так называемая система раздельного регулирования через лямбда-зонд после нейтрализатора, который определяет отклонения в составе смеси и регулирует ее состав. Кроме того, выполняются другие необходимые функции, например, обогрев нейтрализатора. При необходимости изменяется момент зажигания и производится управление системой подачи вторичного воздуха.
- Контроль системы нейтрализации отработавших газов («встроенная диагностика») и ее узлов — каталитического нейтрализатора, клапана системы рециркуляции отработавших газов или т.д.
- Регулирование уровня детонации с выбором цилиндра при помощи датчиков колебаний в картере. На основании сигналов датчиков и соответствующего алгоритма выполняется настройка момента зажигания для поддержания эффективной мощности и оптимального расхода топлива.
- Управление клапаном вентиляции топливного бака для продувки абсорбера, который улавливает испарения топлива во время заправки бака. Определение утечки топлива для контроля состояния топливного бака.
- Настройка системы изменения фаз газораспределения в случае ее наличия.
- Управление различными вспомогательными устройствами, как, например, вентилятор, отсечные клапаны системы питания, реле стартера и т.д.
- Контроль частоты вращения коленчатого вала.
Для обеспечения точной регулировки состава горючей смеси, особенно на переходных режимах работы двигателя, были проведены многочисленные испытания, по результатам которых создавались математические модели происходящих процессов, таких, как наполнение впускного коллектора или возникновение пленки топлива на его стенках. Учитывалось, например, испарение находящейся во впускном коллекторе пленки топлива при быстром закрытии дроссельной заслонки. Регистрация процессов выполнялась с помощью расходомера горячего воздуха или датчика давления во впускном коллекторе.
При изучении электронной системы управления работой двигателя важно различать воздушную и топливную системы. Целью согласованной работы двух систем является обеспечение требуемого крутящего момента при оптимальной работе системы нейтрализации отработавших газов при максимально низком расходе топлива.
Самыми важными элементами в системе подачи воздуха являются массовый расходомер воздуха и дроссельная заслонка. При использовании «электронной педали газа» педаль акселератора и узел дроссельной заслонки не связаны механически, поэтому нажатие педали не приводит к непосредственному движению дроссельной заслонки. Напротив, по положению педали акселератора рассчитывается величина необходимого крутящего момента двигателя, которая потом пересчитывается с учетом безопасности движения и комфорта пассажиров. Величина действительного крутящего момента, полученная в результате, соответствует определенному количеству требуемого воздуха, для чего дроссельная заслонка с помощью специального механизма открывается на необходимую величину.
Для непосредственного определения количества воздуха используется зонд-термоанемометр. Тонкая платиновая проволока с поданным на нее напряжением натянута в расходомере воздуха таким образом, что ее обтекает поступающий в двигатель воздух. При этом происходит теплообмен между воздухом и проволокой, температура которой падает. В результате уменьшается электрическое сопротивление проволоки. Сообразно с этим изменяется сила тока, проходящего через проволоку. Изменение силы тока в цепи, фиксируемое бортовой электроникой, является основным критерием измерения массы впускаемого воздуха.
В качестве экономичной альтернативы зонду-термоанемометру часто используется датчик давления, который устанавливается после дроссельной заслонки и датчика измерения температуры. Информация от датчика давления и датчика измерения температуры поступаемого воздуха также позволяет рассчитать воздушную массу.
Дозировка необходимого количества топлива выполняется с учетом работы каталитического нейтрализатора в системе выпуска отработавших газов. Нейтрализатор должен работать при оптимальном для него соотношении воздуха и топлива в смеси, что, в общем, близко к стехиометрии. Погрешность возникает при пуске холодного двигателя, в режиме принудительного холостого хода и в диапазоне полных нагрузок.
Топливный насос с электрическим приводом, который установлен в бензобаке вместе с редукционным клапаном, нагнетает топливо к электромагнитной форсунке (рис. 7.25).
Рис. 7.25. Электромагнитная форсунка производства компании «Bosch»
Простейшая система подобного типа работает без обратного слива топлива в бак. Ее преимущества заключаются в относительной простоте и дешевизне изготовления, а также в минимально потребной мощности электронасоса, который качает лишь тот объем бензина, который впрыскивается в двигатель. Недостатком такой системы впрыска является испарение топлива на горячем двигателе, то есть образование пузырьков испарившегося бензина в топливных магистралях после остановки горячего мотора. Здесь преимущество на стороне системы впрыска с обратным сливом топлива в бак, поскольку при этом обеспечивается промывка магистралей. Кроме того, горячий бензин подогревает основной объем топлива в баке, что способствует высокой скорости испарения топлива с поверхности.
Испаряющийся бензин поступает в абсорбер с активированным углем, который продувается воздухом, захватывающим абсорбированное активированным углем топливо. Насыщенный парами бензина воздух поступает в цилиндр через впускной коллектор вместе со свежим воздухом, обеспечивая вентиляцию бензобака.
Изменение состава воздуха из-за продувке абсорбера автоматически учитывается при дозировании впрыскиваемого топлива. Количество топлива регулируется при постоянном давлении 3,5±0,5 бара в топливной магистрали посредством изменения момента и времени открытия форсунки. Для предотвращения колебаний давления, особенно в системах с обратным сливом, используются гасители колебаний давления. Форсунка направляет дозированное количество топлива во впускной патрубок или — в зависимости от положения форсунки — впрыскивает часть топлива непосредственно в камеру сгорания.
Отработавшие газы в системе выпуска анализируются с помощью лямбда-зонда. Остаточное содержание кислорода в них не должно превышать неких предельных значений для эффективной обработки отработавших газов в нейтрализаторе. Для диагностики работы самого нейтрализатора используется второй лямбда-зонд, установленный после нейтрализатора. Если на автомобиле установлено два нейтрализатора, второй лямбда-зонд обычно размещается между ними.
Для установки и корректировки момента зажигания используются сигналы датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика фаз газораспределения и датчика детонационного сгорания.
Наряду с указанными узлами электронной системы управления работой двигателя, в ней используется еще ряд агрегатов, в частности, регулятор распределительного вала и электрический нагнетатель вторичного воздуха. Регулятор распределительного вала позволяет, в зависимости от нагрузки на двигатель, изменять фазы газораспределения. Таким образом можно влиять на расход топлива, характер изменения крутящего момента и токсичность отработавших газов. В зависимости от конструкции двигателя можно изменять либо фазы открытия только впускных клапанов, либо фазы открытия всех клапанов в головке блока цилиндров.
Нагнетатель вторичного воздуха служит для сокращения токсичности отработавших газов. Его работа ограничивается, как правило, несколькими секундами после пуска холодного двигателя. В этот момент свежий воздух нагнетается в систему выпуска, обеспечивая обеднение отработавших газов и снижение их токсичности. При этом возможно преждевременное срабатывание расположенного далее нейтрализатора, что обычно происходит лишь после прогрева двигателя. Кроме того, нагнетатель используется для специальной подачи воздуха в систему выпуска отработавших газов, экзотермическая реакция в которой быстрее нагревает нейтрализатор.
Все чаще в бензиновых двигателях начинает применяться система непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания. Такие двигатели в определенном диапазоне нагрузок могут работать на обедненной смеси, в которой величина коэффициента избытка воздуха λ выше 1, с послойным распределением топлива в смеси. Альтернативой является работа на однородной смеси с λ=1.
В первом варианте при послойном распределении топлива в заряде смеси регулирование нагрузки на двигатель осуществляется не изменением количества воздуха на впуске, а исключительно с помощью количества впрыскиваемого топлива (качественное регулирование): положение дроссельной заслонки во многом зависит в данном случае от количества отработавших газов, которые отводятся во впускной коллектор, отчего «электронная педаль газа» здесь очень востребована. Посредством послойного распределения топлива в обедненной смеси обеспечивается «местное» обогащение смеси возле свечи зажигания, что необходимо для эффективного воспламенения. Послойное распределение топлива в заряде смеси ранее обеспечивалось с помощью формы впускных каналов и формы поршня. Поскольку регулировка количества воздуха сводится к минимуму, отсутствуют потери при дросселировании потока.
В новых двигателях используются современные форсунки различных конструкций, обеспечивающие послойное распределение топлива в смеси с помощью струи топлива. В диапазоне высоких нагрузок и частот вращения коленчатого вала система впрыска вновь переключается на количественное регулирование состава смеси и работу при λ=1. Недостатком данной конструкции является нейтрализация бедных отработавших газов, требующая больших затрат, а при качественном регулировании смеси вызывающая увеличение расхода топлива.
Если двигатель работает на однородной смеси при λ=1, то нейтрализация отработавших газов становится проще при незначительной экономии топлива в диапазоне частичных и полных нагрузок.
На рис. 7.26 представлена система непосредственного впрыска топлива с внешней рециркуляцией отработавших газов. При использовании данной системы часть отработавших газов выводится во впускной коллектор за дроссельной заслонкой. Их количество регулируется с помощью электрического клапана рециркуляции отработавших газов, который, в свою очередь, получает команды от системы управления работой двигателя. Вследствие высокой удельной теплоемкости отработавших газов понижается температура горения и, таким образом, значительно снижается образование углекислого газа. Более того, рециркуляция отработавших газов вызывает эффект внутреннего дросселирования, вследствие чего снижаются потери в работе всего двигателя.
Рис. 7.26. Система непосредственного впрыска топлива типа «ME-Motronic» производства компании «Bosch»
В системе питания дополнительно к топливному насосу низкого давления находится насос высокого давления, который нагнетает топливо в магистраль к распределителю топлива (система «Common-Rail»—аккумуляторная топливная система высокого давления), откуда оно поступает к форсункам. Давление впрыскивания увеличивается от начальных 120 бар до 200 бар и выше. Использование системы «Common-Rail» позволяет обеспечить впрыскивание топлива несколькими порциями, при этом сокращаются как токсичность отработавших газов, так и расход топлива.
Давление в распределительной магистрали контролируется и регулируется с помощью встроенного туда датчика давления топлива.
Сегодня растет количество двигателей с системой непосредственного впрыска бензина и турбонаддувом. На рис. 7.27 представлена схема такой конструкции.
Рис. 7.27. Система непосредственного впрыска топлива с турбонаддувом типа «ME-Motronic» производства компании «Bosch»
В системе подачи воздуха устанавливаются турбонагнетатель, охладитель наддувочного воздуха и датчик температуры наддувочного воздуха. Для предотвращения нестабильной работы нагнетателя в воздушной магистрали устанавливается клапан циркуляции воздуха. Система управления работой двигателя управляет также и этим клапаном согласно параметрам датчиков двигателя.
Система выпуска отработавших газов дополнена турбиной, а также так называемым перепускным клапаном отработавших газов («Waste Gate»). Этот пневматический клапан также включается системой управления работой двигателя и позволяет части отработавших газов в случае их избытка обойти турбину.
Современные тенденции совершенствования конструкции бензиновых двигателей предусматривают все большее использование турбонагнетателей, при помощи которых можно повысить мощность даже двигателей небольшого рабочего объема. Геометрические параметры нагнетателя должны позволять использование всего потока отработавших газов в любом диапазоне работы двигателя под нагрузкой.
Датчик, который устанавливается опционально перед нагнетателем, служит для его защиты от отработавших газов высокой температуры.