ОБЗОР
Победное шествие микроэлектроники не обошло стороной и автомобилестроение. В современном автомобиле микропроцессоры управляют двигателем, тормозами, движением на поворотах, надувают подушки безопасности при авариях, следят за положением сидений и зеркал заднего вида, защищают автомобиль от угона и т. п.
Управление двигателем
Наиболее важно применение микропроцессоров для управления двигателем автомобилей. Дело в том, что, с одной стороны, в большинстве стран законодательно установлены весьма жесткие максимальные уровни содержания вредных веществ в выхлопных газах автомобилей, а с другой - необходимо экономить топливо, цены на которое постоянно растут.
Добиться от карбюратора подачи смеси оптимального состава во всем диапазоне рабочих режимов невозможно. Недостатки карбюраторов общеизвестны: низкая точность поддержания состава смеси при работе двигателя на холостом ходу и при малых нагрузках. В результате приходится делать смесь излишне обогащенной, так как иначе мотор на малых оборотах будет работать неустойчиво. Поступление горючего в карбюратор определяется его уровнем в поплавковой камере, на который влияет плотность бензина (для различных его сортов она колеблется в пределах 0,7-0,78 г/см^3). Плотность бензина в свою очередь сильно зависит от температуры. Поэтому регулировки карбюратора надо было бы изменять в соответствии с сортом бензина и температурой, что пока сделать невозможно. При движении автомобиля с ускорением, на повороте, при наклоне и тряске уровень топлива в камере также меняется и соответственно меняется его подача в цилиндры. Кроме того, от температуры зависит и плотность воздуха, т. е. количество кислорода, попадающего в цилиндры, что тоже влияет на состав смеси.
Попыткам заменить карбюратор системами управляемого впрыска топлива не одно десятилетие. В 1939 г. была предложена система впрыска с электрическим управлением (Moto Guzzi, Италия), затем в 1957 г. компания Chrysler разработала систему управления впрыском топлива на вакуумных лампах. С появлением транзисторов получили распространение системы управления впрыском топлива, использующие эти приборы, созданные в компаниях Volkswagen (1967 г.) и Nissan (1971 г.).
Однако только с появлением дешевых микропроцессоров удалось разработать системы впрыска топлива для бензиновых двигателей, удовлетворяющие самым жестким требованиям. Теперь они применяются на автомобилях всех классов. Наиболее распространены импульсные системы с распределенным впрыском топлива, в которых форсунки устанавливаются во всасывающих патрубках каждого цилиндра вблизи от впускных клапанов.
Микропроцессорный блок управления такой системы получает данные от датчиков:
- массового расхода воздуха;
- положения дроссельной заслонки;
- температуры охлаждающей жидкости;
- концентрации кислорода в выхлопных газах;
- детонации;
- положения и скорости коленчатого вала;
- скорости автомобиля;
- напряжения в бортовой сети.
Обработав поступающие данные, блок управляет:
- топливными форсунками;
- системой зажигания;
- регулятором холостого хода;
- вентилятором системы охлаждения двигателя.
Датчики
Микропроцессору приходится иметь дело с датчиками, выдающими различную аналоговую информацию: напряжение, сопротивление, частота и т. п.
Чтобы правильно управлять двигателем, необходимо определить массу воздуха, поступившего в цилиндр. Этим занимается датчик массового расхода воздуха. Они бывают двух типов: резистивные с подогревом и механические, измеряющие массу воздуха по отклонению подпружиненной диафрагмы.
Чаще всего применяются датчики резистивного типа, в которых используются три проволочки. Одна проволочка служит для измерения температуры входящего воздуха, а две другие нагреваются до определенной температуры, и проходящий через датчик воздух охлаждает их. Электронная схема определяет расход воздуха, измеряя мощность, расходуемую на поддержание заданной температуры. Сигнал поступает в блок управления в виде напряжения переменной частоты, которая изменяется от 2 кГц (при малом расходе воздуха) до 10 кГц (при максимальном).
1 - стержень из двуокиси циркония;
2 - наружный электрод, покрытый платиной и взаимодействующий с выхлопными газами;
3 - внутренний электрод, взаимодействующий с атмосферным воздухом;
4 - воздушное впускное отверстие; 5 - нагревательный элемент;
6 - воздух; 7 - выхлопные газы.
Датчик положения дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, на один его конец подается напряжение питания +5 В, другой конец соединен с корпусом автомобиля (“массой”). С ползунка снимается напряжение, пропорциональное углу поворота дроссельной заслонки, в зависимости от его значения блок управления корректирует подачу топлива.
Датчик температуры охлаждающей жидкости представляет собой термистор, находящийся в потоке охлаждающей жидкости. При низкой температуре охлаждающей жидкости датчик имеет высокое сопротивление (80 кОм при -20°С), а при высокой температуре - низкое (70 Ом при 130°С). Блок управления измеряет это сопротивление и вычисляет температуру охлаждающей жидкости, влияющую на работу большинства систем.
Так как плотность бензина, заливаемого в бак, обычно неизвестна, то и вычислить массу подаваемого в цилиндры топлива с достаточной точностью невозможно. Точная регулировка состава топливно-воздушной смеси осуществляется благодаря постоянному контролю состава выхлопных газов, производимому при помощи датчика концентрации кислорода, называемого зондом лямбда. Внутри зонда, устанавливаемого на приемной трубе глушителя, находится измерительный элемент (термопара), чаще всего выполненный в виде трубочки из двуокиси циркония, покрытого платиной, на которой происходит беспламенное горение в кислороде воздуха оксида углерода, в результате чего термопара нагревается и меняется ее выходное напряжение. На рис. 1 показано устройство зонда, а на рис. 2 - график зависимости выходного напряжения датчика от концентрации кислорода в отработавших газах. Оно изменяется приблизительно от 0,1 В (высокое содержание кислорода - бедная смесь) до 0,8 В (мало кислорода - богатая смесь).
Для нормальной работы датчик должен иметь температуру не ниже 360°С. Поэтому для быстрого прогрева после пуска двигателя в датчик встроен нагревательный элемент. Блок управления измеряет напряжение и дает команды на изменение объема подаваемого в цилиндры топлива.
Датчик скорости автомобиля устанавливается на привод спидометра и вырабатывает импульсы напряжения с частотой, пропорциональной скорости вращения ведущих колес.
При покупке бензина мы не знаем точно его октановое число и соответственно не можем сообщить его блоку управления. Поэтому очень важна функция датчика детонации топлива, который регистрирует возникновение детонации - резкого повышения скорости горения (до 1,5 км/с). Чувствительным элементом датчика является пьезокристаллическая пластинка. Датчик регистрирует возникающие высокочастотные колебания и генерирует импульсы напряжения, амплитуда которых увеличивается с возрастанием интенсивности детонации. Блок управления по сигналу датчика регулирует опережение зажигания для устранения детонационных вспышек топлива.
Рис. 2. Зависимость напряжения лямбда-зонда от состава смеси
Датчик положения коленчатого вала - индуктивный, предназначен для синхронизации работы блока управления с верхней мертвой точкой поршней и угловым положением коленчатого вала двигателя. Блок управления по сигналам датчика положения коленчатого вала определяет частоту и фазу его вращения и выдает импульсы на форсунки.
Исполнительные механизмы
Система подачи топлива состоит из электробензонасоса, топливного фильтра, регулятора давления и форсунок. Электробензонасос подает топливо через фильтр к форсункам. Регулятор поддерживает давление на заданном уровне (в пределах от 3 до 7 атмосфер). В системах, используемых в автомобилях ВАЗ, давление поддерживается на уровне 2,84-3,25 атмосфер.
Топливо поставляется в двигатель при помощи форсунок (рис. 3), которые состоят из корпуса, содержащего катушку электромагнита, и стержня, жестко соединенного с иглой, прижимаемой к гнезду винтовой пружиной. Поле, создаваемое в катушке электромагнита импульсом тока, посылаемым блоком управления, поднимает стержень, преодолевая сопротивление пружины. Струя тонко распыленного топлива впрыскивается на впускной клапан. Здесь топливо испаряется, соприкасаясь с нагретыми деталями, и в парообразном состоянии попадает в камеру сгорания. Время пребывания форсунки в открытом положении определяет количество топлива, которое попадет в двигатель.
Управление движением
Помимо управления двигателем, микропроцессоры применяются в антиблокировочных (АБС) и антипробуксовочных (АПС) системах.
АБС постоянно измеряет угловые скорости вращения колес и при торможении сохраняет их одинаковую угловую скорость, обеспечивая самый короткий тормозной путь. Это позволяет сохранить управляемость автомобиля при экстренном торможении.
Близкую к ним функцию выполняют АПС, которые не дают возможности пробуксовывать ведущим колесам, что особенно актуально для переднеприводных автомобилей, так как они теряют сцепление с дорогой легче, чем заднеприводные.
Применение комплексной системы управления двигателем и трансмиссией позволяет автоматизировать переключение передач и исключить риск поломки коробки передач из-за неправильного обращения. Алгоритмы управления переключением передач предусматривают работу в нескольких стандартных режимах: загородном, городском и т. п.
В перспективе, по-видимому, начнут внедрять системы активной подвески, которые при помощи мощных электромагнитов будут демпфировать дорожные толчки. К несчастью, такая система потребляет в среднем 360 Вт при пике в 12 кВт. Если учесть, что от 1 л бензина в системе двигатель внутреннего сгорания - генератор - выпрямитель можно получить 1,6 кВт · ч электроэнергии, то мощность, необходимая для работы системы, вступает в противоречие с заявленной целью - создать автомобиль, потребляющий 3 л топлива на 100 км пробега.
Управление системами обеспечения безопасности
Современный автомобиль немыслим без систем обеспечения безопасности, управляемых с помощью электроники. Повышение пассивной безопасности достигается как конструктивными мерами, так и внедрением подушек безопасности и устройств натяжения ремней, управляемых электроникой. При этом используются акселерометры, блоки управления и пиропатроны, наполняющие подушки безопасности и подтягивающие ремни безопасности. Ранее системы безопасности не учитывали веса и габаритов пассажира. Теперь стали применять кресла со вшитыми в них гибкими антеннами, принимающими специально генерируемые слабые электрические поля, а электроника по возмущению поля определяет, находится ли в кресле ребенок или взрослый, и при аварии оптимальным образом изменяет скорость срабатывания и наполнение подушек.
Стандартом ЕЭС предусмотрено, что такая комбинированная система должна защитить водителя и пассажиров от серьезных травм при лобовом столкновении автомобиля, движущегося со скоростью 50 км/ч, с неподвижным препятствием. Однако ложка дегтя в этой бочке меда все-таки есть. Дело в том, что многие из нас носят очки, которые при срабатывании подушек безопасности не успевают слететь, разбиваются на лице и повреждают глаза.
Применение электроники позволило усовершенствовать электроприводы. До недавнего времени в автомобильной технике использовались коллекторные электродвигатели. Их недостатки обусловлены применением трущихся контактов в коллекторах. Удешевление электронных схем привело к тому, что давно известные бесконтактные двигатели стали конкурентоспособны по цене с коллекторными, превосходя их по всем остальным параметрам, к тому же они управляются непосредственно от микропроцессоров.
Рис. 3. Устройство форсунки.1 - игла; 2 - стержень электромагнита;
3 - катушка электромагнита; 4 - электрический провод; 5 - подача топлива.
В последнее время в осветительных приборах автомобилей стали применять так называемые ксеноновые лампы. Они представляют собой баллончики из стекла или кварца диаметром 1-2 см, наполненные инертным газом (обычно ксеноном) до давления 1-2 мм рт. ст., в которые добавлено небольшое количество легко испаряющегося металла - натрия, рубидия, ртути и т. д. Несмотря на необходимость преобразования напряжения бортовой сети в высокое напряжение питания лампы и неизбежные при этом потери, такое устройство потребляет в четыре раза меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания, при одинаковой световой отдаче. Это важно, так как фары дальнего света потребляют около 200 Вт. В такой лампе отсутствует спираль, нагреваемая до высокой температуры и склонная к перегоранию, поэтому срок ее службы в несколько раз превосходит срок службы лампы накаливания.
Окончание в следующем номере
Как сгорает топливо?
Самый низкий расход горючего и одновременно малое содержание вредных веществ в выхлопных газах достигается при соотношении 14,65 г воздуха на 1 г бензина. Однако даже при таком оптимальном составе смеси нормы выбросов существенно превышаются.
При избытке кислорода топливная смесь горит неустойчиво, склонна к детонации, а в продуктах сгорания содержится много окислов азота, которые, реагируя с водяным паром, образуют азотную кислоту. Если кислорода недостаточно, в продуктах сгорания повышается концентрация угарного газа (окиси углерода СО), альдегидов, бензапиренов, различных углеводородов и канцерогенной сажи.
Понизить количество токсичных выбросов до нормы позволяет применение каталитического нейтрализатора (дожигателя) выхлопных газов, который преобразует угарный газ, окислы азота и углеводороды в безвредные водяной пар, двуокись углерода и азот.
В нейтрализаторе находятся керамические элементы с микроканалами, на поверхность которых нанесены катализаторы: платина, палладий и родий. Платина и палладий преобразуют углеводороды в водяной пар, а окись углерода в двуокись. Родий же способствует превращению в безвредный азот окислов азота.
Однако для эффективной нейтрализации токсичных компонентов и наиболее полного сгорания воздушно-топливной смеси необходимо, чтобы на 14,6-14,7 г воздуха приходился 1 г топлива. На рисунке показаны графики зависимости эффективности работы нейтрализатора от отклонения топливно-воздушной смеси от идеального состава, принимаемого за единицу. Из графиков видно, что даже при незначительном отклонении состава от оптимального эффективность работы нейтрализатора резко падает.
