Электронные системы двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В последнее время число опций в автомобиле, являющихся в большинстве своем потребителями электрической энергии, увеличилось вдвое. И произошло это вовсе не по прихоти автомобильных производителей, а благодаря растущим потребностям покупателей в комфорте и законодательным требованиям к безопасности и охране окружающей среды. Все бы ничего, но возможности электрооборудования не безграничны. И если раньше конструкторы решали вопросы, в основном связанные с увеличением надежности, то сейчас приходится думать над созданием принципиально новых схем, которые либо изменят традиционную "архитектуру" электрики, либо позволят ей приспособиться к поступи научно-технического прогресса.

1. Протоколы обмена данными в автомобильных мультиплексных системах

Протоколы высоких уровней. Протокол низкого уровня (шинные). Каналы связи. Сигналы на физическом уровне. Управление доступом к среде. Протокол CAN для автомобильных мультиплексных систем. Подуровни MDI и PMA.

Любая промышленная сеть, в том числе автомобильная, представляет собой совокупность датчиков, исполнительных механизмов, вычислительных устройств и органов управления, объединенных системой передачи данных и взаимодействующих по правилам, задаваемым протоколом. Он -- центральный элемент, определяющий характеристики и возможности связанных им систем.

SAE разделяет автомобильные сети на три класса -- А, В и С, отличающиеся скоростью передачи данных и областями применения (табл. 1). Причем к сетям класса С предъявляются особо жесткие требования, поскольку они по одному каналу связи обслуживают наиболее ответственные системы автомобиля, а передаваемые по ним сообщения могут быть как периодическими, так и случайными. Такие сети должны быть не только надежными, но и обеспечивать возможность расстановки приоритетов различным сообщениям, сигнализировать об ошибках в передаче управляющих сигналов, иметь скорость реакции на важное сообщение определенной длительности, быть защищенными от внешних воздействий.

Автомобильные системы, независимо от их класса, в принципе, могут выполняться (и выполняются) по одной из трех топологических схем (способов объединения устройств) сетей: "звезда", "кольцо" и "шина". Рассмотрим их.

"Звезда". В данной схеме есть центральный узел, связанный с каждым устройством системы отдельным каналом связи. То есть для связи двух или более таких устройств необходимо, чтобы информация прошла через "центр". Плюс у схемы один -- Простота протоколов обмена информацией. Но недостатков, к сожалению, гораздо больше, и они явно перекрывают этот плюс. В их числе: большое время задержки и число проводов; ограниченное число коммутируемых устройств, низкая надежность из-за наличия центрального узла. Поэтому схема используется редко.

"Кольцо". В этой схеме все устройства равноправны, так как последовательно объединены в кольцо. Значит, передаваемые сигналы должны проходить по нескольким звеньям. Отсюда вытекают и недостатки схемы: потеря работоспособности при разрыве цепи или выходе из строя одного устройства; большая задержка и ее увеличение при добавлении нового звена.

Схема "шина" позволяет функционировать устройствам в общей среде передачи данных, используя широковещательную передачу; не требует доработок системы при подключении дополнительных устройств; в ней возможна реализация любого типа доступа к среде передачи данных, а время их передачи невелико. Самая важная задача протокола здесь -- решение вопросов доступа в среду передачи данных.

Как видим, для автомобиля предпочтительнее именно эта схема: она экономит провода, обеспечивает высокую надежность системы управления.

Схема "шина" реализует доступ трех типов: основной узел по определенным правилам опрашивает дочерние узлы; получив от синхронизирующего пакета сигнал, отправляет данные тому дочернему узлу, который соответствует полученному от пакета сигналу; получив сигнал от дочернего узла, открывает последнему доступ в сеть.

Первые два типа доступа называются централизованными, третий -- децентрализованным. Он особенно эффективен, так как не тратится время на "холостые" опросы, т. е. обеспечивается мгновенное реагирование на высокоприоритетное сообщение.

Большинство европейских автомобилестроительных фирм в системах управления двигателем, безопасности и обеспечения комфорта применяют сетевой протокол CAN. Причем в ближайшие годы, как ожидается, на базе данного протокола будет введен единый интерфейс и для систем компьютерной диагностики. Таким образом, на каждом западно-европейском автомобиле в скором времени будет по крайней мере один узел данной сети. И это вполне объяснимо. Протокол CAN обладает важнейшим достоинством: идентификаторы сообщений используются не только для алгоритма разрешений коллизий, но и для описания сообщений, когда применяется не прямая адресация данных, а лишь отмечается характер информации, представленной в сообщении (например, "давление масла"). Поэтому большинство автомобилестроителей выбрали этот протокол для построения сетей именно класса С.

Физически CAN представляет собой последовательную асинхронную шину, данные которой передаются или по витой паре, или по оптоволокну, или по радиоканалу. Шина -- мультимастерная, т. е. управлять ею могут сразу несколько устройств. Теоретически число подсоединяемых к ней устройств не ограничено. Скорость передачи данных задается программно (не более 1 Мбит/с).

Как известно, возможны два основных способа работы протокола -- по событиям и временным меткам. В CAN реализован именно первый способ. Однако ЕС одновременно финансировал и программу исследования по второму способу -- коммуникационному протоколу для высоконадежных приложений ТТР ("временно-пусковой" протокол). Над ним работали "ДаймлерКрайслер", "Бритиш Аэропак", ФИАТ, "Форд", "Марелли", "Бош", "Вольво" и Венский технический университет. В итоге была разработана архитектура ТТА, которая признана эффективной для критичных по безопасности систем (автомобильных, железнодорожных, авиационных).

Архитектуры систем на основе протоколов ТТР и CAN, в общем-то, сходны. Обе системы распадаются на ряд подсистем (кластеров), т. е. распределенных компьютерных систем, и наборы узлов, объединенных последовательным каналом. Для выполнения функций, которые невозможно реализовать на одном узле (таких, как точная координация работы двигателя, тормозов и др.), узлы обмениваются сообщениями через последовательный коммуникационный канал.

Каждый узел, в свою очередь, состоит из трех элементов -- компьютера, коммуникационного контроллера и подсистемы ввода--вывода для связи с датчиками и элементами управления. Все эти элементы связаны между собой двумя интерфейсами -- коммуникационным интерфейсом сети (CNI) между компьютером и коммуникационным контроллером и управляемым интерфейсом объекта (COI) между компьютером и подсистемой ввода--вывода процесса.

Компьютер узла содержит ЦПУ, память, часы реального времени и собственную операционную систему, а также прикладное программное обеспечение. Он принимает и передает данные от и в CNI и COI, исполняет приложения реального времени в заданные временные интервалы.

Коммуникационный контроллер в случае протокола ТТР образован коммуникационным каналом и совокупностью управляемых временем коммуникационных контроллеров кластера, каждый из которых держит в памяти диспетчер-таблицу, определяющую в какую точку данное сообщение послано или в какой точке ожидается его получение. Коммуникационный же контроллер CAN, управляемый событиями, такой таблицы не имеет, так как передача сообщения инициируется командой с компьютера узла.

Итак, протокол CAN есть коммуникационная система, управляемая сообщениями, которые посылаются, если компьютер узла запрашивает передачу сообщения и канал не занят. Но если другие узлы в данный конкретный момент времени тоже хотят послать сообщение, то оно посылается с наибольшим приоритетом.

Протокол ТТР -- система, управляемая временем. Доступ к физической среде управляется бесконфликтной стратегией ТDМА (разделенный во времени множественный доступ). Каждый узел получает уникальный временной слот в цикле TDMA. Каждый контроллер ТТР содержит таблицу диспетчеризации (список дискрипторов сообщений, MEDI) с информацией о том, какой узел имеет право послать и какое сообщение в конкретный момент времени, два дублированных канала коммуникации -- для того чтобы не допустить возможную потерю информации.

Система, основанная на протоколе ТТР, подкупает величиной возможного потока данных (до 4 Мбит/с), надежностью (за счет дублирования коммуникационного канала) и строгим регламентом работы во времени, который позволяет заранее определить свойства системы. Вероятно, что будущее именно за этой системой: она, как предполагается, будет управлять всеми жизненными функциями автомобилей (электронным рулем, акселератором, тормозами и другими высокоприоритетными устройствами). Это особенно актуально в свете того, что на протяжении последних лет демонстрируются многочисленные концептуальные автомобили и даже ходовые макеты, которые не имеют механических связей между органами управления и исполнительными механизмами. Однако на современном этапе развития пока еще возможен только частичный мулътиплекс, когда сетевая схема состоит из набора элементов, которые включают датчики и устройства, подключенные к распределительному устройству посредством проводов.

Мультиплексная проводка - это проводка с цифровой шиной данных, где используется цифровая связь между узлами и блоками управления. Сеть связи соединяет между собой множество модулей управления. Ее еще называют шинной системой связи.

По сети связи модули управления имеют возможность обмениваться друг с другом информацией в цифровой форме. Для этого необходимо, чтобы все модули строили общение по одним правилам, то есть "говорили" на одном языке. Такой язык называется протоколом и заложен в программное обеспечение абонентов, то есть подключенных к шине модулей. В случае мультиплексной проводки необходимо лишь два провода: силовой и управляющий. Первый, достаточно толстый, должен иметь необходимое сечение, чтобы его пропускной способности хватило на питание сразу всех потребителей, второй - тонкий и служит для передачи сигнала от одного контроллера к другому.

2. Система зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя. Воспламенение смеси происходит от искры, поэтому другое наименование системы - искровая система зажигания.

В зависимости от способа управления процессом зажигания различают следующие типы систем зажигания:

контактная система зажигания;

бесконтактная (транзисторная) система зажигания;

электронная (микропроцессорная) система зажигания.

В контактной системе зажигания управление накоплением и распределение электрической энергии по цилиндрам осуществляется механическим устройством - прерывателем-распределителем. Дальнейшим развитием контактной системы зажигания является контактная транзисторная система зажигания, в первичной цепи катушки зажигания которой применен транзисторный коммутатор.

В отличие от контактной в бесконтактной системе зажигания для управления накоплением энергии используется транзисторный коммутатор, взаимодействующий с бесконтактным датчиком импульсов. Транзисторный коммутатор в данной системе играет роль прерывателя. Распределение тока высокого напряжения осуществляется механическим распределителем.

В микропроцессорной системе зажигания используется электронный блок управления, с помощью которого производится управление процессом накопления и распределения электрической энергии. В ранних конструкциях электронной системы зажигания электронный блок одновременно управлял системой зажигания и системой впрыска топлива.

Не смотря на различия в конструкции можно выделить следующее общее устройство системы зажигания:

источник питания (автомобильный генератор и аккумуляторная батарея);

выключатель зажигания;

устройство управления накоплением энергии (прерыватель, транзисторный коммутатор, электронный блок управления);

накопитель энергии (катушка зажигания);

устройство распределения энергии по цилиндрам (механический распределитель, электронный блок управления);

высоковольтные провода;

свечи зажигания.

Принцип работы системы зажигания заключается в накоплении и преобразовании катушкой зажигания низкого напряжения (12В) электрической сети автомобиля в высокое напряжение (до 30000В), распределении и передаче высокого напряжения к соответствующей свече зажигания и образовании в нужный момент искры на свече зажигания.

В работе системы зажигания можно выделить следующие этапы:

накопление электрической энергии;

преобразование энергии;

распределение энергии по свечам зажигания;

образование искры;

воспламенение топливно-воздушной смеси.

Электронной системой зажигания называется система зажигания, в которой создание и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется с помощью электронных устройств. Система имеет другое название - микропроцессорная система зажигания.

Необходимо отметить, что контактно-транзисторная система зажигания и бесконтактная система зажигания также включают электронные компоненты, но данные системы уже имеют свои устоявшиеся названия.

С другой стороны электронная система зажигания не имеет механических контактов, поэтому, по сути, является бесконтактной системой зажигания.

На современных автомобилях электронная система зажигания является составной частью системы управления двигателем. Данная система осуществляет управление объединенной системой впрыска и зажигания, а на последних моделях автомобилей и рядом других систем - впускной и выпускной системами, системой охлаждения.

Электронные системы зажигания можно разделить на два вида:

системы зажигания с распределителем;

системы прямого зажигания.

Первый вид электронных систем зажигания в своей работе использует механический распределитель, с помощью которого осуществляется подача тока высокого напряжения на конкретную свечу. В системах прямого зажигания подача тока высокого напряжения на свечу производится непосредственно с катушки зажигания.

Вместе с тем, электронная система зажигания имеет следующее общее устройство:

источник питания;

выключатель зажигания;

входные датчики;

электронный блок управления;

воспламенитель;

катушка зажигания;

провода высокого напряжения (на некоторых видах системы);

свечи зажигания.

Входные датчики фиксируют текущие параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Система электронного зажигания в своей работе использует входные датчики, входящие в состав системы управления двигателем:

датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя;

датчик положения распределительного вала;

датчик массового расхода воздуха;

датчик детонации;

датчик температуры воздуха;

датчик температуры охлаждающей жидкости;

датчик давления воздуха;

датчик положения дроссельной заслонки;

датчик положения педали газа;

датчик давления топлива;

кислородный датчик;

и другие.

Номенклатура датчиков на разных моделях автомобилей может различаться.

Электронный блок управления двигателем обрабатывает сигналы входных датчиков и формирует управляющие воздействия на воспламенитель.

Воспламенитель представляет собой электронную плату, обеспечивающую включение и выключение зажигания. Основу воспламенителя составляет транзистор. При открытом транзисторе ток протекает по первичной обмотке катушки зажигания, при закрытом - происходит его отсечка и наводка тока высокого напряжения во вторичной обмотке.

Электронная система зажигания может иметь одну общую катушку зажигания, индивидуальные катушки зажигания или сдвоенные катушки зажигания.

Общая катушка зажигания применяется в электронной системе зажигания с распределителем. Индивидуальные катушки зажигания устанавливаются непосредственно на свечу, поэтому необходимость в высоковольтных проводах отпадает. В системах прямого зажигания также используются сдвоенные катушки зажигания. На четырехцилиндровом двигателе устанавливается две таких катушки: одна для 1 и 4 цилиндров, другая - для 2 и 3 цилиндров. Каждая из катушек создает ток высокого напряжения на двух выводах, поэтому искра зажигания всегда происходит одновременно в двух цилиндрах. В одном из цилиндров она воспламеняет топливно-воздушную смесь, в другом происходит вхолостую.

автомобильный мультиплексный зажигание выхлопной

3. Датчики состава выхлопных газов

Циркониевые и титановые датчики концентрации кислорода в выхлопных газах. Датчики кислорода для двигателей, работающих на обедненных смесях. Влияние различных факторов на характеристики датчиков кислорода. Газоанализаторы.

В современных автомобильных двигателях, снабженных каталитическими нейтрализаторами важно точно контролировать состав топливо - воздушной смеси и поддерживать коэффициент избытка воздуха на постоянном уровне (л = 1) для уменьшения содержания токсичных веществ в выхлопе. Для этого применяются датчики кислорода (л-датчики), устанавливаемые в системе отвода выхлопных газов, вырабатывающие сигнал, зависящий от концентрации кислорода в выхлопе. Этот сигнал используется в электронном блоке управления (ЭБУ) двигателя для коррекции длительности открывания форсунок и поддержания тем самым стехиометрического состава топливо - воздушной смеси.

В основном используются циркониевые и титановые датчики кислорода, их работа основывается на том факте, что содержание свободного кислорода в выхлопном газе резко меняется в диапазоне значений л = 0.99 ч 1.01.

На рисунке 1 показан в сечении циркониевый датчик кислорода.

Рис. 1 Датчик кислорода на основе окиси циркония

В циркониевых датчиках из окиси циркония ZrO2 стабилизированной иттрием Y2O3 выполнен керамический колпачок, способный генерировать напряжение в зависимости от соотношения концентраций кислорода в выхлопных газах и атмосферном воздухе. Внутренняя и внешняя поверхности керамического колпачка покрыты слоем (толщина 10 микрон) пористой платины, выполняющей функции электрода и окисляющего катализатора. Наружный слой платины работает в выхлопном газе и защищен от эрозии слоем пористой керамики толщиной 100 микрон и перфорированным металлическим колпачком. Внутренний слой платины работает в атмосферном воздухе, он находится в корпусе датчика кислорода.

При высоких температурах в диапазоне 300…900?С ионы кислорода могут проходить через циркониевую керамику между двумя платиновыми электродами, приводя к появлению на этих электродах небольшого напряжения.

Когда внешний электрод находится в атмосфере выхлопных газов, образующихся при сжигании обогащенной топливо - воздушной смеси, содержание свободного кислорода здесь мало. Кроме того платиновый электрод действует как катализатор, связывая свободный кислород (СО + О >СО2). Концентрация кислорода у наружного электрода, таким образом, очень низкая, тогда как у внутреннего электрода, окруженного воздухом она высокая. Атомы кислорода захватывают по четыре электрона на внутреннем электроде и переносят их через циркониевую керамику на внешний электрод. Этот механизм создает разность потенциалов между электродами около 0.8 В, являющуюся выходным сигналом для датчика кислорода.

При сжигании обедненной смеси концентрация кислорода у наружного электрода высокая. Даже окисляющая способность платинового электрода - катализатора не влияет существенно на концентрацию ионов кислорода, которая теперь практически одинакова для обоих электродов. Эта ситуация приводит к нулевому выходному напряжению датчика кислорода. Таким образом выходной сигнал циркониевого датчика кислорода является ступенчатым, с уровнями 0.8 В и 0 В, переключение происходит когда смесь имеет стехиометрический состав. При рабочей температуре 600 градусов датчик реагирует на изменение состава топливо - воздушной смеси менее чем за 50 мс.

В титановых датчиках двуокись титана TiO2 является полупроводником, способным выдерживать высокие температуры, его электрическое сопротивление зависит от концентрации кислорода. Датчик представляет собой небольшое количество TiO2 (полупроводник n-типа) на керамической основе, помещенный перед каталитическим нейтрализатором. Когда концентрация кислорода в выхлопных газах низкая (богатая смесь), сопротивление этого титанового резистора мало, несколько Ом. При увеличении концентрации кислорода (бедная смесь) сопротивление быстро растет, достигая значения более 10 кОм. Титановый резистор соединяют последовательно с сопротивлением 50 кОм, образуя датчик кислорода со ступенчатым выходным сигналом и переходом между уровнями когда топливо - воздушная смесь имеет стехиометрический состав.

Оба этих типа датчиков могут работать только при относительно высоких температурах, более 300 градусов, они устанавливаются на входе каталитического нейтрализатора, где выхлопные газы такие температуры имеют. При пуске двигателя, пока датчики не прогрелись, обратная связь в автоматической системе стабилизации стехиометрического состава топливо - воздушной смеси разомкнута, количество токсичных веществ в выхлопе автомобиля не оптимально. Для ускорения приведения датчиков кислорода в рабочее состояние они снабжаются электрическими подогревателями, включающимися при пуске холодного двигателя.

Современные бортовые диагностические автомобильные системы осуществляют постоянный мониторинг узлов, выход из строя которых приведет к увеличению выбросов токсичных веществ. Прямое измерение концентрации СО, НС и NOx в выхлопных газах слишком дорого для серийных автомобилей. Вместо этого применяется второй датчик кислорода на выходе нейтрализатора для контроля его исправности (Рис.2).

Рис. 2 Датчики кислорода на входе (1) и выходе (2) каталитического нейтрализатора с соответствующими выходными сигналами

Рис. 3 Выходной сигнал входного датчика кислорода (сверху) и выходного (снизу) датчиков кислорода

Система управления подачей топлива в двигатель является релейным стабилизатором стехиометрического состава топливовоздушной смеси, который колеблется около стехиометрического значения с частотой 4 - 10 Гц, что отслеживается сигналом с входного по отношению к каталитического нейтрализатора датчика кислорода (Рис.3). Этот сигнал колеблется между уровнями 0.1 - 0.9 В на частоте 4 - 10 Гц в соответствие с изменениями концентрации кислорода в выхлопном газе. В исправном нейтрализаторе кислород участвует в химических реакциях, его концентрация в выхлопном газе уменьшается, поэтому в выходном сигнале датчика кислорода на выходе нейтрализатора практически нет колебаний (Рис.3). Чем более неисправен (отравлен) нейтрализатор, тем более похожи сигналы входного и выходного датчиков, что распознается программным обеспечением ЭБУ.

Литература

1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.

2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.

3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.

Размещено на Allbest.ru