История развития двиателя

Чтобы понять сложность современных двигателей и систем управления, стоит обратиться к истории развития моторостроения. Две мировые войны, за которыми следовали годы кризиса и подъема, одновременно и стимулировали и в то же время тормозили технический прогресс. Многие системы, предлагаемые как «новые», зачастую были изобретены давно, но не находили практического воплощения и применения. Иногда разработки оказывались ненадежными из-за некачественных материалов или требовали слишком больших производственных издержек. Новые материалы и стремительный прогресс в электронике открыли для многих разработок новые перспективы. Внедрение новых технологий и систем теперь происходит через все более короткие промежутки времени. Так, к примеру, исчезновение распределительных валов из двигателей легковых автомобилей — всего лишь вопрос времени, работой клапанов совсем скоро станут управлять очень быстро переключающиеся гидравлические, электрогидравлические и электрические устройства. Это обеспечит полную регулируемость системы газораспределения. Различные способы наддува станут в малолитражных бензиновых двигателях таким же стандартом, как турбонаддув в дизелях. Понятие «downsizing» (англ. «уменьшение размеров») становится реальностью. Не исключено, что однажды между бензиновыми и дизельными двигателями останутся лишь незначительные различия, и способ сгорания будет определяться лишь залитым в бак топливом. В средне- и долгосрочной перспективе мир двигателей внутреннего сгорания завоюют совершенно новые, доселе считавшиеся нереальными способы организации процесса сгорания и виды топлива.

100 лет моторостроения — сравнительный анализ

В таблице приведено сравнение параметров высокомощного двигателя гоночного автомобиля образца 1913 года и обычных серийных двигателей легковых автомобилей, выпускавшихся в 1992-м и 2005-м годах. Между этими двигателями — почти 100 лет развития моторостроения. Сравнение интересно тем, что все три двигателя изготовлены одним и тем же производителем, и все они работают по одному и тому же принципу.

Рис. Сравнение кривых мощности и давления в цилиндрах двигателей

Изображенные на рисунке характеристики мощности и степени сжатия двигателей делают прогресс в моторостроении очевидным. В ближайшие годы в моторостроении следует ожидать дальнейших инноваций. Особенно впечатляет сравнение расхода топлива и норм токсичности ОГ при увеличении мощности и крутящего момента. Так, например, современным приборам не удалось измерить токсичность выхлопных газов у двигателя образца 1913 года — просто не хватило диапазона измерения.

Мощность современных двигателей и их системы управления

Современные двигатели — это продукты высоких технологий в чистом виде. Под капотами автомобилей сегодня скрываются агрегаты поистине адской мощности. К примеру, у восьмицилиндрового двигателя при частоте вращения коленчатого вала 5800 мин^-1 через впускные каналы за минуту проходит 11 300 литров свежего воздуха со скоростью 325 км/ч. Насос охлаждающей жидкости за секунду прогоняет до 4,5 л ОЖ. Более 23000 воспламенений в минуту разгоняют поршни массой 535 г при температуре 3000°С и под давлением 5,7 т до скорости 100 км/ч за 0,0002 секунды. Каждый из 32 кулачков по 48 раз в секунду с усилием 140 кг воздействует на один из 32 толкателей, а отработавшие газы при температуре 960°С со скоростью звука устремляются в направлении катализатора.

И вся эта чудовищная, невероятная мощь укрощается, регулируется и контролируется скромным маленьким компьютером. Электроника управления двигателем регистрирует количество, плотность и температуру всасываемого воздуха, обеспечивая смешивание его с топливом, дозируемым с точностью до миллиграмма или тысячной доли миллилитра. Она регулирует момент появления искры зажигания напряжением в 30000 В с точностью до 0,000001 с. Для идеального выполнения своей задачи электроника управления двигателем получает по CAN-шине до тысячи сообщений в секунду от других электронных систем и многочисленных датчиков, которые она затем обрабатывает со скоростью 10-20 млн операций в секунду. Постоянная проверка измеренных значений, сравнение с запрограммированными номиналами и адаптивная подстройка к оптимальным условиям эксплуатации — обычная работа для автомобильной электроники. После базового программирования электронные системы сами могут оптимально адаптироваться к тому или иному двигателю и компенсировать изменения. Путем использования сотен характеристик, кривых и констант можно осуществить быструю и точную адаптацию ко всем режимам работы.

Без электроники сегодняшние двигатели потребляли бы на 25-30 % больше топлива, при этом о стабильности параметров их работы можно было бы забыть, как и о соблюдении предписанных норм токсичности. Ожидаемый срок службы агрегатов оказался бы заметно короче. Раньше электроника считалась дорогой, ненадежной и неремонтопригодной. Однако механика достигла пределов своих возможностей, и дальнейшее развитие концепций управления двигателями по традиционному пути оказалось невозможным. Двух- и трехкамерные карбюраторы для подготовки топливно-воздушной смеси оказались слишком дорогими и сложными, многие СТО были просто перегружены заказ-нарядами на их обслуживание и регулировку. Точно определить текущие условия эксплуатации было невозможно. Выход был найден только в применении электроники.

В моторном отсеке автомобиля электронике приходится работать при температурах от -40 °С до +150°С. Добавьте сюда грязь, пыль и влажность, а также удары и вибрацию при проезде неровностей, кратковременные ускорения, в сто раз превышающие ускорение свободного падения. Но, даже работая в таких условиях, последние поколения электронных систем управления двигателями могут совершать десятки миллионов операций в секунду. Однако применение технологий самообучения сделает данные системы еще сложнее. В то же время они смогут реагировать на условия окружающей среды так же быстро, как и на изменения в двигателе. В определенных пределах системы смогут самостоятельно реагировать на изменение условий эксплуатации и компенсировать возникающие неисправности. Станет возможной индивидуальная адаптация электронных систем к конкретному двигателю.

Оптимальные параметры работы новых двигателей определяются во время стендовых испытаний. При этом определяется, записывается и обрабатывается более 6500 значений с интервалом 0,1 с. Затем происходит адаптация полученных данных к реальным условиям эксплуатации двигателя и автомобиля. При этом учитывается и то, что в конечном итоге автомобилем будет управлять человек.

Основу современных систем бортовой диагностики (OBD) заложили электронные системы управления двигателями Motronic, которые традиционно делились на системы управления впрыском топлива и системы управления зажиганием. Отличие современных систем Motronic состоит в производительности электронного блока управления двигателем и использовании многочисленных характеристик, кривых и констант. В блоках управления помимо информации об управлении впрыском обрабатываются также все необходимые данные для управления зажиганием. Современные системы работают адаптивно, а потому не требуют постоянных регулировок и обслуживания. С ростом производительности модулей памяти и процессоров можно записывать все больше и больше характеристик, кривых, фиксированных значений, констант и дополнительных функций. Идеальные значения используются для сравнения с фактическими и для адаптивных процессов регулирования. Программы для движения в аварийном режиме и вспомогательные функции становятся все объемнее. Усложняется обмен данными с другими электронными системами автомобиля по CAN-шине — блоком управления КПП, системой управления динамикой и пр. Лишь с использованием этих систем стала возможной современная бортовая диагностика.

Рис. Производительность современной системы управления двигателем

Примечание. Приведенные величины являются ориентировочными и в отдельных системах могут оказаться выше или ниже. При этом в ближайшие годы следует ожидать дальнейшего роста производительности электронных модулей и процессоров. В среднем она удваивается через каждые полтора года.