Система Motronic М3

Комбинация управления зажиганием и впрыском обеспечивает существенное преимущество. Информация, получаемая от различных датчиков, используется для того, чтобы вычислить требуемые параметры питания топливом и зажигания. Еще более важно то, что зажигание и впрыск тесно связаны. Влияние, которое они имеют друг на друга, может быть легко учтено. Это гарантирует работу двигателя в оптимальных условиях при всех режимах эксплуатации.

Вообще-то этот тип системы менее сложен, чем отдельные системы управления топливом и зажиганием, и во многих случаях блок управления двигателем в состоянии работать в аварийном режиме, заменяя недостающую информацию датчиков усредненными установочными данными. Это позволяет в случае определенных отказов системы какое-то время эксплуатировать машину, хотя и с некоторыми ограничениями.

Система зажигания интегрирована с контролем подачи топлива и работает без распределителя высокого напряжения зажигания. Процессом зажигания управляет ECU в цифровой форме. Данные для идеальных параметров режимов хранятся в постоянной памяти, эти данные получены в ходе опытного моделирования и в процессе разработки двигателя. Главные параметры для расчета момента опережения зажигания — это частота вращения и нагрузка на двигатель. Еще большая точность достигается, если принимать во внимание и другие параметры, например температуру двигателя. Такой расчет обеспечивает одновременно оптимальную выходную мощность и допустимый уровень загрязнения окружающей среды. Это означает, что фактическая точка зажигания во многих случаях должна быть компромиссом между требованиями экологии и качеством работы двигателя.

Система впрыска является многоточечной и, как это имеет место для всех топливных систем, количество подаваемого топлива определяется, прежде всего, количеством воздуха, всасываемого двигателем.

В данной системе используется косвенный метод измерения этих данных, для определения количества поступающего воздуха используется датчик давления.

Подачей топлива в двигатель управляют электромагнитные инжекторы. Период открытия инжектора определяет ECU. Это дает возможность очень точно управлять подачей воздушно-топливной смеси на всех режимах ксплуатации двигателя. Данные, необходимые для управления этим процессом, сохраняются в постоянной памяти (ROM) таким же образом, как и для системы зажигания.

На рисунке показаны компоненты этой системы.

Рис. Компоненты системы Bosch Motronic

Функционирование системы зажигания

Главный источник информации для системы зажигания — датчик углового положения коленчатого вала. Это магнитный индуктивный датчик, помещенный рядом с венцом махового колеса и содержащий 58 зубцов. Зубцы расположены через 6″ с одним промежутком 12″, расположенным за 114″ перед верхней мертвой точкой (top dead centre — TDC) первого цилиндра.

Типичное сопротивление катушки датчика — 800 Ом. Воздушный зазор между датчиком и венцом махового колеса — приблизительно 1 мм. Сигнал, производимый датчиком углового положения маховика, показан на рисунке. Фактически это синусоида с одним отсутствующим циклом. Пауза соответствует промежутку в зубцах венца-редуктора.

Рис. Сигнал датчика углового положения коленчатого вала

Информация, поступающая к ECU, — скорость вращении двигателя (определяется по частоте сигнала) и угол поворота — определяется по числу импульсов до или после паузы.

Рис. Упрощенная блок-схема управления системой зажигания

На рисунке приведена блок-схема системы управления зажиганием. Система зажигании ECU должен быть в состоянии:

• определить и сформировать кривые опережения момента зажигания
• обеспечить постоянную энергию зажигания
• передать сигнал зажигания непосредственно на катушку зажигания

Базовое значение угла зажигания определяется на основе картографического профиля установочных значений. Эти профили хранятся в чипе ROM внутри ECU. Параметрами для выбора профиля являются:

• скорость вращения в об/мин — определяется датчиком махового колеса
• давление воздуха на входе в двигатель — определяется датчиком абсолютного давления в коллекторе

Вышеупомянутые два параметра (скорость и нагрузка) определяют базовое установочное значение, но чтобы гарантировать оптимальный угол опережения момента зажигания, базовое значение корректируется по:

• температуре охлаждающей жидкости
• температуре воздуха
• положению заслонки дроссельного клапана

Рис. Профили для определения момента зажигания и периода активации

Момент зажигания во время запуска двигателя устанавливается на определенное значение опережения. На рисунке показаны типичные профили угла опережения и периода протекания тока через первичную обмотку катушки зажигания, используемые системой Motronic. Эти данные внесены в ROM. Для полного контроля зажигания электронный блок управления должен сначала определить выбор базового момента времени зажигания для трех различных условий:

1. в условиях холостого хода момент времени зажигания обычно перемещается ECU очень быстро, чтобы управлять скоростью холостого хода. Управляя моментом зажигания, можно изменять частоту врашения двигателя в определенных пределах
2. условия предельной нагрузки требуют осторожного регулирования времени зажигании, чтобы предотвратить детонационные удары при сгорании смеси. Когда ECU обнаруживает сигнал предельной нагрузки (высокое давление в коллекторе), угол опережения зажигания уменьшается
3. степень открытия дросселя — основной контролируемый параметр и, как уже было сказано, базовый выбор времени первоначально устанавливается программой в зависимости от скорости двигателя и давления в коллекторе

Корректировки базового значения осуществляются на основании:

• стратегии эксплуатационного режима
• зашиты от детонации
• фазовой коррекции

ECU будет также управлять изменением момента зажигания в период блокировки подачи топлива и восстановления рабочего режима, а также в целях устранения резких толчков. При запуске двигателя план выбора зажигания заменяется в соответствии с определенной стартовой стратегией. Фазовая коррекция состоит в том, чтобы во время регулирования выбора момента зажигания блок управления учитывал еще и время, необходимое для формирования импульса высокого напряжения на свечах зажигания. Чтобы гарантировать хорошие ходовые качества автомобиля, ECU может ограничить максимально допустимые изменения между двумя состояниями системы зажигания, причем допустимые изменения зависят от скорости вращения двигателя и базового периода впрыска.

Функция подавления рывков работает, когда базовый период впрыска меньше 2.5 мс, и скорость вращения находится в пределах между 720 и 3200 об/мин. Эта функция включается, чтобы исправить запрограммированный выбор времени зажигания в соответствии с мгновенной скоростью вращения и скоростью, заданной набором выбранных установок. Это делается для того, чтобы в максимально возможной степени стабилизировать характеристики вращения вала двигателя.

Чтобы поддерживать постоянную энергию искры, период активации свечи должен увеличиваться в соответствии с ростом оборотов двигателя. Для обеспечения условий воспламенения первичный ток цепи зажигания достигает своего максимума в момент зажигания, a ECU управляет величиной активации при помощи другой карты памяти, которая учитывает фактическое напряжение батареи.

Сигнал от датчика махового колеса — фактически синусоида, генерируемая во время прохождения зубца мимо обмотки датчика. Нулевое значение этого сигнала возникает, как только датчик «видит» вершину каждого зубца. Цепь в блоке ECU (триггер Шмидта) преобразует сигнал датчика в прямоугольную форму. Появление «отсутствующего» зубца дает сигнал большей продолжительности. ECU обнаруживает этот промежуток в зубцах и по нему может определить верхнюю мертвую точку для первого цилиндра. Вторая TDC в цикле определяется подсчетом 29 зубцов, которые составляют половину оборота вращения. ECU, определив угол зажигания, управляет затем катушкой зажигания на каждой половине оборота. Используя опорный сигнал, ECU включает катушку в момент, определенный количеством зубцов, соответствующих доле активации перед тем моментом времени, где катушка будет выключена.

Модуль воспламенения используется как простой выключатель, чтобы управлять первичной обмоткой катушки зажигания. Он состоит из усилителя типа «пары Дарлингтона» (составного транзистора). На некоторых системах функция переключения выполняется внутри блока управления. этот выбор очень сильно зависит от местоположения ECU относительно катушки зажигания. Кроме того, место выделения тепла, образующегося при переключении сильного тока, лучше разнести с главным модулем ECU. Еще один вопрос — может ли интерференция от переключения тока вызвать проблемы в остальной части блока управления?

Катушка зажигания системы без распределителя зажигания составлена из двух первичных обмоток и двух вторичных. Первичные обмотки имеют общее питание 12 В и переключаются на землю поочередно. Сопротивление первичной обмотки имеет порядок 0,5 Ом, а сопротивление вторичной — 14 кОм. Система действует по принципу «потерянной искры», давая искру одновременно как в цилиндрах с номерами 1 и 4, так и в цилиндрах с номерами 2 и 3. Неудобства этой системы заключаются в том, что в одном цилиндре каждой пары искра проскакивает с земляного электрода свечи на центральный электрод. Однако в виду высокой энергии искры это не оказывает существенного воздействия на качество работы.

Используемые провода высокого напряжения имеют сопротивление. Для этой системы используются стандартные свечи зажигания, но их тип меняется в зависимости от двигателя. Нормальным в этом случае считается междуэлектродный промежуток около 0,8 мм.

Подача топлива

Топливо забираемся от топливного бака насосом либо погруженным, либо находящимся снаружи, но около бака. Погруженный тип тише в работе, лучше охлаждается и не имеет внутренних утечек. Топливо направляется к топливной магистрали и коллектору через фильтр. На рисунке показана система подачи топлива.

Рис. Основные компоненты системы подачи топлива

Давление топлива поддерживается на уровне примерно 2,5 бар выше давления во впускном коллекторе регулятором, установленным на топливной магистрали. Лишнее топливо возвращается к топливному баку. Топливо обычно собирается через спиральную воронку, чтобы предотвратить его аэрацию. Каждый из четырех рукавов впускного коллектора снабжен собственным инжектором.

Топливный насос — насос высокого давления — является двухсекционным устройством. Секция низкого давления, образуемая турбиной, высасывает топливо из бака, а секция высокого давления, образуемая шестеренчатым механизмом, доставляет топливо к фильтру. Насос питается от источника 12 В через реле насоса, которое по соображениям безопасности контролирует блок управления.

Характеристики топливного насоса:

• производительность — 120 л/ч при давлении 3 бар
• сопротивление — 0,8 Ом (омическое)
• напряжение питания — 12 В
• потребляемый ток — 10,5 А

Вращение турбины затягивает топливо во входное отверстие. Топливо проходит через турбину и входит в отделение насоса, где его давление повышается в камерах шестеренчатого механизма. Это давление открывает разностный клапан, и топливо подается к фильтру. Когда насос останавливается, клапан сохраняет давление, предотвращая отток топлива. Если из-за дефектного регулятора или блокировки в топливной линии давление возрастет выше 7 бар, откроется защитный клапан, выпуская топливо назад в топливный бак.

Топливный фильтр помещен между насосом высокого давления и топливной магистралью. Он устанавливается так, чтобы гарантировать, что экран на выходном отверстии улавливает любые бумажные частицы от фильтрующего элемента. Фильтр задерживает в отстойнике частицы грязи размером от 8 до 10 мкм. Период замены фильтра у разных изготовителей отличается, но обычно рекомендуется 80 000 км.

В дополнение к функции подачи топлива инжекторам топливная магистраль действует как аккумулятор давления. В зависимости от размера топливной магистрали некоторые системы также используют дополнительный аккумулятор давления. Объем топливной магистрали является достаточно большим, чтобы действовать как демпфер колебаний давления. Это гарантирует, что все инжекторы снабжаются топливом при постоянном давлении.

Инжекторы и связанные с ними компоненты

Для каждого цилиндра используется один инжектор, хотя автомобили очень высокого качества могут использовать два. Инжекторы связаны с топливной магистралью через резиновую прокладку. Инжектор — это электрически управляемый клапан, изготовленный с очень высокой точностью. Инжектор содержит корпус и иглу, прикрепленную к магнитному сердечнику. Когда обмотка, размешенная в корпусе инжектора, активируется, сердечник или якорь втягиваются, и клапан открывается, сжимая возвратную пружину. Топливо вводится в тонкодисперсной форме и накапливается позади закрытого впускного клапана до тех пор, пока не начнется такт впуска. Количество вводимого топлива напрямую связано с периодом открытия клапана инжектора (при условии, что давление на инжекторе сохраняется постоянным). Период открытия клапана определен интервалом времени активации цепи электромагнита. Инжекторы обычно имеют следующие характеристики:

• напряжение питания — 12 В
• сопротивление обмотки — 16 Ом
• статический расход — 150 куб. см в минуту при давлении 3 бар

Назначение регулятора давления топлива состоит в том, чтобы поддерживать на инжекторах заранее определенное разностное давление. Это означает, что регулятор должен регулировать давление топлива в магистрали с ответ на изменение давления в коллекторе. Регулятор сделан из двух опрессованных камер, содержащих общую диафрагму, пружину и клапан.

Калибровка клапана регулятора определяется жесткостью пружины. Изменения в коллекторном давлении изменяют базовое значение давления. Когда давление топлива в магистрали увеличивается в достаточной мере, чтобы переместить диафрагму, клапан открывается и позволяет топливу возвращаться к топливному баку. Уменьшение давления в коллекторе (например при холостом ходе) также действует на диафрагму и позволяет клапану легко открываться, следовательно, между топливной магистралью и впускным коллектором поддерживается постоянное разностное давление. Это давление и есть постоянное давление на инжекторах, и, следовательно, количество введенного топлива определяется только временем открытия инжекторов. Разностное давление поддерживается примерно на уровне 2,5 бар.

Выполнение такта подачи воздуха значительно различается у разных производителей, но все равно воздух в каждый цилиндр подается через индивидуальный патрубок от корпуса коллектора, в который воздух подается через простой клапан («бабочку»). Поступающий в коллектор воздух предварительно фильтруется. Дополнительный (обходной) канал подачи воздуха используется в период разогрева после холодного запуска и для управления скоростью холостого хода.

Расчет топливной смеси

Необходимая порция топлива определяется, прежде всего количеством воздуха, всасываемого двигателем. Это количество зависит от двух факторов:

• скорость вращения двигателя в об/мин
• давление во впускном коллекторе

Указанная характеристика, зависящая от скорости и нагрузки, сохраняется в постоянной памяти блока управления двигателем (ECU) в виде справочных таблиц.

Датчик давления, связанный трубкой с коллектором, воспринимает абсолютное давление. Это датчик пьезоэлектрического типа, сопротивление которого изменяется с давлением. Датчик питается от стабилизированного источника 5 В и создает выходное напряжение, пропорциональное давлению. Датчик устанавливается достаточно далеко от коллектора и, следовательно, с коллектором его должна соединять трубка. Объем воздуха в трубке обычно подбирается таким, чтобы гасить колебания давления. Выходной сигнал датчика изменяется приблизительно в пределах между 0,25 В при 0,17 бар и 4,75 В при 1,05 бар. На рисунке показан датчик давления и его выходное напряжение.

Рис. Датчик давления и его выходное напряжение

Плотность воздуха зависит от температуры, по-этому в широком температурном диапазоне информации о количестве воздуха от датчика давлении будет неправильной. Поэтому дополнительно используется датчик температуры, сообщающий блоку управления температуру воздуха входного тракта, чтобы ECU мог скорректировать количество вводимого топлива. Когда температура воздуха снижается, его плотность повышается, следовательно, количество введенного топлива также должно быть увеличено.

Датчик температуры — резистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Значение сопротивления уменьшается с ростом температуры и наоборот. Выходная характеристика этого датчика — нелинейная.

Чтобы определить количество вводимого топлива, блок управления, в дополнение к давлению воздуха, должен знать скорость вращения двигателя. Эту информацию обеспечивает тот же самый датчик махового колеса, который используется системой зажигания. Все четыре инжектора работают одновременно, вводя половину необходимого топлива за один оборот двигателя. Это способствует равномерному сгоранию. Начало впрыска изменяется согласно выбору момента зажигания.

Базовое значение интервала открытия инжекторов определяется при использовании информации постоянной памяти, касающейся давления в коллекторе и скорости вращения. Затем выполняются две коррекции: одна — по температуре воздуха в коллекторе, другая — по рабочему режиму двигателя (холостой ход, полная или частичная нагрузка).

Далее ECU выполняет еще одну группу коррекций, если они необходимы:

• обогащение смеси после запуска
• обогащение в соответствии с режимом эксплуатации
• обогащение при ускорении
• обеднение при замедлении
• отсечка при блокировке двигателя
• восстановление впрыска после отсечки
• поправка на изменение напряжения батареи

В условиях запуска двигателя период впрыска вычисляется по-другому. Он определяется, главным образом, из набора значений, который меняется как функция температуры.

Датчик температуры хладагента — термистор. Он используется, чтобы обеспечить ECU значение температуры охлаждающей жидкости двигателя. Благодаря этой информации ECU может вычислить любые поправки к интервалу питания топливом и моменту впрыска. Конструкция этого датчика аналогична конструкции воздушного температурного датчика.

Потенциометр дросселя установлен на оси дроссельной заслонки и информирует ECU о положении дроссельного клапана и скорости изменения этого положения. Датчик обеспечивает информацию об ускорении и замедлении, а также о положении предельной нагрузки или холостого хода. На рисунке показан потенциометр дроссельного клапана и его электрическая схема. Она включает делитель из переменного и постоянного сопротивлении. Для питания датчика, как и во многих других случаях, используется источник стабилизированного напряжения 5 В; выходной сигнал датчика поэтому меняется приблизительно между 0 и 5 В. Напряжение сигнала увеличивается по мере открытия дроссельного клапана.

Рис. Потенциометр дросселя и его электрическая схема

Рабочие функции

Рабочие функции этой системы могут быть исследованы по фазам следующим образом.

Фаза запуска. Вход в фазу запуска происходит сразу же, как только ECU получает сигнал от датчика махового колеса. Момент зажигания определяется в соответствии со скоростью двигателя и температурой охлаждающей жидкости. ECU активирует инжекторы четыре раза за машинный цикл (дважды за один оборот коленчатого вала), чтобы получить наиболее однородную смесь и избежать забрызгивания свечей в течение фазы запуска. На рисунке показан впрыск и выбор момента зажигания относительно положения вала двигателя. Впрыск прекращается через 24″ после получения сигнала о достижении верхней мертвой точки от датчика махового колеса. ECU устанавливает соответствующий период впрыска, откорректированный в соответствии с температурой охлаждающей жидкости, если запуск холодный, и температурой воздуха, если запуск горячий. Выход из фазы запуска происходит тогда, когда скорость вращения проходит порог, определенный температурой охлаждающей жидкости.

Рис. Впрыск и момент зажигания относительно положения вала двигателя

Фаза обогащения после запуска. Фаза обогащении смеси после запуска необходима, чтобы избежать остановки двигателя после старта. Степень обогащения определяется температурой охлаждающей жидкости и температурой воздуха и постепенно уменьшается под контролем ECU. Если двигатель холодный или его температура средняя, начальная смесь является функцией температуры хладагента. Если же двигатель горячий, начальная смесь — функция температур воздуха и охлаждающей жидкости. На рисунке показано уменьшение обогащения смеси после холодного запуска. Если случается, что двигатель останавливается через некоторый промежуток времени после холодного запуска, то в следующий период после старта обогащение будет уменьшаться чуть медленнее.

Рис. Уменьшение обогащения смеси после холодного запуска

Фаза работы холодного двигателя. В период прогрева двигателя выбор времени зажигании корректируется в соответствии с температурой охлаждающей жидкости. Выбор этого времени также меняется в зависимости от скорости двигателя и нагрузки. В течение фазы прогрева период открытия инжектора увеличивается по сигналу температуры хладагента, чтобы восполнить потери топлива и предотвратить понижение скорости двигателя. Степень обогащения уменьшается по мере того, как падает сопротивление температурного датчика, и, на конец, достигает финального значения при 80 «С. На рисунке показано поведение степени обогащения во время прогрева. Степень обогащения и момент зажигания в режиме холостого хода и в другие моменты времени определяется по скорости вращения и температуре хладагента с учетом как скорости двигателя, так и температуры охлаждающей жидкости. Чтобы преодолевать фрикционное сопротивление холодного двигателя, важно увеличивать подачу смеси. Это достигается при использовании дополнительного устройства, которое позволяет воздуху обходить дроссельную заслонку.

Рис. Степень обогащения смеси во время прогрева двигателя

Фаза холостого хода. Воздух, необходимый для обеспечения холостого хода, подается в обход дроссельного клапана через специальный проход в корпусе дросселя. Для регулирования скорости двигателя на холостом ходу в проходе устанавливается винт объема. Регулирование холостой смеси выполняется электронным устройством (в соответствии с положением потенциометра дросселя) или блоком управления, или отдельным узлом. Параметры зажигания и впрыска для режима холостого хода устанавливаются по информации от потенциометра о том, что заслонка дросселя находится в положении холостого хода, а скорость вращения двигателя устанавливается по информации от датчика махового колеса.

Фаза полной нагрузки. В условиях полной нагрузки выбор момента зажигания связан со скоростью вращения двигателя и информацией о полной нагрузке от потенциометра дроссельной заслонки. Для достижения максимальной мощности объем впрыска должен быть таким, чтобы отношение смеси увеличилось до 14,7:1. Сигнал от потенциометра дросселя заставляет программу в ECU обогащать смесь соответственно частоте вращения двигателя таким образом, чтобы гарантировать максимальную мощность в заданном диапазоне скорости, но при этом еще и минимизировать риск детонации. Также важно не увеличивать потребление топлива сверх меры и не допускать существенного роста вредных выбросов.

Фаза ускорения. Когда блок управления обнаруживает быстрое ускорение по скорости изменения сигнала потенциометра дросселя, обогащение происходит за определенное количество циклов зажигания. Степень обогащения определяется по температуре охлаждающей жидкости и изменению давления в коллекторе впускного тракта. Затем обогащение уменьшается также за несколько циклов зажигания. На рисунке показано обогащение в фазе ускорения. Степень обогащения устанавливается за период калиброванного числа зажиганий, а затем уменьшается с фиксированной скоростью, пока не вернется к исходной. Обогащение не будет происходить, если скорость двигателя окажется выше 5000 об/мин или в режиме холостого хода. При очень сильном ускорении возможен несинхронизированный впрыск. Он определяется по температуре хладагента и ROM-карты положения дроссельного клапана в зависимости от скорости двигателя с поправкой на напряжение батареи.

Рис. Обогащение смеси на фазе ускорения

Фаза замедления. Если изменение давления во впускном коллекторе больше 30 мБар, ECU обедняет смесь в соответствии с обнаруженным изменением давления.

Блокировка впрыска на фазе замедления (экономайзер). Этот способ разработан, чтобы улучшить экономию топлива и уменьшить эмиссию, в частности, углеводородов. Блокировка срабатывает, когда заслонка дросселя закрыта, а скорость двигателя — выше порога, определяемого температурой хладагента (около 1500 об/мин). Когда скорость двигателя падает примерно до 1000 об/мин, впрыск возобновляется с периодом, повышающимся до величины, связанной с текущими значениями скорости двигателя и нагрузки. На рисунке показана стратегия, используемая для управления блокировкой и восстановлением впрыска.

Рис. Стратегия, используемая для управления блокировкой и восстановлением впрыска

Фаза защиты от детонации. Выбор времени зажигания также регулируется для того, чтобы уменьшить рывки и возможные удары в период блокировки и восстановления впрыска. Расчетный момент опережения зажигания уменьшается, чтобы удержать зажигание возможно ближе к границе детонации. Программа коррекции опережения для защиты от детонации учитывает период впрыска, скорость вращения и температуры воздуха и воды.

Ограничение скорости двигателя. Впрыск блокируется, когда скорость двигателя превысит 6900 об/мин, и восстанавливается, когда скорость уменьшается ниже указанной цифры. Это предотвращает возможность повреждения двигателя из-за чрезмерной скорости вращения.

Поправка на напряжение батарей. Эта коррекция дополняет все другие функции, чтобы компенсировать изменения в напряжении питания системы. Значение напряжения формируется к каждый момент ВМТ, а затем поправка применяется ко всем вычислениям периода впрыска. От приложенного напряжения зависит время, затрачиваемое на установление полного тока, текущего в обмотке инжектора, и время, необходимое дли прекращения этого тока. На рисунке показано, как образуется эта задержка: если S1 больше чем S2, требуется корректировка:

S1 — S2 = S, где S представляет задержку времени из-за индуктивности обмотки инжектора.

Рис. Задержка срабатывания инжектора в зависимости от тока