Уважаемые автомобилисты, в данной статье речь пойдет о работе, грубо говоря, о «мозгах», которыми наделен двигатель вашего «четырехколесного друга» или мотоцикла. Для того, чтобы все смогли понять о чем идет речь, объяснять буду практически «на пальцах», короче попытаюсь рассказать, как же все это происходит…
В чем заключается работа ЭБУ (электронный блок управления) — «мозга автомобиля», а также для чего он нужен?
Электроника — это прекрасная альтернатива остальным системам, которые выполняют аналогичные функции. Раньше дозировкой топлива занимался карбюратор, в свою очередь зажиганием занимался механический или вакуумный корректор угла опережения зажигания. Короче говоря, не только электроника способна выполнять все эти действия, долгое время именно так все и было. На сегодняшний день, на многих устройствах (бензопилы, мотоциклы, бензогенераторы) эти системы продолжают работать и выполнять работу, которую в более совершенных устройствах и транспортных средствах заменил инжектор.
Спросите, зачем было все менять, если все и так хорошо работало, да и работает по сей день. Для чего понадобилось списывать проверенные временем довольно надежные системы? На самом деле все довольно просто — очередной виток в гонке за экологичностью, экономичностью, и повышением мощности. Принципа работы и возможностей описанных выше систем стало недостаточно для необходимого увеличения мощности и одновременного повышения экологичности мотора, кстати, сами по себе электронные системы, которые управляют двигателем появились довольно давно.
Принцип работы поршневых ДВС, я затрагивать не буду, т. к. многим он известен, а те, кому он не знаком я думаю не сильно от этого пострадают. Если сделать разрез и посмотреть на работу системы зажигания и системы питания, то двигатель можно позиционировать просто, как своего рода преобразователь воздушно-топливной смеси в механическую энергию.
Итак, что мы имеем? У нас есть топливо, это может быть: бензин, пропан, метан, этанол. Имеется также воздух и необходимость получения из всего этого набора «страшных» слов — механическую энергию. Самая большая сложность состоит в том, что для того чтобы получить воспламенение воздушно-топливной смеси, которая в свою очередь должна образоваться в результате смешивания топлива и воздуха в точных пропорциях. После этого с такой же точностью должна быть подожжена в определенный промежуток времени. Кстати, в случае не своевременности хотя бы одного из этих циклов, вы получите ухудшение характеристик производительности двигателя.
Теперь вернемся к нашим баранам… Возвращаясь к разговору о работе «мозгов», хочу сказать, что именно здесь мозг двигателя показывает свой «IQ», управляя дозировкой топлива и своевременным поджогом топливной смеси в каждом цилиндре двигателя. Это и есть основная функция ЭБУ. Кроме того, он еще занимается дополнительной работой — управляет турбиной и трансмиссией автомобиля.
Подсистема, которая занимается дозировкой топлива — называется инжектор. Зажигание обеспечивает поджиг топливной смеси. Воздух необходимый для реализации реакции подается «естественным» путем. Мотор сам всасывает необходимое количество воздуха, количество может быть ограничено, с целью снижения мощности двигателя. Кстати, обычно двигатель не нуждается в постоянной максимальной мощности, поэтому большую часть времени работы мотора подача воздуха как раз ограничивается. Если автомобиль оснащен турбиной — воздух принудительно нагнетается в двигатель, но сути это не меняет. Подача всегда будет такой, какая необходима для нормальной работы, а регулируется количество воздуха самим водителем при помощи педали.
Количество подачи топлива и его дозировка
Существует такое понятие, как стехиометрическое отношение, оно указывает на размер, необходимого количества воздуха, который нужен для полного сжигания килограмма топлива. У бензина это соотношение составляет 14,7:1., его также называют Air Fuel Rate (AFR). Это не аксиома, это своего рода оптимальное соотношение. Смесь воспламенится, даже если будет немного «беднее», то есть при меньшем количестве топлива. Правда такая смесь и гореть будет гораздо хуже, а двигатель в свою очередь — сильнее греется. Это называется значение в большую сторону — AFR 15 и больше. Случается смесь и «богаче», в том случае, когда топлива больше чем воздуха — AFR 14. В таких случаях смесь не сгорает полностью, однако, не смотря на это, достигается максимальная мощность двигателя. Есть, конечно же, ограничения и в одну и в другую сторону — при слишком большом увлечении, двигатель не будет работать. Нельзя же просто взять налить 20 частей бензина и ждать от этого прироста мощности.
Исходя из вышесказанного, можно сделать заключение, что для того, чтобы определить необходимое количество топлива, в котором нуждается наш двигатель, следует всего лишь знать, сколько в него поступает воздуха. Все просто — исходя из количества поступаемого воздуха относительно топлива, можно определить, сколько нужно бензина! Вот и все! Хотя, подождите, а как узнать, сколько воздуха поступает в двигатель? Узнать это можно несколькими способами, однако, обычно для этих целей используют один из нижеприведенных датчиков:
Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) или MAF — измеряет количество воздуха, которое через него проходит. В википедии об этом устройстве сказано примерно так: «ДМРВ состоит из двух платиновых нитей, которые нагреваются при помощи электрического тока. Через одну нить проходит воздух, охлаждая её, вторая нить является контрольной. Количество поступаемого в двигатель воздуха вычисляется по тому, как изменяется ток проходящий через охлаждаемую воздухом платиновую нить.». Такой тип датчиков зачастую применяется в производстве гражданских автомобилей. В принципе нет ничего сложного…
Есть также другой тип датчиков — ДАД или MAP. Это датчик абсолютного давления, он подключается к впускному коллектору и производит измерение разряжения (или избыточного давления, как в случае с наддувом) в коллекторе. Согласно полученных показаний с этого датчика, а также температурных датчиков и данных о частоте вращения коленвала, можно сделать вычисление объема поступающего воздуха, за что собственно и боремся. Для того, чтобы откорректировать его показания, необходимо также обладать информацией о давлении окружающего воздуха. Как правило, для этого устанавливают еще один датчик, работа которого заключается в непрерывном его измерении.
Следующим обязательным датчиком является — датчик положения коленвала или (ДПКВ). При помощи этого датчика мозги будут иметь точное представление о том, в каком положении на данный момент находится коленвал. Спросите, зачем ему это? Недостаточно знать только о необходимом количестве топлива, нужно точно знать о том, когда именно его подать. Да и воспламенение смеси в цилиндрах, как вы помните, тоже должно происходить в строго отведенный промежуток времени. Поэтому этот датчик тоже — «жизненноважен». Эти датчики бывают нескольких типов, однако, зачастую это либо датчики Холла, либо индукционные датчики. Другими словами — бесконтактные датчики, наподобие тех, которые задействованы в IT-индустрии, в винчестерах и кулерах.
Работа следующего датчика, имя которому ДПРВ, или датчик положения распредвала, предусматривает получение еще большего объема информации. Этот датчик на пару с ДПКВ обеспечивает еще больший объем информации относительно происходящего в двигателе автомобиля в конкретный момент. Второе название этого устройства — датчик фаз. Благодаря этому датчику ЭБУ знает, в каком из цилиндров в настоящее время происходит такт впуска, а также то, куда нужно в тот или иной момент подавать топливо, и в каком из цилиндров происходит такт сжатия. Его принцип работы описывать не буду, так как он очень схож на ДПКВ, а иногда и еще проще. Короче, все то же самое, только на распредвале.
Такой набор датчиков способен обеспечить нормальный запуск двигателя. Ничего сверхъестественного, все самое необходимое, однако этого вполне достаточно, для того чтобы знать потребность и необходимое количество топлива, а также момент в который совершать поджиг всех этих ингредиентов. Ну что ж, давайте зажжем!?
Подача и поджиг, основные исполнительные механизмы
Дозировкой топлива занимаются форсунки, проще говоря «инжекторы». Не стоит удивляться, но название этих элементов послужило причиной окончательного названия всего этого узла. Сама по себе форсунка ничего особенного из себя не представляет, так — электромеханический клапан. Не более чем два проводка и топливопровод высокого давления. Подача напряжения на выводы — открылась форсунка, прекратили пропускать ток — закрылась форсунка.
Необходимо понимать, что открытие и закрытие форсунки происходит моментально, поэтому для того, чтобы узнать объем топлива, который проходит через нее, достаточно будет всего лишь обладать информацией о ее статической производительности. Другими словами — объем топлива, который пройдет через форсунку за одну минуту. Открылась форсунка, вытек бензин, измерили полученный за минуту объем — вот вам и вся математика. Далее для того, чтобы произвести точное дозирование, нужно просто на определенное время открывать и закрывать форсунку. Выходит, что дозировка происходит с некой «выдержкой», выражаясь термином фотографов. Чем дольшим будет время открытия форсунки, тем большее количество топлива попадет в двигатель.
Поджигает смесь, все та же «старая добрая» всем известная, свеча зажигания. Эта труженица верой и правдой доказывала свою производительность и оправдывала себя как изобретение. Катушка зажигания тоже не последний элемент во всем этом ансамбле. С тех добрых пор, зажигание тоже практически не изменилось, однако для его работы необходим ДПКВ и ДПРВ, так как без этих важнейших датчиков дела не будет.
В принципе, все вышеизложенное и есть не что иное, как работа инжектора в общих чертах. Руководствуемся показаниями датчиков, дозируем необходимое количество топлива, приоткрываем форсунку на определенное время, поджигаем. И так происходит каждый такт, все зависит от частоты. При частоте 100 раз в секунду, при оборотах коленвала 6000 в мин. Много? Да не так уж и много.
Едем дальше?
В современных двигателях все намного сложнее. Дело в том, что здесь вычислить количество попадаемого воздуха в двигатель, немного сложнее. Для того чтобы произвести корректировку значений, требуется наличие датчиков температуры охлаждающей жидкости — термодатчик, аналог того, что отображает температуру на панели приборов. Также нужен датчик температуры воздуха, который поступает в двигатель. По большому счету он не сильно отличается от первого, а что касается функционала, так это и вовсе брат близнец. Он точно также измеряет температуру, однако, уже не в двигателях, а поступающего в двигатель воздуха. Для чего что-либо корректировать? Вся беда в том, что в холодном двигателе топливо плохо испаряется, горят именно пары. Следовательно, в таком случае нам потребуется подавать больше топлива, дабы двигатель работал. Поэтому берем среднее значение и определяем оптимальное соотношение, измеряем температуру двигателя и производим корректировку этого значения.
Кроме исполнительных механизмов, в работе двигателя есть еще такое понятие, как холостой ход. То есть работа двигателя при отпущенной педали газа. Может некоторые и не знали, но даже когда водитель совсем не касается педали — мотор не должен глохнуть, его работа должна поддерживаться специальным устройством. Имя этому исполнительному устройству — регулятор холостого хода или РХХ. Механизм представляет собой такой себе шаговый двигатель, при помощи которого через специальный канал, двигатель может, что называется «вздохнуть» в обход дроссельной заслонки, которая перекрывает воздух. Умный мозг двигателя не позволит ему зачахнуть, поэтому каждый раз при снижении оборотов приоткрывает этот клапан, при этом не дает ему разойтись, поэтому способен прикрывать его, в случае если обороты уж очень сильно возрастают.
Не помешало бы и нам с вами знать о том, с каким усилием водитель давит на педаль газа. Однако, чтобы узнать это вовсе не обязательно пристально смотреть на положение педали, лучше обратить внимание на положение заслонки, которая собственно управляема этой педалью. Название датчика соответствующее — датчик положения дроссельной заслонки сокращенно ДПДЗ. Если взглянуть на него с технической точки зрения, то это всего-навсего потенциометр, работа которого заключается в измерении угла поворота оси дроссельной заслонки. Возможно, некоторым из вас непонятно, для чего нам надо знать с какой силой водитель давит на акселератор. Отвечаю, это нужно для того, чтобы вовремя включать режим холостого хода, так как в случае, если водитель резко пожелал ускориться или получить порцию острых ощущений, и энергично давит на педаль — двигателю не время экономить, наоборот самое время лить от души!
Экологические нормы уменьшаются с каждым годом, за этим ведется серьезный контроль, а производители бросили практически все силы на разработку суперэкологичных и сверхэкономичных двигателей. Поэтому, лить «на глазок», вам вряд ли кто позволит, более того, вас заставят постоянно контролировать состав выхлопа вашего авто. Эту функцию выполняет так называемый «лямбда зонд» или датчик кислорода. Этот датчик показывает, сгорела ли смесь полностью, и нет ли в выхлопных газах свободного кислорода или топлива. Согласно этих показаний, датчик инжектора способен корректировать свои действия, увеличивая или уменьшая количество подачи топлива. Такая необходимость возникает достаточно часто, поскольку качество бензина везде разное. Даже при хранении в канистре он способен стареть, а уж про «наши» заправки и вовсе можно легенды сочинять. Поэтому режимы горения — разные и совсем не постоянны, более того, производительность форсунок тоже может «плавать», т. к. расчет производится из расчета постоянной производительности, ведь форсунка через некоторое время может забиться, снизится соответственно производительность.
Если читаете внимательно, наверное заметили, что при помощи одного датчика можно обеспечить обратную связь. Анализируем состав выхлопных газов, сгорело не все — сокращаем подачу топлива, сгорает подчистую — увеличиваем подачу. Различают два вида лямбда зондов — узкополосные и широкополосные. Отличаются они друг от друга лишь точностью. Первые просто показывают, богатая смесь или бедная, представители другого класса умеют показывать, на сколько бедная или богатая. Более того, способны точно определить тот самый вышеупомянутый AFR. Цена естественно будет отличаться не меньше. К примеру, стоимость первых около $25, вторых порядка $200. Эти лямбды тоже отличаются повышенной капризностью, т. к. нуждаются в определенном температурном режим, что в нашем климате не всегда возможно. Некоторые экземпляры такого рода устройств — рабочий элемент, специально подогревается от сети.
В конечном итоге, сами по себе мозги функционируют по следующему принципу: существует так называемая топливная карта, это что-то наподобие таблицы, в которой четко прописан необходимый состав рабочей смеси. Таблица имеет три измерения. Первое — частота вращения коленчатого вала двигателя, второе — нагрузка на силовой агрегат, и третье — AFR. Необходимо просто взять из таблицы необходимое значение, которое было записано туда умным разработчиком. Производим корректировку согласно этого значения, согласно показаний температурных датчиков, лямбда зонда, а также изменением положения дроссельной заслонки. Далее вооружившись всеми этими знаниями, в соответствии со всеми вышеперечисленными поправками (часть из которых также представлена в таблицах) производим вычисление необходимого количества топлива. Подсчитываем объем топлива, который потребляется при открытии форсунки (в зависимости с ее производительностью), делаем коррекцию времени, взяв во внимание напряжение бортовой сети, затем в момент впуска — открываем форсунку на получившийся в ходе вычисления промежуток времени.
В обычном режиме все в принципе функционирует, однако что делать, если какой-нибудь из датчиков «полетит» — выйдет из строя. Да и как собственно это определить? К примеру, если датчик температуры сообщает о том, что температура двигателя достигает 200 градусов, или о том, что горючая смесь детонирует, невзирая на все корректировки? Как раз в этом то и заключается вся прелесть мозгов. Именно они определят, что датчик врет, и реагировать не стоит. После этого мозг покажет, что загорелся check engine и продолжит работу. Такое поведение сохранит работоспособность двигателя даже при неисправности сразу некоторых датчиков, и позволит вам все-таки добраться до СТО.
Наверное, многие согласятся, что в устройстве инжектора, в принципе, нет ничего сложного. Что до схематики, то в ней тоже ничего нет военного. Входящие значения считываем по АЦП, выходящие просто как бинарные. Да, выходные транзисторы, да довольно жесткие условия работы, но все же не космос, все вполне реально.
Что до работы прошивки, по-моему, тоже нет ничего запредельного. Я бы даже сказал, это гораздо проще всяческих алгоритмов распознавания, сложных схем и непонятных изображений. Во время настройки, саму прошивку, как правило, никто не трогает, я имею ввиду, что вряд ли кому придет в голову распаковать исходники и корректировать алгоритмы на свое усмотрение. Это необходимо воспринимать не более чем софт, при помощи которого вы сможете изменять те же топливные карты или какие-то другие коэффициенты, и параметры. Как правило, прошивки имеют фирменное происхождение, иногда ими также занимаются простые смертные, которых «прет» автомобильный тюнинг.
Далеко не каждый желает платить за хорошие «мозги» хорошие деньги. Многие просто любят получать чуть больше контроля над происходящим. Результатом этого стало появление нескольких проектов, с вполне доступными «мозгами». Допустим megasquirt — под эту аппаратную базу позже была написана кастомная прошивка с поддержкой и расширенными функциональными возможностями — клац. На некоторых сайтах имеются также схемы этих «мозгов», возможно кого-то из любителей электроники это заинтересует. Программерам, в свою очередь, думаю, будет любопытно поглядеть на код.
Надеюсь, у меня вышло в довольно интересной, местами тошнотворной, однако правдивой форме изложить о том, как устроена работа инжектора, а также связанных с ним систем. Если не дай Бог где ошибся — не обессудьте.