Особенности бензиновых двигателей с электронным управлением

Наиболее эффективный способ одновременного улучшения и экологических, и энергетических показателей – применение распределенного (многоточечного) впрыска бензина во впускные каналы в зоне впускных клапанов. Обычно для улучшения наполнения одновременно с ним используется инерционный наддув, т.е. устанавливаются длинные патрубки от общего ресивера к каждому цилиндру. В этом случае по сравнению с карбюраторной системой питания максимальная мощность повышается на 15 – 20%, а эксплуатационный расход топлива снижается в среднем на 10%. Кроме того, улучшаются ездовые качества автомобиля (плавный без рывков разгон, хорошая динамика), повышается надежность двигателя, упрощается его диагностика.

О введении в России норм Euro говорится немало. Однако большинству заводов от них удалось откреститься... – пока. Но все понимают, что уступки законодателей не могут быть вечными. Системы с электронным управлением распределенным впрыском бензина, зажиганием и антитоксичными устройствами уже разработаны для автомобилей УАЗ-3160 и УАЗ-31605, а также малотоннажных грузовиков ГАЗ. И скоро они в полном объеме придут в нашу жизнь. (Принципиальная схема такой системы дана на рис. 1). А потому остановимся подробнее на устройствах, входящих в такие системы, и особенностях их эксплуатации.

Забор топлива производится через фильтр грубой очистки с размером ячеек 50 мкм. Встречаются системы с двумя фильтрами – грубой и тонкой очистки. Для подачи топлива используется электробензонасос, который может располагаться в бензобаке, под кузовом или на лонжероне (УАЗ). Наиболее часто встречаются насосы эксцентриковые с роликовым уплотнением (рис. 2а) или шестеренные (рис. 2б). Они развивают рабочее давление от 300 до 400, а иногда и до 600 кПа. Производительность нового насоса обычно в 3 – 4 раза превышает расход топлива при максимальной мощности, что позволяет компенсировать уменьшение подачи из-за износа.

От насоса топливо через фильтр тонкой очистки (размер ячеек до 5 мкм) подается в коллектор (рампу), в конце которого расположен регулятор давления впрыска топлива (рис. 3). Диафрагменный механизм регулятора соединен с задроссельным пространством. Это позволяет поддерживать постоянный перепад давлений у форсунки независимо от разрежения во впускном трубопроводе. Избыточное топливо из регулятора возвращается в топливный бак. Рампа устанавливается непосредственно на электромагнитных форсунках (рис. 4). На входе в форсунку расположен фильтр для улавливания случайных частиц, попавших в систему после фильтра тонкой очистки.

В современных системах распределенного впрыска количество впрыскиваемого бензина регулируется изменением времени открытия клапана (5 – 50 мс). Ход клапана остается постоянным. Угол факела топлива зависит от конструкции распылителя и выбирается в зависимости от расположения форсунки: при ее установке во впускной трубе он меньше, при установке в головке блока – больше.

Частота вращения коленчатого вала и положение поршня определяется индуктивным датчиком, расположенным в приливе передней части двигателя в плоскости вращения зубчатого диска на коленчатом валу. Окружность диска разделена на 60 частей, причем вместо двух зубьев сделана просечка. Начало 20-го зуба диска по ходу вращения коленчатого вала соответствует ВМТ первого цилиндра. В системе зажигания применяется электронный коммутатор и, как правило, две двухискровые катушки зажигания, каждая из которых вырабатывает импульсы высокого напряжения одновременно для пары цилиндров (1 и 4-го, 2 и 3-го).

Фазирование впрыска (он должен начинаться при закрытом впускном клапане) осуществляется датчиком, установленным на крышке шестерен распределительного вала (двигатели УМЗ) или в головке блока цилиндров (двигатели ЗМЗ).

Расход воздуха в системах впрыска двигателей ЗМЗ и УМЗ определяется термоанемометрическим датчиком. Наиболее распространены два типа датчиков: пленочные и нитевые. Пленочные (рис. 5а) имеют меньшую стоимость, но при засорении требуют замены элемента. Нитевые устанавливались на двигателях с впрыском первых выпусков. В них нагреваются тонкие (70 мкм) платиновые нити (рис. 5б). Схема управления датчика обеспечивает постоянную температуру нити (150°С). В зависимости от расхода воздуха для стабилизации температуры изменяется напряжение на контактах нити и таким образом определяется расход топлива. Для самоочищения платиновой нити при выключении зажигания она кратковременно нагревается до 1 000°С.

Положение дроссельной заслонки контролируется установленным на ее оси потенциометром. По его показаниям отключается подача топлива на принудительном холостом ходу, а при полном открытии заслонки происходит переход на мощностные смеси. На корпусе дроссельных заслонок установлен и регулятор холостого хода. Он поддерживает заданную частоту вращения холостого хода, изменяя в зависимости от условий работы двигателя (температуры масла, охлаждающей жидкости, нагрузки на генератор) по сигналу блока управления (контроллера) количество подаваемого в обход дроссельной заслонки воздуха. На режиме прогрева двигателя этот регулятор поддерживает повышенную частоту вращения коленчатого вала для сокращения времени достижения рабочей температуры. Регулирование осуществляется поворотом шибера или перемещением клапана, регулирующего проходное сечение (рис. 6).

Для предотвращения работы с интенсивной детонацией устанавливается пьезоэлектрический датчик детонации (рис. 7) для поддержания угла опережения зажигания на пределе детонации при заправке бензином с низким фактическим октановым числом (в двигателях ЗМЗ в зоне 4-го цилиндра, в двигателях УМЗ – между 2-м и 3-м).

Управляют системами питания и зажигания двигателей УМЗ-420.10 и УМЗ-4213.10 блоки М1.5.4-У «Автрон» или «Микас-7.2», а двигателей ЗМЗ-4062.10 и их модификаций – М1.5.4 «Автрон» или «Микас М1.5.4». Отличительной особенностью блоков М1.5.4 «Автрон» являются шестнадцатиразрядные микропроцессоры, обеспечивающие по сравнению с ранее применявшимися восьмиразрядными более высокое быстродействие и лучшие показатели по топливной экономичности и токсичности.

Одна из важнейших проблем эксплуатации – выявление причин отказа и своевременное устранение неисправностей. Некоторые диагностические возможности заложены уже в самой системе электронного управления. При использовании контроллеров «Автрон» и «Микас» после включения зажигания контрольная лампа должна загораться на 0,6 с и гаснуть. Если она продолжает гореть, то необходимо провести техническое обслуживание и выявить неисправность. При устранении неисправности лампа выключается, но диагностический код сохраняется в памяти блока до отключения аккумулятора или ее очистки. Далее используются диагностические карты, приводимые в руководстве по техобслуживанию.

Есть несколько способов выявления причин нарушения работы систем управления двигателем. Наиболее просто определить характер неисправности вызовом ее кода. Стереть коды и запустить функциональный тест, в том числе и в дорожных условиях, можно при помощи контрольной лампы и диагностической кнопки. После замыкания контактов диагностического разъема по числу миганий контрольной лампы определяется код неисправности. В зависимости от этого водитель в дорожных условиях может принять решение как действовать дальше.

При отказе некоторых датчиков после включения контрольной лампы система автоматически переходит на аварийный режим. В частности, при выходе из строя датчика массового расхода воздуха для регулирования цикловой подачи топлива может использоваться датчик положения дроссельной заслонки. Однако при этом обычно ухудшаются ездовые качества автомобиля (появляются рывки, провалы) или/и увеличивается расход топлива. При повреждении датчика детонации во время движения автомобиля, особенно с низкой частотой вращения коленчатого вала и полной нагрузкой, нельзя допускать работы с интенсивной детонацией. В случае отказа датчика температуры охлаждающей жидкости ухудшаются пусковые качества холодного двигателя. При прогретом двигателе нарушений в его работе обычно нет. При повреждении регулятора напряжения в системе электрооборудования необходимо двигаться с невысокой частотой вращения коленчатого вала, чтобы не вывести из строя блок управления.

В случае отказа датчика положения дроссельной заслонки возможны пуск двигателя стартером и движение автомобиля, но не работает регулятор частоты вращения на холостом ходу и не отключается подача топлива при торможении двигателем, что увеличивает выброс токсичных веществ и расход топлива. Кроме того, не происходит переход на мощностную регулировку при больших нагрузках, что ограничивает максимальную скорость движения. При повреждении датчиков частоты вращения коленчатого вала пуск двигателя невозможен. Одной из наиболее частых причин нарушения работы двигателя является отказ системы регулирования состава топливовоздушной смеси.

Для выполнения требований к токсичности отработавших газов, предъявляемых большинством стран Европы, Америки и Японии, необходим трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, снижающий выброс СО, СН и N0х на 90 – 95%. Однако для его эффективной работы отношение расхода воздуха к расходу топлива должно находиться в пределах 14,6 – 14,8. Такую точность обеспечивает только система обратной связи с кислородным датчиком. Ею предусмотрено оснащение двигателей и ВАЗ и УАЗ в «европейском» исполнении.

Кислородный датчик представляет собой тонкостенный баллон из специальной керамики (обычно двуокиси циркония), покрытый тонким слоем платины (рис.8). Внутри полости датчика находится воздух. Датчик располагается в выпускном трубопроводе. Когда в отработавших газах имеется кислород, электрический потенциал датчика близок к нулю (рис.9). Поэтому блок управления увеличивает подачу топлива. Как только смесь обогатится и в отработавших газах содержание кислорода резко уменьшится, электрический потенциал датчика становится максимальным, а блок управления дает сигнал на уменьшение подачи топлива. Характеристика управления составом смеси имеет пилообразный вид, обеспечивая заданное соотношение воздуха и топлива.

Необходимо иметь в виду, что при работе двигателя на этилированном бензине и каталитический нейтрализатор, и кислородный датчик выходят из строя. Блок управления переходит на аварийный режим работы, что может сопровождаться увеличением расхода топлива или появлением рывков и провалов в работе двигателя. В случае крайней необходимости продолжать движение на этилированном бензине требуется вывернуть кислородный датчик, и заглушить отверстие под него. После выработки этилированного бензина датчик можно поставить на место. При этом нейтрализатор может быть выведен из строя и потребуется его замена.

Важно, чтобы система зажигания работала надежно, поскольку из-за перебоев в зажигании нейтрализатор перегревается. Автомобили с трехкомпонентным нейтрализатором и кислородным датчиком вследствие работы на неэкономичном составе смеси при прочих равных условиях расходуют бензина на 5 – 10% больше. Учитывая, что в России используется этилированный бензин, автомобили имеют модификации без каталитических нейтрализаторов и кислородных датчиков.

В двигателях автомобилей ГАЗ и УАЗ с распределенным впрыском топлива СО регулируется винтом на датчике массового расхода воздуха. Вращая винт, необходимо по газоанализатору установить концентрацию СО примерно 0,8%. При наличии трехкомпонентного нейтрализатора содержание СО устанавливается автоматически.

В условиях станций техобслуживания целесообразно использовать тестеры, подключаемые к диагностическому разъему. Код на индикаторе тестера указывает причину нарушения работы. В частности, можно выявить отсутствие сигнала от датчиков расхода воздуха, кислородного, частоты вращения и положения коленчатого вала. Определяется уровень (высокий или низкий) сигналов датчиков температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки, температуры воздуха, состава смеси. Для каждой системы управления существует свой тестер с набором кодов, приводимым в инструкции.

В блоках управления М1.5.4 «Автрон» автомобилей ГАЗ и М1.5.4-У «Автрон» автомобилей УАЗ для выдачи информации предусмотрены два канала связи. Первый (ISO-9141) используется для большинства современных автомобилей. Подключение к нему сканер-тестера СТМ-1.1 диагностического тестера DST-2 c картриджем «Автрон»v1.33НТС или другого системного сканера-тестера позволяет производить запись параметров управления, вызов и стирание кодов неисправностей. Второй канал связи (RS-232) позволяет подключаться к персональному компьютеру, получать графическое отображение и распечатку данных.

Использование персонального компьютера дает возможность адаптировать блоки для других двигателей, осуществлять контроль в процессе производства. Наиболее полную информацию обеспечивают жгутовые тестеры ГМ-1 и ГМ-2, подключаемые между разъемом блока управления и жгутом проводов. Их преимущество состоит в том, что такие тестеры оценивают параметры реальных сигналов в цепях датчиков и исполнительных устройств.