Системы впрыска топлива и управления двигателем

Когда-то давным-давно советские автолюбители были знакомы исключительно с автомобилями отечественного производства, технический уровень которых по объективным причинам на десятки лет отставал от лучших мировых образцов. Теперь же и массовый потребитель на подержанном Opel или Ford и избалованный, но также уже достаточно массовый зажиточный на новом Volvo или BMW хорошо изучили пресловутый мировой уровень.

Одно из самых значительных, сразу ощутимых отличий иномарок от российских автомобилей - их насыщенность электронными системами.

Размеры собственно компьютеров далеки от привычных нам настольных PC. Миниатюризация была главным условием, обеспечившим их широкое распространение на автомобилях начиная с 80-х годов. В качестве носителей памяти используются микросхемы, а не привычные нам дискеты. В остальном же, и особенно в уровне сложности, они очень близко подходят к "настоящим" компьютерам и в последнее время конструкторы строят настоящие "локальные вычислительные сети" на борту отдельно взятого авто.

Рассмотрим в качестве первого примера систему управления двигателем и подачи топлива (Engine Management System - EMS). В процессе эволюционных изменений в последние тридцать лет электронные компоненты постепенно замещали механические датчики и регуляторы. Однако, сегодня даже функциональное сравнение системы EMS с самым совершенным карбюратором практически невозможно, настолько они отличаются идеологически и по принципам исполнения.

Система управления двигателем состоит из трех групп компонентов - устройства сбора информации, ее обработки и исполнительных механизмов.

К первой группе относятся всевозможные датчики, собирающие максимально полную информацию о состоянии автомобиля, режимах его движения и процессах, происходящих в двигателе. Как правило, среди них датчики количества и температуры поступающего воздуха, скорости вращения и точного положения кулачкового вала, температуры охлаждающей жидкости, температуры и состава выхлопных газов, угла открытия дроссельной заслонки и датчик детонации двигателя. В качестве дополнительной информации могут использоваться также показания спидометра и тахометра, а также сигналы от систем АБС и ПБС.

Второй "группой" является, собственно, модуль микропроцессора ECU (Engine Control Unite "Европейское" название) или ECM (Engine Control Module - "Американское" название). Микропроцессор анализирует информацию, поступающую к нему от датчиков скорости вращения и точного положения коленчатого вала, уровня содержания кислорода в выхлопных газах, температуры охлаждающей жидкости и поступающего воздуха, детонации, скорости автомобиля и другие вспомогательные данные. Эта информация сравнивается с записанной в памяти математической моделью сотни и тысячи раз в секунду. При обнаружении расхождений с желаемым значением того или иного параметра выдаются команды исполнительным механизмам для коррекции. Действенность принятых мер проверяется и, в случае необходимости, цикл повторяется.

Исполнителями команд компьютера являются форсунки, подающие топливо в необходимом количестве в точно выверенные изменяемые промежутки времени, свечи, зажигающие это топливо в заданном временном интервале и другие механизмы. Они, собственно, и являются третьей группой компонентов.

Существует два принципиальных отличия электронных систем от механических. Первые могут изменять режим работы двигателя непрерывно и практически мгновенно все время его работы. В отличие от EMS карбюраторы можно регулировать только до эксплуатации автомобиля, а значит такая регулировка будет также точна, как и стоящие часы, показывающие точное время два раза в сутки. Сочетание режимов работы форсунок и свечей динамично задает и изменяет виртуальный "угол опережения зажигания".

Второе отличие - возможность организации "обратной связи". Датчик содержания кислорода (лямбда-датчик) устанавливается в выхлопном коллекторе и на основании его информации компьютер определяет состав газов, при этом критическим является уровень содержания в них углеводородов СН, окислов азота и недогоревшего топлива. Они жестко регулируются в различных государствах и при превышении установленных норм процессор корректирует состав рабочей смеси, делая ее беднее. При этом желание водителя получать больше мощности полностью игнорируется.

Именно ужесточение государственного контроля за содержанием вредных веществ в выхлопе стало причиной повсеместного практически мгновенного распространения систем электронного управления двигателем. Дело дошло до того, что в начале 90-х многие страны Европы практически запретили эксплуатацию автомобилей с карбюраторными двигателями.

Есть тем не менее ситуации, когда игнорируются ограничения по содержанию выхлопа. Речь идет о старте двигателя, особенно зимой. Тут уж деваться некуда, какие бы ядовитые газы не шли из выхлопной трубы, а заводиться надо. Для этих целей существуют программы запуска двигателя, зашитые в ПЗУ компьютера. Они заставляют его "наступить на горло собственной песни" (игнорировать истерические сигналы лямбда-датчика) и подавать в цилиндры обогащенную смесь. Кроме самого факта работы специальных режимов, производители автомобилей настраивают процессоры для работы в различных климатических зонах. Понятно, что условия пуска двигателя в Перу отличаются от условий пуска в Норвегии.

Важнейшей и, безусловно, невозможной при "механическом" решении, чертой современных электронных систем EMS является их способность к самообучению.

Память микропроцессора условно делится на три типа. Первый из них - ROM (Read Only Memory) предназначен для выдачи заранее запрограммированных команд в соответствии с характером поступающих сигналов. Эти команды нестираемы и сохраняются при отключении питания автомобиля. Именно этот блок содержит команды, определяющие старт двигателя; он может быть сравнен с ПЗУ обычного "деск-топ компьютера".

Второй раздел памяти процессора называется RAM (Random Access Memory) и отвечает за гибкую подстраиваемость двигателя автомобиля к меняющимся условиям. Именно RAM обеспечивает "обучаемость" современных автомобилей. С его помощью компьютер анализирует режимы работы и выбирает из них лучшие, как правило по критерию экономичности и чистоты выхлопа. В следующий раз, когда вы заведете двигатель и отправитесь в путь RAM будет стараться воссоздать именно ту комбинацию характеристик работы исполнительных устройств, которая обеспечивала оптимальный режим.

Память этого модуля стираемая, кроме информации о режимах работы, в нее записываются также коды ошибок двигателя. В случае появления видимых или "ощущаемых" отклонений в его работе (отсутствие тяги, рывки и провалы, появление черного дыма) техник на СТО может при помощи уже диагностического компьютера может считать эти коды и определить причину неприятностей. Однако, если пропадает питание электрической системы, обычно вследствие выхода из строя или отсоединения аккумулятора, информация в блоке RAM стирается. После этого можно заметить, что автомобиль некоторое время ведет себя "как-то не так", снова собирая и записывая информацию об оптимальных режимах.

Третий блок называется PROM (Programmable Read Only Memory) и, в отличие от первого, может быть изменен. Эту микросхему обычно можно вынуть из блока, для чего сделано специальное отверстие и специальное крепление. Народное название этой микросхемы (как, впрочем и всех микросхем) - чип (не путать с картофельными чипсами!). С его помощью можно изменять отдачу двигателя в границах до 30-40%. Общее правило здесь такое: увеличивая мощность (л.с.) двигателя мы снижаем его крутящий момент (Нм) и наоборот. Можно одновременно повысить и мощность и крутящий момент, но тогда ухудшится содержание выхлопа двигателя.

Содержание этого блока памяти, в основном и определяет "персонализацию" системы управления двигателя по его типу, размеру, числу цилиндров, характеристике трансмиссии и другим особенностям. Изменять характеристики можно не только в стремлении сделать автомобиль более спортивным или более экономичным. Со временем происходит износ его рабочих поверхностей и еще до проведения дорогостоящего капитального ремонта можно подкорректировать параметры двигателя, заменив чип PROM. Точно также производители заменяют один только модуль процессора и не меняя "железа" получают модификации автомобилей для работы в жарком или холодном климате и приспособленных к различным "местным" вариациям в топливе.

Кроме подстраиваемости и точной дозировки топлива для его экономии и уменьшения загрязнения окружающей среды электроника в двигателях обеспечила возможность применения прогрессивных способов подачи топлива. Если вспомнить старину карбюратор, то в его годы образование рабочей смеси происходило в специальной камере впускного трубопровода. Далее готовая смесь (газообразная смесь паров бензина и воздуха) по впускному коллектору доставлялась к впускным клапанам. Недостатки здесь очевидны: неодинаковая дистанция до каждого из цилиндров (неодинаковые условия), оседание и накопление паров на стенках, особенной зимой при пуске непрогретого двигателя, невозможность индивидуальной регулировки условий для каждого цилиндра.

Впрыск топлива позволяет решить эти проблемы. Сама схема впрыска была известна задолго до распространения электроники и компьютеров на автомобилях и, более того, широко применялась на дизельных моторах. Решение же этого вопроса на бензиновых двигателях механическим путем было неоправданно дорогим и, поэтому, здесь так долго царствовали карбюраторы. Как только электронная компонентная база перешагнула определенную границу миниатюризации и надежности в начале 80-х появилась реальная возможность и началось повсеместное внедрение систем впрыска бензинового топлива.

Первоначально сама система подачи топлива не претерпела значительных изменений. Просто вместо карбюратора появился иной механизм дозирования - с электронным управлением. Такая схема получила, в частности, название TBI (Throttle Body Injection). При ее применении не требуется переделывать "железо" двигателя. Ей одновременно присущи достоинство впрыска по более точной дозировке и возможности изменения и адаптации и недостатки карбюратора с точки зрения подачи и распределения бензина.

Дальнейшее логическое развитие - подача топлива индивидуально к каждому из цилиндров. В этом случае смесеобразование происходит непосредственно в камерах перед впускными клапанами. Топливо подается по трубопроводу высокого давления и распыляется индивидуальными форсунками, работа каждой из них может регулироваться. Одно из названий такой системы - MPFI (Multi Port Fuel Injection). Здесь устраняются почти все недостатки карбюратора и единственный шаг вперед, который остается сделать - непосредственный впрыск.

Серийный двигатель с непосредственным впрыском топлива показал на MIMS'98 японский концерн Mitsubishi. Наладив их массовое производство для легковых автомобилей в 1996 году, Mitsubishi Motors на 3-4 года опередила ближайших конкурентов в этой области, которые только с 1999-2000 года собираются производить собственные серийные моторы такого типа. Свою технологию японцы назвали GDI (Gasoline Direct Injection). Воздух здесь доходит до самой границы впускного клапана и камеры сгорания и встречает струю бензина уже непосредственно в цилиндре. Это дополнительно на 20% снижает расход топлива, сокращает содержание вредных выбросов и, к тому же, повышает мощность и крутящий момент.

Благодаря компьютеризации автомобили стали "умными" и в их поведении уже проявляются признаки интеллекта.

Только применение микропроцессорного управления двигателем позволяет реализовать такую удобную и полезную функцию, как круиз контроль. При поездках на длительные дистанции и, особенно, по монотонному однообразному шоссе он позволяет нажатием клавиши перейти на постоянный режим движения с заданной скоростью. При этом можно (нужно) убрать ногу с педали газа - топливо будет подаваться само по мере необходимости. После увеличении скорости, например для обгона, двигатель затем сам плавно уменьшит поступление бензина для достижения заданного режима.

Компьютер, управляющий двигателем, по сети "общается" с другими компьютерами автомобиля. Так в новейшем Mercedes серии S может быть установлен радар, измеряющий расстояние до идущего впереди автомобиля. После вычисления допустимости этого расстояния, что занимает тысячные доли секунды, в режиме круиз контроля он может подать соответствующую команду, которой будет уменьшена подача топлива и снижена скорость движения. Точно также происходит координация действий систем управления двигателем и систем АБС и ПБС.

Многие новые функции существуют на уровне полезных, но все-таки игрушек. Автомобиль может заводиться одновременно с открытием дверных замков и снятием режима "охраны" пультом дистанционного управления. При этом может происходить персонализация рабочего места водителя. Для этого делаются индивидуальные брелки и, например, если в семье автомобилем управляют муж и жена, компьютеры управления параметров салона настроят его под индивидуального человека. Автомобиль сам поменяет углы наклона и высоту сиденья, положение рулевого колеса, включит радио на желаемом уровне громкости и настроит его на любимую частоту. Режим работы двигателя и коробки передач также может быть настроен на более "спортивный" или, скажем "комфортный".

Некоторые функции могут быть отнесены одновременно к "игрушкам", "рекламным трюкам" и "спасителям жизни в критических ситуациях". Cadillac Seville, оснащенный двигателем Northstar, позволяет продолжать движение даже в пустыни при полной потере охлаждающей жидкости. Соответствующие датчики информируют об этом процессор и он организует работу двигателя в совершенно необычном режиме. Мощность снижается до 30% так, что можно только-только доехать до ближайшей СТО. Ровно половина цилиндров отключается от подачи топлива и "гоняет" воздух, охлаждая остальные работающие. После некоторого промежутка времени пары меняются.

Не стоит, однако, забывать, что главный толчок развитию компьютеризованных двигателей дали не эгоистичные водители, а неутомимые защитники окружающей среды. Естественным продолжением их борьбы и развития EMS стали бортовые системы самодиагностики OBD (On-Board Diagnostics systems).

Запись ошибок и неисправностей, таких, как засорившийся топливный фильтр или неисправный датчик температуры, помогает при их быстром поиске и устранении на технических станциях. Конструкторы пошли дальше. Они внедрили систему, ставшую частью EMS, которая непрерывно собирает и анализирует информацию о работе двигателя и в случае серьезных нарушений просто не позволяет водителю продолжать движение. Прежде всего это относится к каталитическому нейтрализатору выхлопных газов.

Раньше, до появления OBD-II при выходе его из строя автомобиль продолжал ездить до следующего визита на СТО и инструментального контроля систем. Система самодиагностики второго поколения практически является непрерывным бортовым инструментальным контролем. При первых же признаках "смерти" катализатора она резко снижает мощность двигателя автомобиля так, что его владельцу волей-неволей приходится ехать на станцию и менять неисправный узел.