История и устройство на електронните системи в автомобила

История и устройство на електронните  системи в автомобила Бгдиагностика - София

През далечната 1958г. се използва за пръв път електронен елемент в автомобилостроенето и това бил вариода. Това е електронен елемент за защита от свръхнапрежение в машината за постоянен ток. Благодарение на електрониката съвременният автомобилен бранш е фундаментално различен.Експертите твърдят, че и за в бъдеще 90% от иновациите в автомобилостроенето ще се базира на електрически и електронни компоненти и на съответния софтуер. След вариода и други полупроводникови елементи проправят пътя си към автомобила. Делът им заедно с обичайните компоненти като стартери,генератори, кабели и електро консуматори възлиза на осем процента. С въвеждането на 12-волтовите бордови мрежи в средата на 60-те години,навлизат първите електронни мигащи датчици, които поддържат постоянна честота независимо от напрежението. За механиците всичко е видимо и се овладява лесно. Кондензаторните запалителни системи с високо напрежение,както и транзисторните са истинска екзотика за автосервиза. През 1967 г. всичко се променя с един замах, когато Фолксваген и Бош пускат на пазара първата изцяло електронна система за впръскване на гориво„D - Джетроник” в серийния автомобил Фолксваген 1600 (тип 3). По-строгите норми за изгорелите газове, които идват от Калифорния, подтикват към решителни действия, защото само чрез електронната регулираща техника могат да се постигнат желаните цели. Тя е възприета и от Даймлер-Бенц и БМВ. За структурирана диагностика с висока квота на успеваемост при откриване на дефектите може да се говори в много редки случаи. Появяват се първите програми за търсене на дефекти, отпечатани на хартия. Дълбочината на проверката все още е незначителна; повечето автомобили нямат интегрирана памет за грешки в управляващите блокове. Първите стъпки са направени също през 1988 г с първата Он-борд диагноза(OBD I), която прави наблюдение на компонентите, свързани с изгорелите газове. В повечето фирмени сервизи липсва ефективно действащ осцилоскоп, а липсват и специалисти. В този момент на преден план излизат Бош-сервизите, тъй като в Европа се вграждат най-вече системите Джетроник и Мотроник на Бош и ноухауто на щутгартската фирма изиграва решаваща роля. През 1988 година на пазара се появява първият диагностичен тестер КТС 300, познат под името „чука на Бош”. Ако първоначално на малкото управляващи блокове са поверени само определени функции, от средата на 90-те информационната вълна нахлу чрез серийно въведените системи за сигурност като ABS и еърбеците. За необходимата обмяна на информация и контрол на данните се инсталират системите с CAN-шини. Те изискват съвсем различно качество при опериране с вградената техника, което и днес, повече от десет години след масовото въвеждане, не е достигнато на практика. За подкрепа на автосервизите постоянно на пазара излизат нови поколения оф-борд тестери. Разнообразието от марки и модели и огромното количество непрекъснато обновяваща се информация налагат директна връзка с производителя. Ако някога за пълния ремонт на автомобила стигаше инструкция от 20-30 страници, днес обемът на информацията за даден модел възлиза на 200 000 (в повечето случаи виртуални) страници. Използват се все по-нови материали и технологии. Изискванията за безопасност и екология са все по-високи. Това налага разработването и на нови по-модерни системи, който да отговарят на всички изисквания на съвременния свят. С това се цели усъвършенстване на автомобила, постигане на по-висока сигурност, удобство и достъпна цена. Развитието на компютърните технологии, постигане на все по-малки и многофункционални устройства на достъпна цена улесняват интегрирането на управляващи електронни модули в автомобилите и възлагането им на все по-трудни и отговорни задачи. Развитието на полупроводниковата и сензорната техника дава възможност за измерването на различни по вид параметри в автомобила,като получаваната информация лесно се преобразува в цифров вид, има възможност за запаметяване, обработване и коригиране на величината според техническото задание в паметта на централното управляващо устройство /Electronic Control Module – ECM/, наричано по-общо Електронно контролно устройство Electronic Control Unit – ECU.


Измервания в автомобилите

Много важна роля в развитието на съвременните автомобили изиграва електронната система за управление на двигателя (EMS). Това е електронно контролирана система, която чрез един електронен контролен модул (ECM) контролира запалването, впръскването на гориво и празния ход на двигателя. Дистрибуторът, ако има такъв, служи само за разпределяне на НТ искрата на цилиндъра, който е на ред за палене. EMS не контролира посочените функции поотделно. По време на различните контролни операции ECM синхронизира впръскването и предварението на запалване така, че различните входящи и изходящи сигнали да действат единно, а не като независими обекти.(фиг.1.1)

Фиг. 1.1:Типична схема на електронен контролен модул

Схема ECM

Съвременните EMS се основават на цифрови технологии и имат възможността да осъществяват задълбочена диагностика. Освен това те могат да контролират други системи в автомобила, като например климатичната инсталация, и да работят съвместно с други ECM, като пример, този контролиращ антиблокиращата спирачна система, автоматичната скоростна кутия или сцеплението на гумите, ако има инсталирани такива. При по-старите системи ECM не винаги контролира празния ход, а функциите за самодиагностика често пъти са с ограничено действие. Компонентите на съответната система са описани в раздели под различни заглавия, но преди тях са разгледани начина на работа и елементите, съставляващи типичната система.


Основни функции на електронния контролен модул (EMS)

В този раздел са описани действията на типичната EMS. Независимо от това, че отделните компоненти на всяка специфична система могат да бъдат различни, принципите на работа са почти еднакви и описанието се отнася за повечето съвременни EMS. Детайли относно работата на конкретна система можете да намерите в описанието и.

Захранващо напрежение на ECM. Обикновено към едно от крачетата на ECM се подава постоянно захранване с напрежение от акумулатора. Това позволява на функцията за самодиагностика да съхранява данни с временен характер. При подаване на контакт за запалване със захранващо напрежение се осигурява ECM, запалителната бобина, дюзите, ISCV и други устройства. Напрежението може да бъде провеждано директно от запалителния ключ или през релето на системата. Подаването на контакт за запалване захранва ECM с напрежение,при което той е готов ефективно да изпълнява функциите си. При стартиране или работа на двигателя сигналът за скорост от запалването (най-често от CAS) кара ECM да замаси релето на горивната помпа и тя се включва. Запалването и впръскването също се задействат. Активаторите са захранени с номинално напрежение от акумулатора от главното реле или запалителния ключ, а ECM затваря веригата, като свързва импулсно към маса кабела на съответния активатор (виж фиг.1.2). Обикновенно ECM има няколко замасяващи крачета. Като маси на системата обаче се използват само едно или две от тях. Останалите връзки към маса дават възможност на ECM да затваря различни вериги на датчици или активатори. В действителност тези връзки са спомагателни и се използват само когато ECM задейства съответния активатор.

Фиг. 1.2 Типични захранващи напрежения и маси на ECM

Захранване ECM


Системи за управление в автомобилната електроника

Едни от най-често използваните системи за управление в автомобила са:

1. ABS

Антиблокираща система-използва специални сензори, които следят честотата на въртене и на четирите колела. Ако в процеса на спиране едно от тях блокира, микропроцесора намалява спирачното усилие върху него със специални модулатори на налягането, вградени в уредбата. По този начин спирането на автомобила при наличието на мокри и хлъзгави участъци се свежда до оптималната физическа възможност като се подобряват спирачните свойства и управляемостта. Системата може да се изключва и включва при необходимост от водача.

2. ASD

Система за изключване на диференциала при буксуване на едно от колелата. При нея ако едно от колелата попадне върху мокър, заледен или заснежен участък,системата блокира диференциала и премахва възможността от буксуване.Системата може да се изключва и включва при необходимост от водача.

3. Traction control

Електронна система за контрол на момента, който се развива от двигателя. Тя следи въртящият момент, който се предава от двигателя към трансмисията и при необходимост го намалява. По този начин дори при рязко натискане на педала за газта задвижващите колела немогат да пробуксуват. С това се увеличава стабилността на автомобила и той не може да поднесе при потегляне и максимално ускорение.

4. Check control

Проверяваща електронна система -системата контролира работата на всички основни съоръжения и контролни лампи в автомобила. При промяна на състоянието на някои от съоръженията или лампите подава светлинен или звуков сигнал.

5.DME

Електронно управление на двигателя - тя управлява впръскването на горивото в цилиндрите, запалителната уредба и регулирането на състава на сместа чрез “ламбда”-сондата в катализатора. Заедно с това изпълнява многобройни допълнителни функции. Най-важната от тях е да осигури минимален разход на гориво при съответното натоварване на двигателя и с това да се намали отделянето на вредни газове.

6. Active suspention

Контрол на окачването - тя следи наклона на купето и при достигане на определен ъгъл подава необходимите команди към хидро-цилиндрите на амортисьорите от окачването, с което се осигурява необходимата стабилност на автомобила при движение в завой с по-висока скорост.

7. ESP

Електронна стабилизираща програма - програма, подобряваща стабилността при заобикаляне на внезапно възникнало препятствие, при движение в завой, спиране и занасяне.

8. CBS

Контрол на спирачното усилие -система за контрол на спирачното усилие в завой. Контрола се извършва като се повишава спирачното усилие на колелата от външната страна на завоя и разтоварват тези от вътрешната страна на завоя.

9. Board computer

Служи за предоставянето на водача на актуална информация за най-важните данни, които могат да бъдат отчетени при пътуване като: средна скорост, температура на околната среда, вътрешна температура, среден разход на гориво, отдалеченост от крайната точка на пътуване, евентуални ограничения в скоростта и др. Данните се отчитат на дисплей по желание на водача.

10. АСС

Автоматично регулиране на дистанцията

Активирана,системата поддържа предварително избраната дистанция спрямо автомобила отпред и респективно регулира скоростта на движение. AСС предлага по този начин на водача комфорт и намалява отговорността. В основата на системата лежи сензор-радар с радиус на действие до 200 метра, както и хоризонтален ъгъл на отвора от 12 градуса. Сензорът и контролната система представляват единна система и обикновено се намират зад охладителната решетка на предния капак. Предимството на радарната технология е, че тя работи благонадеждно независимо от атмосферните условия или от състоянието на пътя. Според сигналите на сензор- радара системата за контрол измерва се не само отстоянието, но и скоростта на приближаване до предния автомобил. Ако в обхватът на радарния сензор се намират повече от един автомобил, то се избира един от тях, според когото да се регулира дистанцията. АСС не реагира при неподвижни препятствия и идващи насреща автомобили.


Методи за измерване на динамични параметри при МПС.

Основните методи за измерване на динамични параметри е чрез сензори, датчици и преобразуватели в системите за управления в автомобил.

Датчикът е устройството, което подава разнообразна информация относно работата на двигателя. За пример можем да посочим датчика за количеството въздух (AFS), датчика за положение на коляновия вал (CAS), дросел потенциометъра (TPS) и други, които осигуряват данни за натоварването, оборотите, температурата, степента на отваряне на дроселклапата на двигателя и т.н. Тези данни се подават към ECM, който впоследствие анализира резултатите и изчислява изходящия сигнал, който се използва за задействане на активаторите на системата. Активаторът е устройство, което се задейства от ECM за период от време, зависещ от входящия сигнал на датчика. Като пример можем да посочим горивните дюзи, клапана за контролиране на празния ход (ISCV), електромагнитния клапан на съда за горивни пари (CFSV), управляваща бобина на релето и други.

С помощта на прости компютърни термини този процес се описва като: вход - изчисление – изход. Входът се определя от сигналите на датчиците,ECM изчислява необходимите стойности, а на изхода се подава контролиран сигнал за задействане на активаторите (дюзите, минусовата клема на бобината, системата за празен ход, климатика и т.н.). В рамките на една секунда този процес се повтаря многократно.

Основните датчици в системата за управление на двигателя

• Датчик за положението на дроселната клапа – изпраща сигнал към ECU за ъгъла на завъртане на клапата, който е необходим за корекция на състава на сместа.

• Датчик за детонация – реагира на високочестотни колебания, възникващи при детонация и ги трансформира в електрически импулси, които постъпват към бордовия контролер. При възникване на детонация ъгълът на запалване се забавя за определен брой такта. Работата на тези датчици е синхронизирана с въртенето на разпределителния вал, което позволява да се осъществи корелация (взаимовръзка) на техните сигнали с детонациите в отделните цилиндри. Чрез тези датчици, може лесно да се открие неправилно зацепен ремък при обслужване на автомобила и много други неизправности в газоразпределителният механизъм.

• Датчик за температурата на охлаждащата течност – служи за определяне на температурното състояние на двигателя и изменяне характеристиката на подаване на гориво.

• Датчик за температурата на входящия въздух (Фиг.1.3 ) По неговото показание се определя плътността на постъпващия въздух и се пресмята истинското количество всмукан въздух, формира се сигнал за корекция на подаването на гориво и ъгъла на запалване.

• Датчик за положението на коляновия вал (NE сензор или кранкшафт сензор) Предназначен е за определяне на положението, честотата на въртене на коляновия вал и синхронизация на работата на контролера с работния процес на двигателя.

• Датчик за положението на разпределителния вал (G-сензор или камшафт сензор) Определя горната мъртва точка на първи цилиндър при такта на свиване. В зависимост от сигналите от този и горния датчик, ECU определя номера на цилиндъра, в който се извършва впръскване и в съответствие с това определя началото на фазите на впръскване и искро образуване в дадения цилиндър.

• Датчик за разход на въздух (ДЕБИТОМЕР) Информира ECU за количеството постъпващ въздух, който на основата на получената информация коригира параметрите на впръскване на гориво.

1.3 Сензор за входящ въздушен поток

На практика броят на датчиците може да бъде значително по-голям, в зависимост от монтираната система за управление на двигателя.

Методи за измерване на налягане

Става чрез използването на датчик за абсолютно налягане всмукателния колектор (MAP) .Използва се най-често като евтина алтернатива на датчиците за натоварване на двигателя. Сравнително ниската себестойност е причина за широкото му разпространение, въпреки че неговите измервания не са така точни, както тези на различните типове датчици за измерване на количество въздух. MAP измерва разреждането на смукателния колектор и посредством чувствителен елемент преобразува сигнала в електрически, за да го върне към ECM. MAP може да се намира в двигателния отсек като отделен компонент или да е вграден в ECM (виж Фиг.1.5)

MAP се използва и при двата типа системи впръскване – Mpi и SPi, но е по разпространен при SPi. MAP е свързан към смукателния колектор чрез вакуум маркуч. Вакуум маркучът е смукателния колектор задейства диафрагмата на MAP. Преобразувателят на датчика превръща измереното налягане в електрически сигнал, който се връща към ECM. MAP се изчислява по формулата:

(1) „Абсолютно налягане” = „Атмосферно налягане” – „Налягане в смукателния колектор”

Използвайки метода обороти/ плътност, ECM изчислява отношението гориво-въздух в зависимост от сигнала на MAP и оборотите на двигателя.Този метод се основава на теорията, че на всеки оборот двигателят засмуква фиксиран въздух. Точността на този метод не може да се сравнява с този на датчика за количество въздух, който след точно измерване на въздушния поток изчислява отношението гориво – въздух въз основа на обема или количеството въздух, засмукан в двигателя. Когато нивото на вакуума в смукателния колектор е високо (например при празен ход), MAP е сравнително ниско и ECM осигурява по-малко гориво. MAP се среща в две разновидности. По – широко разпространената от тях е аналогов датчик, чието сигнално напрежение е пропорционално на натоварването. Другата се използва при системите Ford EEC I и представлява цифров датчик. Цифровият MAP изпраща сигнал с правоъгълна крива във вид на честотата. При нарастване на натоварването честотата също се увеличава, а отчетеното в ms време между импулсите намалява. ECM реагира много по – бързо на цифров сигнал, тъй като не е необходимо да преобразува аналогов сигнал в цифров. При система с „мокър” смукателен колектор (например SPi) промяната на налягането в колектора може да предизвика навлизане на гориво във вакуум маркуча, което може да достигне до MAP. За предотвратяване на това се използва уловител и съответно се трасира вакуум маркуча. Ако горивото достигне MAP, диафрагмата му може да бъде увредена. Приложенията с MAP като отделен компонент са с по – евтина поддръжка. Когато MAP е вграден в ECM, дефектирането на датчика ще наложи подмяната на ECM. При Mpi системите смукателният колектор е „сух” и в него не попада гориво, тъй като то се впръсква над смукателните клапани. Следователно няма риск от проникване на гориво в MAP и замърсяване на диафрагмата му, а уловител не се използва.

(Фиг.1.5 А) разрез на MAP сензор и изходна графика

MAP сензор

Фиг. 1.6 Датчик за абсолютно налягане в смукателния колектор – комплект

1 – MAP датчик

2 – Скрепителни винтове

3 – Вакуум маркуч

4 – Конектор на MAP датчика

MAP Sensor


Методи за измерване на температура

Датчик за температура на въздуха (ATS) или на охладителната система (CTS) Тук използваните датчици за са за температура на всмукания въздух и на охладителната система. Тези датчици обикновено работят на NTC принцип. Повечето модели с Renix система използват датчици PTC принцип.При промяна на температурата се изменя и съпротивлението на термистора.По такъв начин ECM може да изчисли температурата на въздуха или на охладителната система от стойността на напрежението (тока) по сигналния проводник на датчика. (Фиг.1.7 ) NTC и PTC (отрицателен и положителен температурен коефициент).При нарастване на температурата съпротивлението на NTC резистора ( с отрицателен температурен коефициент) намалява, а съпротивлението на PTC резистора (с положителен температурен коефициент) се увеличава. И двата типа са полупроводникови резистори, но напрежението при единия нараства,а при другия – намалява.

Фиг.1.8 Изходни данни на датчика за температура

Датчик за температура на въздуха (ATS)

ATS представлява двуполупроводниково термосъпротивление, което измерва температурата на въздуха в всмукателния колектор. Плътността на въздуха се изменя обратнопропорционално на температурата и сигналът на ATS позволява по – точно определяне на количеството въздух, засмукано в двигателя. Към ATS се прилага опорно напрежение от 5V по отворена верига, а замасяването е през обратната връзка на датчика. Към ECM се връща сигнал с променящо се напрежение в зависимост от температурата на въздуха. Според конструктивните особености на конкретния автомобил ATS може да се намира на различни места – в смукателния колектор, във въздушния филтър, в смукателя на ATS. Разположението му има важнозначение за температурния обхват, който се отчита. Конструктивните граници на сигнала за температурата на въздуха варират значително при студен и загрял двигател, както и според разположението на ATS. Ако ATS е монтиран в смукателя на датчика заколичество въздух или във въздушния филтър, измерената температура ще зависи от температурата в двигателния отсек и ще бъде с обхват от 20˚C до40˚C. Ако ATS е монтиран в смукателния колектор или дросела,температурния обхват може да бъде много по – висок, тъй като температурата на въздуха може да достигне 70˚С при загрял двигател. При някои автомобили се използват два датчика - единият измерва температурата на въздуха в двигателния отсек, а другият – на околния въздух. Това е особено полезно при наличието на турбокомпресор.

Датчик за температурата на охладителната система (CTS) Датчикът за температурата на охладителната система CTS едвупроводников термистор, който е поставен в охлаждащата течност и измерва нейната температура. Той представлява променливо съпротивление,което обикновено работи на NTC принцип. При студен двигател съпротивлението е много високо. След стартиране на двигателя температурата на охладителната течност започва да се покачва,CTS постепенно се нагрява, а съпротивлението му пропорционално се понижава (принцип NTC). По такъв начин към ECM се връща сигнал с променящо се напрежение в зависимост от температурата на охладителната система. CTS се захранва с 5V опорно напрежение по отворена верига, зависеща от съпротивлението на термистора. Обикновено работната температура на двигателя е от 80˚С до 100˚С. ECM използва сигнала на CTS като главен кодиращ фактор при изчисляване предварението на запалване и продължителността на впръскване.

Кислороден датчик ( Ламбда сонда) измерва количеството кислород в изгорелите газове. Ламбда сондата  измерва количеството "неизгорял" кислород в изпусканите отработени газове и подава информация на двигателният компютър, дали сместа е твърде богата или бедна. Компютърът на свой ред в зависимост от това изпраща сигнал на инжекциона да коригира гориво-въздушната смес. За пълното изгаряне на 1 кг. бензин е необходим 14,7 кг. въздух. Този състав на гориво-въздушната смес се нарича стехиометрически. Той обезпечава най-малко съдържание на токсични вещества в изгорелите газове и съответно пълното им доизгаряне в катализатора.За оценка състава на гориво-въздушната смес се използва коеф. за неизгорял кислород. В световната практика този коефициент се нарича ЛАМБДА. При стехиометричната смес ламбда=1, ако ламбда<1 /недостиг на въздух/, сместа се нарича богата, при ламбда>1 /излишък на въздух/, сместа се нарича бедна. Най-голяма икономичност при пълно отваряне на дроселовата клапа на бензиновия двигател се постига при ламбда=1,1-1,3. Максимална мощност се постига, когато ламбда=0,85-0,9.

Ламбда сонда / кислороден датчик

 

Газов инжекцион примерни монтажи.

Газов инжекцион на OPEL, RENAULT, HYUNDAI, HONDA, FIAT, AUDI, BMW, MERCEDES, MAZDA, VOLVO, SAAB, VW,RENAULT MEGANE, RENAULT LAGUNA, HYUNDAI MATRIX, MAZDAГазов инжекцион на OPEL, RENAULT, HYUNDAI, HONDA, FIAT, AUDI, BMW, MERCEDES, MAZDA, VOLVO, SAAB, VW,RENAULT MEGANE, RENAULT LAGUNA, HYUNDAI MATRIX, MAZDA
Нагоре