Моторный интеллект

Сегодня автомобильная электроника прочно прижилась практически во всех системах современного грузовика. Характерным примером этого является система управления дизельным двигателем. Изложим тему популярно.

Известно, что рабочий процесс дизеля отличается внутренним (то есть происходящим внутри цилиндра) смесеобразованием и регулируется количеством подаваемого топлива. В конструкциях топливных систем современных двигателей намечаются две тенденции:
– увеличение давления впрыска для улучшения качества распыливания топлива с одновременной оптимизацией процесса сгорания;
– электронное управление процессом впрыска путем индивидуальной регулировки времени впрыска.

Для увеличения давления впрыска рядные ТНВД повсеместно заменяются на индивидуальные для каждого цилиндра модульные конструкции: насос-форсунки (PDE ) – это Volvo, Scania, Detroit Diesel, Сummins, или насосные секции, встроенные в блок цилиндров (PLD) – это Mercedes-Benz Actros, DAF. Повышенная жесткость и минимальная длина либо полное отсутствие топливных трубок высокого давления позволяют поднять уровень давления впрыска до 1800 бар (официальный эквивалент запрещенных кгс/см²).

Отдельным пунктом отметим топливную систему Common Rail, пока еще в нашей стране реже встречающуюся, но не менее интересную и перспективную. Используя схему, напоминающую систему питания бензинового двигателя: общий насос, аккумулятор давления и электронные форсунки, можно легко осуществлять многоимпульсный впрыск. Правда, давление впрыска может превышать 2000 бар, а выполняется он непосредственно в цилиндр. Пример установки: Mercedes-Benz моделей Sprinter и Vito, MAN D 20, Renault.

Теперь о схеме PLD. И конструкция, и принцип работы всех насос-форсунок одинаков. В общем корпусе размещены плунжерная пара, распылитель и интегральный электромагнитный (соленоидный) клапан. Корпус жестко закреплен в головке блока с помощью специального кронштейна. Топливо поступает в насос-форсунку из системы низкого давления через специальный канал в головке блока. Чаще всего этих каналов два: подача топлива и слив («обратка»). Давление топлива в подающем канале должно быть достаточным для полноценного снабжения всех (для большинства полноразмерных дизелей – шести) насос-форсунок, оно создается топливным насосом и регулируется перепускным клапаном. На двигателях Scania инженеры ограничились одним каналом, расположив его с левой стороны головки блока под впускным коллектором. Забегая вперед, отметим, что на практике такая конструкция иногда создает определенные трудности при прокачке топливной системы: для полного удаления воздуха давления насоса ручной подкачки часто оказывается недостаточно, и приходится проворачивать двигатель стартером.

Плунжер насос-форсунки приводится в действие специальным кулачком распредвала. Он перемещает рычаг, который перемещает плунжер вниз, создавая давление. В зависимости от положения электромагнитного клапана топливо или под давлением поступает к распылителю форсунки, или проходит в магистраль слива. Быстродействующий соленоидный клапан по сигналу блока управления двигателем и в соответствии с заложенной в последний программой обеспечивает точную регулировку времени начала, продолжительности и характера протекания впрыска топлива. Мощность впрыска, передающаяся от распределительного вала к плунжеру довольно, велика: в частности, действующая на плунжер сила может превышать 1,3 т.

На двигателях Mercedes-Benz Actros используется схема PDE. Индивидуальные для каждого цилиндра насосные секции установлены в блоке цилиндров и так же, как и насос-форсунки, приводятся в действие кулачками основного распредвала. Здесь секция также работает в паре с электромагнитным клапаном, но форсунка является отдельным устройством и установлена в головке цилиндра. Она соединена с насосной секцией короткой трубкой высокого давления.

Теперь об обещанной электронике. Задача моторного интеллекта – управлять двигателем, подавая команды на соленоиды электромагнитных клапанов, регулирующих давление в каналах высокого давления и являющихся в данном случае исполнительными механизмами. «Cерое вещество» сосредоточено в блоке управления с соответствующим программным обеспечением. Рассмотрим тему на примере двигателя D 12 автомобиля Volvo.

Для управления подачей топлива блок управления получает следующие сигналы:
– от датчика, установленного на картере маховика и определяющего скорость вращения и угловое положение коленчатого вала;
– от датчика положения распределительного вала, который обеспечивает блок управления информацией о цилиндре N1, делая привязку данных об угловом положении коленчатого вала к порядку работы цилиндров двигателя. Оба датчика – индукционные, взаимодействуют со строго ориентированными пазами на распредвалу или закрепленном на нем диске, или с зубьями маховика. Конструкция датчиков очень похожа на датчики АБС;
– от датчика температуры охлаждающей жидкости, так как объем впрыскиваемого топлива зависит от его температуры;
– от датчика температуры наддува, так как при низкой температуре масса воздушного заряда больше;
– от датчика давления наддува, поскольку этот параметр также непосредственно влияет на массу воздуха, поступающего в цилиндр в процессе впуска, а значит, и на максимальную дозу впрыскиваемого за рабочий цикл топлива;
– от датчика положения педали акселератора, который собственно и передает в блок управления команды водителя о режиме работы двигателя.

Общим для всех датчиков является то, что они переводят физические величины в электрические сигналы. Сигнал может изменяться в соответствии с изменением физической величины (аналогично ей) – такой датчик называют «аналоговым», или переводиться в двоичный машинный код (бинарную систему) – единственный язык, понятный процессору блока управления («оцифровывать» величину). Датчик, выдающий бинарный сигнал, называют цифровым. Первые системы электронного управления двигателем имели только аналоговые датчики, которые с течением времени постепенно вытесняются (процесс еще не закончился!) цифровыми. Так что сегодня на грузовиках, находящихся в эксплуатации, можно обнаружить как те, так и другие.

Обрабатывая полученные данные, блок управления производит громадный объем вычислительных операций в ограниченное время. В памяти ЭБУ заложено большое количество информации для правильного расчета. В частности, содержатся данные, необходимые для работы двигателя в различных режимах – пуска, максимальной мощности, максимального крутящего момента и ограничения максимальных оборотов и т.д. Вводя соответствующие корректировки в программное обеспечение, можно изменить мощность двигателя.

На грузовиках последнего поколения блок управления двигателем является частью электронной системы управления автомобилем в целом, точно так же, как и АBS, ASR, электронная система переключения передач, но исполнительными элементами моторного тормоза (при его наличии) он управляет самостоятельно.

Непременным атрибутом сложной электронной системы является диагностика. При запуске двигателя система производит самопроверку аналогично компьютеру, обнаруженные неисправности заносятся в память и на приборной панели появляется сообщение (зажигается контрольная лампа неисправности). Водитель может проявить любопытство и путем простых манипуляций определить неисправности, записанные в память компьютера (при наличии под рукой списка кодов). Это так называемая «водительская проверка». При желании проверку можно дополнить регулировкой. Например, число оборотов холостого хода регулируется рычагом круиз-контроля прямо с рабочего места водителя. Более серьезным видом проверки является сервисная диагностика, когда все обнаруженные неисправности выводятся на экран специально подключенного диагностического компьютера.

При выявлении неисправности в какой-либо электрической цепи блок управления записывает ее код и включает аварийную программу, позволяющую временно обойтись без неисправного элемента. С электрикой все понятно, но каким образом электроника диагностирует неисправности самого двигателя? Дело в том, что начало впрыска и доза топлива рассчитываются для каждого рабочего цикла. Это позволяет в меру возможности корректировать эффективную мощность каждого цилиндра. К примеру, в шестицилиндровом двигателе чередование тактов рабочего хода происходит через 120^о поворота коленчатого вала. Получая данные с датчика маховика, компьютер вычисляет ускорение от рабочего такта каждого цилиндра. Когда оно недостаточно, делается попытка добавить топлива в отстающий цилиндр для поддержания должной равномерности работы двигателя. Если это не приводит к успеху, блок управления выдает соответствующий код неисправности и зажигается контрольная лампочка.

Еще один интересный момент связан с сервисной диагностикой. При подключении диагностического компьютера можно относительным способом проверить компрессию и эффективность работы каждого цилиндра. Величина компрессии определяется при проворачивании двигателя стартером, а эффективность работы – при поочередном отключении подачи топлива в каждом цилиндре. Поскольку работоспособность снятой с двигателя топливной аппаратуры не гарантирует ее нормального функционирования на моторе, такой вид диагностики становится практически незаменимым.

Интеллектуальный обзор нельзя считать законченным без рассказа об аналогичных системах на американских «траках». Современные двигатели Detroit Diesel, Cummins, Caterpillar уже давно используют в топливной системе насос-форсунки с электронным управлением. При внимательном сравнении можно предположить отдаленное родство между американским Сummins M11 (Freightliner, International) и шведским D12 (Volvo FH). Но все же разницу видно даже невооруженным глазом.

Кроме уже рассмотренных в этой статье основных функций в системах управления Select Plus (Cummins M11), DDEC (Detroit Diesel) большое внимание уделено защите двигателя. Не доверяя различным бортовым системам контроля в Новом Свете постарались перевести двигатель на «самообслуживание». В дополнение к традиционному для Европы набору датчиков непосредственно в блок управления двигателем поступает масса оперативной информации: о давлении масла, давлении топлива, температуре охлаждающей жидкости, температуре масла, скорости автомобиля…

Используя перечисленную информацию, система защиты двигателя тут же отреагирует на отклонение от контрольных параметров, и двигатель перейдет в режим заниженной мощности, выдав соответствующее предупреждение водителю. Если аварийные условия работы двигателя сохранятся в течение 30 с, то силовой агрегат будет принудительно остановлен. Система Select Plus способна определить и зарегистрировать все отклонения от нормальной работы двигателя. Регистрация дефектов производится с помощью цифрового кода. В память записываются две его разновидности: коды управления топливной системой и коды системы защиты двигателя. Подключив диагностический компьютер, можно прочитать полную «историю болезни». Иными словами, чувствуется деловой подход.

В прошлые годы для блока управления подыскивали «комфортные места» внутри кабины. Однако на выпускаемых сегодня грузовиках моторный компьютер автопроизводители всех континентов размещают непосредственно на блоке цилиндров. Это сокращает длину проводов и увеличивает быстродействие системы, с другой стороны, конструктивно подчеркивает, что блок управления является именной частью и программируется для работы с конкретным двигателем.

Известно, что сложная электроника не любит ни перегрева, ни вибраций, и непосредственная близость к блоку двигателя связана с серьезными неприятностями. Для предотвращения перегрева блок управления охлаждают топливом. Герметичная полость расположена в корпусе блока управления со стороны двигателя. Свежее топливо попадает в эту полость непосредственно из топливного бака и не успевает нагреваться.

Закончив теоретический обзор, переходим к практическим наблюдениям. Значительное число неприятностей связано с системой низкого давления. Для нормальной работы двигателя топливный насос должен создавать давление в пределах 2,0–4,5 бар (у американцев даже больше). Пробегая без остановки тему своевременной замены топливных фильтров как само собой разумеющееся обстоятельство, отметим, что топливоподкачивающий насос довольно часто является причиной неприятностей. На Sсania он меняется целиком, Volvo может предложить в качестве альтернативы ремкомплект (но все равно меняют целиком), а на Actros чаще из строя выходит не сам насос, а вал привода, на котором «сидит» еще и насос ГУР. Реже выходит из строя перепускной клапан, но эта деталь тоже требует внимания.

Кроме общеизвестных мест подсоса воздуха в виде протертых шлангов, штуцеров и хомутов приходилось сталкиваться с протечками топлива в блоке управления двигателем. Проблемы были связаны с попытками прокачать топливную систему, создавая давление от топливного бака, а также с замерзанием воды, находящейся иногда в топливе. Задняя стенка блока управления лопается по сварному шву, и он становится «выставочным экспонатом». Теоретически и практически можно попробовать заварить трещину аргонодуговой сваркой, но для этого придется освободить алюминиевый корпус от всей электронной начинки.

Теперь о насос-форсунках. При возникновении неисправности узел меняется целиком. Ремонт непопулярен из-за отсутствия в продаже составных частей этого узла и невозможности проверки, хотя переставить с одой форсунки на другую соленоид или распылитель довольно просто. Стоимость насос-форсунки сравнительно высока, поэтому в запасные части поступают, как правило, не новые, а восстановленные и испытанные в заводских условиях. Иногда такая покупка предусматривает возврат старой детали продавцу или доплату за невозможность возврата.

Определить неисправную форсунку на двигателе без использования диагностического оборудования очень сложно. При проверочном отключении насос-форсунок на холостых оборотах система управления двигателем все равно будет поддерживать установленное значение частоты вращения, даже если мотор работает на четырех цилиндрах, по тахометру не определишься. Достоверными критериями в данном случае могут стать изменение дымности выхлопа и соответствующий код неисправности, выданный контрольной лампой. Замена насос-форсунки – операция средней сложности, и при большом желании ею можно быстро овладеть.