Основні принципи керування двигуном

Автомобільний двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) являє собою систему, що складається з окремих підсистем: системи подачі палива, запалювання, охолодження, змащення і т. п. Всі системи пов'язані одна з одною і при функціонуванні вони утворюють єдине ціле. 

Управління двигуном можна розглядати у відриві від керування автомобілем. Швидкісні і навантажувальні режими роботи двигуна залежать від швидкісних режимів руху автомобіля в різних умовах експлуатації, які включають в себе розгони і уповільнення, рух з відносно постійною швидкістю, зупинки та ін. 

Водій змінює швидкісний і навантажувальний режим двигуна, впливаючи на дросельну заслінку. Вихідні характеристики двигуна при цьому залежать від складу паливно-повітряної суміші і кута випередження запалювання, управління якими зазвичай здійснюється автоматично.

Вхідні параметри (кут відкриття дросельної заслінки, кут випередження запалювання, циклової витрата палива та ін.) - це ті параметри, які впливають на перебіг робочого циклу двигуна. Їх значення визначаються зовнішніми впливами на двигун зі сторони водія або системи автоматичного управління, тому вони називаються також керуючими. 

Вихідні параметри, звані керованими, характеризують стан двигуна в робочому режимі. До них відносяться: частота обертання колінчастого валу, крутний момент, показники паливної економічності і токсичності відпрацьованих газів та багато інших. 

Крім вхідних керуючих параметрів, на двигун під час його роботи впливають випадкові збурення, що заважають керуванню. До випадкових збурень можна віднести зміну параметрів стану зовнішнього середовища (температура повітря, атмосферний тиск, вологість), властивостей палива і масла і т. п. 

Для двигуна внутрішнього згоряння характерна періодична повторюваність робочих циклів. Як об'єкт управління двигун вважається нелінійним, так як реакція на суму будь-яких зовнішніх впливів не дорівнює сумі реакцій на кожен з впливів окремо. З огляду на те, що двигун в умовах міської їзди працює на нестаціонарних режимах, виникає проблема оптимального управління ним. Можливість оптимального управління двигуном на нестаціонарних режимах з'явилася з розвитком електронних систем управління. 

Через складність конструкції та наявність допусків на розміри деталей двигуни однієї і тієї ж моделі мають різні характеристики. Крім того, за конструктивними параметрами (ступінь стиснення, геометрія впускного і випускного трактів і т. п.) відрізняються і окремі циліндри багатоциліндрового двигуна. 

Автомобільний двигун являє собою багатовимірний об'єкт управління, так як число вхідних параметрів у нього більше одного і кожен вхідний параметр впливає на два і більше вихідних. У такому випадку система управління також повинна бути багатовимірною. 

Зовнішні впливи в основному перешкоджають керуванню, відхиляючи керовані параметри двигуна від бажаних значень. Дії збурень не тільки перешкоджають досягненню оптимальних (найкращих з можливих) значень керованих параметрів, але і можуть повністю порушити роботу двигуна. 

До таких збурень відносяться: параметри зовнішнього середовища, зовнішнє навантаження, що виникає при зміні умов руху автомобіля, параметри палива і ін. Збуреннями є також зміни стану розпилюючих отворів в форсунках і т. п. Зазвичай такі впливи є випадковими і діляться на контрольовані (вимірювані для врахування їх впливу в системі управління) і неконтрольовані. 

Критерії управління упорскуванням палива

Вибір критеріїв управління диктується цілями або цільовими завданнями, які вирішуються об'єктом управління. Автомобільний двигун - складна система, цільові завдання якої відповідають потребам різних груп суспільства і суперечливі вже хоча б з цієї причини. Перед конструктором двигуна стоїть проблема зробити максимально надійний потужний двигун, а споживач очікує появи на ринку максимально простого в експлуатації, дешевого і економічного автомобіля. Відповідних якостей він очікує і від двигуна. 

Наприклад, легкий, безшумний, екологічно чистий двигун – це вимога борців за охорону навколишнього середовища. 

Система управління двигуном як система, що забезпечує його оптимальне функціонування, підпорядкована цільовим завданням керованої системи, тобто двигуна. 

Вважається, що основне призначення системи управління двигуном полягає в забезпеченні максимальної потужності двигуна при мінімальній витраті палива (енергії) і мінімальному вмісті шкідливих речовин у відпрацьованих газах. Однак такої ідеальної системи управління, що задовольняє відразу всім цим критеріям, не існує. 

Припустимо, що вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах залежить від якості робочої суміші, що надходить в циліндри поршневого двигуна. Прийнято характеризувати якість суміші наступним чином: багата, бідна і нормальна, що відповідно означає надлишок, нестачу та відносно раціональний вміст палива в складі робочої суміші. Представлені залежності потужності та економічності двигуна від якості суміші говорять про те, що максимальну потужність можна отримати при багатій суміші, а мінімум витрат палива - при бідній.

Принципово неможливо створити таку систему управління, яка одночасно задовольняла б критеріям максимуму потужності та мінімуму витрати палива. Принципово тому, що суміш не може бути і бідною, і багатою одночасно. 

Для збільшення потужності можна пожертвувати деякою кількістю палива, збагачуючи суміш, що, доречі, і роблять на окремих режимах роботи двигуна (наприклад, при запуску, на режимах максимальних навантажень) або на окремих класах автомобілів. Це призводить в той же час до інтенсивного утворення нагару, підвищених навантажень на механізми і вузли двигуна і автомобіля та, як наслідок, до різкого зниження надійності двигуна і його ресурсу. 

В інтересах підвищення економічності ДВЗ деякі виробники спеціально збіднюють робочу суміш. При цьому виникають тенденції до детонації, а двигун перегрівається через повільне згорання палива. Як знайти компроміс між цими вимогами, що взаємно виключають один одного? Компроміс був знайдений. В його основі - останній з наведених критеріїв - екологічна безпека автомобільного транспорту. 

Системи управління створюють насамперед для забезпечення стабільної та екологічно безпечної роботи двигуна. Таким чином, правильніше було б визначити систему управління двигуном як таку, що повинна забезпечити максимально безпечну (з точки зору охорони навколишнього середовища) роботу двигуна при прийнятних значеннях потужності і економічності двигуна.

Інформаційні технології в мікропроцесорних системах управління ДВЗ

Будь-яка мікропроцесорна система використовує таку інформаційну технологію, як програмування. Жодна дія системи управління неможлива без покрокового опису на одній з мов програмування. Програмісти разом з фахівцями з ДВЗ повинні передбачити всі можливі варіанти розвитку подій під час управління тими чи іншими процесами в двигуні або транспортному засобі в цілому. 

У світовій практиці розробкою електронних систем упорскування палива займаються багато фірм, проте найбільш відомі в Європі BOSCH і Siemens, тому найчастіше використовують їх розробки та термінологію. Загальноприйнятим міжнародним позначенням електронних систем упорскування є Jetronic. В даний час в масовому виробництві переважає система під назвою LH-Jetronic, яка є системою розподіленого упорскування палива у впускний трубопровід. Застосовується як синхронний, так і асинхронний спосіб упорскування  палива. 

В даний час виробники практично відмовилися від окремих електронних систем упорскування і виробляють електронні системи управління двигуном (ЕСУД), які об'єднують управління упорскуванням палива і запалюванням бензинового двигуна. Такі системи позначаються Motronic. Виробляються на сучасному етапі три типи систем: 

• M-Motronic - мікропроцесорна система керування запалюванням і розподіленим уприскуванням палива; 

• ME-Motronic - мікропроцесорна система керування запалюванням і розподіленим, послідовним упорскуванням палива, з λ-регулюванням та електронним дроселем (система ETC); 

• MED-Motronic - мікропроцесорна система керування запалюванням і безпосереднім упорскуванням палива в циліндри (Direct injection, DI).