Система MED-Мотроник

1.Общее устройство системы

С внедрением непосредственного впрыскивания топлива на двигателях с искровым зажиганием потребовалась новая концепция управления этими двигателями. Форсунка должна обеспечивать как гомогенное распределение рабочей смеси — как это реализовано в системах М- и МЕ-Мотроник при впрыскивании топлива во впускной трубопровод — так и ее локально ограниченное послойное распределение в камере сгорания. Гомогенное определение смеси достигается путем впрыскивания топлива во время такта впуска, а послойное распределение — путем впрыскивания топлива непосредственно перед концом такта сжатия, незадолго до момента зажигания. Лишь при этом послойном распределении смеси, которое устанавливается в диапазоне средних значений частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента, может проявляться преимущество непосредственного впрыскивания топлива с точки зрения снижения расхода топлива. Но существуют также системы с непосредственным впрыскиванием топлива, при которых двигатель работает на гомогенной стехиометрической смеси (a = 1) на всем рабочем диапазоне двигателя.

Рисунок 179 - Элементы электронного управления работой двигателя с помощью системы MED-Мотроник:

1 – абсорбер с активированным углем; 2 – клапан регенерации; 3 – насос высокого давления типа HDP2 с интегрированным электромагнитным клапаном управления количеством подаваемого топлива; 4 – исполнительные элементы и датчики изменяемых фаз газораспределения за счет поворота распределительного вала; 5 – катушка зажигания со свечой зажигания; 6 – термоанемометрический пленочный массовый расходомер воздуха с интегрированным датчиком температуры; 7 – дроссельное устройство (электронное управление дроссельной заслонкой EGAS с датчиком положения заслонки); 8 – датчик давления во впускном трубопроводе; 9 – датчик давления топлива; 10 – топливная рейка высокого давления; 11 – фазный датчик положения распределительного вала; 12 – лямбда-зонд перед дополнительным каталитическим нейтрализатором; 13 – клапан рециркуляции отработавших газов; 14 – форсунка высокого давления; 15 – датчик детонации; 16 – датчик температуры двигателя; 17 – дополнительный каталитический нейтрализатор (трехкомпонентный); 18 – лямбда-зонд за дополнительным каталитическим нейтрализатором; 19 – датчик частоты вращения коленчатого вала; 20 – блок управления двигателем; 21 – интерфейс бортового контроллера связи (CAN); 22 – лампа-индикатор неисправностей; 23 – интерфейс системы бортовой диагностики; 24 - интерфейс блока управления иммобилайзером; 25 – модуль педали газа с датчиком хода педали; 26 – топливный бак; 27 – модуль, встроенный в топливный бак, содержащий топливный насос с электрическим приводом, топливный насос и регулятор давления топлива; 28 – датчик температуры отработавших газов; 29 – главный каталитический нейтрализатор (трехкомпонентный с накопителем NO_X); 30 – лямбда-зонд за главным каталитическим нейтрализатором

Система управления двигателем, выполняющая эти требования, носит название MED-Мотроник. По сравнению с системой МЕ-Мотроник, система MED-Мотроник требует намного большей расчетной мощности.

На рис. 179 показан пример системы MED-Мотроник Серийное использование такой системы началось в 2000 году на автомобиле Фольксваген Лупо.

Основное различие между системами MED- и МЕ-Мотроник заключается в конструкции топливной системы, а также системы выпуска с накопительным каталитическим нейтрализатором NO_X.

2.Элементы системы воздухоподачи

В противоположность двигателям с системой МЕ-Мотроник у двигателей с непосредственным впрыском бензина система впуска была изменена в соответствии с их потребностями. Ее особенностью является целенаправленное воздействие на потоки воздуха в цилиндрах двигателя в зависимости от режимов его работы.

Следующие новые или измененные компоненты вошли в состав системы впуска (рис.180):

·         термоанемометрический пленочный измеритель массового расхода воздуха 1 с датчиком температуры воздуха на впуске;

·         датчик давления 2 во впускном трубопроводе для расчета количества перепускаемых отработавших газов;

·         система заслонок 3 во впускных каналах для целенаправленного управления потоками воздуха на входе в цилиндры двигателя;

·         электромагнитный клапан 4 системы рециркуляции отработавших газов с увеличенными проходными сечениями для перепуска большего количества газов;

·         датчик давления 5 для регулирования разрежения в магистрали к вакуумному усилителю тормозного привода;

·         блок управления 6 дроссельной заслонкой;

·         клапан продувки адсорбера 7;

·         блок управления системой 8.

Рисунок 180 – Схема системы впуска

Дроссельная заслонка

Дроссельное устройство 7 (рис.179) имеет такую же конструкцию, как и в системе МЕ-Мотроник. Но если двигатель при послойном распределении горючей смеси работает на малых оборотах (< 3000 об/мин) при небольшой потребности в крутящем моменте, дроссельная заслонка открыта на большой угол. При таком режиме работы крутящий момент регулируется не массой поступившего воздуха, а количеством впрыснутого топлива. Поэтому наполнение цилиндра воздухом не соответствует величине выходного крутящего момента.

Датчики для определения наполнения цилиндров воздухом

Определение наполнения в двигателе с непосредственным впрыскиванием топлива происходит более сложным способом, чем при впрыскивании топлива во впускной трубопровод, т. к. для снижения миссии NO_x при послойном распределении заряда смеси используется рециркуляция отработавших газов. Для того чтобы использовать преимущество малого расхода топлива и сохранять низкий уровень токсичности отработавших газов, необходимы точный контроль и измерение массового расхода воздуха и возвращенных обратно отработавших газов. Поэтому в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива используются два датчика наполнения цилиндров, с помощью которых может определяться массовый расход воздуха и отработавших газов. Для этого существуют две возможности с применением: термоанемометрического плёночного расходомера массы воздуха (HFM) и датчика давления во впускном трубопроводе либо датчика давления во впускном трубопроводе и датчика атмосферного давления.

Термоанемометрический плёночный расходомер массы воздуха (HFM) и датчик давления во впускном трубопроводе.

С помощью расходомера HFM (6, рис.179) определяется масса свежего воздуха, поступающего во впускной трубопровод. Эта информация может использоваться для определения парциального давления воздуха во впускном трубопроводе. Разность между замеренным давлением во впускном трубопроводе, измеренным с помощью датчика давления (8, рис.179), и парциальным давлением воздуха позволяет сделать вывод о массе обратного потока отработавших газов (рециркуляция отработавших газов).

В условиях работы на обедненной рабочей смеси рециркулирующие отработавшие газы содержат часть несгоревшего кислорода, которая может быть определена на основании измерений концентрации кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд).

Датчик давления во впускном трубопроводе и датчик атмосферного давления.

С помощью соотношения давления над дроссельной заслонкой и температуры всасываемого воздуха можно на базе значения угла поворота дроссельной заслонки рассчитать массовый расход свежего воздуха, проходящего через дроссельную заслонку. С помощью того же алгоритма вычислений определяется массовый расход рециркулирующих отработавших газов через клапан системы рециркуляции отработавших газов путем использования данных о давлении обратного потока отработавших газов. Для этого необходима точная информация о положении клапана системы рециркуляции отработавших газов.

В качестве датчика давления во впускном трубопроводе и датчика атмосферного давления могут выступать датчики с контрольным разряжением на рабочей стороне и датчики с контрольным разряжением в отдельной камере.

3.Элементы топливной системы

Топливная система MED-Мотроник состоит из контуров низкого и высокого давления. За счет этого система MED-Мотроник заметно отличается от МЕ-Мотроник, в которой форсунки подключены к контуру низкого давления.

На рисунке 188 показана стандартная система непосредственного впрыскивания топлива с одноцилиндровым насосом высокого давления.

В зависимости от требования изготовителя автомобиля, контур низкого давления может быть сконструирован по-разному. Здесь он включает:

·         топливный бак;

·         топливный насос с электроприводом со встроенным в него клапаном ограничения давления;

·         топливный фильтр;

·         датчик низкого давления топлива.

Контур высокого давления включает:

·         насос высокого давления, который создает давление впрыскивания топлива до 12 МПа;

·         регулятор давления;

·         топливную рейку, выполняющую роль накопителя для впрыскиваемого топлива;

·         датчик давления в топливной рейке;

·         предохранительный клапан для ограничения давления в топливной рейке до допустимого максимума.

Рисунок 188 – Схема топливной системы

К топливной рейке подключены форсунки высокого давления. К этим форсункам, по сравнению с форсунками, применяемыми в двигателях с впрыскиванием во впускной трубопровод, предъявляются более строгие требования. Существенным моментом является то, что количество топлива должно впрыскиваться в течение очень короткого времени. Для этого требуется сложный управляющий сигнал, который генерируется управляющим каскадом, интегрированным в блоке управления.

4.Элементы системы зажигания

Высокое напряжение, необходимое для получения искрового разряда, генерируется в системе MED-Мотроник одноискровыми катушками зажигания, которые устанавливаются на свече зажигания (5, рис.179). Для того чтобы можно было воспламенить рабочую смесь, катушка зажигания должна генерировать более высокую энергию, чем в системах с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод. Поэтому здесь нужны специальные катушки зажигания.

5.Элементы системы очистки отработавших газов

Очистка отработавших газов в системе MED-Мотроник осуществляется с помощью:

·         дополнительного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора (17, рис.179), установленного рядом с двигателем;

·         главного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора 29, содержащего накопитель NO_X и установленного за дополнительным нейтрализатором в выпускном тракте;

·         лямбда-зондов, установленных перед дополнительным нейтрализатором 12 и за главным нейтрализатором 30. а также из датчика температуры отработавших газов 28.

В системе MED-Мотроник может осуществляться подача дополнительных порций воздуха, т.к. за счет специфики режима работы двигателя происходит быстрое нагревание выпускного тракта.

В отличие от впрыскивания топлива во впускной трубопровод, системы непосредственного впрыскивания топлива нуждаются в использовании каталитического нейтрализатора с накопителем NO_X. Он накапливает оксиды азота, не подвергающиеся нейтрализации в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе, когда двигатель работает на смеси с избытком воздуха. По мере возрастания нагрузки на этот нейтрализатор снижается его способность к химическому связыванию оксидов азота. Накопитель должен подвергаться регенерации. Для этого система MED-Мотроник переключается на режим гомогенной смеси с избытком топлива, при котором оксиды азота выпускаются из накопителя и химически нейтрализуются в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе.

Так как двигатель с непосредственным впрыскиванием топлива при послойном распределении горючей смеси работает в целом на обедненной смеси, то для измерения состава отработавших газов крайне необходим широкополосный лямбда-зонд, устанавливаемый перед каталитическим нейтрализатором.

6.Рабочие характеристики

В дополнение к известным рабочим характеристикам по системам М- и МЕ-Мотроник, система MED-Мотроник дополняется функцией регистрации и учета давления в топливной рейке с помощью отдельного датчика.

Если в двигателях с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод возможна их работа только на гомогенной смеси, то при непосредственном впрыскивании топлива возможны и другие типы распределения смеси. В системе MED-Мотроник впрыскивание топлива может осуществляться таким образом, что к моменту зажигания в области свечи зажигания образуется слоистая рабочая смесь, а остальная часть камеры сгорания заполнена воздухом и инертными газами (смесь с послойным распределением заряда) или обедненной рабочей смесью (гомогенно-послойная смесь). Дополнительно для определенных рабочих режимов возможно использование гомогенных смесей с защитой от детонации и способа нагревания каталитического нейтрализатора при послойном распределении смеси. В условиях работы двигателя на гомогенной рабочей смеси управление крутящим моментом осуществляется за счет заданных параметров наполнения цилиндров и коэффициента избытка воздуха. Масса впрыскиваемого топлива регулируется в соответствии с имеющимся зарядом свежего воздуха. В условиях послойного распределения заряда при работе на гомогенно-обедненной рабочей смеси управление крутящим моментом осуществляется на базе данных о массе впрыскиваемого топлива, т. е. на базе продолжительности открытия форсунки. При этом задается масса впрыскиваемого топлива и двигатель работает с максимально возможным ограничением подаваемого воздуха. Система MED-Мотроник имеет координатор режимов работы, который обеспечивает переход на другой режим работы в соответствии с потребностями двигателя на данный момент. Базой выбора режима работы является характеристическая диаграмма. Составляется перечень приоритетных функций, позволяющих оценивать требования к определенным режимам работы. Но до того как зажигание и впрыскивание топлива будут изменены в соответствии с новым режимом работы, включаются в действие импульсы (если это необходимо) функции по управлению рециркуляцией отработавших газов, вентиляцией топливного бака, заслонкой в тракте подачи заряда и положением дроссельной заслонки.

В условиях послойного распределения заряда смеси при a > 1 дроссельная заслонка открыта на большой угол и всасываемый воздух может поступать в двигатель без дросселирования. Крутящий момент пропорционален массе впрыскиваемого топлива. Для перехода на условия работы на гомогенной смеси масса воздуха, на основе которой устанавливается крутящий момент, должна очень быстро уменьшаться и устанавливаться приемлемая стехиометрическая смесь (a = 1). Крутящий момент, создаваемый двигателем, изменяется в соответствии с положением педали газа и этот процесс изменения остается для водителя незамеченным.