Электронные системы автомобиля

Содержание

Введение………………………………………………………………………….....3

Глава I: Общие сведения об электронных и микропроцессорных системах                                                                                                       автомобиля……………………………………………………………………….....4 
1.1 Основные понятия…………………………………………………………...…4 
1.2 Основные компоненты электронных и микропроцессорных систем автомобиля……………………………………………………………….…….....4-6 
Глава II: Системы управления двигателем……………………………………….6 
2.1 Основные принципы управления двигателем……………………...……....6-7 
2.2 Электронные системы впрыскивания бензина…………………………......7-9 
2.3 Микропроцессорные системы управления бензиновым двигателем…………………………………………………………………….....9-11 
Глава III: Электронные тормозные системы………………………………….....11 
3.1 Электрогидравлическая тормозная система……………………...……...11-12 
3.2 Электропневматическая тормозная система…………………………….......13

Глава IV: Автомобильные бортовые информационные системы…………...…14 
4.1 Контрольно-измерительная панель приборов…………………………...15-16 
4.2 Бортовая система контроля………………………………………………......16 
4.3 Бортовой компьютер…………………………………………………..…..17-19

Заключение…………………………………………………………………...........20

Список литературы………………………………………………………...……...21

Введение

Доля электроники в  автомобилях постоянно увеличивается - в 2000 году на нее приходилось 22% стоимости автомобиля, а в 2010 - 35%.

Еще более возрастает роль электронных и микропроцессорных  систем, которые во многом определяют активную и пассивную безопасность автомобиля. Так 1 июля 2004 года в Европейском союзе вступило в силу коллективное обязательство автопроизводителей не поставлять на рынок автомобили без антиблокировочных систем. Как ожидается, вскоре аналогичное решение будет принято и по подушкам безопасности.

Не меньшее внимание уделяется экологическим показателям автомобиля, выполнить которые без микропроцессорного управления силовым агрегатом невозможно.

Несомненно, вопросы конструкции, эксплуатации электронных систем автомобиля являются актуальными.

Целью данного реферата является обобщение, систематизация вопросов конструкции, диагностирования и обслуживания современных электронных и микропроцессорных систем автомобиля. Задачи – дать определения основным понятиям, относящихся, к данной теме, и описание некоторым электронным системам автомобиля.

Глава I

Общие сведения об электронных  и микропроцессорных системах автомобиля

1. Основные понятия

Понятие электронной  системы является более общим, нежели понятие микропроцессорной системы. В самом общем смысле под электронной  системой понимается система, построенная на радиоэлектронных элементах.

Электронная система автомобиля - система (узел) автомобиля, алгоритм функционирования которой определяется принципиальной электрической схемой блока управления или всего узла. При этом технически электронный блок управления (ЭБУ) или весь узел может быть выполнен на дискретных и (или) интегральных радиоэлементах, а изменение алгоритма работы системы или узла невозможно без изменения электрической схемы.

Микропроцессорная система автомобиля - система автомобиля, алгоритм функционирования которой определяется программой процессора электронного блока управления (ЭБУ). Таким образом, в данной системе всегда есть блок управления на основе микропроцессора и для изменения алгоритма работы системы требуется изменить программу микропроцессора.

2. Основные компоненты электронных и микропроцессорных систем автомобиля

Целью данного раздела  не является рассмотрение отдельных  радиоэлементов их параметров, а определение классов и типов электронных приборов, применяемых на автомобиле, а также определение требований к ним.

Современный автомобиль обладает значительным количеством  электронных и микропроцессорных систем различного назначения и уровня сложности, что определило разнообразие в элементной базе устройств и технологиях их изготовления.

Рассмотрим основные критерии классификации электронных  компонентов автомобиля.

• По типу элементов, дискретные и интегральные электронные компоненты.
• По типу рабочего сигнала: цифровые и аналоговые компоненты.
• По условиям применения, стандартные (универсальные) и специальные компоненты.

Более подробно рассмотрим интегральные микросхемы (ИС), которые  в настоящее время являются преобладающими в автомобильной электронике.

В подавляющем большинстве  сейчас используются монолитные интегральные микросхемы (1С- integrated circuit), то есть выполненные на едином кристалле полупроводника (чаще кремния) по планарной технологии. Данная технология позволяет производить в микросборке все полупроводниковые элементы, а также пассивные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. Выделяют пять уровней интеграции микросхем:

• низкая (SSI);
• средняя (MSI);
• высокая (LSI);
• сверхвысокая (VLSI);
• ультравысокая (ULSI).

В настоящее время  производятся последние три группы интегральных микросхем. Аналоговые интегральные микросхемы чаще всего делятся по назначению: операционные усилители, стабилизаторы напряжения, усилители низкой частоты, компараторы и т. д.

Цифровые интегральные микросхемы имеют, как правило, два  критерия классификации:

• по технологии полупроводников: биполярные, на основе полевых транзисторов и гибридные.
• по назначению: логические, триггеры, регистры, шифраторы, мультиплексоры, микросхемы памяти, высокомощные микросхемы.

Отдельным классом цифровых интегральных микросхем стоят микропроцессоры.

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление этим процессом, реализованное в одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).

Микропроцессорная ЭВМ (или микроЭВМ) - это ЭВМ, включающая микропроцессор, полупроводниковую память, средства связи с периферийными устройствами и, при необходимости, пульт управления и блок питания, объединенные одной несущей конструкцией.

В зависимости от способа конструирования микроЭВМ делят на:

• однокристальные, выполненные на одном кристалле,
• одноплатные, реализованные на одной плате,
• многоплатные, когда микропроцессор и основная память располагаются на одной плате, средства связи с периферийными устройствами - на других.

Микропроцессорная система (МПС) - информационная, измерительная, управляющая или другая специализированная цифровая система, включающая микроЭВМ и средства сопряжения с обслуживаемым объектом.

Программное обеспечение МПС (ПО МПС) - совокупность программ, которые находятся в памяти системы и реализуют алгоритм функционирования системы.

Глава II

Системы управления двигателем

2.1 Основные  принципы управления двигателем

Автомобильный двигатель  представляет собой систему, состоящую  из отдельных подсистем: системы топливоподачи, зажигания, охлаждения, смазки и т.д. Все системы связаны друг с другом и при функционировании они образуют единое целое. 

Управление двигателем нельзя рассматривать в отрыве от управления автомобилем. Скоростные и  нагрузочные режимы работы двигателя зависят от скоростных режимов движения автомобиля в различных условиях эксплуатации, которые включают в себя разгоны и замедления, движение с относительно постоянной скоростью, остановки. 

Водитель изменяет скоростной и нагрузочный режим двигателя, воздействуя на дроссельную заслонку. Выходные характеристики двигателя при этом зависят от состава топливо-воздушной смеси и угла опережения зажигания, управление которыми обычно осуществляется автоматически.

Входные параметры - это те параметры, которые влияют на протекание рабочего цикла двигателя. Их значения определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны водителя или системы автоматического управления, поэтому они называются также управляющими. 

Выходные параметры, называемые управляемыми, характеризуют состояние двигателя в рабочем режиме. К ним относятся: частота вращения коленчатого вала, крутящий момент, показатель топливной экономичности и токсичности отработавших газов (например, содержания СО), а также многие другие.

2.2 Электронные  системы впрыскивания бензина

Применение систем впрыскивания топлива взамен традиционных карбюраторов обеспечивает повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Они позволяют в большей степени по сравнению с карбюраторами с электронным управлением оптимизировать процесс смесеобразования. Однако следует отметить, что системы впрыскивания топлива сложнее систем топливоподачи с использованием карбюраторов из-за большего числа подвижных прецизионных механических элементов и электронных устройств и требуют более квалифицированного обслуживания в эксплуатации. 

По мере развития систем впрыскивания топлива на автомобили устанавливались механические, электронные и цифровые системы. К настоящему времени структурные схемы систем впрыскивания топлива в основном стабилизировались 
При распределенном впрыскивании топливо подается в зону впускных клапанов каждого цилиндра группами форсунок без согласования момента впрыскивания с процессами впуска в каждый цилиндр (несогласованное впрыскивание) или каждой форсункой в определенный момент времени, согласованный с открытием соответствующих впускных клапанов цилиндров (согласованное впрыскивание). Системы распределенного впрыскивания топлива позволяют повысить приемистость автомобиля, надежность пуска, ускорить прогрев и увеличить мощность двигателя. 

При распределенном впрыскивании топлива появляется возможность  применения газодинамического наддува, расширяются возможности в создании различных конструкций впускного трубопровода. Однако у таких систем по сравнению с центральным впрыскиванием больше погрешность дозирования топлива из-за малых цикловых подач.

Идентичность составов горючей смеси по цилиндрам в  большей степени зависит от неравномерности дозирования топлива форсунками, чем от конструкции впускной системы. При центральном впрыскивании топливо подается одной форсункой, устанавливаемой на участке до разветвления впускного трубопровода. Существенных изменений в конструкции двигателя нет. Система центрального впрыскивания практически взаимозаменяема с карбюратором и может применяться на уже эксплуатируемых двигателях. При центральном впрыскивании обеспечивается большая точность и стабильность дозирования топлива. 

Особенно эффективна в отношении повышения топливной экономичности система распределенного впрыскивания топлива в сочетании с цифровой системой зажигания. 

В мировой практике разработкой  электронных систем впрыска топлива  занимаются многие фирмы, однако наиболее известны в Европе: BOSCH, Siemens, поэтому чаще всего используют их обозначение систем. Общепринятым международным обозначением электронных систем впрыска является Jetronic. В настоящее время в массовом производстве преобладает система под названием LH-Jetronic, которая является системой распределенного впрыска топлива во впускной трубопровод. Применяется как синхронный и асинхронный впрыск топлива. Главной чертой этой системы является термоанемометрический расходомер воздуха, взамен расходомера на основе потенциометра с заслонкой.

2.3 Микропроцессорные системы управления бензиновым двигателем

Сейчас практически  отказались производители от отдельных  электронных систем впрыска и производят электронные системы управления двигателем (МСУД), объединяющие управление впрыском топлива и зажиганием бензинового двигателя. Такие системы обозначаются Motronic. Производятся на современном этапе три типа систем:

• M-Motronic - микропроцессорная система управления зажиганием и распределенным впрыском топлива;
• ME-Motronic - микропроцессорная система управления зажиганием и распределенным, последовательным впрыском топлива, с X- регулированием и электронным дросселем (система ETC);
• MED-Motronic- микропроцессорная система управления зажиганием и непосредственным впрыском топлива в цилиндры (Direct injection, DI).

Рассмотрим особенности  систем ME-Motronic и MED-Motronic.

Система ME-Motronic

Кроме основных своих  функций система ME-Motronic выполняет и целый ряд дополнительных функций с разомкнутой и замкнутой системами управления. В качестве примера можно назвать: 

• регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу; регулирование коэффициента избытка воздуха (замкнутая система управления);
• улавливание топливных паров; рециркуляция отработавших газов для снижения содержания оксидов азота;
• контроль за работой вспомогательной воздушной системы для снижения содержания углеводородов в отработавших газах;
• автоматическое регулирование скорости движения (круиз-контроль).

Система MED-Motronic

При оснащении бензинового  двигателя с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива системой MED-Motronic расход топлива может быть снижен не менее чем на 20 % по сравнению с двигателем, имеющим впрыск топлива во впускной трубопровод. 

При этом может быть достигнут  длительный эффект снижения выбросов диоксида углерода (СО2) во время движения автомобиля. 

При непосредственном впрыске  топлива должна осуществляться возможность скоординированного выбора между вариантами применения неоднородной смеси (послойного заряда) при неполной нагрузке и однородной (гомогенной) смеси при полной нагрузке и наоборот. 

Основными требованиями при использовании системы MED-Motronic являются:

• точное дозирование потребного количества впрыскиваемого топлива;
• создание необходимого давления впрыска;
• управление моментом впрыска;
• впрыскивание топлива непосредственно в камеру сгорания.

Так же должны быть согласованы  требования к величине крутящего  момента двигателя, с тем, чтобы  затем имелась возможность проведения необходимых регулировочных операций на данном двигателе.

Глава III

Электронные тормозные  системы

Все системы данного  класса объединяет одно - отсутствие жесткой  связи между педалью тормоза  и исполнительным механизмом, так  называемая электронная педаль. Ее перемещение преобразуется в электрический сигнал и подается блоку управления. После анализа информации от различных датчиков (нагрузка, скорость, поперечное ускорение, угол поворота рулевого колеса), электроника самостоятельно дает команду исполнительным механизмам, регулирующим давление в контурах тормозной системы. Общее обозначение таких систем - EBS - (Electronic Braking System) (Электронная система торможения), а также система Brake by wire, торможение по проводам. 

В зависимости от вида энергоносителя различают электрогидравлические системы: SBC (Sensotronic Brake Control), ЕНВ (Electronic hydraulic Braking); электропневматические: EBS (Electronic Braking System), EPB (Electronic Pressure Braking); электромеханические - EMB (Electromechanical Braking).

3.1 Электрогидравлическая тормозная система

В отличие от антиблокировочных тормозных систем (ABS), системы контроля силы тяги (TCS) и управления автомобилем (ESP) электронные тормозные системы могут создавать давление в колесных цилиндрах независимо от действий водителя. Эта функция является базовой при создании электрогидравлических тормозных систем (ЕНВ). 

В стандартных тормозных  системах легковых автомобилей сила, прикладываемая водителем к педали тормоза, под действием ее рычага механически передается на вакуумный сервопривод и от него, в усиленном виде, к главному тормозному цилиндру. Генерируемое таким образом давление используется для достижения необходимого эффекта торможения при отдельном тормозном усилии на каждом колесе. При наличии тормозов ЕНВ эта механико-гидравлическая последовательность действий нарушается. При нормальных условиях эксплуатации между педалью тормоза и тормозом колеса отсутствует механическое звено.

Система ЕНВ состоит  из следующих компонентов:

•     блока исполнительного механизма;

-     гидравлического модулятора давления;

• датчиков (например, датчиков частоты вращения колес);

• расширения блока ECU (в гидравлическом модуляторе давления) или отдельного блока ECU; каналов управления и давления

Для обеспечения безопасности в системе используются два отдельных  датчика (один - на исполнительном механизме  для определения хода педали и  другой - датчик давления на гидравлическом модуляторе) для определения «запроса на торможение» и передачи его в блок управления, который соединен с сервоприводом тормозов и системами ABS, TCS и ESP. Датчики этих систем обеспечивают ЭБУ (ECU) данными о динамике автомобиля - скорости движения, совершении поворотов и движении колес.

3.2 Электропневматическая  тормозная система

Тормозные системы с  электронным управлением (ELB) позволяют оптимизировать процессы сил тяги и торможения грузовых автомобилей. В ELB сложные функции обрабатываются электронным путем.

В систему ELB, по меньшей мере, входят: электропневматическая тормозная система (ЕРВ); антиблокировочная система ABS; система контроля силы тяги (TCS). В системе ELB сделана попытка управления посредством использования дополнительной информации, например, касающейся давления в тормозном цилиндре и нагрузки на ось. 

Во время устойчивого  диапазона качения колеса срабатывание тормозов управляется электронным путем посредством системы ЕРВ, поэтому управление колесами, осями и автомобилем в целом может осуществляться с учетом разнообразных требований конструкторов. 

Система ELB содержит источник сжатого воздуха, накопитель энергии и тормозные камеры. Эти системы с отдельными пневматическими контурами, прежде всего, применимы в виде резервных систем для обеспечения уровня безопасности. 
 
Для обеспечения безопасности в системе используются два отдельных датчика (один - на исполнительном механизме для определения хода педали и другой - датчик давления на гидравлическом модуляторе) для определения «запроса на торможение» и передачи его в блок управления, который соединен с сервоприводом тормозов и системами ABS, TCS и ESP. Датчики этих систем обеспечивают ЭБУ (ECU) данными о динамике автомобиля - скорости движения, совершении поворотов и движении колес.

Глава IV

Автомобильные бортовые информационные системы

Информационно-диагностическая  система является составной частью современного автомобиля и предназначена  для сбора, обработки, хранения и  отображения информации о режиме движения и техническом состоянии  транспортного средства, а также окружающих его внешних факторах. Сегодня система «водитель-автомобиль-дорога-среда» начинает рассматриваться как единая. В наиболее развитых странах происходит осознание того, что улучшение движения на перегруженных автомагистралях возможно только в том случае, если водитель будет иметь оперативную информацию о состоянии дороги и транспортных потоках. 

Правительства в различных  странах финансируют проекты, направленные на увеличение безопасности, эффективности, пропускной способности, уменьшения загрязнения окружающей среды на крупных автомагистралях. Иногда в этой связи говорят о концепции интеллектуальной транспортной системы (Intelligent Transportation System - ITS) . Например, в США и Японии такой проект называется ITS, а в Европе - Telematic. Проекты включают создание инфраструктуры и необходимой бортовой электронной аппаратуры для оптимальной организации движения транспортных средств едиными потоками (platoon), передачи водителям рекомендаций, предупреждений и т.д. Для их осуществления требуются датчики определения интенсивности транспортных потоков, компьютеры для обработки больших массивов информации и генерации сообщений, средства связи, автомобильные дисплеи и многое другое. В некоторых проектах (Telematic) предполагается, что информация, необходимая для функционирования интеллектуальной транспортной системы будет поступать с самих автомобилей, оснащенных телематическими комплексами.

4.1 Контрольно-измерительная  панель приборов 

Водитель получает информацию о режиме движения и техническом состоянии автомобиля с помощью контрольно-измерительных устройств и индикаторов, размещенных на панели приборов (КИП). Панель приборов современного легкового автомобиля содержит от 3 до 6 стрелочных приборов и 5-7 световых индикаторов, размещение которых основывается на следующих принципах: 

• группировка в центре панели средств отображения информации, связанных с безопасностью дорожного движения;
• размещение приборов и индикаторов тем ближе к центру панели, чем выше частота обращения к ним водителя;
• группировка в единые блоки функционально связанных приборов и индикаторов. 
  

Развитие и внедрение  в автомобилестроение электроники  дало возможность конструкторам и дизайнерам создать электронную панель приборов, в которой вместо привычных электромеханических приборов устанавливаются электронные информационные устройства и индикаторы. Электронные индикаторы, кроме функций, выполняемых электромеханическими приборами, способны предоставлять водителю информацию в цифровой, графической и текстовой формах. С помощью электронных устройств возможны синтез человеческой речи, индикация показателей, для определения которых требуются сложные вычисления, анализ целесообразности передачи информации водителю. Электромеханические приборы, как правило, предназначены для отображения только одного параметра, так как при использовании нескольких шкал ухудшается возможность считывания с них показаний. Кроме того, они имеют значительные габаритные размеры, что делает сложным их размещение на панели приборов. Электронные индикаторы при меньших размерах могут информировать о значениях не одного, а нескольких параметров, передавать разнообразные сообщения и поэтому позволяют резко увеличить информативность панели при тех же габаритах. 

Необходимо также отметить, что электронные информационные устройства предоставляют водителю более достоверные данные. Это связано как с повышением точности приборов, так и с цифровым представлением информации.

 
Проблема оптимальной компоновки приборов на панели в автомобиле постоянно  изучается. Важным моментом здесь является время, затрачиваемое водителем на то, чтобы отвести взгляд от дороги, найти на панели приборов нужный и получить от него информацию.

4.2 Бортовая система контроля 

Бортовая система контроля (БСК) автоматически осуществляет контроль за состоянием систем автомобиля и выдает полученную информацию на жидкокристаллический дисплей, например так, как на рисунке 10.6. Информация представляется в удобном графическом виде, при необходимости привлечения внимания водителя издается звуковой сигнал или включается синтезатор речи.

Какие именно контролирующие функции реализует БСК зависит  от модели и производителя автомобиля, но, как минимум, имеются следующие  возможности:

• индикация неисправности сигналов торможения;
• индикация неисправности осветительных приборов;
• индикация открытого состояния двери или багажника;
• индикация низкой температуры окружающего воздуха;
• индикация низкого уровня охлаждающей жидкости в двигателе;
• индикация низкого уровня масла в картере;
• индикация низкого уровня жидкости в бачке омывателя;
• индикация чрезмерного износа тормозных колодок;

4.3 Бортовой компьютер 

Бортовой компьютер (автомобильный  маршрутный компьютер (АМК)) выдает водителю различную информацию о состоянии  автомобиля, управляет средствами связи автомобиля с внешним миром, навигационной системой и т.д. Обычно бортовой компьютер выдает информацию на цифровой дисплей, управляется с пульта управления на приборном щитке автомобиля. 

Начинают применяться  и более удобные цветные графические  сенсорные дисплеи с программируемыми органами управления (рисунок 10.7). Кроме того, выпускаются портативные коммуникаторы и органайзеры, которые можно подключать к шине данных автомобиля. Соответствующее программное обеспечение делает их частью автомобильной информационной системы.

Компьютер в автомобиле может быть подключен к сети Internet. Электронная почта становится доступной для водителя. При подключении через спутниковую антенну (direct PC) скорость передачи данных достигает 440 Kb/s. Автомобиль превращается в офис на колесах.

Бортовой компьютер  определяет точное время и дату, расход топлива по сумме длительностей  открытого состояния форсунок, скорость и пройденное расстояние. На дисплей обычно выводится следующая информация: