Современное состояние автомобильной электроники

С каждым годом расширяется применение электронных приборов и систем в автомобилях. Сейчас практически любая система электрооборудования включает элементы электроники с комплектующими, как отечественного, так и импортного производства. Это связано с решением таких задач, как обеспечение безопасности движения, уменьшение загрязнения воздуха отработавшими газами, улучшение ходовых качеств автомобиля, его надежность, улучшение условий работы водителя, снижение трудоемкости технического обслуживания.

Внедрение электронных устройств идет в основном по двум направлениям: замена существующих механических устройств, функции которых электронные устройства выполняют с большей надежностью, качеством (электронные системы зажигания, регуляторы напряжения, тахометры и др.); внедрение электронных приборов, выполняющих функции, которые не могут выполнять механические приборы (электронные противоблокировочные системы, различные автоматические устройства, задающие режим работы двигателя и движения автомобиля и др.). Применение указанных устройств позволяет существенно повысить эксплуатационные качества автомобиля.

В результате быстрого совершенствования параметров полупроводниковых устройств, являющихся составными частями микро-ЭВМ, стали вполне достижимыми высокая надежность, низкая себестоимость и малые размеры системы автомобильной электроники. Сегодня электроника в автомобиле играет роль одного из главных элементов системы управления. Она подразделяется на три части: на систему управления силовым агрегатом (двигателем и трансмиссией), систему управления хо­довой частью и систему управления оборудованием салона.

Управление двигателем и трансмиссией. В настоящее время в мире разработано и серийно выпускается большое разнообразие систем управления двигателями. Эти системы по принципу действия имеют много общего, но и существенно отличаются. По назначению они бывают монофункциональные и комплексные. В комплексных системах один электронный блок управляет несколькими подсистемами: впрыска топлива, зажигания, фазами газораспределения, самодиагностики и др. В монофункциональных системах ЭБУ подает сигналы только системе впрыска. По распределению топлива различают многото­чечный и центральный впрыски. При многоточечном впрыске уста­новлено по одной форсунке на каждый цилиндр, а при центральном имеется одна форсунка на все цилиндры.

Управление двигателем и трансмиссией объединяет в себе управление системой впрыска топлива или карбюратором, углом опережения зажига­ния, частотой холостого хода, контроль детонации и управление прочими системами двигателя, а также трансмиссией (системой передачи энергии).

Система управления двигателем подразделяется на системы управления карбюраторным (бензиновым) и дизельным двигате­лем и трансмиссией.

Комплексная система управления бензиновым двигателем (рис. 1.1.) обеспечивает оптимальную его работу путем управления впрыском топлива, углом опережения зажигания, частотой вращения коленча­того вала двигателя на холостом ходу и проведения диагностики.

 

Рис. 1.1. Комплексная электронная система управления бензиновым двигателем: 1- воздух; 2- датчик расхода воздуха; 3 - исполнительное уст­ройство управления частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу; 4 - топливо; 5 - форсунки впрыска топлива; 6 - двигатель; 7 - свечи зажи­гания; 8 - частота вращения коленчатого вала двигателя; 9 - ЭБУ; 10 - рас­пределитель зажигания; 11 - выходной сигнал; 12 - катушка зажигания; 13 - отработавшие газы; 14 - датчик кислорода.

На рисунке показана система распределенного впрыска, в ко­торой форсунки установлены непосредственно перед каждым цилиндром.

Управление карбюратором сводится к прецизионному регулирова­нию состава горючей смеси. В результате повышается мощность, становятся чище отработавшие газы, улучшаются другие характеристики двигателя.

Электронные системы управления дизельными двигателями развива­лись медленнее, чем бензиновыми, так как по сравнению с традиционной системой управления (где использовался механический центробежный регулятор) необходимость применения датчиков и исполнительных устройств сложной конструкции значительно удорожала всю систему.

Система электронного управления дизельным двигателем контролирует количество впрыскиваемого горючего, момент начала впрыска, ток факельной свечи и т. п.

На рис.1.2 представлена система управления топливным насосом высокого давления, переделанная из механической в электронную.

 

 

Рис. 1.2. Комплексная электронная система управления дизельным дви­гателем: 1- воздух; 2 - датчик открытия дроссельной заслонки; 3- степень от­крытия дроссельной заслонки; 4 - ЭБУ; 5- исполнительное устройство; 6- топливный насос высокого давления; 7- форсунки впрыска; 8- двигатель;9- частота вращения коленчатого вала двигателя; 10- топливо.

 

На этом примере видно, что, поскольку насос работает на принципах механики, эта система существенно отличается от электронной системы впрыска бензинового двигателя.

В электронной системе управления трансмиссией объектом регулирования является главным образом автоматическая трансмиссия.

 

На рис. 1.3 представлен пример такой системы.

 

 

Рис. 1.3. Пример системы управления трансмиссией: 1 - сцепление; 2 - диски сцепления; 3 - механизм ускоряющей передачи; 4 - механизм изменения передаточного числа; 5 - выходной вал; 6- датчик скорости автомобиля; 7 - ЭБУ; 8- угол открытия дроссельной заслонки; 9 -электромагнитный клапан изменения передаточного числа; 10 - гидравлическая система; 11 - электромагнитный клапан сцепления; 12 - маховик двигателя.

 

На основании сигналов датчиков угла открытия дроссель­ной заслонки и скорости автомобиля ЭБУ выбирает оптимальные передаточное число трансмиссии и время включения сцепления.

Электронная система управления трансмиссией по сравнению с применявшейся ранее гидромеханической системой повышает точность регулирования передаточного числа, упрощает механизм управления, повышает экономичность и управляемость.

Управление ходовой частью.Под управлением ходовой частью понимается управление процессами движения, изменения траектории и торможения автомобиля. Электронные системы управления ходовой частью улучшают управляемость, устойчивость и комфортабельность автомобиля. Они выполняют управление подвеской, колесами, тормозами, поддержание заданной скорости движения и т. п.

Управление подвеской обеспечивает ее оптимальную работу при раз­личных скорости и массе груза автомобиля. Электронные системы управ­ляют высотой кузова относительно дороги, упругими элементами и демпфированием амортизаторов.

Управление высотой кузова относительно дороги обеспечивает по­стоянство этого параметра независимо от загрузки автомобиля. Уменьше­ние высоты кузова при движении с высокой скоростью приводит к снижению аэродинамических потерь и повышению устойчивости автомобиля на дороге.

Управление упругими элементами подвески и демпфированием амор­тизаторов повышает устойчивость автомобиля и препятствует изменениям положения кузова при резких поворотах, ускорениях и торможениях. С одной стороны, для повышения комфортабельности движения подвеска должна быть мягкой, но, с другой стороны, для лучшей устойчивости она, напротив, должна быть достаточно жесткой. Поэтому ЭБУ, получая на вход сигналы от датчиков скорости, угла поворота рулевого колеса, угла открытия дроссельной заслонки, а также от концевого переключателя пе­дали тормоза, управляет исполнительными устройствами, которые соответственно изменяют параметры упругих элементов подвески и амортизаторов каждого из колес. Обычно это осуществляется с помощью электромагнитных клапанов или малогабаритных электродвигателей, которые из­меняют сечения отверстий в пневматических упругих элементах, изменяя тем самым их упругость, или в гидравлических амортизаторах, варьируя их демпфирование. На рис. 1.4 показана схема такой системы.

 

Рис. 1.4. Система управления демпфированием амортизаторов: 1 – индикаторная лампа, управляема сигналом с датчика скорости; 2 – датчик включения стоп-сигнала; 3 – датчик угла поворота рулевого колеса; 4 – исполнительное устройство амортизаторов передних колес; 5 – датчик угла открытия дроссельной заслонки; 6 – переключатель коробки передач; 7 – переключатель режимов работы подвески; 8 – ЭБУ; 9 – исполнительные устройства амортизаторов задних колес.

 

ЭБУ в рулевом управлении регулирует усилие на рулевом колесе (при наличии гидроусилителя) или поворот четырех колес и т. п. Управление усилием на рулевом колесе сводится к его уменьшению, когда автомобиль стоит или движется с малой скоростью и, наоборот, к его увеличению при больших скоростях, что обеспечивает курсовую устойчивость и управляе­мость. Возможно также изменять усилие на руле по желанию водителя.

Поэтому с начала 80-х гг. автомобильные компании Японии стали применять системы управления, состоящие из ЭБУ, датчиков скорости и угла поворота рулевого колеса, переключателя режимов работы рулевого управления, а также гидроцилиндра с электромагнитным клапаном, исполь­зуемого в качестве исполнительного устройства.

Система управления тормозами главным образом предотвращает блокирование колес при торможении, тем самым обеспечивая повышение устойчивости автомобиля при торможении. Такая система называется ан­тиблокировочной. Состояние блокирования колеса можно определить, сравнивая поступательную скорость автомобиля и угловую скорость колеса. Но так как скорость автомобиля определить весьма трудно из-за проскальзывания колес, вместо нее в качестве базовой обычно используется расчетная средняя скорость колес.

На основании сигналов датчиков скорости вращения колес ЭБУ выявляет состояние блокирования какого-либо колеса и посылает сигнал ис­полнительному устройству, которое снижает давление тормозной жидкости в тормозном цилиндре данного колеса. Как только скорость колеса увеличится, давление тормозной жидкости снова возрастает и процесс повторяется.

Еще одним преимуществом системы управления тормозами является наличие устройства, поддерживающего постоянным давление тормозной жидкости при торможении, после остановки (до начала движения), что удобно на уклонах и т. п. Система поддержания заданной скорости движения управляет дроссельной заслонкой, обрабатывая сигналы датчика ско­рости, выключателя и указателя режима, управляет исполнительным устройством, связанным с дроссельной заслонкой. В исполнительных устройствах используются вакуумный привод, малогабаритные электродвигатели и т. п.

Управление оборудованием салона.Управление оборудованием салона призвано повыситвязи, централизованная блокировка замков дверей, стеклоподъемники, сиденья с изменяемым положением, ремни безопасности и т. д. Эти устройства обеспечивают автоматизацию работы водителя и удобство в управлении автомобилем.

Все шире решаются вопросы безопасности при эксплуатации таких автомобилей как Toyota. Так, система курсовой устойчивости VSC на “рафике” неоткючаемая. А если водитель или передний пассажир не пристегнулся ремнем, то после начала движения на них накладывается “акустический штраф” – автомобиль сперва противно пищит, а потом громкость писка увеличивается до невыносимого уровня. Это – нововведение в духе последних требований программы EuroNCAP.

Более комфортно себя ощущаешь в автомобиле, если имеется в нем мультимедийная система iDrive.

Из главного меню системы iDrive можно войти в меню “тонкой” настройки климат-контроля, интенсивности подогрева сидений или вывести

“шкалу” фиксированных радиостанций.

Комфортабельность автомобиля во многом определяется не только удобством его управления, но местом расположения водителя и пассажиров. Такой автомобиль как BMW 530i, имеет роскошные сиденья, оснащенные немереным количеством регулировок с электроприводами.

 

1.3. Основные направления развития автомобильной электроники

 

Основные направления автомобильной электроники связаны с разработками в области повышения активной безопасности автомобиля (противоблокировочные тормозные системы, противобуксовочные, противозаносные, системы стабилизации положения кузова, системы предупреждения о препятствиях и опасного приближения, пассивной безопасности (управление подушками, подголовниками и ремнями), повышение комфортности (управление сиденьями, климатической установкой, навигационные системы), различных электронных устройств защиты. Уже имеются системы с голосовым управлением климатической установкой, аудиосистемой и сотовым телефоном. Устанавливаются радары, предупреждающие при парковке об опасном (20 см) сближении с препятствием. Подобные устройства существуют и для поддержания безопасного расстояния до впереди идущего автомобиля

Подобные устройства разрабатываются и у нас в стране. К ним относятся интеллектуальная система предотвращения столкновения транспортных средств (СОПРЕСТ), основанных на методах самонаведения.

С развитием компьютерной техники разрабатываются автомобильные навигационные системы, которые позволяют решить задачу управления транспортом в сложных условиях. Автомобильная навигационная система позволяет по электронной карте увидеть местонахождение автомобиля, проложить маршрут из точки "А" в точку "В" с учетом сложившейся организации движения. Во многих странах мира она получила самое широкое распространение.

Применение многочисленных электрических устройств и электронных систем предопределяет увеличение общей протяженности электрокоммуникаций

Одной из самых сложных и эффективных систем является (АВС) Activ Body Control - система активного контроля за положением кузова. Переход из одного режима в другой достигается в ней всего лишь с помощью клавиши Спорт/Комфорт на центральной консоли, в корне меняющей характер автомобиля.

Борьба с колебаниями кузова - не единственная задача АВС. Она же делает ненужными стабилизаторы поперечной устойчивости, регулируя давление в гидроцилиндрах. Кроме того АВС изменяет дорожный просвет, увеличивая его принудительно на 25 или 50 мм и автоматически уменьшая на большой скорости на 10 мм. При разгоне и торможении АВС пресекает "приседания" и "кивки" кузова. Одно из ее важнейших достоинств - мгновенная стабилизация кузова на выходе из поворота. Кроме АВС на автомобиле используется уникальная система контроля давления в шинах, дающая водителю информацию о состоянии каждого колеса.

Все эти устройства продолжают совершенствоваться и распространяться с больших автомобилей на средние, а со средних - на малые.