Тенденции развития автомобильного бортового электронного оборудования

Современный автомобиль состоит из четырех основных агрегатов: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), кузова, шасси и ходовой части. Эти агрегаты состоят из различных функциональных систем, которые обеспечивают выполнение глав­ной функции автомобиля — перевозку грузов и пассажиров. Для того чтобы пере­возки были безопасными, а для пассажиров и комфортными, чтобы агрегаты, узлы, блоки, системы работали безотказно, на автомобиле широко используются электротехнические устройства и средства электрон пой автоматики.

► В последние годы техническая оснащенность автомобилей электронной бор­товой автоматикой значительно возрастает.

Совсем недавно микропроцессорные системы зажигания, электронные систе­мы управления гидравлическими тормозами, системы впрыска бензина, бортовая сам oil и а гностика считались последними достижениями в области автомобильного аппарате  и приборостроения. Теперь их относят к классическим системам и устанавливают почти на каждый серийный автомобиль.

В наши дни на вновь разрабатываемые модели автомобилей дополнительно на­чинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические си­стемы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцес­сорным обеспечением; спутниковая навигационно-поисковая система; радарные и ультразвуковые системы зашиты автомобиля от столкновений и угона; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круиз-контроля; система «электронная карта»; мультиплексная электропроводка.

Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных техноло­гий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобра­зователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических перемен­ных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естествен­ном (английском) или искусственном (компьютерном) языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микро ЭВМ это позволяет повысить точность и скорость (быстроту) обработки сигналов. Как следствие, зна­чительно усложнился интерфейс, и возникла необходимость в ведении CAN- пpoтокола в мультиплексную систему.

На базе электронных систем автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) и тормозами (ЭСАУ-Т) разработана и уже применяется гироскопическая система VDC для повышения курсовой устойчивости автомобиля на дороге в сложных условиях движения. Система VDC работает по принципу запрограммированного под нештатные условия движения совместного воздействия на крутящий момент ДВС (посредством системы ASR) и на антиблокировочную систему тормозов ABS, чем исключается боковой увод (снос) автомобиля при поворотах на большой скорости или на скользкой дороге. Водителю в таком случае отводится роль активного наблюдателя, контролирующего н корректирующего поведение автомобиля.

Интенсивно ведутся научные исследования возможности применения электро­магнитных клапанов с электронным управлением в газораспределительном меха­низме (ГРМ) поршневого ДВС. Идею заменить классические механические кла­паны электромагнитными еще в 50-х гг. XX в. предложил профессор Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ), доктор технических наук Владимир Митрофанович Архангельский. Что это дает поршневому ДВС, хорошо известно теоретически [24]. Но практическая реализация идеи оказалась исключительно трудоемкой задачей, над решением которой работают специалисты многих зару­бежных фирм и отечественные разработчики. Теоретические и эксперименталь­ные исследования уже завершены. Теперь идут разработки конструкторских вари­антов исполнения ГРМ с электромагнитными клапанами.

Наряду с усовершенствованием автомобильных бензиновых ДВС все более ак­тивизируются работы по созданию экологически чистых силовых установок для электромобилей. Полагают, что достойной заменой городскому автомобилю мо­жет стать гибридный электромобиль, электронные системы управления которым также относятся к современным новациям в области автомобилестроения.

В современных условиях глобальным требованием к новейшим автомобиль­ным электрическим и электронным системам является неукоснительное исполне­ние международных стандартов OBD-II (США) и EOBD-II (EU), которые также продолжают совершенствоваться.

► Помимо специфики выполняемых функций новейшие системы автомобиль­ной бортовой автоматики кардинально отличаются от классических, чисто элек­тронных систем широким разнообразием принципов действия входящих в них со­ставных подсистем. В зависимости от решаемой задачи в новую систему в качестве основных компонентов могут входить не только электрические и электронные узлы и блоки, по и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуко­вые и любые прочие устройства, имеющие неэлектрическую природу функциони­рования. Их роль в реализации заданной функции управления главная, хотя все информационные процессы в системе реализуются на уровне электронных блоков управления (ЭБУ), а в новейших системах — в бортовых микропроцессорах. Такие крупные составные комплексы управления не могут относиться ни к механиче­ским, ни к электрическим, ни к электронным, ни к любым другим «чистым» по принципу действия системам. В этой связи новейшие системы автомобильной бортовой автоматики, устанавливаемые на концептуальные автомобили, получили повое название — автотронные  системы.

Автотронная система, управляя неэлектрическими процессами через неэлектрическую периферию на выходе, сама управляется от сигналов, имеющих неэлек­трическую природу, которые формируются неэлектрической входной периферией.

► Например, автотропная система VDC (управления курсовой устойчивостью движения автомобиля), функциональные взаимосвязи которой с водителем и до­рогой показаны на рис. 1.1, использует в качестве входной информации скорость движения, углы наклонения кузова, разность частот вращения колес, угол поворо­та руля, атмосферные условия, а в некоторых вариантах — давление в шинах и со­стояние дорожного покрытия.

Описание условных обозначений, принятых на рис 1.1.

1. Географические условия: извилистость дороги, спуски, подъемы, повороты, перекрестки дорог, переезды.

2. Дорожные условия: тип дорожного покрытия (гравий, бетон, асфальт); ас­фальт сухой, мокрый, обледенелый; освещение дороги; плотность транспортного потока.

3. Климатические условия: атмосферные - температура, влажность, давление; температура асфальта.

4. Техногенные условия: сцепление колес с дорогой но состоянию протекторов шин; скорость вращения колес; скорость рыскания; боковой увод автомобиля, бо­ковой увод колес, боковое ускорение.

A. Блок датчиков: угла поворота руля; угла поворота кузова автомобиля вокруг вертикальной оси (гироскоп); бокового ускорения.

B. УВР — управляющие реакции водителя, являющиеся откликом субъектив­ного мышления на дорожные условия движения; проявляются индивидуально в зависимости от физического и психического состояния человека.

C. Блок датчиков: температуры, давления, влажности в атмосфере, температу­ры асфальта (по давлению в шинах).

D. Блок колесных датчиков (ДК) ABS и вычисляемых в ЭБУ системы VDC неэлектрических входных параметров .

E. Центральный боковой компьютер (микропроцессор МП), в который интег­рированы все логические и вычислительные функции четырех автоматических си­стем управления VDC, ADS, ASR, ABS. Содержит оперативную (ОЗУ) и постоян­ную (ПЗУ) память, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

F. Блок оконечных преобразователей электрических сигналов в неэлектрические воздействия:

а) ДИС/ВП — драйверы информационной системы водителя (ДИС) и визуаль­ный преобразователь (ВП) электрического сигнала в оптическое изображение;

б) ЭДД/КД — электродвигатель (ЭДД) и клапан (КД) демпфирования актив­ной подвески (системы ADS);

в) ЭДН/НД — электродвигатель (ЭДН) и нагнетатель (НД) высокого давления в системе VDC;

г) ЭДТ/ГК — электродвигатель (ЭДТ) и гидроклапаны (ГК) системы ABS;

д) ШЭД/ДР — шаговый электродвигатель (ШЭД) и дроссельная заслонка (ДР) системы ASR.

G. Блок водительских органов управления: ВИ — визуальные индикаторы (стрелочные, электронные, дисплей и пр.); РК — рулевое колесо; ПТ — педаль тормоза; ПГ —- педаль акселератора (газа).

Все это неэлектрические проявления условий движения автомобиля, которые с помощью входных неэлектрических преобразователей перерабатываются в неэ­лектрические информационные сигналы: скорость движения — в круговую часто­ту вращения колес; углы вертикального наклонения — в механические перемеще­ния инерционных элементов в гироскопическом устройстве; угол поворота руля — в движение (поворот) светомодулирующего (колирующего) диска; давле­ние в шинах — в прогиб упругой мембраны и т. д.

Полученные таким образом неэлектрические информационные сигналы по­средством входных датчиков (рис. 1.1, поз. А, С, D) преобразуются в электриче­ские сигналы: поворот кодирующего диска на руле — в цифровой электрический код; круговая частота вращения колес — в последовательность электрических им­пульсов с изменяющейся частотой следования; перемещение инерционных эле­ментов гироскопа, упругой мембраны датчика давления — в аналоговые электри­ческие сигналы, которые далее с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) перерабатываются в цифровые электрические сигналы, пригодные для по­дачи на вход микропроцессора МП.

Микропроцессор — это центральный орган управления (мозг) автотронной си­стемы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических инфор­мационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об ин­тенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектриче­ские органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непо­средственного управления неэлектрическими органами непригодны.

Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой в аналоговую форму. Эту функцию вы­полняют цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы), которые одновременно яв­ляются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов.

Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектриче­ские органы управления, вслед за ЦАПами устанавливаются оконечные преобра­зователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектриче­ские воздействия. Оконечные преобразователи (блок F на рис. 1.1) являются вы­ходными исполнительными устройствами автотронной системы, но не являются ее информационным окончанием. В отличие от электронной системы автотрон­ная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, кото­рые и являются оконечными потребителями информации. Применительно к рас­сматриваемой системе управления устойчивостью движения автомобиля, оконеч­ными потребителями информации являются: система подачи топлива в двигатель 4, тормозная система 2 автомобиля и информационная система водителя с визуа­льными индикаторами (ВИ) и оптическим (зрительным) каналом управления (ОКУ). Эти три системы представляют собой выходную исполнительную перифе­рию автотронной системы, которая (периферия) под автоматическим управлени­ем микропроцессора, при крайне ограниченном (посредством коррекции положе­ния руля) участии водителя, обеспечивает наиболее оптимальный режим движе­ния автомобиля в сложных дорожных условиях или в аварийной ситуации (более подробно система VDC описана в главе 8).

► Другой пример — автотронное управление насос-форсунками, которые ис­пользуются в системах впрыска бензина под большим давлением непосредственно в камеру сгорания для реализации внутреннего смесеобразования. Начиная с 2000 года такие форсунки стали устанавливаться в двигателях экспериментальных легковых автомобилей фирмы TOYOTA (Япония).

Насос-форсунка (рис. 1.2), являясь гидромеханическим устройством, приво­дится в действие от кулачка 10 распределительного вала ДВС, а управляется от электронной системы S автотронного управления впрыском (ЭСАУ-В) посредст­вом быстродействующего электрогидравлического клапана 2.

Насос-форсунка является ярким примером составного компонента автотрон­ной системы. Входными неэлектрическими сигналами здесь служат: частота вра­щения и угловое положение распределительного вала; абсолютное давление (раз­режение) во впускном коллекторе; температура двигателя и положение водитель­ской педали газа. Эти неэлектрические величины с помощью соответствующих датчиков и АЦП преобразуются в числоимульсную последовательность электри­ческих сигналов и подаются на вход микропроцессора ЭСАУ-В. В микропроцес­соре путем математической обработки входных сигналов происходит формирова­ние последовательности управляющих импульсов для электрогидравлического клапана насос-форсунки.

В данном случае ЦАП на выходе микропроцессора не применяется, но управ­ляющие импульсы усиливаются в усилителе мощности и подаются на обмотку электромагнита гидроклапана 2. Гидроклапан представляет собой выходное ис­полнительное устройство автотронной системы. Однако объектом управления яв­ляется не гидрокланан, а точно отмеренная по массе и распределенная по време­ни струя 21 распыленного бензина, поступающая в объем цилиндра через диско­вый запорный клапан 17 форсунки. Управление струей позволяет получить так называемый послойный впрыск бензина, суть которого состоит в строго дозированной подаче топлива отдельными порциями и в строго определенное время. При этом за один цикл впрыска бензин подается не сплошной однородной струей, как в обычной форсунке с электронным управлением, а несколькими час­тями, каждая из которых образует «свой» коэффициент избытка воздуха р. В объе­ме цилиндра образуется послойная структура ТВ-смеси с разной концентрацией компонентов. Преимущество прямого послойного впрыска бензина состоит в том, что в первый момент воспламенения в зоне центрального электрода 19 свечи за­жигания 18 имеет место стехиометрическая (нормальная) ТВ-смесь с коэффици­ентом (3=1), которая легко возгорается. Далее процесс горения бензина при зна­чительном избытке кислорода (р = 2,0) поддерживается за счет «открытого огня», образовавшегося в первый момент воспламенения. Такой процесс сгорания ТВ-смеси позволяет получить значительную экономию бензина (до 35%), понизить выброс в атмосферу угарного газа СО и углеводородов СН, а также увеличить уде­льную мощность двигателя.

1 — фрагмент блока цилиндров в зоне камеры сгорания; 2 — магнитоэлектрический гидроклапан в сливном канале; 3 — главная бензомагистраль; 4 — подающая бензомагистраль; 5 — сливной канал (обратная бензомагистраль); 6 — корпус насос-форсунки; 7 — возвратная пружина плунжера; 8 — опорная тарелочка пружины плунжера; 9 — толкатель плунжера; 10 — кулачок распредвала; 11— запорное кольцо опорной тарелочки; 12 — поршень плунжерного насоса; 13 — рабочая полость насос-форсунки; 14 — гидромеханическая форсунка закрытого типа высокого давления (100—150 бар);

15 — перепускной канал из полости плунжерного насоса в полость форсунки; 16 — возвратная пружина запорного клапана форсунки; 17 — дисковый запорный клапан форсунки; 18 — свеча зажигания (СЗ); 19 — центральный электрод СЗ; 20 — боковой электрод; 21 — конус (струя) распыленного бензина; L — ход плунжера.

► Из приведенных примеров очевидно, что автотронная система является со­вокупностью самых различных по принципу действия устройств, объединенных в единый комплекс с целью выполнения требуемой специфической функции управления, регулирования или текущего контроля на борту автомобиля. Совре­менные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автома­тического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подав­ляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются автотронными, входными воздействиями для которых являются неэлек­трические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управле­ния) — неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные от­личия автотронных систем от чисто электронных и электрических.

► Говоря о тенденциях и перспективах развития автомобильных бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершен­ствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже ско­ро в бортсеть автомобиля будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных уст­ройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мульти­плексная электропроводка и т. п. Ясно, что при повышении напряжения элек­тропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 на 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому — выпуск 12-вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства и, главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили оборудованы 12-вольтовьши потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио-, радио-, видеоаппарату­ра, бортовая самодиагностика и т. п.).

Единой стратегии перевода бортсети автомобиля на более высокое напряжение пока нет. Полагают, что некоторое время на автомобиле будет два напряжения: 12 вольт — для классического электрооборудования, и 42 вольта — для новейших мощных потребителей. Такой подход широко используется па многотонных гру­зовых автомобилях, где мощные электропотребители 24-вольтовые, а освеще­ние — от 12 вольт. Еще более яркий пример — электромобили. Здесь главная тя­говая аккумуляторная батарея, управляющий контроллер и тяговый электродвига­тель рассчитаны па напряжение 120...380 В и соединены между собой отдельными цепями. При этом бортсеть остается 12-вольтовой.

Из приведенных примеров ясно, что функциональное многообразие бортовых электрических устройств неизбежно приводит к необходимости применения на автомобиле нескольких первичных источников электроэнергии с различными ра­бочими напряжениями. При этом не исключено, что будет использоваться и пере­менное синусоидальное напряжение для специальных потребителей.

► Под новые напряжения в первую очередь будут модернизированы бортовые электромашины. Уже в наши дни значительно видоизменен электростартер. В нем не применяется последовательное возбуждение, которое заменено возбуждением от постоянных магнитов. Жесткая механическая характеристика электродвигателя +12В стартера согласовывается с пусковым моментом ДВС посредством плане­тарного редуктора (редуктора Джемса). Давно нет коллекторных генераторов по­стоянного тока, их заменили многофазные синусоидальные генераторы с полу­проводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. Но и такие генераторы могут значительно видоизмениться при появлении второго ра­бочего напряжения или если необходимость в высоковольтном переменном на­пряжении станет реальной.

Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартер-генератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в бортсеть после запуска ДВС.

► Современная микропроцессорная система зажигания с низкоуровневым многоканальным распределением энергии по свечам [2] является наиболее совер­шенным решением проблемы принудительного электроискрового воспламенения ТВ-смеси в цилиндрах поршневого ДВС. Но и это не предел достижений. Уже ис­пытаны лазерные свечи зажигания, которые работают непосредственно от электронной схе­мы управления без промежуточного энергона­копителя. Это позволит значительно повысить надежность и КПД системы зажигания, а так­же избавить ее от высокочастотных электроис­кровых помех на другие узлы и блоки бортовой электронной автоматики. Электронной схемой управления может стать магнитный модулятор сжатия, работающий на ферромагнитных сер­дечниках насыщения. Схема такого модулятора показана на рис. 1.3, основным элементом в которой является высоковольтный трансфор­матор с насыщающимися сердечниками.

Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэф­фициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вто­ричную не трансформируется.

Выходной трансформатор имеет два изолированных друг от друга магнитопровода — М, и М₂, охваченных общей первичной обмоткой W,. Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления (W_B' и W_B") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W₂' и W₂")

Когда по управляющей обмотке W,,' протекает ток, достаточный для насыще­ния сердечника М,, а обмотка W_B" обесточена, то высокое напряжение будет на­водиться только во вторичной обмотке W₂". Если обесточить управляющую об­мотку W_EJ' и пропустить ток насыщения по обмотке W_B", то насытится сердечник М и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W₂.

Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надеж­ностью, малыми габаритами и весом.

В заключение следует отметить, что не все известные разработки бортовых си­стем вышли из стадии экспериментальных исследований. Они используются в основном на фирменных моделях спортивных и концептуальных автомобилей. Но, как и прежде, почти все новации, испытанные на концепткарах, рано или поздно начинают применяться на серийных автомобилях.

Таковы тенденции развития автомобильной техники и, в частности, систем бортового электрического, электронного и автотронного оборудования.

Рис. 1.3. Магнитный модулятор системы зажигания

{jcomments on}