Основные принципы работы инжектора

Большое количество японских автомобилей выпускаемых в настоящее время оснащаются не устаревшими система подготовки топливной смеси в виде карбюратора, а современными системами впрыска топлива. Бытует мнение, что впрыск топлива - это лучше и более современно. Также бытует другое мнение, полностью противоположное первому: впрыск топлива- это сложное устройство, которое еще и повышает стоимость автомобиля и трудноремонтируемое. Сторониками последнего мнения являются автолюбители с большим стажем и опытом эксплуатации отечественного автомобиля оборудованного карбюратором, который они частенько разбирают и регулируют и система впрыска топлива им незнакома.

Разумеется, для полного понимания того, как работает эта система, необходимо, во-первых, иметь большое желание разобраться в новой системе, а во-вторых - нужна подробная техническая информация, которой по этим системам очень мало. Именно поэтому мы в этой статье попробуем в общих чертах дать краткое описание работы системы впрыска, с абриатурой TCCS (Toyota Computer Control System) японской фирмы производителя автомобилей Тойота, рассказать, как эта система работает, и какие действия необходимо предпринять автовладелецу в случае выхода из строя или некорректной работы системы впрыска.

Сперва, хотелось бы в общих чертах описать основные принципы функционирования любой автомобильной системы впрыска. В общих словах процесс работы инжекторной системы выглядит так: количество воздуха, поступает в двигатель, измеряется электронным датчиком расхода воздуха и затем эти данные передаются электронному блоку управления, который на основе полученной информации, а также на базе других полученных параметров работы двигателя внутреннего сгорания, таких, как температура охлаждающей жидкости двигателя, температуры воздуха поступающего в инжектор, скорости вращения коленвала, степени открытия дроссельной заслонки (скорость открытия заслонки также учитывается), рассчитывает по сложной методике требуемое количество топлива, которое необходимо сжечь в цилиндре при данном количестве поступившего воздуха.

После этого ЭБУ (электронный блок управления) подает сигнал на форсунки с нужной длительностью, форсунки получив сигнал открываются, и топливо под высоким давлением впрыскивается во впускной коллектор, после чего на свечу зажигания поступает высокое напряжение и происходит возгорание топливной смеси, при этом если в системе находится излишек бензина, то он по обратной сливной трубке возвращается назад в бензобак. Вот и весь процесс.

Как все просто, скажет большинство и, в общем-то, будут где то правы - в системе впрыска топлива есть один сложный процесс - это программа, которая находится в памяти ЭБУ и разработанная таким образом, чтобы по возможности учитывать все режимы работы двигателя и окружающих условий, в которых двигателю приходится работать, а механические составные части ничего сложного не представляют и их количество можно пересчитать по пальцам: это бензонасос высокого давления, перепускной клапан, клапан холостых оборотов (он же ответственный за прогревные обороты и компенсирует падения оборотов при включении дополнительной нагрузки в виде магнитофона и других электроприборов), форсунки впрыска.

Ну и, естественно, большое количество датчиков. Одним из часто обсуждаемых авто владельцами датчиков, является датчик кислорода он же лямбда-зонд. В этой статье мы уделим и ему внимание.

Итак, рассмотрим подробнее сам процесс функционирования системы врыска. Следует сразу отметить, что эти системы бывают 2-х типов - с обратной связью а также без нее. Системы с обратной связью устанавливаются на автомобили, выпускаемые для рынков развитых стран, где экологические нормы на содержание токсичных веществ выбрасываемых в окружающую среду достаточно строги и к системе сгорания и очистки выхлопных газов предъявляются соответствующие требования.

В таких системах обязательно присутствуют два устройства - каталитический нейтрализатор и сам лямбда-зонд. Для менее развитых стран выпускаются автомобили без обратной связи, в которой ни лямбда-зонд, ни нейтрализатор не устанавливается.

Тойотовская система TCCS не является тому исключением и выпускается в двух модификациях. Наш обзор мы начнем с более сложного и современного варианта с обратной связью, учитывая, что все автомобили, поступающие из Японии на наш рынок, имеют именно систему, ведь требования к выбросам в Японии очень высоки.

Компьютер (ECU)

Обзор начнем, пожалуй, с компьютера управления, который имеет абриатуру ECU (Electronic Control Unit). В постоянной памяти компьютера находится программа управления и определенный набор так называемых "карт", в которых находится необходимая для корректной работы программы необходимая информация. При этом собственно сама программа более-менее стандартизирована для любого двигателя внутреннего сгорания, а вот сами карты, которые она использует, уникальны для каждой модели автомобиля и каждой модификации двигателя.

Для наглядности необходимо представить себе самую простую программу, которая оперирует с двумя картами, одна представляет собой трехмерную таблицу, в которой по оси Х заданы значения массового поступления воздуха, а по оси Y – собственно сами показания оборотов двигателя, а вдоль оси Z – расположены данные для углов открытия дроссельной заслонки. При пересечении всех трех точек таблицы проставлены значения количества необходимого топлива, которое будет впрыснуто при этих условиях работы двигателя. Во программе второй карты, двумерной, заданы соотношения между объемом топлива и временем впрыска форсунок, в конечном итоге из этой карты программа сможет наконец узнать то, для чего и создавалась эта система – длительность импульса, который должен быть подан ЭБУ на контакты форсунки.

В процессе своей работы программа через несколько миллисекунд опрашивает датчики контроля работы двигателя, сопоставляет полученные данные с запрограммированными данными в первой карте, «выдирает» из соответствующей ячейки записанное там значение объема топлива, затем переходит ко второй карте и находит исходя из этого значения необходимое время открытия форсунок. Далее поступает электронный импульс на открытие форсунки - все, наш цикл завершен. Описанный теоретический процесс отличается от реального тем, что в жизни таких карт больше и в них прописаны отношения гораздо большего числа контролируемых параметров, чем было описано выше, в том числе нагрузка на двигатель его температура, температура окружающего воздуха и даже высота автомобиля над уровнем моря. Но целью работы этой программы управления та же - конечным результатом сбора и переработка данных от автомобильных датчиков должна быть длительность импульса на форсунки.

Таким образом, вся сложность этой системы заключается не в написании самих программ, которые всего-то и делают, что сопоставляются последовательно с несколькими картами и в конечном результате "подходит" до некоторого значения, а в самом содержимом этих карт, данные в которых должны быть очень точными и каждая цифра должна быть индивидуальна под конкретную модификацию двигателя.

Кроме всего, ECU системы TCCS задает угол опережения зажигания, положение которого от значений различных текущих параметров работы двигателя также определяется значениями из соответствующих карт.

Обратная связь

Теперь об обратной связи в системе TCCS, как и в любой электронной системе впрыска, обслуживается лямбда-зондом (датчиком кислорода). Необходимость ее обоснована тем, что сколь бы ни были хороши и точно разработаны карты, которые находятся в памяти ECU, каждый двигатель все по любому отличается от своих братьев и тем более условия эксплуатации двух одинаковых двигателей будут различными и в процессе эксплуатации потребуется индивидуальная подстройка топливной системы.

Кроме того со временем в самом двигателе также происходят необратимые изменения, связанные со старением и износом трущихся деталей, и которые тоже необходимо компенсировать. Кроме этого, сами таблицы карт могут быть изначально разработаны не оптимально для определенных сочетаний внешних условий и определенных режимов работы двигателя и, таким образом, может требоваться корректировка. Именно эти функции и позволяют решить наличие в системе впрыска обратной связи. Но основная цель при решении этих задач - это приближение работы двигателя к оптимальным при которой сгорание топлива в цилиндре будет максимально тем самым снижая токсичность выброса. Из литературы по ремонту и эксплуатации автомобилей можно узнать, что наилучшим для полного сгорания топливной смеси является отношение воздух/топливо равное 14.7:1. Вот это отношение называется "стехиометрическим" или, "коэффициент лямбда" (именно от этого выражения и пошло название "лямбда- зонд").

На практике обратная связь выглядит так. После того, как ЭБУ определил необходимое количество топлива, которое необходимо впрыснуть в определенный момент работы двигателя основываясь на текущих условиях и режима его работы, топливо сгорает в камере сгорания и выхлопные газы с высокой температурой поступают в выпускную систему. В этот момент датчик кислорода передает полученные данные о содержании кислорода в выхлопных газах, на основании этих данных ЭБУ может сделать вывод, а все ли прошло, как было предусмотрено, и не потребуется ли коррекция отношения воздуха к кол-ву топлива.

Образно говоря, ЭБУ ежесекундно проверяет свои расчеты по результату работы двигателя, беря информацию с датчика кислорода, и, если это требуется, выполняет корректную подстройку горючей смеси. В англоязычной литературе по ремонту и эксплуатации топливных систем автомобилей эта процедура обычно называется "short term fuel trim". Но эта схема работает не всегда - в определенных режимах работы двигателя внутреннего сгорания ЭБУ перестает применять в расчетах топливной смеси информацию полученную от датчика кислорода и руководствуется только свои собственные расчеты. Попробуем разобраться, когда же это происходит.

Режимы управления

ЭБУ любой системы управления впрыском топлива с обратной связью, в том числе и TCCS, в процессе работы двигателя может находиться в одном из двух режимов управления - или в состоянии замкнутого контура [closed loop], когда ЭБУ применяет данные полученные от датчика кислорода в целях более точной корректировки, либо в состоянии разомкнутого контура [open loop], когда электронный блок управления игнорирует полученную от датчика кислорода информацию. Ниже мы подробно рассмотрим основные режимы работы двигателя, а также режимы управления.

1. Запуск двигателя. В момент запуска двигателя, в зависимости от температуры двигателя так и окружающего воздуха, двигателю необходима обогащенная горючая смесь с высоким процентным содержания топлива. Это всем известный факт, характерный для абсолютно всех бензиновых двигателей, как карбюраторных, так и двигателей с впрыском топлива, поэтому не стоит подробно останавливаться на этих причинах. Можно только напомнить, что при запуске двигателя отношение воздух/топливо варьируется в пределах от 2:1 до 12:1. При этом режиме компьютер системы TCCS работает в режиме разомкнутого контура.

2. Прогрев двигателя до рабочей температуры. После завершения запуска двигателя электронная система TCCS постоянно контролирует текущую температуру корпуса двигателя и в зависимости от этих параметров производит расчет необходимого состава топливной смеси, а также управляет необходимое число прогревочных оборотов с помощью воздушного клапана ISC [Idle Speed Control]. В ходе прогрева двигателя с повышением температуры двигателя отношение воздух/топливо изменяется ЭБУ в сторону обеднения, а прогревочные обороты уменьшаются. Параллельно снижению оборотов происходит прогрев датчика кислорода в выпускном коллекторе до рабочей температуры. ЭБУ при этом продолжает находиться в режиме разомкнутого контура.

3. Холостой ход. При достижении двигателем заданной температуры и при наличии требуемой для корректной работы датчика кислорода (для нормальной работы датчика кислорода необходимо чтобы его температура была выше 300С) ЭБУ переходит в режим замкнутого контура и использует данные полученные с датчика кислорода для поддержания требуемого стехиометрического состава горючей смеси (14.7:1), который обеспечивает наименьший показатели уровня содержания токсичных веществ в выхлопных газах.

4. Движение с постоянной скоростью, плавное увеличение или уменьшение скорости. В этом режиме компьютер TCCS по прежнему находится в режиме замкнутого контура и учитывает показания датчика кислорода. Водитель может раскрутить двигатель автомобиля хоть до 6000 об/мин, наполовину надавив на педаль акселератора, но ЭБУ все - равно будет находиться в режиме замкнутого контура, поддерживая состав горючей смеси в диапазоне от 14.5:1 до 15.9:1.

5. Резкое ускорение. Как только водитель нажимает на педаль газа "в пол" происходит полное открытие дроссельной заслонки и компьютер моментально переходит в режим работы разомкнутого контура. Под нагрузкой (а ЭБУ всегда способен определить, насколько велика нагрузка на двигатель) ЭБУ может переключиться из режима замкнутого контура в режим разомкнутого несколько раньше - уже при положении дроссельной заслонки на 68% или более от ее хода. При этом он компьютер будет поддерживать состав топливной смеси в диапазоне от 11.9:1 до 12:1 для получения максимальной мощности.

6. Режим принудительного холостого хода (режим торможения двигателем). ЭБУ также переключается в режим разомкнутого контура в тех случаях, когда текущие обороты коленвала превышают значение оборотов холостого хода, а дроссельная заслонка полностью находится в закрытом состоянии - например, когда автомобиль катится с горки, убрав ногу с педали акселератора и не переключив селектор передач в нейтральное положение. При этом ЭБУ поддерживает обедненный состав топливной смеси.

Таким образом, можно увидеть, что значительную часть времени компьютер TCCS находится в режиме замкнутого контура, который способствует поддержанию оптимальному составу топливной смеси. Кроме того, находясь в режиме замкнутого контура, компьютер способен "самообучается", внося изменения в карты, применяемые в режиме разомкнутого контура, максимально адаптируя значения в картах к текущим условиям эксплуатации и техническому состоянию двигателя.

Другими словами если, компьютер заметил, что в режиме работы замкнутого контура для того чтобы достигнуть оптимального сгорания топливной смеси ему приходится постоянно обогащать топливо, скажем, на 5% относительно базовых значений, которые прописаны в соответствующей карте, то через определенное время, когда он убедиться в стабильности этого поправочного коэффициента, он в соответствующей пропорции внесет изменения в данные самих карт, тем самым оказывая влияние и на приготовление топливной смеси в режиме разомкнутого контура. Это и является процессом "самообучения", о котором также ходит много слухов между автолюбителями. "по-научному" ;) он называется "long term fuel trim".

Следует отметить, что модифицированные карты находятся исключительно в энергозависимой памяти ЭБУ, поэтому через определенное время после отключения аккумулятора и разрядки всех электролитических конденсаторов (ускорить процесс разрядки можно при снятом аккумуляторе нажать на педаль тормоза) восстанавливаются первоначальные значения этих карт, и при исправном ЭБУ должен "самообучаться" заново.

Вся проблема в этой системе заключается в том что при заправке автомобиля этилированным бензином лямбда-зонд очень быстро выходит из строя. В реальности это приводит к следующему результату - что рано или поздно после пробега автомобиля по нашим дорогам электронная система TCCS лишается своей уникальной способности к адаптации под текущие условия работы двигателя и работает строго по тем картам, которые первоначально были заложены в память компьютера, постоянно находясь в режиме разомкнутого контура.

Естественно, что от работы в режиме разомкнутого контура из этого ничего хорошего не получается, так как большинство Б/У автомобилей, когда они попадают к нам на рынок, уже имеют значительный пробег по японским трассам, и двигатели их, увы, уже совсем не новые. Впрочем, как показывает практика, что и ничего особенно страшного тоже не происходит. Более того, система TCCS "нативных" японских Тойот в случае если выходит из строя лямбда-зонд даже не зажигает индикатор "check engine" в отличие от Toyot для американского и/или европейского рынков.

Кстати, следует отметить, что каталитический нейтрализатор (именуемый в народе "катализатор") и лямбда-зонд - это не одно и тоже, хотя образно их можно назвать "сладкой парочкой" - как правило, если в машине установлен лямбда-зонд - то должен быть и нейтрализатор, и наоборот. Оба эти сложных устройства служат одной и той же цели – предотвращению выбросов токсичных газов в атмосферу, но эти устройства выполняют каждое свою часть работы: лямбда-зонд помогает системе управления впрыском приготавливать оптимальную с точки зрения полноты сгорания топливную смесь, а нейтрализатор дожигать эту смесь.

Как устроен каталитический нейтрализатор?

Нейтрализатор, представляет собой металлический кожух с наполнением из керамических "сот", которые покрыты активным слоем, способным дожигать несгоревшие частички топлива в выхлопных газах, также причиной выхода может стать заправка этилированным бензином. Выходит из строя катализатор - это означает, что он утрачивает способность к дожиганию несгоревших в двигателе частичек топлива. Известны случаи, когда керамические соты катализатора полностью оплавлялись, забивая нагаром мелкие ячейки и такой нейтрализатор уже создавал серьезное сопротивление выходящих из двигателя выхлопных газов. Но следует отметить, что сама по себе неоднократная заправка, этилированным бензином к выходу из строя катализатора не приведет. Основной причиной оплавления нейтрализатора - это длительная работа двигателя на обогащенной (или богатой) топливной смеси, к чему может привести как поломка из строя лямбда-зонда, так и различные неисправности в системе питания и электронного зажигания.

Как работает датчик кислорода?

Наиболее распространенный тип датчика кислорода - циркониевый кислородный датчик. По принципу работы он является электронным переключателем, резко меняющим свое состояние на границе 0.5% кислорода в составе выхлопных газов. Это количество кислорода которое соответствует идеальному стехиометрическому соотношению воздух/топливо 14.7:1.

Как правило интерфейс датчика кислорода устроен таким образом: прогретый чувствительный элемент датчика (более 300 градусов Цельсия) при значении кислорода менее 0.5% (соответствует богатой смеси), являясь слабым генератором тока, выставляет на выходе напряжение в диапазоне от 0.45 до 0.8 вольта, а при значении кислорода более 0.5% (соответствует бедной смеси) - от 0.2 до 0.45 вольта. Какой точно уровень выходного напряжения при этих условиях - роли не играет, в расчетах используется его положение относительно средней линии.

Если ECU получает сигнал о бедной смеси - топливо соответственно добавляется. Если в следующий период времени ECU видит сигнал о богатой смеси - то соответственно подача топлива уменьшается. Таким образом количество топлива постоянно колеблется вокруг оптимального значения и количество топлива настраивается по фактическим результатам сгорания. Это позволяет сложной системе приспособиться к различным условиям работы. Частота колебаний напряжения на выходе от датчика кислорода составляет примерно один-два Гц на холостых оборотах и десять – пятнадцать Гц при 2000- 3000 об/мин.

Так как сам датчик работает корректно исключительно в хорошо прогретом состоянии, то ECU системы TCCS начинает брать показания только после достижения определенного уровня прогрева двигателя. Для ускорения процесса прогрева чувствительного элемента в его конструкцию зачастую вставляют электрический нагреватель. Выпускают датчики с различным количеством проводов: одним проводом (сигнал), бывают с 2-я (сигнал, земля сигнала), с 3-я (сигнал, 2 провода подогревателя), с 4-я (сигнал, земля сигнала, 2 провода подогревателя).

Самодиагностика компьютера системы TCCS

Любая современная система впрыска топлива имеет встроенную дополнительную систему самодиагностики, которая позволяет определить основные неисправности датчиков и узлов системы. В результате сложной процедуры самодиагностики компьютер выдает диагностические коды, которые можно извлечь из памяти ЭБУ и расшифровать в соответствии с соответствующими таблицами. Способ извлечения кодов ошибки у разных производителей автомобилей - разный. В системе TCCS для этого используется диагностическая лампочка "Check Engine" на панели приборов, а переключение компьютера в режим вывода кодов ошибок осуществляется путем закорачивания пары контактов на разъеме в моторном отсеке автомобиля.