Стехиометрическим называется соотношение между массой воздуха и топлива равное 14,7:1.
Тема 3. ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Электронная система автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) состоит из датчиков для постоянного контроля за его параметрами и параметрами окружающей среды, электронного блока управления (ЭБУ) на основе микропроцессора и исполнительных устройств, с помощью которых ЭБУ управляет двигателем по заложенной в его память программе и в соответствии с информацией от датчиков.
Электронное управление необходимо:
Ø для удовлетворения высоких требований по экологичности,
Ø топливной экономичности,
Ø эксплуатационным характеристикам,
Ø удобству обслуживания и диагностики, предъявляемым к двигателям законодательно и потребителями.
1. УМЕНЬШЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ВЫХЛОПНЫМИ ГАЗАМИ
В выхлопных газах содержатся:
Ø остатки углеводородного топлива (СН),
Ø окись углерода (СО),
Ø двуокись углерода (СО2),
Ø окислы азота NOx азот (N) и кислород (О2).
Содержание углеводородов измеряется в частях на миллион по объему (РРМ или млн). Нормально работающий двигатель сжигает в цилиндрах практически все топливо. Допустимое содержание СН должно быть менее 50 РРМ. Бензин является канцерогеном.
Окись углерода—неустойчивое химическое соединение, вступающее в реакцию с кислородом, в результате образуется двуокись углерода СО2. СО —ядовитый газ, вызывает сильное отравление. Уровень СО измеряется в процентах и не должен превышать 0,5%.
Двуокись углерода СО2—результат соединения углерода с кислородом. Допустимое содержание 12...15%. Высокие значения свидетельствуют о хорошей работе двигателя. Низкий уровень СО2 говорит о том, что топливно-воздушная смесь (ТВ-смесь) богатая или бедная. Повышение концентрации СО2 в атмосфере способствует развитию парникового эффекта.
Кислород—в воздухе его 21% и большая часть вступает в реакцию с топливом. Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, менее 0,5%.
Группа окислов азота, N Ox .
· Окись азота NO — бесцветный газ без вкуса и запаха. При соединении окислов азота с углеводородом СН в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический смог, вредный для органов дыхания человека;
· Двуокись азота NOx — рыжеватый газ с кислым едким запахом, слабо токсичен.
2. Экология бензиновых двигателей
При полном сжигании I кг (I л) бензина в 14,7 кг (10 м3) воздуха образуются нетоксичные вещества—вода и двуокись углерода.
Стехиометрическим называется соотношение между массой воздуха и топлива равное 14,7:1.
Коэффициентом избытка воздуха 
, называется отношению фактического состава ТВ-смеси к ее стехиометрическому составу.
ü Полное сгорание топлива имеет место при = 1;
ü Сгорание богатой ТВ-смеси ( 
<1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н2 и СН;
ü Бедные ТВ-смеси ( > 1) сгорают с образованием NO2 и приводят к пропускам воспламенения.
3. Каталитический газонейтрализатор
В каталитическом газонейтрализаторе происходят химические реакции, уменьшающие концентрацию токсичных веществ в выхлопных газах:
Катализаторы химических реакций – это благородные металлы, нр., платина.
Для нормальной эксплуатации газонейтрализатора требуется поддержание стехиометрического состава ТВ-смеси с высокой точностью — менее 1%, иначе нейтрализатор деградирует (точность дозирования без ЭБУ недостижима). Нейтрализатор перерабатывает до 90% токсичных веществ в нетоксичные.
4. Угол опережения зажигания
Неоптимальные значения угла опережения зажигания приводят к увеличению концентрации СН и N0. Точное задание угла опережения зажигания для всех режимов работы двигателя возможно только с помощью электронной системы управления.
5. Экология дизельных двигателей
В дизелях топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры и воспламеняется за счет разогрева сжимаемого воздуха. В дизелях всегда больше единицы. При оптимальных значениях = 1,1...1,2 в выхлопных газах содержится минимальное количество сажи, СН и СО. На дизелях работают двухкомпонентные окислительные каталитические нейтрализа-торы, преобразующие СН и СО в СО2 и Н2О. Применение трехкомпонентного каталитического нейтрализатора невозможно из-за избытка воздуха. На процесс сгорания топлива сильно влияет точность синхронизации его впрыска. Нр, погрешность начала впрыска в 1° оборота коленчатого вала ведет к увеличению содержания в выхлопных газах N02 на 5% и СН на 15%.
Для уменьшения концентрации N02 применяется система рециркуляции выхлопных газов.
6. Уменьшение потребления топлива
Экономия топлива в двигателях с электронным управлением достигается за счет:
Ø его точного дозирования во всех режимах работы;
Ø отключения подачи топлива, когда это допустимо, нр, при торможении двигателем.
Обеднение ТВ-смеси с целью экономии топлива приводит к необходимости увеличивать угол опережения зажигания, т.к. бедная смесь горит медленно, но при этом возрастает токсичность выхлопных газов.
7. Диагностика
ЭБУ в фоновом режиме контролирует исправность:
Ø датчиков и исполнительных механизмов,
Ø систем, выход из строя которых ведет к увеличению загрязнения окружающей среды (каталитический газонейтрализатор,
система подачи топлива и т. д.).
3.2. ФУНКЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БЕНЗИНОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Определение необходимого количества топлива
Масса подаваемого в двигатель топлива 
связана с массой воздуха 
и требуемым значением коэффициента избытка воздуха 
соотношением:
Масса воздуха может быть выражена через его объем 
и плотность
Плотность воздуха А D определяется по его давлению и температуре во впускном коллекторе с помощью соответствующих датчиков.
Объем воздуха 
рассчитывается по числу оборотов ДВС в минуту N :
где D — объем двигателя, 
— коэффициент использования объема, зависящий от оборотов.
Если в двигателе применяется рециркуляция выхлопных газов, их объем 
также учитывается:
Объем avecr зависит от положения клапана системы рециркуляции выхлопных газов.
В датчиках расхода воздуха с измерительной заслонкой по отклонениям заслонки определяют непосредственно объем воздуха Vу.
Для определения плотности воздуха во впускном коллекторе устанавливаются датчики температуры и давления.
В ЭСАУ-Д устанавливаются датчики массового расхода воздуха. Определив необходимую массу топлива Fм, контроллер по известной производительности форсунок вычисляет для них базовые значения времени включения.
Чтобы масса подаваемого через форсунки топлива зависела только от длительности их включения, в рампе форсунок относительно впускного коллектора специальным регулятором поддерживается постоянное давление топлива.
В двигателях с распределенным впрыском подача топлива производится следующим образом:
o все форсунки включаются одновременно один раз за один оборот коленчатого вала;
o форсунки включаются группами, нр., парами для 4-цилиндрового двигателя, один раз за 4 такта. Группы управляются раздельно;
o форсунки управляются независимо, т.е. подача топлива на соответству-ющем такте впуска ТВ-смеси в каждый цилиндр регулируется индивидуально.
Управление по сигналу датчика кислорода
Сигнал с датчика кислорода поступает в ЭБУ двигателя, где сравнивается с опорным напряжением VS = 0 > 45 В. Это напряжение находится примерно посередине между уровнями сигналов для обедненной и обогащенной ТВ-смеси для циркониевого датчика.
Когда сигнал с датчика кислорода превышает опорный уровень, программное обеспечение ЭБУ двигателя определяет рабочую ТВ-смесь как обогащенную и ЭБУ начинает постепенно уменьшать длительность импульса отпирания форсунки. Датчик реагирует на изменение состава топливовоздушной смеси с некоторой задержкой. Чем дольше датчик кислорода индицирует обогащенный состав ТВ-смеси, тем больше уменьшается длительность импульса отпирания форсунок и тем беднее становится ТВ-смесь. В результате таких действий выходной сигнал датчика кислорода перейдет на уровень ниже опорного и ЭБУ зафиксирует обедненный состав смеси. Далее начнется постепенное увеличение длительности импульса отпирания форсунок и обогащение ТВ-смеси будет продолжаться до тех пор, пока датчик кислорода вновь не переключится.
Таким образом, состав ТВ-смеси постоянно колеблется между обедненным и обогащенным состояниями при постоянной нагрузке двигателя (рис.3.1). Имеет место релейная стабилизация при колебаниях по предельному циклу.
Рис. 3.1. Сигналы в системе стабилизации стехиометрического состава
ТВ-смеси
Частота переключений сигналов датчика (обедненный состав смеси — обогащенный состав смеси) определяется по формуле:
F=1/4 
где tL — время, за которое топливо проходит путь от форсунки впрыска, через Впускной коллектор, цилиндр и выпускной коллектор до датчика кислорода. Для большинства двигателей при работе на холостом ходу частота/лежит в диапазоне 0,5...2,0 Гц. У новейших ДВС — до 10 Гц.
Данная релейная система стабилизации поддерживает стехиометрический состав ТВ-смеси 1...5%. Каталитический газонейтрализатор имеет рабочий объем для выхлопных газов, выполняющий функцию ресивера, демпфирующего колебания в составе отработанных газов. Т.о., в ресивере катализатора продукты сгорания перемешиваются и усредненный их состав становится близким к составу продуктов сгорания стехиометри-ческой ТВ-смеси. Это способствует более эффективной работе газонейтрализатора, и количество токсичных веществ на его выходе становится минимальным.
Из-за задержки срабатывания СУ составом ТВ-смеси по сигналу датчика кислорода не имеет необходимого быстродействия. Следствием инерционности м.б. увеличение выброса токсичных веществ на переходных режимах. Контроллер для управления подачей топлива использует не только сигнал с датчика кислорода, но и калибровочные диаграммы в осях «обороты — нагрузка двигателя», хранящиеся в памяти ЭБУ.