Журнальная статья 1987-ого о внедрении электроники в управлении дизельным впрыском (Auto Motor und Sport)

Перевод статьи о внедрении электроники в управлении дизельным впрыском от немецкого автомобильного журнального издания Auto Motor und Sport, № 27, 1987.

ФОРСАЖ ДЛЯ МОТОРА НА ТЯЖЁЛОМ ТОПЛИВЕ

Электроника добирается и до дизелей.

Дизельный двигатель на протяжении десятилетий оставался воплощением хоть и недешевого в производстве, но надежного, неприхотливого, выносливого и долговечного силового агрегата. Под влиянием постоянно ужесточающихся экологических норм, а также в погоне за высокой мощностью, снижением расхода топлива и более тихой работой он постепенно превращается в дорогостоящую визитную карточку передовых моторных технологий, лидерами среди которых выступают новые турбодизели от компаний BMW и Mercedes.

Когда Рудольф Дизель довел до ума свой двигатель и задумчиво провожал взглядом первые облачка сажи, мотор, работающий на тяжелом топливе, представлял собой массивный кусок промышленного машиностроения. Он выдавал весьма скромную полезную мощность, но при этом бережно расходовал горючее. Использование такого двигателя на автомобилях долгое время казалось невозможным из-за его огромного веса и колоссальных габаритов. Лишь в 1927 году, когда был разработан быстроходный дизель с топливным насосом высокого давления от Bosch, концерн Daimler-Benz смог вплотную подойти к созданию дизельного легкового автомобиля. То, насколько семимильными шагами с тех пор продвинулось развитие дизельных технологий, наглядно продемонстрировали рекордные заезды экспериментального Mercedes C111. С пятицилиндровым мотором от модели 300 D тестовый прототип развил скорость свыше 270 км/ч. От былой дизельной флегматичности не осталось и следа. И ведь даже это великое достижение состоялось уже 10 лет назад.

Разумеется, в свое время двигателю пришлось претерпеть ряд модификаций. Главным изменением, помимо адаптации ТНВД, без сомнения, стала установка турбокомпрессора Garrett, который здорово взбодрил пятицилиндровый мотор давлением наддува в два бара: вместо стандартных 80 л.с. в распоряжении испытателей оказались внушительные 190 сил.

Прогресс дизелей в недавнем прошлом развивался менее драматично. С конвейерным внедрением турбонаддува проблема низкой мощности дизеля была решена. Теперь главными направлениями для тонкой инженерной работы стали расход топлива, чистота выхлопа и снижение уровня шума. При этом тема токсичности отработавших газов — наглядный пример того, как мало сегодня заметна эта ювелирная работа в двойном смысле слова: ни по дыму из выхлопной трубы, ни по деталям под капотом. Электронные, пневматические и гидравлические невидимые помощники ведут себя предельно незаметно. О том, как их много, можно судить по новому Mercedes 300 Turbodiesel, по крайней мере, в той модификации, которая поставляется в страны с особо жесткими ограничениями по выбросам оксидов азота.

Прежде всего, объем подачи топлива в ТНВД должен регулироваться в строгой зависимости от давления наддува. Без этой меры даже при отсутствии максимального давления наддува и, следовательно, при нехватке воздуха в цилиндры подавалась бы полная порция горючего. Итогом стал бы черный шлейф сажи из выхлопной трубы. Но этого мало. Поскольку в горах воздух становится более разреженным, с помощью системы высотной коррекции абсолютное давление наддува необходимо адаптировать под изменившиеся условия.

Оба этих параметра в совокупности определяют положение упора полной нагрузки рейки ТНВД. А о том, где именно она находится в данный момент, электронный блок управления узнает от индуктивного датчика перемещения. Располагая этой информацией и сигналом от датчика оборотов двигателя, невидимые электронные помощники ищут по заложенным в памяти трехмерным картам калибровок точную дозировку для системы рециркуляции отработавших газов. Впрочем, данные, хранящиеся в этих картах управления, представляют собой лишь первое приближение. Связано это с тем, что регулирование по давлению наддува и высоте над уровнем моря имеет значение только при полной нагрузке. По этой причине Mercedes 300 Turbodiesel дополнительно оснастили расходомером воздуха и датчиком температуры впускного воздуха. Их сигналы позволяют электронике осуществлять прецизионную настройку системы рециркуляции газов и тем самым эффективно снижать выбросы оксидов азота.

Однако для водителя современного дизельного Mercedes отчетливо заметна другая сфера деятельности микропроцессоров, ставших в дизеле почти повсеместными: так называемый эффект бонанзы — неприятные продольные колебания автомобиля при резком нажатии на педаль газа или грубом включении сцепления — практически сошел на нет. В этой проблеме современный дизель стал, по сути, жертвой собственного прогресса. Борьба за топливную экономичность заставляет снижать внутреннее трение и, как следствие, естественное демпфирование в трансмиссии и шинах, а стремление к комфорту ведет к использованию все более мягких резинометаллических опор и массивных маховиков двигателя.

С одной стороны, щедро расставленные эластичные опоры гасят шумы и сглаживают удары в трансмиссии, с другой — внушительные вращающиеся массы маховика обеспечивают более плавную отдачу мощности и позволяют снизить обороты холостого хода. Но если вывести такую склонную к резонансу систему из равновесия, возникает необходимость гасить огромные силы, с чем урезанные демпфирующие свойства элементов справиться не способны: после резкого или неосторожного нажатия на газ обороты двигателя начинают циклически прыгать вверх-вниз, носовая часть машины несколько раз заметно приседает и приподнимается на пружинах подвески, а водитель чувствует себя словно на брыкающейся лошади.

Новая электронная система ARA кладет этому конец. Она непрерывно отслеживает частоту вращения коленчатого вала и одновременно контролирует включенную передачу. Если обороты двигателя начинают расти быстрее, чем это допустимо в рамках плавного движения, электроника вмешивается в процесс: с помощью электромагнитного актуатора она в самый подходящий с точки зрения подавления резонанса момент слегка одергивает рейку ТНВД, снижая цикловую подачу топлива примерно на 20 процентов. И результат налицо — уже после одной-двух едва наметившихся траекторных пульсаций в движении наступает полный покой.

В то время как Mercedes демонстрирует здесь породистый консерватизм, доверяя проверенным механическим базовым функциям и отдавая электронике лишь тонкую финальную коррекцию, баварская компания BMW настроена более прогрессивно. На модели 324 td цифровая система управления дизелем от Bosch впервые получила возможность показать все, на что она способна. Для начала она позволила полностью отказаться от тросика газа. На педали акселератора теперь установлен потенциометр, данные о положении которого передаются блоку управления по медному проводу. Тот, в свою очередь, отдает команды электромагнитному исполнительному механизму в ТНВД, определяя, сколько топлива нужно подать для уверенного ускорения. При этом положение педали газа играет далеко не единственную роль. Давление наддува, обороты двигателя, температура охлаждающей жидкости, воздуха и самого топлива являются не менее важными входными параметрами, которые считываются специально предназначенными для этого датчиками. И теперь не только объем впрыска, но и давление наддува, а также момент начала подачи топлива вынуждены подчиняться диктату электроники. То же самое относится и к клапану рециркуляции отработавших газов.

Однако благотворным влиянием на экологию и экономичность (прибавка составляет до четырех процентов) возможности дизельной электроники не исчерпываются. Специальная система регулирования плавности хода позволяет прецизионно дозировать порцию впрыска индивидуально для каждого цилиндра; излишне активные цилиндры осаживаются, за счет чего достигается высокая равномерность вращения вала. Идеальный контроль холодного пуска и прогрева, а также ограничение отдачи в случае возможного перегрева являются столь же естественными, сколь и адаптивными способностями данной системы управления. Если из-за естественного износа регулировочные параметры со временем изменятся, электроника распознает это и занесет скорректированное значение в память в качестве нового целевого показателя.

В электронный архив попадают и все возникающие неисправности. Это существенно облегчает поиск дефектов при условном коварном пропадании контакта на датчике температуры, поскольку полностью исключает эффект зубного врача, когда в сервисе поломка внезапно перестает себя проявлять. Если, вопреки всем защитным контурам и проверкам на достоверность сигналов, в электронике все же произойдет критический сбой, в силу вступают заложенные аварийные алгоритмы: на повышенных оборотах холостого хода автомобиль позволит пусть не спеша, но гарантированно добраться до спасительной ремонтной мастерской.
В этом и заключается обратная сторона прогресса: прежние, чисто механически управляемые дизели, которые, конечно, расходовали чуть больше топлива, громче грохотали и выпускали из трубы лишнее облако дыма, добирались до места назначения, как правило, без всяких аварийных программ электроники.