ВВЕДЕНИЕ 
Автомобиль является самым массовым транспортным средством в мире. Ежегодно выпускается миллионы автомобилей. Для того чтобы каждая машина нашла своего покупателя автомобильные компании вынуждены постоянно совершенствовать конструкцию автомобиля. Появляются современные модели, разрабатываются и внедряются новые системы автомобиля.
Автомобиль является сложной технической системой, состоящей из множества подсистем. Под технической системой понимается совокупность объединенных между собой конструктивных элементов, предназначенных для решения общей технической задачи. Основными системами, определяющими устройство автомобиля, являются двигатель, трансмиссия, рулевое управление, тормозная система, несущая система, подвеска и колеса.
Двигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Механическая энергия получается путем преобразования других видов энергии, среди которых наибольшее распространение получили энергия сгорания топлива и электрическая энергия. Двигатель связан с трансмиссией, которая в свою очередь преобразует и передает энергию к ведущим колесам. Колеса преобразуют механическую энергию в энергию поступательного движения автомобиля.
Все системы автомобиля базируются на несущей системе (кузове). Кузов также является важным элементом системы пассивной безопасности. Упругую связь колес и кузова обеспечивает подвеска. Управление автомобилем производится с помощью двух основных систем – рулевого управления и тормозной системы. Рулевое управление служит для изменения направления движения. Тормозная система обеспечивает изменение скорости движения автомобиля, его остановку и удержание на месте.
Конструкция современного автомобиля развивается одновременно в нескольких направлениях:
повышение безопасности. Автомобиль является объектом повышенной опасности, что определяет развитие различных систем безопасности. Широкое распространение получили системы активной безопасности, в том числе антиблокировочная система тормозов, система курсовой устойчивости. Значительно повышается защищенность водителя и пассажиров с применением средств пассивной безопасности;
повышение топливной экономичности. Расход топлива в значительной степени зависит от конструкции двигателя и коробки передач. Экономичность двигателя обеспечивается применением системы непосредственного впрыска, системы впрыска Common Rail. Экономия топлива достигается также за счет снижения массы автомобиля путем применения прочных сталей, легких металлов и пластиков;
повышение экологической безопасности. Автомобиль является источником загрязнения окружающей среды, что стимулирует непрерывное повышение экологической безопасности. Современные экологические нормы Евро-5, которыми автопроизводители руководствуются с 2005 г. предполагают снижение вредных выбросов и уровня шума за счет изменений в выпускной системе, применения системы управления двигателем;
повышение комфортности. Данное направление охватывает широкий круг вопросов связанных со стремлением автопроизводителей создавать автомобили, наиболее полно отвечающие индивидуальным запросам потребителей. Стали применяться автоматические коробки передач, рулевое управление с усилителем, системы климат-контроля. Самые продвинутые модели оснащаются адаптивной подвеской, системой активного головного света.
Современная наука об автомобильном бортовом оборудовании и системах автоматического управления развивается в двух направлениях:
в направлении поиска способов улучшения параметров и характеристик существующих устройств, систем, аппаратов и приборов;
в направлении разработки новых функциональных узлов, систем и блоков для нужд автоматизации и механизации рабочих процессов на автомобиле.
На базе научных исследований реализовано кардинальное усовершенствование классического электрооборудования, а также создан целый ряд совершенно нетрадиционных для автомобиля бортовых систем автоматического управления. Это стало возможным благодаря достижениям в области полупроводниковой и микроэлектронной технологии изготовления электросхем, которые составляют немалую часть автомобильного бортового оборудования.
Теперь автомобили оснащаются не электроконтактными (батарейными), а чисто электронными системами зажигания. Автомобильная бортовая система электроснабжения оборудуется генератором многофазного переменного тока с мощным полупроводниковым выпрямителем и с интегральным регулятором напряжения. Электростартер автомобиля также значительно видоизменился. Изменился дизайн, повысилась эффективность наружной световой техники. Особенно изменились передние фары.
Наряду с усовершенствованием известных бортовых устройств разработаны и в настоящее время все более широко применяются совершенно новые системы бортовой автоматики, основные из которых следующие: системы впрыска топлива для бензиновых двигателей; микропроцессорные системы зажигания; системы очистки выхлопных отработавших газов; системы антиблокировки гидравлических тормозов; системы автоматической стабилизации устойчивости движения автомобиля; электромагнитные приводные системы с электронным управлением для газораспределительных клапанов поршневых двигателей; системы круиз-контроля, автопоиска и спутниковой навигации; системы вспомогательной механизации в устройствах комфортного назначения.
Бортовое оборудование по функциональному назначению и по месту, которое оно занимает, можно подразделить на комфортное (внутреннее оборудование кузова), навесное (оборудование двигателя) и функциональное (оборудование кузова, шасси и ходовой части).
По принципу действия и устройству бортовое оборудование может быть механическим, пневматическим, гидравлическим, электрическим, электронным и автотронным.
По выполняемым функциям устройства, входящие в состав автомобильного бортового оборудования, исключительно разнообразны. Работа многих из них связана с необходимостью использования какого-либо вида энергии. Самым удобным видом энергии для применения на борту автомобиля является электрическая энергия. Поэтому значительная часть бортового оборудования относится к электрооборудованию автомобиля.
Для обеспечения электроэнергией автомобиль оснащен автономной бортовой электроэнергетической системой, которую принято называть системой электроснабжения. В эту систему входят: бортовая аккумуляторная батарея, электрогенератор, а также подсистема соединительных проводов с моноблоком предохранителей и набором коммутационных устройств. Таким образом, эта система представляет собой электрическую бортовую сеть.
Второй электроэнергетической частью бортового оборудования является система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания. В эту систему входят: стартерный электродвигатель, механическая подсистема передачи вращения от электродвигателя к двигателю внутреннего сгорания, стартерная аккумуляторная батарея, подсистема управления стартером и соединительные электропровода.
В электрооборудование автомобиля входит также система электроискрового зажигания (если на автомобиле установлен бензиновый двигатель), которая преобразует энергию постоянного тока бортовой сети в импульсное напряжение высоковольтного искрового разряда на свечах зажигания.
Перечисленные электротехнические устройства принято относить к навесному оборудованию двигателя, так как все они (кроме аккумуляторной батареи) установлены на двигателе. К навесному оборудованию относятся также некоторые устройства системы топливного питания, например карбюратор с воздушным фильтром или форсунки впрыска топлива, а также подсистема выпуска отработавших газов.
К комфортному оборудованию кузова относят подсистему электроподогрева сидений; внутреннее освещение и отопление; вентиляцию и кондиционирование; электроприводы стеклоподъемников, люка на крыше, радиоантенны; центральный замок дверей; прикуриватели; средства противоаварийной защиты водителя и пассажиров, а также все средства теле-аудио-видео-радио и телефонной техники. В комфортное оборудование включают также и противоугонные устройства.
Третьей группой бортового оборудования автомобиля является функциональное оборудование. По отношению к кузову функциональное оборудование — это все устройства наружного освещения и сигнализации, наружные зеркала, остекление кузова, стеклоочистители и стеклоомыватели, бампера, молдинги и прочее. Из этой группы в электрооборудование включают систему наружного освещения, приборы наружной световой и звуковой сигнализации, а также электропривод и электроподогрев наружных зеркал заднего вида.
Внутри кузова к функциональному электрооборудованию относятся контрольно-измерительные приборы, водительский пульт управления, внутренняя световая и звуковая сигнализация.
Немалая часть функционального оборудования установлена на шасси и на ходовой части автомобиля. Здесь устройства функционального оборудования в основном механического или гидромеханического принципа действия. В последние годы чисто механические устройства (коробка переключения передач, гидравлические тормоза, подвеска автомобиля) автоматизируются с применением электронного управления. Появились совершенно новые устройства и системы, созданные с использованием всех известных (электрических и неэлектрических) способов и средств автоматизации. Такие устройства и системы теперь являются неотъемлемой составной частью общего комплекса автоматизированного бортового оборудования и называются автотронными.
Особенностью автотронного оборудования является то, что оно создается с применением самых разнообразных физических принципов и средств автоматического управления и регулирования, а управляется электронной цифровой автоматикой, в основе которой лежит бортовой компьютер с постоянной и оперативной памятью.
Появились первые признаки применения на автомобиле суперсложной автоматики управления четвертого поколения. Уже опробованы идеи применения систем радарно-компьютерной и спутниковой автонавигации и систем определения координат на местности для упрощения автоматизированного передвижения автомобиля по городским и шоссейным автодорогам, а также для поиска и нахождения нуждающегося в помощи автотранспорта. Для ряда крупнейших городов мира составлены "электронные карты", которые записаны на лазерных дисках. С помощью дисковода, компьютера и цветного дисплея маршрут движения выдается водителю автоматически. Переключается система от реперных меток на местности.
В четвертое поколение бортового оборудования автомобиля, основным признаком которого будет полная компьютеризация процессов управления, регулирования и контроля, войдут также и такие специальные системы, как самоуправление автомобиля в режиме автопилота, самозащита автомобиля от аварийных ситуаций, электронное резервирование функций управления и многое, многое другое.
Признаком классификации по поколениям является поэтапное внедрение новой техники:
первое поколение — электрофикация автомобиля; создание классического электрооборудования;
второе поколение — внедрение аналоговой полупроводниковой схемотехники на дискретных радиоэлементах: создание простейших электронных схем для управления электрическими устройствами;
третье поколение — широкое внедрение на борту автомобиля электронного оборудования цифрового принципа действия. Создание новых систем бортовой автоматики, таких как: электронный впрыск топлива, цифровое управление зажиганием, электронное управление тормозами, экологические системы автомобиля, бортовая самодиагностика, схемотехническое резервирование и т.п.;
четвертое поколение — полная компьютеризация процессов автоматического управления, контроля и регулирования с применением центрального бортового компьютера и со значительным расширением выполняемых функций. Оборудование автомобиля радарными средствами. Создание совершенно новых принципов управления автомобилем и его агрегатами.
Первым электронным устройством на автомобиле был ламповый радиоприемник. Питание анодных цепей радиоламп требует применения высокого напряжения (не менее 100 В). Такого напряжения в борт-сети автомобиля нет. Его получали с помощью электромеханического вибропреобразователя, который формировал на первичной обмотке повышающего трансформатора переменное по величине (прерывистое) напряжение 12 В. На вторичной обмотке трансформатора получали требуемое высокое напряжение. Включение лампового приемника во время длительной стоянки автомобиля не допускалось, так как даже простейший трехламповый радиоприемник с вибропреобразователем потреблял от аккумуляторной батареи не менее 50 Вт.
После промышленного освоения полупроводниковых приборов (начало 50-х годов) автомобильные радиоприемники стали транзисторными, с прямым питанием от бортсети автомобиля. На правительственных автомобилях и на автомобилях высокого потребительского класса появились первые радиотелефоны.
Первая автомобильная электронная схема управления была внедрена в электроискровую систему зажигания: контактная пара прерывателя в цепи первичного тока была заменена мощным транзистором, который по базе управляется от прежней контактной пары.
С появлением мощных и высоконадежных полупроводниковых диодов стало возможным применение на автомобилях бесколлекторных генераторов переменного тока. С применением полупроводниковой схемотехники регуляторы напряжения автомобильных генераторов стали чисто электронными.
Дальнейшее развитие электронной полупроводниковой автоматики управления позволило полностью отказаться от электромеханических устройств в автомобильной системе зажигания. Их заменили бесконтактные преобразователи неэлектрических величин в электрические сигналы (бесконтактные датчики). Так появились чисто электронные системы зажигания.
Электронная автоматика оказалась настолько универсальной, что помимо электроискрового зажигания с ее помощью стало возможным управление и системами:
топливного питания;
нейтрализации отработавших газов;
утилизации паров бензина из бензобака;
управления двигателем на холостых оборотах;
запуска холодного двигателя и многими другими системами, функционирование которых связано с работой автомобильного двигателя.
В автотронную систему могут входить и механические, и гидравлические, и пневматические, и электрические, и электронные и любые другие устройства.
Главной особенностью автотронной системы является обязательное наличие в ее составе электронного блока, который управляет всеми остальными составными частями (компонентами) системы.
Электронный блок управления (ЭБУ) может работать как в аналоговом, так и в дискретном или цифровом режиме, но он всегда "имеет дело" с электрическими сигналами. Для согласования сигналов и воздействий, имеющих разную энергетическую природу, ЭБУ автотронной системы на входе оснащен преобразователями неэлектрических воздействий в электрические сигналы (различные входные датчики), а на выходе — обратными преобразователями электрических сигналов в неэлектрические воздействия (исполнительные устройства). Входные и выходные преобразователи составляют внешнюю периферию электронного блока управления и одновременно являются компонентами автотронной системы.
Когда на выходе ЭБУ энергетическое преобразование не требуется, применяются выходные электронные усилители электрических сигналов. При этом исполнительное устройство может представлять собой отдельную, достаточно сложную систему управления неэлектрического принципа действия, в которой электрический исполнитель является лишь активатором основного действия.
По схемотехническому исполнению автотронная система может быть как разомкнутой, так и замкнутой системой автоматического управления. В последнем случае в автотронной системе используются самые разнообразные задатчики сигналов обратной связи.
В большинстве случаев современная автотронная система выполняет свои функции по заранее заданной программе, и поэтому в ЭБУ всегда имеются запоминающее устройство и микропроцессор, в которых чаще всего применяются число-импульсные методы и средства обработки информации.
Другой особенностью автотронной системы является ее "узкая специализация". Впрочем, это свойство присуще любой системе бортового оборудования. На основе нескольких автотронных систем могут создаваться большие бортовые комплексы автоматического управления, регулирования и контроля с обслуживанием от общего универсального центрального бортового компьютера (УЦБК). Такие комплексы дополнительно включают в себя бортовой информационный терминал (BIT), который обслуживается специальным электронным интерфейсом (бортовым контроллером связи — CAN). Их задача — обеспечивать коммутацию (подключение) периферийных устройств к УЦБК с соблюдением последовательности и приоритета. Первый шаг в этом направлении уже сделан — разработана и широко применяется на легковых автомобилях комплексная электронная система автоматического управления бензиновым двигателем внутреннего сгорания (ЭСАУ-Д). Простейший универсальный электронный блок управления для таких систем серийно выпускается фирмой BOSCH (ФРГ) под названием — авторегулятор "Motronic".
Автотронные системы по своему устройству, назначению, способу обработки информации и исполнению функций уже сегодня являются прототипами будущих полностью компьютеризированных больших универсальных систем автоматического управления, контроля и регулирования на автомобиле. В настоящее время на современных легковых автомобилях наиболее распространены специализированные автотронные системы. К ним относятся:
системы впрыска топлива для бензиновых двигателей;
экологические системы автомобиля;
системы электроискрового зажигания с дополнительными функциями регулирования;
комплексные системы автоматического управления бензиновым двигателем внутреннего сгорания (ЭСАУ-Д);
системы автоматического управления гидравлическими тормозами;
системы управления автоматической коробкой переключения передач;
системы автоматического управления курсовой устойчивостью автомобиля в нештатных ситуациях движения;
системы электромагнитного привода газораспределительных клапанов поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Совокупность систем автомобильной бортовой автоматики получила наименование "Автотронное оборудование".
Автотронное оборудование автомобиля состоит из отдельных автотронных систем, которые в свою очередь состоят из отдельных составных частей (компонентов).
Автотронные системы принято классифицировать по основной исполнительной функции. Например: автотронная система впрыска топлива; автотронная система антиблокировки тормозов; автотронная система очистки выхлопных отработавших газов и т.д.
Компонентами автотронных систем могут являться самые разнообразные технические устройства, отличающиеся друг от друга, как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению. Это могут быть и электрические, и электронные, и электронно-вычислительные, и механические, и пневматические, и гидравлические, и любые другие технические изделия, способные выполнять соответствующие функции автотронной системы.
Автотронные системы имеют одно общее свойство — по входу они управляются различными неэлектрическими воздействиями, а по выходу, управляют неэлектрическими процессами, при этом внутрисистемная обработка информации идет на уровне цифровых электрических сигналов. Автотронная система имеет широко разветвленную периферию и электронно-вычислительный блок управления с постоянной и оперативной памятью — бортовой компьютер. Для согласования входной периферии с компьютером и компьютера с выходной периферией применяется интерфейсная (соединительная) подсистема.
Автотронная система — это бортовой комбинированный комплекс автоматического управления, который включает в свой состав различные технические устройства, которые соединены в единое целое с целью выполнения конкретного неэлектрического действия. Например, автотронная система впрыска топлива — это не только электронный блок управления впрыском, и не только электрическая схема соединений, но и входные датчики, работающие от неэлектрических сигналов первичных задатчиков; это и сами неэлектрические задатчики с механическими соединителями; это выходные исполнительные устройства неэлектрического принципа действия, например форсунки впрыска, а также все гидравлические и пневматические клапаны системы; это и механическое устройство привода дроссельной заслонки при работе двигателя на холостом ходу. В автотронной системе впрыска с электронным управлением электрические сигналы (как на входе, так и на выходе) выполняют роль промежуточных (опосредованных) носителей информации для неэлектрических устройств (внешней периферии). При этом сама неэлектрическая периферия выполняет основные функции автотронной системы впрыска: дозирование количества впрыскиваемого бензина при изменении неэлектрических параметров двигателя или под воздействием водительской педали газа.
В настоящее время наиболее важным и экономически оправданным является широкое внедрение электронных систем, позволяющих улучшить характеристики и снизить стоимость эксплуатации двигателя и трансмиссии, а также систем для повышения безопасности.
Каждая электронная система современного автомобиля управляется электронным блоком управления ЭБУ (ECU). Они относятся к тормозам, трансмиссии, подвеске, системе охраны, климатической установке, навигации и прочему. По набору функций ECU подобны друг другу настолько, насколько подобны соответствующие системы управления. Фактические отличия могут быть велики, но вопросы электропитания, взаимодействия с реле и прочими соленоидными нагрузками идентичны для самых разных ECU. Один из самых важных - это блок управления двигателем.
Задачей данного учебного пособия является в краткой и доходчивой форме рассказать о различных электронных системах автомобиля и их диагностике, показать их устройство и работу.
ПРОДОЛЖЕНИЕ
