ECU: теория управления впрыском топлива и топливные карты

AFR — это сокращенное обозначение соотношения топлива и содержания в нем воздуха, от английского air to fuel ratio. Для основной массы двигателей самое правильное топливно-воздушной смеси считается 14.7:1, это значит 14.7 частей подается воздуха, а одна часть топлива. Если топлива хоть немного больше, то такая смесь является богатой. И наоборот, если топлива хоть немного меньше стандарта, то соответственно смесь станет бедной. К примеру, состав 12.5:1 — будет богатой смесью, а уже 15.9:1 — бедная смесь.

Возникает резонный вопрос, зачем вообще менять соотношение, если уже известный идеальный вариант AFR 14.7:1? Ответ прост, оптимальность задана из понимания экологических показателей, да и то не во всех режимах работы агрегата. Если переключиться в другой режим, то об идеале пропорции можно забыть. Т.е. когда вам нужно ускорить автомобиль, то смесь нужно обогатить, а если ехать, к примеру, на круиз-контроле или на холостых, то смесь нужно сделать беднее. Стоит подробнее рассмотреть каким образом AFR и режим работы двигателя зависят друг от друга, за пример возьмем запуск двигателя, его прогрев и холостые обороты.

Запуск двигателя

Чтобы двигатель, будучи холодным, смог быстро и легко стартовать, ECU автоматически обогащает смесь. При этом смесь изменяется от показателя 2:1 до передела 12:1, это огромная разница.

Двигатель на прогреве

В двигателе установлен датчик температуры жидкости охлаждения, который сообщает для ECU точные данные, благодаря этому топливную смесь в определенный момент можно быстро сделать беднее, за счет сокращения подачи воздуха.

Холостые обороты

Когда двигатель уже прогрелся, топливно-воздушная смесь достигает оптимального показателя 14.7:1.

Теперь стоит также рассмотреть соотношения смеси и режима работы на примере двигающегося авто с разной скоростью.

Равномерная скорость

Если авто двигается с одной скоростью разбежка AFR не велика, 14.5:1 — 15.9:1 и она держится на уровне бедной. Пусть даже стоят высокие обороты, но если газ нажат лишь только до половины, то AFR не выйдет за эти пределы. В этом случае двигатель работает без перегрузки, такой режим работы называется по замкнутому контуру.

Набор скорости

При нажатии на газ до предела, дроссельная заслонка показывает компьютеру, что пора обогатить смесь, чтобы дать автомобилю мощности для ускорения, в этом случае разбежка в воздушно-топливной смеси 11.9:1 — 12:1, отсюда видно, что смесь обогащается.

Торможение двигателем

В случае торможения двигателем, дроссельная заслонка закрыта, а передача включена, компьютер автоматически обедняет смесь на максимум. Это здорово сказывается на снижении скорости, кроме того, очень эффективно влияет на экономию топлива, даже лучше чем езда на нейтральной скорости.

Отсюда видно, что в каком бы режиме двигатель ни работал, для него найдется AFR в правильном количестве, нужное значение смеси определяется ECU, а он получает данные от сенсоров нагрузки оборотов. Для этого есть MAP сенсор, он меряет давление в впускном коллекторе, которое становится показателем истинной нагрузки двигателя.

Для понимания стоит сказать побольше о давлении. Со школы известно, что значение давления и эталон измеряются высотой над уровнем моря. На уровне того самого моря давление равно 1 атмосфере = 1 Bar. Если давление ниже атмосферного, то это уже вакуум, а если более атмосферного - является избыточным.

Во впускном коллекторе всегда состояние разряжения (вакуума), оно создается тогда, когда впускные клапана открываются, при этом поршень опускается к мертвой отметке цилиндра, в самый низ. Когда поршень опускается, то через впускные порты засасывается смесь, в итоге там создается вакуум.

Если же дроссельная заслонка открыта (приоткрыта), то силы противодействия значительно уменьшаются при засасывании воздуха, в итоге вакуум спадает и давление приближается к атмосферному. Самое большое значение вакуума на холостом ходу, а когда идет ускорение, то дроссель открывается и вакуум сменяется давлением близким к нормальному.

Если рассмотреть двигатель с турбиной, т.е. воздух нагнетается в коллектор, то в этом случае в впускном коллекторе атмосферное давление поднимается, а значит есть избыток (boost), особенно при сильной нагрузке. Здесь воздух заталкивается сильным давлением посредством наддува.

Теперь ясно, что если двигатель получает нагрузку, то пропорционально нагрузке должна обогащаться топливная смесь, соответственно если нагрузка на двигатель падает, то смесь обедняется. Помимо этого стоит помнить про оборотистость, при повышении оборотов смесь также обогащается, при понижении беднеет.

Если подвести итог по разобранной теме, то становится ясно, что главным фактором для определения правильного соотношения топливно-воздушной смеси, является давление во впускном коллекторе и обороты двигателя.

Топливные карты

Компьютер регулирует топливную смесь в соответствии количества топлива на воздушную единицу. Если требуется обогащение смеси, то ECU добавляет топливо, и наоборот, если требуется обеднить смесь. Дозировку топлива в двигателе выполняют форсунки, когда ECU нужно впрыснуть больше топлива, он подает более длительный электрический импульс для форсунки. Тогда форсунка открывается и впрыскивает топлива столько, сколько позволяет давление в топливной системе. Помимо количества топлива и длительности импульса, есть еще и временной ограничитель, впускной клапан открыт определенное время. В свою очередь клапана открыты по времени, в зависимости от скорости оборотов коленного вала. Показатель исчисляется так - чем выше скорость вращения вала, тем меньше времени стоят открытыми клапана. Если скорость оборотов коленного вала будет 8500, то клапан будет открыт приблизительно 14 мс.

Получается, что качество топливно-воздушной смеси напрямую зависит от того, как долго форсунки стоят в открытом виде для впрыска. Опять возникает вопрос, как же тогда компьютер решает, сколько нужно форсунке простоять открытой? Ответ прост — для этого есть топливные карты.

Топливная карта представляет из себя таблицу, именно к ней всякий раз обращается ECU. Как только компьютер через датчик получает данные о силе нагрузки на двигатель и об оборотах, он сразу считывает данные с карты, которая находится в микропроцессоре компьютера.

Проще представить оси с координатами Y и Х, где горизонтальная Х — это нагрузка на двигатель, а Y — это обороты. Вот компьютер получил данные от датчика о нагрузке и об оборотах, он моментально делает запрос на топливную карту и получает значение, где указана продолжительность импульса, который нужно подать на форсунку. Это будет точное значение, идеально соответствующее оборотам двигателя при той нагрузке на двигатель, которая на данный момент существует. Топливная карта содержит огромное число всевозможных вариантов и комбинаций, которые могут создаваться в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки на него. Каждому возможному значению есть соответствующее число, которое указывает длительность электрического импульса воздействия на форсунку. При этом компьютер при обращении к топливной карте учитывает режим работы двигателя, когда в расчет не берутся лямбда зонда. Иначе говоря, на холостых или в спокойном режиме за топливной смесью наблюдает лямбда зонд, а как только включается ускорение в работу вступает ECU и топливные карты.