Электронные системы управления работой дизельных двигателей

ЭЛЕКТРОННЫЕ 
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 
РАБОТОЙ ДИЗЕЛЬНЫХ 
ДВИГАТЕЛЕЙ

Под редакцией С. И. Головина

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено
УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин 
и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия 
для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
(квалификация (степень) «бакалавр», профиль подготовки
«Автомобили и автомобильное хозяйство»)

УДК 621.436(075.8)
ББК 31.365я73
 
Э45

 
Э45  
Электронные системы управления работой дизельных двигателей : учебное пособие / под ред. С.И. Головина. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 160 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/20865.

ISBN 978-5-16-012067-6 (print)
ISBN 978-5-16-104768-2 (online)
Учебное пособие содержит подробное описание систем впрыска топлива на дизелях с электронным регулированием (датчики, блок управления, исполнительные механизмы), дает представление о современных методах диагностики систем питания дизелей, а также о методах снижения 
токсичности отработавших газов. Список сокращений делает это издание 
хорошим справочным пособием для всех, кто интересуется электронными 
системами управления дизелей. 
Соответствует актуальным требованиям федеральных государственных 
образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Адресовано бакалаврам, обучающимся по направлению подготовки 
23.03.03 «Экс плуа тация транспортно-технологических машин и комплексов», а также работникам транспортных предприятий и станций технического обслуживания.

УДК 621.436(075.8)
ББК 31.365я73

А в т о р ы:
Карелина М.Ю., д-р пед. наук, канд. техн. наук, проф. — гл. 6;
Кравченко И.Н., д-р техн. наук, проф. — гл. 4;
Коломейченко А.В., д-р техн. наук, проф. — гл. 7;
Головин С.И., канд. техн. наук, доц. — гл. 1, 2, 3, приложения;
Жосан А.А., канд. техн. наук, доц. — гл. 5, 8;
Ерофеев М.Н., д-р техн. наук, проф. — гл. 2

Р е ц е н з е н т ы:
Ютт В.Е., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);
Севостьянов А.Л., канд. техн. наук, доц., директор Института транспорта Приокского государственного университета

ISBN 978-5-16-012067-6 (print)
ISBN 978-5-16-104768-2 (online)
© Коллектив авторов, 2016

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время все больше внимания уделяется охране окружающей среды, в том числе и в двигателестроении. Это проявляется 
в ужесточении экологических требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания, для удовлетворения которых требуется разработка экологически чистых технологий сгорания топлива. 
Основная роль в этом отводится улучшению топливоподачи и, как 
следствие, совершенствованию топливной аппаратуры и методов 
управления топливоподачей.
Повышение экологичности дизельных двигателей стало возможным благодаря применению постоянно развивающихся систем 
электронного управления двигателем. Применение электронных 
систем управления дизелем позволило снизить удельный расход 
топлива и уровень токсичных выбросов с отработавшими газами. 
Электронное управление дизелями позволяет осуществлять высокоточную регулировку параметров впрыска топлива на всех эксплуатационных режимах. Только гибкое электронное управление 
дает возможность современным дизельным двигателям конкурировать со своими бензиновыми аналогами, удовлетворяя целому ряду 
предъявляемых к ним требований.
Современные передовые технологии в двигателестроении сфокусированы на снижении расхода топлива и эмиссии вредных веществ 
(NOx, СО, СН) с отработавшими газами при одновременном повышении эффективных характеристик двигателя (мощности и крутящего момента).
Современные системы электронного управления дизелей позволяют получить точное и исключительно гибкое определение 
параметров впрыска топлива: только такой путь обеспечит выполнение широкого ряда технических требований, предъявляемых к современным дизелям. Система электронного управления подразделяется на три системных блока: «Датчики и генераторы импульсов», 
«Электронный блок управления», «Исполнительные устройства». 
Основное предназначение системы управления дизелем заключается в регулировании работы системы впрыска топлива. Вместе с тем 
система управления дизелем обеспечивает работу следующих систем 
двигателя: топливной, впускной, турбонаддува, рециркуляции отработавших газов, выпускной, охлаждения, предпускового подогрева.
Учебное пособие поможет приобрести практические и теоретические навыки в вопросах конструкции электронных систем управления дизелями, а также их адаптации к условиям эксплуатации, 
что в конечном итоге позволит выбрать более оптимальный режим 
эксплуатации автомобиля.

Глава 1. 

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ 
ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 
ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА

Снижение расхода топлива и уровня эмиссии вредных веществ 
в отработавших газах (ОГ) при одновременном повышении мощности или крутящего момента в последние годы привело к увеличению использования дизелей с непосредственным впрыском 
топлива, у которых давление впрыскивания по сравнению с вихрекамерными или предкамерными двигателями заметно выше. Из-за 
лучшего смесеобразования и отсутствия потерь на перетекание заряда между камерами сгорания расход топлива у двигателей с непосредственным впрыском сокращается на 10…20%. Кроме того, 
на развитии современных дизелей отражаются высокие требования 
к эксплуатационному комфорту и уровню шума работы двигателя.
Исходя из этого формируются требования к системе впрыска 
и регулированию ее работы относительно:
 
• высоких давлений впрыскивания;
 
• процесса впрыскивания;
 
• предварительного и при необходимости дополнительного впрыскивания;
 
• соответствия каждому рабочему режиму цикловой подачи топлива, 
давления во впускном трубопроводе и момента начала впрыскивания;
 
• зависимости пусковой подачи от температуры охлаждающей жидкости;
 
• независимой от нагрузки частоты холостого хода;
 
• регулирования рециркуляции ОГ;
 
• регулирования скорости движения;
 
• меньших допусков на время впрыскивания и величину цикловой 
подачи;
 
• сохранения высокой точности всех параметров на время всего 
срока службы дизеля.
Обычная механическая система регулирования частоты вращения 
коленчатого вала с помощью различных устройств гарантирует высокое качество подготовки топливовоздушной смеси на разных режимах работы дизеля. Тем не менее она имеет ограниченные функции 
и не учитывает многие параметры, влияющие на работу двигателя 
извне. Кроме того, минимальное время срабатывания механической 
системы ограничено ее конструктивными особенностями.

Электронная система управления работой дизеля развивалась 
от простого электрического привода рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) до комплексной электронной системы, которая может обрабатывать в реальном времени большое количество 
параметров. Она может быть частью всей бортовой электронной 
системы автомобиля. Комплексная электронная система благодаря 
возрастающей интеграции электронных устройств может размещаться в миниатюрном блоке управления.
Система электронного регулирования работы дизеля способна 
обеспечить выполнение всех вышеупомянутых требований.
В отличие от механических систем регулирования при наличии 
электроники водитель, нажимая педаль газа, не приводит в действие 
тяги привода ТНВД, а задействуют исполнительные механизмы.
Величина цикловой подачи топлива зависит от различных параметров, например от:
 
• желания водителя (положения педали газа);
 
• рабочего состояния дизеля;
 
• температуры охлаждающей жидкости;
 
• воздействия других систем (например, противобуксовочной 
системы);
 
• воздействия на уровень эмиссии вредных веществ в ОГ и т.д.
По этим параметрам блок управления рассчитывает величину подачи топлива. Момент начала впрыскивания также можно варьировать.
Все это обусловливает широкие возможности управления, когда возникающие отклонения от требуемого режима оперативно распознаются 
и запускается соответствующая программа реагирования (например, 
ограничение крутящего момента или переход на режим холостого хода 
в случае неисправности). Именно поэтому электронная система регулирования работой дизеля включает в себя несколько контуров.
Применение электронной системы позволяет также осуществлять 
обмен данными с другими системами автомобиля. Вместе с тем электронная система управления работой дизеля может интегрироваться 
в единую бортовую сеть управления автомобилем, что позволяет, например, снижать крутящий момент при срабатывании автоматической 
коробки передач или изменять его при пробуксовке колес, отключать 
систему впрыска от устройства блокировки движения и т.д.
Электронная система управления работой дизеля полностью интегрирована в бортовую систему диагностики автомобиля. Она соответствует всем требованиям протоколов диагностики OBD (On Board 
Diagnose) и EOBD (Европейский протокол OBD).
Электронная система управления работой дизеля делится на три 
системных блока (рис. 1.1)1.

1 
Здесь и далее см.: Bosch R. Dieselmotor. Management: GmbH, 2004. 506 с.

Датчики и задающие устройства 1 регистрируют условия эксплуатации (например, частоту вращения коленчатого вала двигателя) 
и задаваемые величины (например, положение рейки ТНВД). Они 
преобразуют физические величины в электрические сигналы.
Блок 2 управления обрабатывает сигналы датчиков и задающих 
устройств по определенным программам (алгоритмам управления 
и регулирования). Он управляет исполнительными механизмами 
с помощью электрических выходных сигналов. Кроме того, блок 
управления взаимодействует с другими системами автомобиля 4, 
а также участвует в его диагностике 5.
Исполнительные механизмы 3 преобразуют электрические выходные сигналы блока управления в действие механических устройств 
(например, электромагнитного клапана индивидуального ТНВД).

BOSCH

1

3

2
4
5

Рис. 1.1. Блоки системы электронного управления 
работой дизеля:
1 — датчики и задающие устройства (входные сигналы); 2 — блок управления; 
3 — исполнительные механизмы; 4 — взаимодействие с другими системами 
автомобиля; 5 — диагностика

Глава 2. 

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

Современные системы цифровой обработки данных позволяют 
значительно расширить возможности управления агрегатами автомобиля. Многие параметры могут контролироваться одновременно, 
что позволяет агрегатам работать оптимально. Блок управления принимает сигналы датчиков, обрабатывает их и выдает управляющие 
сигналы для исполнительных механизмов. Программа управления 
(программное обеспечение) находится в памяти блока управления. 
Выполнение программы принимает на себя микроконтроллер.

2.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

К блоку управления предъявляются жесткие требования, поскольку он подвергается высоким нагрузкам из-за:
 
• экстремальных температур окружающей среды (в нормальных 
условиях эксплуатации от –40 до +60…125°C);
 
• резких перепадов температуры;
 
• воздействия эксплуатационных материалов (масло, топливо 
и т.д.);
 
• влажности окружающей среды;
 
• механических нагрузок, например вибрации от двигателя.
Блок управления должен нормально работать даже при пуске 
от недостаточно заряженной аккумуляторной батареи (например, 
при холодном пуске) и при высоком напряжении заряда (колебания 
напряжения бортовой сети). Кроме того, при создании подобных 
блоков предъявляются высокие требования к электромагнитной совместимости с другими приборами бортового электрооборудования, 
а также к уровню излучения высокочастотных помех.
Подробнее о требованиях к блокам управления см. в п. 2.4.

2.2. УСТРОЙСТВО

Печатная плата с электронными элементами (рис. 2.1) помещается в металлическом корпусе. Датчики, исполнительные механизмы и кабели подачи напряжения соединяются с блоком 
управления через многоштыревой штекер 4. Оконечные каскады 6 
большой мощности для непосредственного управления исполнительными механизмами расположены в корпусе блока управления 
таким образом, что от них обеспечивается очень хороший отвод 
тепла на корпус.

4
5

6

7

8

9
1
2

3

3 см

Рис. 2.1. Устройство блока управления:
1 — датчик атмосферного давления; 2 — импульсный источник питания 
со стабилизацией напряжения; 3 — оконечный каскад малой мощности; 
4 — многоштыревой штекер; 5 — микросхема управления шиной 
последовательного интерфейса CAN и общие входные и выходные схемы 
(располагаются на нижней стороне платы и поэтому здесь не видны); 
6 — оконечный каскад большой мощности; 7 — микросхема управления 
оконечным каскадом (ASIC); 8 — бустер-накопитель напряжения 
(для системы Common Rail); 9 — микропроцессор

При установке блока управления на двигатель тепло от корпуса 
через встроенную радиаторную пластину может передаваться топливу, которое омывает блок управления. Такой охладитель блока 
управления используется только на грузовых автомобилях. Для установки непосредственно на дизель без охлаждения применяется компактная, термически защищенная версия блока управления.
Наибольшее число электронных конструктивных элементов выполнено по технологии поверхностного монтажа конструктивных 
элементов SMD (Surface Mounted Devices). Это дает возможность получить особо компактные и легкие конструкции. Только некоторые 
мощные конструктивные элементы крепятся при помощи разъемных 
соединений.

2.3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ

2.3.1. Входные сигналы
Датчики наряду с исполнительными механизмами образуют периферию электронной системы управления, блок управления является центром обработки данных. Электрические сигналы от датчиков 
передаются к блоку управления по кабельной разводке и штекерам. 
Эти сигналы могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными.

Аналоговые входные сигналы
Аналоговые входные сигналы могут иметь любое (в определенных 
пределах) значение напряжения. Примерами физических величин, 
которые передаются аналоговыми сигналами, могут служить расход 
воздуха, напряжение аккумуляторной батареи, давление во впускном 
тракте и давление наддува, а также температура охлаждающей жидкости и воздуха на впуске.
Такие сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем блока управления в цифровые значения, с которыми может 
работать микропроцессор. Максимальное разрешение этих сигналов 
осуществляется ступенями по 5 мВ на бит (около 1000 ступеней).

Цифровые входные сигналы
Цифровые входные сигналы имеют только два значения: High (логическая единица (1)) и Low (логический ноль (0)). Примеры входных 
цифровых сигналов — это сигналы выключателей (вкл/выкл) или 
цифровые сигналы датчиков, такие как импульсы частоты вращения 
датчика Холла или магниторезистивного датчика. Они могут непосредственно обрабатываться микроконтроллером.

Импульсные входные сигналы
Импульсные входные сигналы от индуктивных датчиков, информирующие о частоте вращения коленчатого вала и положении 
опорной метки, обрабатываются в соответствующей части схемы 
блока управления. При этом мешающие импульсы (помехи) подавляются и импульсные сигналы преобразуются в прямоугольные 
(на графике) цифровые сигналы.

2.3.2. Подготовка сигналов
Входные сигналы ограничиваются схемой защиты до необходимого уровня напряжения. Полезные сигналы фильтруются от наложенных помех и в случае необходимости усиливаются до уровня 
напряжений в диапазоне 0…5 В.
Подготовка сигнала в зависимости от устройства датчика может 
происходить частично или даже полностью в нем самом.

2.3.3. Микроконтроллер
Микроконтроллер — это центральный конструктивный элемент 
блока управления, он управляет последовательностью функций. 
В микроконтроллер, кроме управляющего модуля CPU (Central 
Processing Unit) или микропроцессора, на микрочипе встроены 
входные и выходные каналы, таймер, модули ROM и RAM, серийные 
согласующие устройства и другие периферийные блоки. Кварц вырабатывает тактовые импульсы для микроконтроллера.

2.3.4. Обработка сигнала
Блок управления — это центр запуска функций управления работой дизеля (см. рис. 2.1). В нем реализуются алгоритмы управления и регулирования. Входные сигналы, передаваемые датчиками 
и иными системами, служат в качестве входных величин. При поступлении в блок эти сигналы сравниваются с эталонными значениями 
и идентифицируются. Далее с помощью программы рассчитываются 
выходные сигналы (рис. 2.2).

Оконечные каскады

Модуль контроля

Обработка 
сигналов

Микроконтроллер

FlashEPROM

RAM

CAN

Аналоговый 
цифровой 
преобразователь

EEPROM

Цифровые

Аналоговые

Импульсные

Исполнительный 
механизм

Блок управления

Подвод 
элетропитания

Входящие сигналы

Интерфейсы 
к другим системам

Диагностический 
разъем

Рис. 2.2. Обработка сигналов блоком управления

2.3.5. Память для программ и данных
Микроконтроллер для расчетов нуждается в программе (программном обеспечении). Она загружается в форме двоичных числовых 
значений, разделенных на наборы данных, в память для программ.
Модуль CPU считывает эти величины, интерпретирует их как команды и выполняет эти команды по очереди.
Программа хранится в постоянном запоминающем устройстве 
(ПЗУ), включая модули памяти ROM, EPROM или Flash-EPROM. 
Кроме того, в этом ПЗУ хранятся специфические данные (отдельные 
значения, характеристики и поля характеристик). При этом речь 
идет о постоянных параметрах, которые не могут изменяться при