Автомобильные мехатронные системы

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего образования 
«Самарский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. П. Быченин, О. С. Володько, О. Н. Черников 
 
 
Автомобильные 
мехатронные системы 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кинель 2023 
1 

УДК 629.113(075) 
ББК 40.75 
Б95 
 
Рекомендовано учебно-методическим советом Самарского ГАУ 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, профессор кафедры  
«Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства», 
ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 
Ю. А. Киров;  
канд. техн. наук, доцент кафедры «Техническое обеспечение АПК», 
ФГБОУ ВО Вавиловский университет, 
И. Ю. Тюрин 
 
 
Быченин, А. П. 
Б95       Автомобильные мехатронные системы : учебное пособие /  
А. П. Быченин, О. С. Володько, О. Н. Черников. – Кинель : ИБЦ 
Самарского ГАУ, 2023. – 192 с. 
ISBN 978-88575-713-3 
 
В учебном пособии рассмотрены особенности современных двигателей внутреннего сгорания, в частности, систем изменения фаз газораспределения и системы изменения степени сжатия, особенности систем питания современных ДВС, устройство и принцип действия автоматических 
трансмиссий и гибридного привода. Рассмотрены способы повышения 
мощности двигателя наддувом. Дано представление о современных системах, облегчающих управление автомобилем и повышающих безопасность его эксплуатации. 
Предназначено для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров, специалистов и магистров инженерных направлений. 
 
УДК 629.113(075) 
ББК 40.75 
 
 
 
 
© ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 2023 
© Быченин А. П, Володько О. С., 
ISBN 978-88575-713-3                 Черников О. Н., 2023 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Развитие автомобильной техники в последние десятилетия 
идет ускоренными темпами, производство автомобилей, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, несмотря на все большую 
популярность альтернативных источников энергии, сохраняется на 
стабильно высоком уровне во всех регионах мира. В настоящее 
время все больше внимания уделяется повышению экологичности 
автотранспорта, его безопасности, а также повышению экономичности автомобилей. В связи с этим предъявляются определенные 
требования к конструкции основных узлов и механизмов современных автомобилей. 
Учебное пособие «Автомобильные мехатронные системы» 
посвящено обзору перспективных направлений повышения эффективности использования отечественных и импортных автомобилей, распространенных на территории Российской Федерации. Как 
правило, все они предусматривают широкое применение мехатроники – синергетического объединения узлов точной механики с 
электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых механизмов, машин и систем с интеллектуальным 
управлением их функциональными движениями. 
Развитие мехатроники осуществляется на базе объединения 
сведений из ряда разнородных и обособленных областей: прецизионной механики, электротехники, микроэлектроники, информационных технологий, силовой электроники и других научнотехнических дисциплин. Считается, что результат их совместного 
использования можно назвать «истинно мехатронным» только тогда, когда его компоненты образуют систему, обладающую принципиально новыми свойствами, которых не наблюдается у составляющих её частей. Именно с таким результатом мы имеем дело в 
случае современной автомобильной техники. 
В пособии рассмотрено устройство систем изменения фаз газораспределения, систем изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания (ДВС), систем топливоподачи двигателей с принудительным воспламенением, систем питания дизелей типа 
«Common Rail» и систем с индивидуальными топливными насосами 
высокого давления (ТНВД) и насос-форсунками, уделено внимание 
вопросу повышения мощности двигателей наддувом. Рассмотрены 
3 

устройство и принцип действия наиболее распространенных в 
настоящее время агрегатов трансмиссии, в том числе гидромеханических, роботизированных и бесступенчатых коробок передач. 
Приведена классификация типов гибридного привода, дан анализ 
основных схем гибридных автомобилей. Рассмотрены особенности 
устройства и функционирования антиблокировочной системы тормозов, системы стабилизации курсовой устойчивости, усилителя 
руля, а также систем, облегчающих парковку автомобиля. 
«Автомобильные мехатронные системы» – одна из дисциплин, изучающих эксплуатационные качества автомобилей. В ее 
задачи входят освоение устройства и принципа действия основных 
систем автомобиля, а также формирование у студента способности 
самостоятельно осваивать конструкцию новых систем автомобильной техники и эффективно использовать автомобили в условиях сельскохозяйственного производства. 
Представленный в учебном пособии материал способствует 
формированию у студентов общепрофессиональных и профессиональных компетенций в соответствии с ФГОС ВО. 
4 

1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ПИТАНИЯ 
СОВРЕМЕННЫХ ДВС 
 
1.1. Классификация моторных топлив и систем питания ДВС 
 
Моторные топлива классифицируются по агрегатному состоянию на жидкие, газообразные и твердые. Наиболее распространены жидкие и газообразные топлива. 
 
Моторные топлива 
Жидкие 
Газообразные 
Твердые 
Бензин 
Угольная пыль 
Сжиженный газ 
Дизельное 
Угольная 
Сжатый газ 
топливо 
суспензия 
Синтезированный 
Биоэтанол 
газ 
Порошки 
металлов 
Масла 
Водород 
растительные 
Биодизель 
Нитрометан 
 
 
Рис. 1.1. Классификация моторных топлив 
 
Жидкие топлива можно разделить на топлива: 
- нефтяного происхождения (продукты крекинга нефти, керосин, бензин, дизельное топливо, газойль, соляр, мазут); 
- синтетические (этанол, диметиловый эфир, синтетический 
бензин); 
5 

- получаемые при переработке органического сырья (биоэтанол, рапсовое масло и его производные – биодизель, метиловый 
эфир рапсового масла). 
Нитрометан используется в качестве топлива для спортивных 
автомобилей. Если для сжигания 1 кг бензина требуется 14,7 кг 
воздуха, то для сжигания такой же массы нитрометана требуется 
лишь 1,7 кг воздуха, то есть в одном и том же количестве воздуха 
нитрометана можно сжечь в 8,7 раз больше, чем бензина. Бензин 
выделяет 24…42 МДж/кг энергии, нитрометан – 11,3 МДж/кг. Таким образом, с учетом разницы в теплоте сгорания, нитрометан 
позволяет получить вдвое большую мощность, чем бензин, при 
соответствующем увеличении расхода топлива. 
Закись азота (NOS) используется для улучшения технических 
характеристик двигателей внутреннего сгорания. Вещество, содержащее закись азота и горючую смесь, впрыскивается во впускной коллектор двигателя, в результате увеличивается содержание 
кислорода в поступающем заряде (воздух содержит лишь 21% 
кислорода по весу) и повышается скорость сгорания топлива. 
Вследствие этого происходит более полное сгорание топлива, повышаются мощностные характеристики и крутящий момент. 
Газообразные топлива могут быть получены из природных 
источников (природный газ, попутный газ) либо при переработке 
органического сырья. 
Синтез-газ представляет собой монооксид углерода, более известный как угарный газ – результат неполного окисления углерода при реакции с кислородом воздуха. 
Водород также можно отнести к газообразным топливам, но 
его получение и хранение сопряжено со множеством трудностей, 
так как водород взрывоопасен. 
Твердые топлива в виде порошков могут ограниченно применяться в дизельных двигателях, оснащенных соответствующей 
системой питания. Однако это топливо обладает высокими абразивными свойствами, что приводит к быстрому выходу системы 
питания из строя. 
В зависимости от принципа действия и конструкции двигателей внутреннего сгорания, в них могут использоваться те или иные 
виды топлива, а также их комбинации. Используемое топливо 
определяет особенности конструкции системы топливоподачи. 
Рассмотрим подробнее их классификацию (рис. 1.2). 
6 

 
 
Рис. 1.2. Классификация систем топливоподачи  
двигателей внутреннего сгорания 
 
В карбюраторной системе питания топливо-воздушная смесь 
приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе. В 
основе действия такой системы лежит процесс карбюрации – всасывания бензина через жиклер в смесительную камеру под действием разрежения в диффузоре. Недостаток – низкое качество 
смешивания компонентов топливно-воздушной смеси (ТВС) и, как 
следствие, высокий расход топлива. 
При центральном впрыске топливо впрыскивается через одну 
форсунку в смесительную камеру, где смешивается с воздухом, 
образуя ТВС. Эта система по экономичности превосходит карбюраторную, так как в ней осуществляется более точное дозирование 
топлива. 
При распределенном впрыске ТВС готовится для каждого цилиндра отдельно, а впрыск топлива форсунками осуществляется 
попарно. Эта система еще более экономична, так как дозирование 
осуществляется на основе анализа целого ряда показателей, таких 
как частота вращения коленчатого вала, температура окружающего 
7 

воздуха и охлаждающей жидкости, массовый расход воздуха, скорость автомобиля и т.п. 
Газовая система питания двигателя с внешним смесеобразованием включает резервуар, содержащий сжиженный газ, редуктор-испаритель и смеситель. Газовоздушная смесь приготавливается в отдельной камере и распределяется по цилиндрам. Из-за 
меньшей теплоты сгорания газового топлива, мощность двигателя 
при его использовании падает. 
В двигателях с внутренним смесеобразованием горючая смесь 
приготавливается непосредственно в цилиндре. Воздух в цилиндр 
попадает отдельно через систему впуска, на такте сжатия в него 
впрыскивается форсунками топливо. 
В системе питания непосредственного действия топливный 
насос высокого давления напрямую связан с форсункой. Цикловая 
подача регулируется поворотом плунжера либо перемещением 
дозатора под действием всережимного регулятора частоты вращения коленчатого вала. 
Аккумуляторная система питания отличается наличием аккумулятора – резервуара, в котором поддерживается постоянное 
давление топлива. Цикловая подача регулируется длительностью 
нахождения форсунки в открытом состоянии. Управление электронное, что исключает наличие механического регулятора. Регулирование качественное, то есть изменяется количество топлива в 
одном и том же объеме воздуха. 
В системе питания с индивидуальным ТНВД или насосфорсункой каждый цилиндр оснащен индивидуальным прибором, 
совмещающим насосный элемент с форсункой. Существуют системы как механические, так и с электронным управлением. 
Насос-форсунка с электромагнитным клапаном позволяет получить максимальное давление впрыска топлива (до 206 МПа). 
В системе питания, обеспечивающей газодизельный цикл, 
наряду с системой подачи газового топлива (резервуар со сжиженным газом, редуктор-испаритель, смеситель) предусматривается 
система подачи запальной дозы дизельного топлива, так как газовоздушная смесь не воспламеняется при повышении давления и 
температуры. Запальная доза дизельного топлива играет роль искры в системе принудительного зажигания. 
 
8 

Система непосредственного впрыска бензина (GDI – Gasoline 
Direct Injection) конструктивно не отличается от аккумуляторной 
системы питания. В отличие от распределенного впрыска, в такой 
системе подача топлива осуществляется непосредственно в цилиндр в конце такта впуска или в начале такта сжатия, то есть бензин распыляется при небольших давлениях, и для успешного смесеобразования топливо-воздушной смеси необходимо придать 
вихревое движение. Это достигается использованием специальной 
формы поршня. 
 
1.2. Системы впрыска легкого топлива 
 
Центральный впрыск топлива (моновпрыск). Центральный 
впрыск топлива предполагает наличие на месте карбюратора одной форсунки (рис. 1.3). Топливо впрыскивается во впускной коллектор, где оно перемешивается с воздухом, и готовая ТВС распределяется по цилиндрам. 
 
 
 
Рис. 1.3. Система центрального впрыска Mono-Jetronic: 
1 – двигатель; 2 – дроссельная заслонка; 3 – впускной коллектор; 4 – воздушный 
фильтр; 5 – топливный бак; 6 – бензонасос; 7 – фильтр тонкой очистки; 
8 – центральная форсунка впрыска; 9 – ЭБУ; 10 – блок датчиков 
 
Центральная форсунка впрыска объединяет в себе следующие 
функциональные блоки: 
- регулятор давления; 
9 

- непосредственно форсунка; 
- датчик температуры воздуха; 
- электродвигатель привода дроссельной заслонки; 
- потенциометр дроссельной заслонки. 
Регулятор давления поддерживает в системе постоянное рабочее давление 0,1 МПа и остаточное давление, которое предотвращает образование воздушных пробок. Когда двигатель не заглушен, форсунка обеспечивает импульсный впрыск топлива. Она 
представляет собой электромагнитный клапан, который управляется электронным блоком управления двигателем (ЭБУ). 
Дроссельная заслонка регулирует объем поступающего воздуха. Она оборудована двумя механизмами управления: механическим, осуществляющимся от педали газа; и электрическим, осуществляемым посредством специального сервомеханизма. Электрический привод служит для стабилизации минимальных оборотов холостого хода с принудительным открытием дроссельной заслонки без нажатия педали акселератора. 
Блок датчиков включает следующие основные единицы: 
- датчик положения распределительного вала (определяет момент впрыска); 
- датчик положения дроссельной заслонки; 
- датчик температуры воздуха; 
- датчик температуры охлаждающей жидкости; 
- датчик частоты оборотов двигателя; 
- выключатель сервопривода; 
- датчик концентрации кислорода (лямбда-зонд); 
При работе ДВС сигналы с датчиков поступают в ЭБУ, где 
осуществляется их анализ. Затем подается сигнал на электромагнитный клапан форсунки, она открывается, и топливо (бензин) под 
давлением распыляется во впускной коллектор. Здесь оно смешивается с воздухом, образуя ТВС, готовая смесь в свою очередь подается в цилиндры двигателя. 
Система автоматической стабилизации оборотов на основании 
сигнала от выключателя сервопривода открывает дроссельную 
заслонку на определенный угол, чем достигается устойчивая работа на холостом ходу. 
Распределенный (многоточечный) впрыск топлива. Работа системы заключается во впрыске топлива во впускной коллектор в 
непосредственной близости от впускного клапана. 
10