Передаточные функции звеньев системы
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
2.1. Назначение. Система автоматического управления (далее по тексту САУ, или "система") предназначена для управления впрыском топлива.
2.2. СоставСАУ. Блок-схема системы автоматического управления приведена на рис. 2.1, а комбинированная схема силовой части - на рис. 2.2. САУ построена как система подчиненного регулирования, выполненная по контуру положения
На рисунках приняты следующие обозначения:
-управляющее воздействие;
- управляемая (регулируемая) координата;
- ошибка системы;
- сигнал задания по управляющему воздействию;
- сигнал главной обратной связи по регулируемой координате;
- сигнал по ошибке;
РП - регулятор положения;
У,КЗ - усилитель и корректирующее звено в контуре положения;
ТП - транзисторный преобразователь;
ИУ – исполнительное устройство;
, 
- промежуточные координаты (управляющие напряжения соответственно ТП, ИУ);
- промежуточная координата, угол поворота ИУ;
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАБОТЫ
1. Анализ исходных данных.
2. Описание работы системы.
3. Составление структурной схемы системы.
4. Определение передаточных функций звеньев.
5. Определение передаточных функций системы.
6. Синтез корректирующих звеньев.
СОДЕРЖАНИЕ
Анализ исходных данных
При проектировании всех технических устройств и систем исходным документом является техническое задание (ТЗ). ТЗ при выполнении настоящей работы являются исходные данные, приведенные в разделе 4.
Исходные данные
1.1.Назначение:
Система предназначена для своевременной подачи топлива во впускную трубу, на впускные клапаны.
1.2. Характеристики системы
1.2.1. Характеристики электромагнита:
- питающее напряжение, U, В…………………12
- номинальный ток, I, А…………………………3,5
1.2.2. Параметры преобразователя:
- частота питания преобразователя, f, Гц …….…1000
- питающее напряжение, U, В …………………...5
1.2.3. Динамические характеристики:
- перерегулирование, 
, %..........................................0
- время переходного процесса, tпп, с……………..0,002
1.2.4. Параметры схемы:
- максимальное перемещение, Хмах, мм………..0,8
Описание работы системы
Рис. 4.1. Система распределенного впрыска топлива
1. Патрубок подачи воздуха; 2. Корпус воздушного фильтра; 3. Крышка воздушного фильтра; 4. Топливная рамка: 5. Форсунка; 6. Трубка слива топлива; 7. Трубка подачи топлива; 8. Регулятор давления; 9. Фильтрующий элемент: 10. Датчик массового расхода воздуха; 11. Электробензонасос с датчиком уровня топлива; 12. Шланг впускной трубы (соединяется с дроссельным патрубком); 13. Магистраль слива топлива. 14. Магистраль подачи топлива; 15. Шланг подвода партерных газов от крышки головки цилиндров; 16. Топливный бак; 17. Жгут проводов форсунок; 18. Датчик температуры охлаждающей жидкости; 19. Дроссельный патрубок; 20. Топливный фильтр; 21. Трос привода дроссельной заслонки; 22. Шланг отсоса картерных газов на холостом ходу; 23. Датчик положения дроссельной заслонки: 24. Регулятор холостого хода; 25. Шланг подачи разрежения к регулятору давления; 26. Ресивер: 27. Пробка штуцера для присоединения манометра: 28. Датчик положения коленчатого вала; 29. Клапан регулятора давления: 30. Диафрагма регулятора давления; 31. Опорный кронштейн: 32. Впускная труба: 33. Поддерживающий кронштейн: 34. Шланг отвода жидкости от дроссельного патрубка; 35. Шланг подвода жидкости для подогрева дроссельного патрубка: 36. Шланг дпя отсоса паров бензина из адсорбера ; 37. Впускной клапан; 38. А.Отсос воздуха к дроссельному патрубку: 39. Б.Слив топлива в топливный бак, 40. С.Подвод топлива из топливной рампы.
На автомобилях ВАЗ 2110 могут устанавливаться двигатели с системой распределенного впрыска топлива, т.е. топливо впрыскивается четырьмя форсунками (по одной форсунке на цилиндр) во впускную трубу, на впускные клапаны. Здесь топливо испаряется, перемешивается с воздухом и в виде горючей смеси поступает в цилиндры двигателя. Система впрыска топлива позволяет снизить токсичность отработавших газов при улучшении ездовых качеств автомобиля. Существуют две системы распределенного впрыска: с обратной связью и без нее. Система с обратной связью применяется, в основном, на экспортных автомобилях. У нее в системе впуска устанавливается нейтрализатор и датчик кислорода, который и обеспечивает обратную связь. Датчик отслеживает концентрацию кислорода в отработавших газах, а электронный блок управления по его сигналам поддерживает такое соотношение воздух/ топливо, которое обеспечивает наиболее эффективную работу нейтрализатора. В качестве топлива необходимо применять только неэтилированный бензин. Применение этилированного бензина приведет к повреждению нейтрализатора, датчика кислорода и к отказу системы. В системе впрыска без обратной связи не устанавливаются нейтрализатор и датчик кислорода, а для регулировки концентрации СО в отработавших газах служит СО-потенциометр. В этой системе не применяется также система улавливания паров бензина. На рис. 4.1. показано устройство именно этой системы, так как она и будет в основном применяться на автомобилях, продаваемых в России. А в тексте ниже описываются узлы обеих систем и даются особенности работы системы с обратной связью. Нейтрализатор устанавливается в системе выпуска отработавших газов перед дополнительным глушителем. Он содержит два окислительных катализатора (ускорителя химической реакции) и один восстановительный. Окислительные катализаторы (платина и палладий) способствуют преобразованию углеводородов в водяной пар, а окиси углерода в двуокись углерода. Восстановительный катализатор (радий) способствует преобразованию окислов азота в безвредный азот. В связи с тем, что каталитическому нейтрализатору требуется кислород для нейтрализации углеводородов и окиси углерода, и одновременно он должен отнимать кислород для нейтрализации окислов азота, необходимо очень строго поддерживать баланс смеси воздух/топливо (примерно 14,7:1), поступающей в двигатель. Эту функцию выполняет электронный блок управления. Электронный блок управления (ЭБУ), расположенный под панелью приборов на левой боковине кузова, является управляющим центром системы впрыска топлива. Это специализированный компьютер. Он непрерывно обрабатывает информацию от различных датчиков и управляет системами, влияющими на токсичность отработавших газов и на эксплуатационные показатели автомобиля. ЭБУ выполняет также диагностическую функцию системы впрыска топлива. Он может распознавать неполадки в работе системы, предупреждая о них водителя через контрольную лампу "CHECK ENGINE". Кроме того, он хранит диагностические коды, указывающие области неисправности, чтобы помочь специалистам в проведении ремонта. Воздушный фильтр установлен в передней части моторного отсека на резиновых фиксаторах. Фильтрующий элемент 9 бумажный, с большой площадью фильтрующей поверхности. При замене фильтрующего элемента его необходимо устанавливать так, чтобы гофры были расположены параллельно осевой линии автомобиля. Дроссельный патрубок 19 закреплен на ресивере. Он дозирует количество воздуха, поступающего во впускную трубу. Поступлением воздуха в двигатель управляет дроссельная заслонка, соединенная с приводом педали акселератора. В состав дроссельного патрубка входят датчик 23 положения дроссельной заслонки и регулятор 24 холостого хода. В проточной части дроссельного патрубка (перед дроссельной заслонкой и за ней) находятся отверстия отбора разрежения, необходимые для работы системы улавливания паров бензина. Если последняя система не применяется, то штуцер для продувки адсорбера глушится резиновой заглушкой. Регулятор 24 холостого хода регулирует частоту вращения коленчатого вала на режиме холостого хода, управляя количеством подаваемого воздуха в обход закрытой дроссельной заслонки. Он состоит из двухполюсного шагового электродвигателя и соединенного с ним конусного клапана. Клапан выдвигается или убирается по сигналам ЭБУ. Датчик 23 положения дроссельной заслонки установлен на корпусе 1 дроссельного патрубка и связан с осью дроссельной заслонки. Датчик представляет собой потенциометр, на один конец которого подается напряжение питания 5 В, а другой конец соединен с "массой". С третьего вывода потенциометра (от ползунка) идет выходной сигнал к ЭБУ.
ТОПЛИВНЫЕ ФОРСУНКИ
серийно устанавливаемые а/м ВАЗ
В последнее время АвтоВАЗ значительно расширил ассортимент устанавливаемых на сборочном конвейере форсунок. В настоящее время на ВАЗ-ах "замечены" 4 типа форсунок фирмы Siemens Deka: "тонкие" 20734 (оранжевые) / 20735 (голубые) и "толстые" 6393 (бежевые) / 20734 (желтые).
Так же устанавливаются форсунки BOSCH с каталожными номерами 0 280 158 502 и 0 280 158 022.
Bosch 0 280 158 022
Bosch 0 280 158 502
Bosch 0 280 158 017
Эти форсунки пока были встречены лишь единожды на а/м "Калина"
SIEMENS
"Тонкие" Siemens различаются расположением сопел, в 20734 все 4 сопла находятся в одной плоскости в конусообразном углублении, а в 20735 - разнесены парами в двух разных плоскостях (см. фото). Такие форсунки называются "двухфакельными", каждый факел льет топливо на "свой" впускной клапан, а не на перегородку между ними.
"Толстые" форсунки Siemens Deka встречаются двух типов 6393 (бежевые) и 20734 (желтые). Чем вызвано использование одного кода (20734) для конструктивно разных форсунок неясно. Есть предположение, что "тонкие" форсунки по каким-то параметрам не устроили фирму Siemens-Deka и они были заменены на обыкновенные.
Контроллер включает электромагнитный клапан, который механически связан с шариковым запорным элементом, пропуская топливо через клапан и направляющую пластину, обеспечивающую распыление топлива. Направляющая пластина имеет отверстия, которые управляют струёй топлива, образуя собой конический тонко распыленный топливный факел на выходе из форсунки. Факел топлива направлен на впускной клапан. До попадания топлива в камеру сгорания происходит его испарение и перемешивание с воздухом. Автомобили ВАЗ комплектовались форсунками Bosch, Siemens, GM.
Форсунки полностью взаимозаменяемы, т.к имеют одинаковую производительность. Кроме того допускается частичная замена. Например на рампе с форсунками Бош можно поменять одну или две форсунки GM. Совет - приобретать форсунки Бош, так как они более надежны, чем GM, хотя как ни странно, форсунки Бош сделаны по лицензии в России. Форсунки GM особенно "боятся" длительные простои автомобиля 6 и более месяцев. Металлические части форсунки начинают окислятся при контакте с некачественным бензином и она отказывает. Если в ходе диагностики форсунок GM выявится более одной неисправной форсунки (чистка не помогает), лучше менять все на новые Бош. Чистка форсунок дает эффект при пробеге около 40 тыс. км.
Форсунка имеет четыре типа неисправностей, при которых работоспособность еще сохраняется:
1. Закоксовывание выходных отверстий. Приводит к повышенному расходу, к плохому пуску, ухудшению динамики движения автомобиля. Диагностируется только потерей динамики и некоторым повышением расхода топлива. В остальном двигатель ведет себя нормально, ХХ устойчивый и заводится при положительной температуре нормально, при отрицательной - пуск затруднен.
2. Негерметичное закрытие клапана форсунки. Приводит к таким явлениям как повышенный расход, плохой пуск двигателя, троение или детонация на холостом ходу. Диагностируется путем замера СО. На нормально работающей машине без катализатора СО не должно превышать 1% в режиме ХХ. Одна негерметичная форсунка дает прибавку СО примерно 1.0-1.5%.
3. Зависание клапана. Приводит к такому явлению, как троение двигателя. Диагностика заключается в отключение с последующим подключением электрического разъема форсунки на работающем двигателе. Данный процесс сопровождается временным падением холостых оборотов если была отключена нормально работающая форсунка и полным отсутствием реакции двигателя если была отключена не работающая.
4. Нестабильное зависание клапана. Приводит к нестабильности холостых оборотов, вплодь до полной остановки двигателя. Нестабильное зависание клапана форсунки особенно заметно на холостых оборотах. Данное явление сопровождается резким падением холостых оборотов с последующим повышением до 1000 - 1400 оборотов или полной остановкой двигателя. Диагностика, как и в предыдущем случае однако есть нюансы. Если нестабильно зависает одна форсунка то гарантированно диагностируется отключением. Если две и более то только заменой.
Структурная схема системы
Структурная схема системы приведена на рис. 4.2, на которой приняты следующие обозначения:
- передаточная функция регулятора положения;
- передаточная функция усилителя с корректирующим звеном;
W3(p)- передаточная функция усилителя мощности (ШИМ);
W4(p)- передаточная функция исполнительного устройства;
Передаточные функции звеньев системы
4.4.1. Регулятор напряжения
4.4.2. Усилитель с корректирующим звеном
Вводится в прямой тракт для получения заданных динамических характеристик САУ. В результате синтеза необходимо определить вид и параметры этого звена. На предварительном этапе синтеза принимаем
W2(p)=K2=1
4.4.3. Усилитель мощности
В качестве усилителя мощности используется тиристорный преобразователь (широтно-импульсный модулятор (ШИМ)).
Передаточная функция тиристорного преобразователя определяется в виде апериодического звена с чистым запаздыванием 
,
Коэффициент передачи преобразователя определяется
=2,4
Постоянная времени преобразователя определяется
Чистое запаздывание обусловлено физическими особенностями работы тиристорных преобразователей.
,
где: f - частота питания преобразователя.
=1/1000=0,001
Чистое запаздывание можно представить в виде дополнительной составляющей в постоянной времени этого звена. Тогда ПФ принимает вид
где 
.
4.4.4. Исполнительное устройство
В качестве исполнительного устройства используется электромагнит. Его передаточная функция записывается
,
где: 
;
;
;
;
;
.
.