СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ИНЖЕКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (РАСХОДОМЕР)

Данная система может применяться для измерения расхода топлива на автомобилях с инжекторными двигателями.
Существует большое множество различных электронных систем впрыска топлива (от разных производителей, с одной форсункой, несколько форсунок, различное количество и многообразие используемых датчиков и т.д.), например, системы впрыска топлива [1], установленные на автомобилях Toyota. Эти электронные системы впрыска предназначены для управления работой различных инжекторных двигателей внутреннего сгорания (от разных производителей, двухтактных и четырехтактных, разное количество цилиндров, роторных и т.д.).
В настоящее время основное распространение получили автомобили с инжекторными двигателями [2], в которых используется обратная система подачи топлива форсункам. В этой системе подачи топлива форсункам перепад давления на форсунках поддерживается строго на одном постоянном уровне на любых режимах работы двигателя. Существует и другая система подачи топлива форсункам - невозвратная система подачи топлива форсункам, в которой поддерживается на постоянном уровне не перепад давления на форсунках, а абсолютное значение давления топлива в топливной магистрали (давление топлива только на входах форсунок).
Но, принципиально, все эти электронные системы впрыска топлива работают по одной схеме: электронный блок управления двигателем (любой системы впрыска топлива) циклически опрашивает состояние различных датчиков на двигателе (датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик объема всасывающего воздуха, датчик температуры всасывающего воздуха, положение коленчатого вала двигателя, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик кислорода и т.д.). В итоге, электронная система впрыска выдаст на форсунку (или группу форсунок) управляющий электрический импульс определенной длительности. От длительности последнего зависит количество поданного двигателю топлива. Таким образом, за точность учета расхода топлива штатного расходомера отвечает множество датчиков, и если один из них выйдет из строя или начнет выдавать неправильные данные, общие сведения о расходе топлива также будут содержать ошибки. Задача данной системы измерения расхода топлива на инжекторном двигателе -повышение точности измерения расхода топлива инжекторным двигателем, снижение стоимости устройства, универсальность системы. Универсальность системы измерения расхода топлива на инжекторном двигателе заключается в том, что устройство, использующее эту систему, можно установить, и оно
будет измерять достаточно точно расход топлива практически на любом инжекторном двигателе независимо от типа и вида электронной системы впрыска топлива. Данная цель достигается тем, что информация о длительности электрического управляющего импульса снимается с каждой форсунки (или группы форсунок) двигателя автомобиля. Расходомер видит и регистрирует все изменения длительностей управляющих импульсов на всех форсунках в переходных и неустановившихся режимах работы инжекторного двигателя. Далее, над считываемыми электрическими импульсами форсунок производят необходимую коррекцию длительности импульса в зависимости от механических свойств запорного клапана форсунки и уровня бортового напряжения автомобиля.
Благодаря этому повышается точность измерения накопительного абсолютного расхода топлива и прогнозируемого расхода топлива в режиме измерения мгновенного расхода топлива. Также становится возможным измерять с достаточной точностью расход топлива на инжекторных двигателях, в которых применена невозвратная система подачи топлива форсункам. В этом случае расходомер дополняют абсолютным датчиком давления (разряжения) во впускном трубопроводе двигателя.
Благодаря исключению множества датчиков (датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик объема всасывающего воздуха, датчик температуры всасывающего воздуха, положение коленчатого вала двигателя, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик кислорода и т.д.), опрашиваемых электронным блоком управления двигателем, снижается стоимость установки устройства по измерению расхода топлива.
На Фиг.1 изображена функциональная схема устройства измерения расхода топлива инжекторным двигателем, где 1 - Коммутатор, 2 - Ограничитель уровня, 3 - Формирователь сигнала, 4 - Формирователь стабилизированного напряжения питания расходомера, 5 - Контроллер, 6 - Датчик абсолютного давления (разряжения). Основное назначение этого устройства - измерение расхода топлива инжекторным двигателем.
Объем, впрыснутого форсунками топлива, прямо пропорционально зависит от длительности (периода времени) реального впрыска топлива этими форсунками, при условии, что перепад давления топлива на этих форсунках поддерживается строго на одном постоянном уровне на любых режимах работы инжекторного двигателя. Принцип работы устройства измерения расхода топлива на инжекторном двигателе (именуемого в дальнейшем «расходомер»), состоит в следующем. Основным элементом этого расходомера является программируемый контроллер. Он может быть выполнен на отдельных микросхемах (микропроцессорный комплект) или на базе однокристальной ЭВМ (микроконтроллере). В составе контроллера
(микроконтроллера) должен быть аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и генератор тактовой частоты, генерация которого стабилизируется кварцевым резонатором.
АЦП, в составе контроллера, позволяет контроллеру расходомера измерить аналоговые уровни анализируемых напряжений (напряжения бортовой сети автомобиля и выходное напряжение абсолютного датчика давления (разряжения) (6), если последний есть в составе расходомера).
Наличие тактового генератора, генерация которого стабилизируется кварцевым резонатором, позволяет контроллеру расходомера измерять точно временной интервалы (это необходимо для точного измерения длительности считываемых управляющих электрических импульсов форсунок).
Управление каждой форсункой инжекторного двигателя производится блоком управления двигателя в разные моменты времени (т.е. не одновременно).
Поэтому, возможно считывать электрические импульсы форсунок одним цифровым входом контроллера расходомера. Необходимо лишь произвести коммутацию всех считываемых электрических управляющих импульсов форсунок на этот вход контроллера, что и делает коммутатор (1) (см. Фиг.1).
При измерении расхода топлива инжекторным двигателем в автомобиле, в котором применена обратная система подачи топлива, перепад давления на форсунках поддерживается строго на одном постоянном уровне, и поэтому отпадает необходимость в датчике абсолютного давления (разряжения) (6) (см. Фиг.1).
В качестве коммутатора может быть применена специальная микросхема или коммутатор, собранный на дискретных компонентах (диодах, резисторах, транзисторах и т.д.) по схеме «монтажное ИЛИ».
Количество задействованных входов коммутатора (1) расходомера будет зависеть от количества форсунок и типом управления этих форсунок.
Через каждый вход коммутатора (1) к контроллеру расходомера подключают независимую информационную линию, несущую информацию о длительности управляющего электрического импульса форсунки или группы форсунок.
Например, в нашем случае (на Фиг.1), четырехцилиндровый двигатель с независимым управлением четырех форсунок, требует наличие четырех информационных линий (с каждой форсунки).
Или, например, в шестицилиндровом двигателе, где шесть форсунок управляются тремя парами по две форсунки (групповое управление форсунками) необходимо иметь только три информационных линии (с каждой группы форсунок).
Или, например, в четырехцилиндровом двигателе, где четыре форсунок управляются двумя парами по две форсунки (групповое управление форсунками) необходимо иметь, соответственно, только две цифровые линии (тоже с каждой группы форсунок).
Далее, с выхода коммутатора (1) электрические управляющие импульсы форсунок поступают на ограничитель уровня (2).
Напряжение управляющих электрических импульсов форсунок может быть разной (бортовое напряжение автомобиля плюс выбросы напряжения самоиндукции в момент прерывании тока через обмотку индуктивности форсунки). Это напряжение необходимо срезать ограничителем уровня (2) на логическом уровне контроллера. При этом считываемая информация о длительности управляющего импульса форсунки не искажается.
На Фиг.5 изображена измененная функциональная схема устройства измерения расхода топлива инжекторным двигателем, где отсутствует коммутатор.
В этой схеме устройства, использующего данную систему измерения расхода топлива на инжекторном двигателе, необходимое количество считываемых независимых информационных линий, несущущих информацию о длительности управляющего электрического импульса форсунки или группы форсунок, подключают через собственные ограничители уровня (2) к отдельным входам контроллера.
Контроллер расходомера постоянно, в любой момент времени, в режиме реального времени, производит измерение длительности управляющих форсунками (от блока управления двигателем) электрических импульсов.
Причем, расходомер измеряет электрический управляющий импульс каждой форсунки (и не пропускает ни одного импульса с форсунки).
Далее, сразу же после измерения длительности каждого электрического импульса с форсунки контроллер расходомера производит коррекцию полученной длительности электрического импульса.
Объем впрыснутого форсункой топлива, прямо пропорционально зависит от реального времени впрыска топлива этой форсункой, а не от времени управляющего электрического импульса форсунки. А так как, именно длительность последнего считывается и измеряется контроллером расходомера, то для получения информации о реальном времени впрыска топлива необходима коррекция этого считываемого управляющего электрического импульса форсунки.
Выразим физически и математически правильно длительность реального времени впрыска топлива форсункой через длительность считываемого электрического управляющего импульса этой форсунки.
Рассмотрим диаграмму одного управляющего электрического импульса форсунки на Фиг.2, где наглядно видны отличия длительности электрического управляющего импульса форсунки от длительности реального впрыска топлива этой форсункой.
На верхней диаграмме Фиг.2 изображен считываемый контроллером расходомера электрический управляющий импульс форсунки.
На нижней диаграмме, соответственно, реальное время впрыска топлива этой форсункой.
Из диаграммы видно, что в общем случае, время управляющего электрического импульса форсунки (Т упр.имп.), длительность которого непосредственно считывает контроллер расходомера, не равна времени реального впрыска топлива этой форсункой (Т реал.впрыска).
Из приведенной диаграммы вытекает, что
Т реал.впрыска=Т упр.имп.-Т вкл.+Т выкл.
где, Т реал.впрыска - реальная длительность впрыска топлива форсункой,
Т упр.имп.- длительность эл. управляющего импульса форсунки,
Т вкл. - время задержки открытия клапана форсунки,
Т выкл. - время задержки закрытия клапана форсунки.
Клапан форсунки перекрывает топливный канал внутри форсунки. Открытие и закрытие этого клапана форсунки производится электромагнитным устройством внутри форсунки.
Это электромагнитное устройство открывает клапан форсунки управляющим электрическим импульсом форсунки с некоторой задержкой Т вкл.
Время задержки открытия клапана форсунки Т вкл. зависит от напряжения бортовой сети автомобиля (этим напряжением управляются форсунки).
На Фиг.3 приведена зависимость Т вкл. (длительности задержки открытия клапана форсунки) от уровня бортового напряжения автомобиля.
Из приведенной на Фиг.3 диаграммы можно сделать вывод, что длительность задержки открытия клапана форсунки Т вкл. будет немного изменяться в зависимости от бортового напряжения автомобиля.
Напряжение бортовой сети автомобиля может изменяться по абсолютной величине в некоторых пределах во время эксплуатации автомобиля. То есть напряжение бортовой сети автомобиля не поддерживается строго на одном постоянном уровне.
Получается, что при одной и той же длительности электрического управляющего форсункой импульса, при разном напряжении бортовой сети автомобиля, поступает разное количество топлива.
Это изменение длительности электрического управляющего импульса форсунки необходимо компенсировать.
Для этого необходимо ввести коррекцию длительности считываемого электрического импульса форсунки в зависимости от уровня бортового напряжения автомобиля.
Что и будет делать заявляемый расходомер.
В программной памяти контроллера будут заранее прописаны фактические значения длительности задержки открытия клапана форсунки (Т вкл.) в зависимости от величины бортового напряжения.
Информацию о величине напряжения бортовой сети автомобиля контроллер расходомера получает в виде цифрового кода со своего аналогово-цифрового преобразователя.
Также будет заранее измерена и записана в памяти контроллера длительность задержки закрытия клапана форсунки (Т выкл.).
Кроме того, длительность задержки закрытия клапана форсунки (Т выкл.) величина постоянная, и она не зависит от бортового напряжения. Длительность задержки закрытия клапана форсунки (Т выкл.) зависит только от механических свойств запорного клапана форсунки, поскольку клапан форсунки закрывается пружиной, упругость которой никак не зависит от уровня бортового напряжения автомобиля.
Алгоритм работы расходомера в режиме измерения накопительного абсолютного расхода топлива показан на Фиг, 4.
Т единицы объема - это период времени, за который форсунка во включенном (открытом) состоянии пропустит через себя известную эталонную мерную единицу объема топлива (например, литр топлива) при постоянном перепаде давления топлива на форсунке.
Этот период времени измеряется и запоминается контроллером при калибровке расходомера.
Когда этот расходомер предполагается использовать на инжекторном автомобиле, в котором применена невозвратная система подачи топлива (в которой поддерживается строго на одном постоянном уровне только абсолютное давление топлива в топливной магистрали).
Перепад давления на форсунках в этой системе не будет поддерживаться на одном строго постоянном уровне.
Известно, что давление в топливной магистрали (это на входах форсунок) в этой системе поддерживается строго на одном постоянном и известном уровне.
Можно сделать вывод что, величина перепада давления на форсунках будет зависеть только от давления (разряжения) во впускном трубопроводе (это на выходах форсунок) и этот перепад давления на форсунках будет больше при большем разрежении во впускном трубопроводе двигателя, и наоборот.
Получается, что при одной и той же длительности электрического управляющего форсункой импульса, при разном абсолютном давлении (разряжении) во впускном трубопроводе, форсункой впрыскивается разное количество топлива.
Коррекция длительности считываемого электрического импульса форсунки в зависимости от величины абсолютного давления (разряжения) во впускном трубопроводе двигателя должна устранить погрешность измерения расхода топлива этим способом.
Коррекция длительности импульса форсунки производится контроллером расходомера по просчитанной и заданной заранее программе.
Информацию о величине абсолютного давления (разряжения) во впускном трубопроводе (на выходах форсунок) АЦП контроллера получает в виде уровня напряжения с выхода датчика абсолютного давления (разряжения) (6) (см. Фиг.1).
Формирователь стабилизированного напряжения питания расходомера (4) (см. Фиг.1) формирует необходимые напряжения питания расходомера от бортового напряжения автомобиля.
Расходомер может работать в режиме измерения текущего мгновенного расхода топлива.
Выдавать информацию о текущем мгновенном расходе топлива двигателем в формате объем расходованного топлива за прогнозируемый период работы двигателя (например, литров за час работы двигателя).
Для этого расходомер должен суммировать скорректированные длительности импульсов форсунок за как можно меньший промежуток времени (например, за доли секунды).
Далее, подсчитать расход за этот небольшой промежуток времени и спрогнозировать (рассчитать) расход топлива двигателем с текущим мгновенным расходом за больший период работы (например, за час работы двигателя). Выдать эту информацию на дисплей.
Для того, чтобы расходомер мог выдавать информацию о текущем мгновенном расходе топлива двигателем в формате - объем расходованного топлива за прогнозируемый пройденный путь автомобилем (например, литры на 100 километров пути). Надо дать расходомеру информацию о пройденном автомобилем пути и скорости.
Для этого к контроллеру расходомера поступают, через формирователь сигнала (3), электрические импульсы скорости с датчика скорости автомобиля (или с другого узла автомобиля, где можно получить информацию о скорости движения автомобиля).
Для того, чтобы данный расходомер в режиме измерения мгновенного расхода топлива выдавал достоверные данные о мгновенном расходе приходится решать противоречивые задачи. С одной стороны нам нужно получить мгновенный расход, то есть провести измерение текущего расхода топлива инжекторным двигателем за, как можно, меньший период времени (времени измерения). А с другой стороны, получить как можно точнее результат измерения этого мгновенного расхода.
И если измерять длительности и количество пройденных за короткое время измерения импульсов форсунок, то обязательно будет большая погрешность, связанная с потерей одного или двух импульсов форсунок в процессе измерения (в формате, объем за пройденный путь, еще хуже, погрешность измерении еще больше из за возможной потери
одного или двух импульсов скорости движения автомобиля). Ведь моменты измерения никак не синхронизируются с импульсами форсунок и скорости движения автомобиля. В заявляемой системе измерения расхода топлива инжекторным автомобилем программно реализован алгоритм работы расходомера таким образом, что, в режиме измерения мгновенного расхода топлива, исключена погрешность, вызванная потерей импульсов форсунки и импульсов скорости движения автомобиля за короткое время измерения на любых режимах работы двигателя и на любой скорости движения автомобиля. В качестве дисплея, на который будет выводиться информация об измеренном расходе топлива, можно применить любой вид индикаторов (светодиодные, жидкокристаллические, люминесцентные, видеомониторы, экран автомобильного телевизионного приемника).
Технический результат использования данной системы состоит в повышении точности измерения расхода топлива инжекторным двигателем, снижении стоимости устройства (расходомера), универсальность системы. Причем универсальность системы измерения расхода топлива на инжекторном двигателе заключается в том, что устройство, использующее эту систему, можно установить, и оно будет измерять достаточно точно расход топлива практически на любом инжекторном двигателе независимо от типа и вида электронной системы впрыска топлива.
Источники информации:
http://enc.auto.vl.ru/3 3 97/
http://enc.auto.vl.ru/3368/
http://enc.auto.vl.ru/3108/
http://enc.auto.vl.ru/3236/
http://enc.auto.vl.ru/3032/
1.  - топливная система автомобилей Toyota (общий обзор),  - общий обзор систем подачи топлива на автомобилях,  - система впрыска топлива с электронным управлением,  - топливный насос,  - система впрыска TCCS автомобилей фирмы Toyota.
http://www.autoshop 101.com/forms/h20.pdf, http://www.autoshop 101.com/forms/h22.pdf, http://www.autoshop 101.com/forms/h25.pdf, http://www.autoshop 101.com/forms/h24.pdf, http://www.autoshopl01.com/forms/h35.pdf, http://www.autoshopl01.com/forms/h39.pdf, http://www.autoshop 101.com/forms/h43.pdf
2.