Клуб взаимных советов
бортовые компьютеры
АВТОМОБИЛЬ РАЗУМНЫЙ
 О
бортовых компьютерах японских автомобилей
ходит невероятное количество слухов. Очень
часто неопытный автомеханик, не
разобравшись с дефектом, кивает именно на
этот электронный узел. Это неудивительно —
человеку свойственно подозревать в отказе
устройства наименее изученный элемент. За
ремонт содержимого металлического ящичка
берутся единицы из тысяч автоспециалистов,
и уж совсем немногие из этих единиц
получают положительный результат. Дабы вы
сами могли представить, как работает и
управляет двигателем бортовой компьютер, и
написан этот материал. Главной, а порой и
единственной частью бортового компьютера
современного автомобиля является блок
управления двигателем (ECU — Electronic Control Unit).
Для упрощения в дальнейшем мы будем его
именовать как «компьютер».
ОТ ПРОСТОГО К СЛОЖНОМУ
Простейшие автоматические
устройства есть у каждого. Например,
электрочайник. Как только вы его включили,
начался нагрев элемента и окружающей его
воды. При достижении 1000С вода закипает,
горячий пар воздействует на специальное
устройство, и цепь питания нагревательного
элемента размыкается. Почти все модели
быстро отсекают питание, если в чайнике не
оказалось воды. Если бы алгоритм работы
чайника писал заумный компьютерщик-программист,
получилось бы примерно следующее.
 |
|
Рис.1 |
Зачем это я про чайники? Только
лишь для того, чтобы стало ясно — даже самое
примитивное автоматическое устройство с
одним единственным термодатчиком уже имеет
разветвленный алгоритм работы. А сколько
датчиков у японского автомобиля? И еще.
Кружочки со словами «да» и «нет» на «цифровом»
языке представляют «кирпичики» информации
или биты. Ответ на вопрос «да или нет», «белое
или черное», «мужчина или женщина» несет по
одному биту информации. Любой электронный
компьютер может работать только с данными,
составленными из битов. 8 бит образуют байт,
1024 байта дают килобайт, из последних
складывается мегабайт. А это уже для
современного человека словечко знакомое,
на обычную дискету , к примеру, помещается
около 1,4 Мб информации. Важный момент —
цифровые электронные системы, к которым
относится и наш автомобильный компьютер,
понимают лишь двоичную систему исчисления
— привычная нам десятичная им не по зубам.
Основанием в двоичной системе служит «двойка».
Например, привычное нам «десятичное» число
12 в двоичном виде запишется как 1100. Опять же
видим, что в этой системе каждый разряд
может принимать одно из двух значений —
ноль или единицу. То есть может нести лишь
один бит информации! Только так компьютер
может нас понимать и работать. И понимает он
так — если на входе его схемы низкий
уровень напряжения — это «0» (правильней
сказать, «логический ноль»), если уровень
напряжения высок — это логическая единица.
В любой мало-мальски серьезной
электронной машине потоки импульсов из
нулей и единиц мчатся туда-сюда миллионы
раз за секунду. Все рассказанное призвано
дать представления о работе цифровых
электронных систем, представителем которых
является наш автомобильный компьютер.
Система чайника очень примитивна.
Если, например, в чайнике окажется жидкость
с низкой температурой кипения, или чайник
получит наклон градусов в сорок, или
напряжение сети упадет раза в три —
автоматика окажется бессильна, и поведение
чайника будет непредсказуемым.
Это свойственно всем простым
системам. Гораздо более
высокоорганизованными оказываются
устройства, в которых есть контуры обратной
связи. В статье «Этот загадочный лямбда-зонд»
мы подробно рассмотрели свойства обратной
связи. Для тех, кто не читал, поясню
житейским примером.
Руководитель Петров посылает
молодого неопытного работника Сидорова в
командировку. Там Сидоров должен найти
Козлова — директора фирмы «Рога и копыта»,
выбрать пятьдесят необходимых позиций,
взять счет, пойти в банк «Мыльный пузырь» и
«уплатить по счетам» с помощью пластиковой
карты. Затем нужно погрузить купленное на
строго определенный авиарейс и вернуться
назад.
Теперь представим, что в природе
нет телефонов. Что будет делать Сидоров,
если в заложенной Петровым программе что-то
не срастется? Скажем, Козлов будет в отпуске,
или банк «Мыльный пузырь» вчера лопнул, или
пластиковые карты он не принимает, или
билетов на нужный авиарейс не оказалось?
Один-два сбоя способны сделать
командировку Сидорова пустой тратой
времени и денег. И совсем другое дело, если
Петров будет на каждом ходу Сидорова
получать от него отчеты. Если даже что-то
пойдет не так, то мудрый руководитель
всегда найдет способ подкорректировать
программу, оптимизируя действия Сидорова.
Вот мы вплотную и подошли к
работе инжекторного двигателя с
компьютерным управлением. Компьютер (мозг)
можно сравнить с Петровым, а двигателем
пусть будет Сидоров. Вопрос — а мог бы
Петров предусмотреть абсолютно все
нестандартные ситуации, в которые мог бы
попасть Сидоров? Теоретически — да.
Практически, конечно же, нет. Уж больно
разные ситуации бывают. Во всяком случае,
проще всегда отзвониться руководству, чем
везти с собой талмуд указаний на все случаи
жизни.
Так и наш автомобиль. Чем
закладывать в память бортового компьютера
невероятное количество возможных условий
движения, проще организовать контур
обратной связи, которая будет отслеживать
работу двигателя. А как же компьютер сможет
управлять работой двигателя? Вариантов тут
немного — управлять количеством
впрыскиваемого топлива, да немного
корректировать угол опережения зажигания.
Обратную связь осуществляет тот самый
лямбда-зонд, который бдительно следит за
содержанием остаточного кислорода в
выхлопных газах, тем самым анализируя
состав смеси.
Бытует мнение, что весь этот
огород пришлось городить в связи с
возросшими требованиями к чистоте
окружающей среды. Это верно лишь отчасти.
Просто в данном случае совпали стремление к
усовершенствованию систем питания ДВС и
требования экологов. Вот каталитический
нейтрализатор — тот, действительно,
требуется только лишь для доочистки
выхлопных газов. А вот контур обратной
связи с лямбда-зондом призван
оптимизировать работу двигателя на
различных режимах движения, что снижает
расход топлива и, разумеется, уменьшает
количество вредных выбросов.
САМООБУЧАЕМОСТЬ — МИФ ИЛИ
РЕАЛЬНОСТЬ?
 |
|
Рис.2 |
Об этом свойстве бортовых
компьютеров ходит масса слухов — кто-то
самообучаемость отрицает полностью, другие
сочиняют про это такие небылицы. Мой
хороший знакомый, владелец магазина
автозапчастей, рассказывал, что после
нескольких дней, когда на его «Калдине»
ездила супруга, он не узнал свой автомобиль.
И лишь спустя какое-то время все пришло в
норму.
Признаюсь, сначала я не поверил.
Но однажды мне пришлось отключить
аккумулятор на пару дней. Понятно, что все
наработки моего компьютера, записанные в
оперативную память, стерлись. После этого
два-три дня машина «дурковала». То обороты
ХХ были менее пятисот, то «прогревочные» не
включались, а на третий день, при
равномерном движении по московскому тракту
в районе Мегета, произошло следующее. Дай,
думаю, поставлю рычаг своей механической «пятиступки»
в нейтральное положение, посмотрю, что у
меня с холостыми. Стрелка тахометра немедля
скатывается к нулю, двигатель глохнет.
Прямо на ходу (100км/ч) судорожно поворачиваю
ключ. Заводится. Стоит ли говорить, что,
двигаясь по Иркутску, я потом все время
следил за оборотами, постоянно
подгазовывая. Однако уже через полтора-два
часа после «заглушки» компьютер словно
одумался, и все встало на свои места. Думаю,
я сам усугубил ситуацию, предварительно
залив очиститель инжекторов. К тому же
машина «спала» на стоянке, а по утрам были
заморозки. Но тем не менее ряд серьезных
источников утверждает, что после
длительного отключения аккумуляторов
машина некоторе время будет самообучаться
«по новой». Иногда есть даже инструкции,
какие манипуляции произвести после долгого
отсутствия питания, дабы ускорить процесс
входа в рабочий режим.
Давайте сразу оговорим, что
самообучаться могут только системы с
обратной связью — будь то человеческий
организм или электронная схема. В довесок к
истории про Петрова и Сидорова приведу еще
пару примеров, приближенных к нашей теме.
Сложно представить ситуацию,
когда ученик показывает учителю домашнее
задание, а тот замер в одной позе, смотрит в
одну точку и ничего не говорит. Откуда
ученику знать — правильно ли он решил
примеры и что именно упустил? Не видя
реакции учителя (нет обратной связи), ученик
не может обучаться.
Еще невеселый пример. Есть люди, у
которых с голосом все в порядке, но
полностью отсутствует слух. Если они с
невероятным трудом и научатся говорить, то
речь их искажена, ограничена и малопонятна.
Почему? А они не слышат, что говорят. Нет
обратной связи! Когда мы, обычные люди,
говорим, наше ухо все произнесенное
преобразует в специальные сигналы, которые
поступают на соответствующий участок мозга.
И вдруг совершенно случайно мы допускаем
фонетическую ошибку в произнесенной фразе (оговорились).
В мозгу эта ошибка сразу фиксируется,
поскольку в нашей памяти хранятся некие
эталоны правильного произношения. Человек
чаще всего непроизвольно поправляется, а в
одной из ячеек нашей памяти запишется что-то
вроде «вероятная ошибка — быть
внимательным впредь»!
Из этих примеров ясно — для
самообучаемости необходимы как минимум две
вещи — наличие обратной связи и некий объем
свободной памяти для записи значений
ошибок. Но нужно еще одно — умение
воспринимать и анализировать внешнюю
информацию. Все перечисленное есть в
бортовом компьютере вашего автомобиля.
Сомневаюсь, что можно это всерьез называть
искусственным интеллектом. Но это уже и не
безмозглый чайник с примитивной
автоматикой.
Итак, наш «комп» должен собрать
информацию с доброго десятка датчиков,
заставить работать двигатель,
проанализировать, хорошо ли он работает, и,
в случае чего, подкорректировать его режим.
На электронный мозг возложена еще одна
задача — диагностировать свои внешние
датчики и сигнализировать об их
неисправности.
У автомобильного компьютера, как
и у всякого другого, можно различить два
основных вида памяти — постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное
(ОЗУ). В постоянном информация записывается
раз и навсегда. Там содержатся незыблемые
истины, независимые ни от чего. Скажем, что
при запуске двигателя нужно открывать
инжекторы и впрыскивать топливо в цилиндры,
или в какой последовательности опрашивать
свои датчики.
 |
|
Рис.3 |
А еще в ПЗУ хранятся так
называемые «карты» — двух- и трехмерные
таблицы, где содержится различная «эталонная»
информация. Можно представить себе
простейшую программу, которая работает с
двумя картами, одна из которых представляет
собой трехмерную таблицу, в которой по
горизонтали (вдоль оси X) заданы значения,
массы поступающего воздуха, по вертикали (вдоль
оси Y) — значения оборотов двигателя, а
вдоль оси Z — значения углов открытия
дроссельной заслонки. На пересечении всех
трех колонок и столбцов таблицы
проставлены значения количества топлива,
которое необходимо впрыснуть при данных
условиях работы двигателя. Во второй карте,
двухмерной, заданы соответствия между
количеством топлива и временем открытия
форсунок, в результате из этой карты
программа может узнать то, для чего и
городился весь этот огород — длительность
электрического импульса, который должен
быть подан на форсунки. В процессе работы
программа каждые несколько миллисекунд
опрашивает датчики, сравнивает полученные
значения с заданными в первой карте,
выбирает из соответствующей ячейки
содержащееся там значение количества
топлива, потом переходит ко второй карте и
выбирает, исходя из этого значения,
требуемое время открытия форсунок.
Сложновато? На самом деле различных карт в
памяти куда больше. Иногда в ПЗУ особо
выделяют ППЗУ — постоянное
программируемое запоминающее устройство.
Изменяя в сервисном центре его содержание,
можно склонить компьютер к большей
экономичности двигателя (с некоторым
ухудшением динамики) или, напротив, сделать
приоритетом «спортивность» — правда, все
это в весьма ограниченных пределах. Прежде
всего, экология!
Какие же датчики поставляют
информацию компьютеру? Начнем с датчика
положения дроссельной заслонки. Как
известно, у инжекторного двигателя
дроссельная заслонка регулирует доступ
воздуха в камеры сгорания. Самый простейший
датчик, устанавливаемый на большинстве
недорогих моделей, имеет три состояния. В
первом положении центральный контакт
замкнут с «верхним» контактом. Компьютер
понимает, что педаль «газа» отпущена. Это
либо холостой ход, либо движение «накатом»,
иначе говоря, торможение двигателем.
Сверяясь с показаниями других датчиков,
компьютер может определить, какой из
перечисленных случаев имеет место быть.
Совершенно ясно, что подача топлива должна
быть минимальна, а в случае торможения
двигателем может быть прекращена вовсе —
пока обороты не упадут ниже некоего
порогового значения.
Предположим, вы чуть придавили
педаль газа. Средний контакт отошел от
верхнего и теперь «висит в воздухе».
Компьютер понял, что налицо обычный темп
движения, и регулирует подачу топлива в
двигатель, основываясь на своих «картах» да
сигналах от лямбда-зонда.
Но вот на шоссе опасная ситуация
— вы пошли на обгон, а тот идиот, которого вы
обгоняете, также стал ускоряться. А до
встречного Камаза метров все меньше, и он
уже мигает вам «дальним». Тут уж педаль в
пол! Средний контакт датчика замыкается с
нижним, и компьютер понимает — дело дрянь!
Подача топлива увеличивается настолько,
сколько позволяют «карты» компьютера, и
машина выдает то, на что только способна.
Более «продвинутые» датчики положения
дроссельной заслонки представляют собой
переменный резистор, у которого средний
вывод перемещается по «телу» резистора —
от верхнего до нижнего выводов. Такой
датчик способен информировать компьютер не
только о крайних значениях, но и о точном
положении заслонки в любой точке. Это
позволяет более эффективно дозировать
топливо.
Еще один важный датчик —
количества поступающего воздуха (MAF). Он
может быть флюгерного или
анемометрического типа. Но может быть для
этих целей установлен и другой датчик (MAP) —
датчик ваккуума во впускном коллекторе. Это
устройство представляет мембрану, жестко
связанную с переменным резистором. В
зависимости от степени разряжения мембрана
отклоняется (втягивается), изменяя
сопротивление. Оба этих датчика призваны
информировать компьютер о количестве
воздуха, поступающем во впускной коллектор.
Именно поэтому при нажатии на педаль газа
двигатель не глохнет, а «разгоняется».
Потому как в инжекторном двигателе педаль
газа увеличивает подачу воздуха, а не
топлива. А увеличение подачи топлива в такт
открытию дроссельной (воздушной) заслонки
— задача компьютера, который получает
информацию от вышеописанных датчиков.
Важнейший датчик, без которого
невозможна работа двигателя ни в каком
режиме — датчик положения. Кроме того,
используется датчик частоты вращения валов
двигателя. Если компьютер не будет знать,
где находится поршень, как он определит,
когда нужно открывать инжектор и
впрыскивать топливо? А если неизвестно
точное значение частоты вращения валов,
какой угол опережения зажигания ему
установить? Эти «маленькие, но гордые»
датчики располагаются обычно в трамблере и
являют собой устройства или
электромагнитного, или фотоэлектрического
типа. Привод — от распредвала (в «твинкамовской»
головке — от одного из распредвалов).
И наконец, один из важнейших
датчиков — кислородный, он же лямбда-зонд.
Именно он обеспечивает анализ выходных
газов двигателя и сообщает результат
компьютеру. На самом деле все не слишком
сложно. Оптимальным, или стехиометрическим,
называется состав смеси, в которой на одну
часть топлива приходится 14,7 частей воздуха.
Если больше воздуха и меньше топлива, смесь
считается обедненной, если наоборот,
обогащенной. В этом случае вся смесь
сгореть не успеет, расход топлива будет
большой, а выхлоп — вредным. Лямбда-зонд
очень точно умеет определить, обогащенная
смесь или обедненная. В зависимости от
этого, он срабатывает как переключатель или,
как говорят электронщики, компаратор. При
стехиометрическом составе смеси (кстати,
соотношение 14,7/1 называют не иначе как «лямбда»)
содержание остаточного кислорода в
выхлопных газах составляет около 0,5%. Наш
кислородный датчик, сравнивая содержание
кислорода в выхлопных газах и окружающем
воздухе, выдает напряжение около одного
вольта, если смесь богатая, и стремится к
нулю по мере обеднения смеси. Идеалу
соответствует пороговое напряжение 0,45 В.
Исправный лямбда-зонд переключается до
нескольких раз в секунду. Стареющий — реже.
Негодный кислородный датчик не
переключается вовсе. Как только компьютер
это поймет, он отключит кольцо обратной
связи и начнет работу с постоянно
обогащаемой смесью. Это приводит к
повышенному расходу топлива, увеличению
вредных выбросов и снижению динамики. В
правильных странах кислородный датчик при
очередном ТО просто заменят, а в нашей — как
придется. Кстати, некоторые
сверхсовременные модели систем управления
при постоянном увеличении выхлопа вредных
газов делают езду едва возможной, дабы
заставить владельца сразу ковылять на СТО и
менять датчик. А всегда ли компьютер
учитывает показания кислородного датчика?
Нет. Дело в том, что лямбда-зонд начинает
работать только при нагреве до 400 и более
градусов Цельсия. Для этого в них даже
встраивают подогревательный элемент — как
в радиолампах. А если подогрева нет, то
компьютеру придется ждать, пока двигатель
прогреется. Отсюда первое — при запуске
двигателя в течение нескольких минут
обратная связь отключена, и смесь
обогащенная. Второе — при полностью
нажатой педали газа (об этом в компьютер
подаст сигнал датчик положения дроссельной
заслонки) показания кислородного датчика
также не учитываются. При описанном выше
случае «срочного» обгона экология подождет.
Звучит кощунственно? Но тот, кто хоть раз
спешил по важному делу в Иркутск, скажем, из
Усолья, меня поймет. Вот вам и неожиданный
вывод — чем уже и хуже дорога, тем больше
вред окружающей природе!
 Поскольку
кислородный датчик обеспечивает ту самую
необходимую обратную связь, можно сделать
вывод — чем он быстрей реагирует на
изменение состава смеси, тем эффективнее
управление двигателем. Со старым датчиком,
к примеру, процесс восстановления или
самообучения после отключения питания идет
значительно дольше. Желающих более
подробно ознакомиться с лямбда-зондом
отсылаю к своей статье «Этот загадочный
лямбда-зонд», «А+С» за 17 мая 2002 года.
Конечно, в сегодняшнем материале
мы не описали все возможные датчики — их
куда больше. На некоторых автомобилях есть
даже датчики, учитывающие, как высоко
находится машина над уровнем моря. Но цель
данной статьи — не описать полное
устройство автомобиля, а попытаться
объяснить качественный скачок между
обычной карбюраторной машиной и
инжекторной, управляемой компьютером. Если
все еще выпускаемая нашим автопромом
карбюраторная техника больше напоминает
примитивный чайник, о котором мы говорили в
начале статьи, то десятилетняя «Тойота»
обладает если не разумом, то уж во всяком
случае более «внимательна» к условиям
эксплуатации и вождения. Увы.
Марк ПАВЕРМАН
"Автомаркет+Спорт" №14
11.04.03
|
