Электронные системы
 в современном автомобиле
На главную autobrestkvn Вернуться на предыдущую

Автомобильные гаджеты

Да-да, как ни странно, речь пойдет именно об автомобилях. А точнее, об автомобильных гаджетах -- бывают, оказывается, и такие. Правда, на этот раз я предлагаю вам не просто вновь удивиться людской изобретательности и воображению разработчиков, а немного помечтать. Скажем так, представить, во что может превратиться ваш автомобиль в недалеком будущем. Конечно, космический вид и мощный двигатель остаются на совести дизайнеров и инженеров, зато мы с вами можем по кусочкам собрать начинку автомобиля двадцать первого века.

Итак, сердцем нашей мечты, несомненно, станет компьютер. Правда, это будет не мистический "бортовой компьютер", а привычный аналог обычных ручных или карманных компьютеров с не менее привычной операционной системой.

Такой привычной всем операционной системой, по мнению Microsoft, должна стать Windows CE for Automotive. Microsoft уже давно задумалась над захватом не только настольных ПК пользователей, но и их машин, и сейчас уже существует третья версия Windows CE для автомобилей, не уступающая по функциональности ручным компьютерам Pocket PC и даже обычным компьютерам.

Clarion AutoPCСреди партнеров и приверженцев Microsoft числятся такие компании как Clarion (ведущий японский производитель аудиотехники техники для машин), Citroen, Toyota и Nissan. Clarion уже выпускает систему Clarion AutoPC, основанную на операционной системе Windows CE. А французская автомобильная компания Citroen планирует встраивать Clarion AutoPC в свои новые автомобили Xsara.

Для тех же, кто не любит рисковать и не хочет услышать что-нибудь вроде "машина выполнила недопустимую операцию и будет закрыта. Рекомендуется переустановить водителя" ;)) подойдет операционная система Palm OS. Компания Palm задумывается о создании автомобильных информационных систем не меньше Microsoft. Именно с целью разработки такой системы компания недавно заключила соглашения с Delphi Automotive Systems и фондом Мэйфилда (Mayfield Fund).

Система Delphi Communiport MPCpro Обе системы, согласно компаниям, обладают схожими функциями. Управляется компьютер, естественно, голосом. При этом пользователь получает возможность не убирать руки с руля и не отвлекаться от дороги при работе с системой. При помощи голосового управления водитель сможет непосредственно во время пути проверять свой календарь, почтовый ящик и выполнять различные другие действия.

Предполагается, что система позволит получать разнообразные данные, например, сводку погоды, информацию о пробках и т.д., а в дальнейшем планируется обеспечение и более "продвинутых" функций, например, получения потокового видео и звука.

С сердцем вроде бы все понятно -- КПК он и есть КПК, просто спрятанный в приборном щитке автомобиля -- теперь можно подумать и о периферии. Пожалуй, одним из самых важных компонентов должен стать сотовый телефон. Без него в наше время просто тяжело обойтись, а в машине он, кроме всего прочего, должен обеспечивать доступ в Интернет. Можно было бы, конечно, встроить сотовый сразу в компьютер, но это будет неудобно -- путаница с обычным и автомобильным номерами, синхронизация телефонов и так далее. Поэтому будем использовать обычный сотовый телефон, интегрируемый в нашу систему.

Этой концепции придерживаются и многие разработчики автомобильных информационных систем и устройств связи. В сущности, все очень просто. У вас есть обычный сотовый телефон, ничем особенным не отличающийся от всех остальных сотовых телефонов. Когда же вы садитесь в машину, сотовый помещается в подставку и тут же становится частью автомобиля. Телефоны из записной книжки сотового синхронизируются с записной книжкой компьютера, после чего для набора номера достаточно выбрать на компьютере нужный контакт. Выбор, как уже было упомянуто, производится не при помощи клавиатуры и даже не пером на экране, а голосом, так что набрать номер и поговорить с собеседником можно и во время пути.

Для разговора, естественно, используется микрофон на руле (он же используется системой голосового управления) и динамики аудиосистемы. Причем, благодаря интеграции компонентов, при входящем звонке громкость музыки, которую вы в этот момент слушаете, автоматически понижается и компьютер выдает голосовое предупреждение, спрашивая, хотите ли вы принять звонок или нет.

Кстати о сотовых... Три крупнейших производителя сотовых телефонов -- Ericsson, Nokia и Motorola -- практически одновременно занялись разработкой интегрируемых автомобильных информационных систем. Причем если Ericsson действует в этой области практически самостоятельно, то Motorola разрабатывала свою систему по заказу Mercedes-Benz, а руководство Nokia пообещало, что их система и вовсе будет устанавливаться в автомобили Mercedes Benz, Audi, Opel и Ford.

Раз уж упомянули аудиосистему, то... "что за жизнь без пианино?!". Конечно, современное пианино -- это вовсе не обычная кассетная магнитола, и даже не CD-ченжер. Прогрессивное человечество давно уже слушает музыку в формате mp3, так почему бы не взять коллекцию цифровой музыки с собой в дорогу?

Kenwood eXcelonТочно так же решили и специалисты компании Kenwood, создавшие eXcelon in-dash MP3/CD player reciever. Магнитола может воспроизводить mp3-файлы различных форматов, записанные на CD-R или CD-RW диски.

Это означает, что на одном диске может находиться 150-200 композиций. Кроме того, магнитола воспроизводит обычные компакт-диски и имеет стандартный AM/FM стерео радиоприемник. Kenwood включил в магнитолу большое количество всевозможных настроек, которые должны улучшать качество воспроизведения mp3 и компакт-дисков. Система KEX/ec4 предоставляет выбор из пяти предустановленных настроек эквалайзера (Rock, Jazz, Flat, Top 40 и Easy), несколько настроек басов и высоких частот и фильтрацию выходного сигнала при мощности 45 ватт на 4 канала. Для более точного управления вы можете настроить и сохранить до шести схем эквалайзера. Результатом всего этого является отличный звук, который к тому же можно легко настроить на свой вкус. Кроме того, магнитола позволяет подключить предусилители мощности, если 45 ватт будет недостаточно для ваших ушей ;).

eXcelon имеет большой цветной экран, на котором может прокручиваться название песен, отображаться анимация и т.д. Передняя крышка с экраном откидывается, открывая слот для компакт-дисков. Устройство может отображать файлы и имена папок выбранным шрифтом и позволяет задавать название дискам.

Магнитолу довольно просто установить, по крайней мере, не сложнее, чем обычную. Она имеет очень неплохую устойчивость к сотрясениям и дрожанию машины, так что если вы не увлекаетесь гонками по бездорожью, заставить магнитолу прекратить воспроизведение будет непросто. В общем, записываем свою музыкальную коллекцию на диски и в путь!

Впрочем, можно пойти и более прогрессивным путем. Собрать большую и хорошую коллекцию музыки, да еще и записать ее на диски -- дело не простое. А вот в Интернете музыки -- неограниченное количество и записывать ее никуда не нужно. Ее нужно только принимать. Над этим и работают сейчас компании PenguinRadio и Ineva.com, объявившие о создании автомобильной радиосистемы, способной принимать Интернет-вещание с тысяч станций во всем мире. PenguinRadio уже имеет действующий аудиопортал в Интернете. Для передачи данных "на борт" автомобиля будет использоваться спутниковая система под названием Ellipso, разрабатываемая ныне Ineva.com. Данное решение подразумевает, что вещание любой Интернет-станции будет доступно во всем мире, по какой бы дороге вы не ехали.

Итак, с музыкой разобрались, позвонить тоже сможем, можно и ехать. Из серьезных вопросов остался только один -- куда ехать? Как вы понимаете, ответ на этот вопрос может дать только спутниковая система позиционирования, по-русски -- GPS. С превосходством последней над бумажными картами и компасом, пожалуй, не будут спорить даже прирожденные консерваторы. Ну а мы как разработчики машины будущего, не будем спорить точно.

NaveMateGPS-приемники уже перестали быть диковинкой для обычных пользователей. Сейчас они существуют в самых разнообразных вариантах и формах: от карт расширения для КПК, до ручных часов. Существуют и автомобильные системы спутникового позиционирования, например, NaveMate -- GPS-система, разработанная компанией Visteon (филиал Ford Motors).

Система позволяет установить маршрут и затем во время движения подсказывает нужные повороты. Если вы пропустили поворот, то система предложит варианты объезда.

А компьютер позволит легко хранить множество подробных карт местности или при необходимости загрузить нужную карту из Интернета. Кстати, из Интернета же можно было бы получать информацию о пробках и ситуации на дорогах в городе или области, по которой вы двигаетесь, и отмечать критические точки на карте. Система могла бы тогда рассчитывать оптимальный маршрут движения, учитывая сложность проезда и пробки (а заодно наличие сотрудников и постов ГИБДД с автоматическим предупреждением -- "сбавьте скорость -- впереди засечен сотрудник ГИБДД с радаром" ;).

Правда, даже самая лучшая GPS-система поможет лишь выбрать направление движения, но не упростит само вождение. Зато его может упростить еще одна система, разрабатываемая компанией Visteon. Работает система довольно просто: специальная инфракрасная камера захватывает изображение дороги и проецирует увеличенное изображение на ветровое стекло. Предполагается, что такая система облегчит вождение автомобиля ночью. По крайней мере, если увидите большое красное пятно посреди дороги, знайте -- точно либо пьяница, либо бабушка дорогу переходит -- лучше притормозить или объехать.

Специальная камера передает на маленький экранСледя за дорогой и выбранным направлением, не стоит отвлекаться и от ситуации внутри автомобиля. Это особенно актуально, когда вы путешествуете с семьей или тем более едете с друзьями на пикник -- а вдруг ребенок прольет свою колу или, не дай бог, веселый приятель решит в качестве шутки затушить сигарету о новенькую кожу сиденья?! Впрочем, эту проблему решила опять же компания Visteon. Специальная камера передает на маленький экран, встроенный в приборный щиток, изображение заднего сиденья, позволяя родителям следить за расшалившимися детьми.





Rear Seat Entertainment SystemVisteon, похоже, заслуживает звания почетного автомобильного гаджет-мэйкера -- работники компании подумали не только о том, как следить за детьми, они придумали даже как развлечь детей в дороге. Теперь родителям не обязательно "доставать" детей подсчетом красных машин или пением детских песенок. Дети могут спокойно посмотреть кино или просто поиграть. Система Rear Seat Entertainment System, предназначенная для пассажиров на заднем сиденье, состоит из экрана и видеоплеера, к которым можно подключить игровую консоль Nintendo или видеокамеру и наушники.




Rear Seat Entertainment System      Rear Seat Entertainment System

Вот вроде бы и все. Машина-мечта готова. Осталось только проверить ее состояние -- пройти, так сказать, техконтроль. Естественно, никаких очередей и двухчасового копания во внутренностях автомобиля не будет -- мы же говорим о будущем. На все проверки уйдет всего пара минут. По крайней мере, именно так считает английская фирма по прокату автомобилей Avis Europe Plc, придумавшая вместе с компанией Microsoft новую мобильную систему диагностики. Система должна позволить персоналу компании проверить автомобиль на предмет неисправностей в течение двух минут. Система, разработанная компаниями Symbol Technologies и Technological Business Solutions, базируется на платформе Pocket PC. Сейчас она постепенно вводится в эксплуатацию в Шотландии.

Nokian TyresА некоторые автомобильные системы можно будет проверить и без специального оборудования. Один из крупнейших в мире производителей шин, финская компания Nokian Tyres разработала интеллектуальную технологическую систему, которая будет связываться с мобильным телефоном водителя и в реальном времени передавать данные о давлении внутри шин. Встроенный в шину микрочип действует как измерительный инструмент, он регистрирует давление и изменения температуры внутри шины и посредством беспроводной технологии Bluetooth передает данные в приемник -- мобильный телефон водителя.

В дельнейшем компания планирует создать приложения, предотвращающие скольжение шин, контролирующие их поверхность и запрещающие несанкционированный доступ (кражу :). Ну а после проверки можно и ехать.

Прототип системы YazakiОткрываем дверь, садимся. Кстати, для открытия двери ключи вовсе не обязательны. Японская корпорация Yazaki недавно разработала прототип системы, использующей технологию беспроводной связи Bluetooth для управления механизмами внутри автомобиля. Специальный шлюз с интерфейсом Bluetooth подключается к локальной сети, управляющей и следящей за состоянием автомобиля. В частности эта система позволяет отпирать и запирать двери или открывать и закрывать окна с помощью ноутбука, карманного компьютера или мобильного телефона, находясь на приличном расстоянии от машины (пока до 45 метров).

Итак, открываем с помощью сотового двери, садимся. Ставим сотовый в специальную подставку, компьютер подключается к Интернету и скачивает свежую почту. В это время можно проверить свой календарь или вспомнить о запланированных на сегодня делах. Прослушиваем пришедшие письма, при необходимости отвечаем на них, заодно решаем, куда нужно ехать, и даем задание компьютеру рассчитать кратчайший и самый легкий маршрут. Все! Детям в руки по джойстику, музыку на полную и... и тут мы замечаем, что бензин почти закончился.

TokheimНет проблем! Компьютер тут же находит ближайшую заправочную станцию и показывает, как к ней проехать. На заправке не нужно даже выходить из машины. Бензоколонки под управлением Windows CE, созданные компанией Tokheim, снабжены Bluetooth-передатчиками и подключены к центральному серверу заправочной станции, что обеспечивает автоматическую беспроводную оплату топлива, например, при помощи сотового. Кроме Bluetooth-модулей колонки имеют встроенный 10-дюймовый ЖК-дисплей и выход в Интернет, благодаря чему автомобилисты могут быстренько узнать, как проехать в нужное место, а коммивояжеры, например, получить по электронной почте последний прайс-лист фирмы перед визитом к клиенту. Впрочем, мы-то все это можем сделать и в машине. Сейчас эта система тестируется компанией Mobil в ее системе SpeedPass.

Кстати, беспроводные технологии помогут разобраться и со стоянкой. В Швеции и Эстонии, например, уже начала функционировать служба, позволяющая пользователям оплачивать парковку при помощи сотового телефона. Работает система довольно просто: при въезде на стоянку пользователь набирает ее номер и пятизначное число, соответствующее номеру свободного парковочного места. Вся операция занимает около 30 секунд. Когда водитель уезжает, он снова набирает номер стоянки и номер парковочного места -- на это уходит около 15 секунд. Счет за стоянку пользователь получает вместе со счетом за телефон, что упрощает оплату.

Вот, вроде бы, и все. Машину собрали, даже решили вопрос с ее обслуживанием. Осталось только дождаться, когда все эти системы окончательно появятся на рынке. И заодно, когда же производители сообразят собрать все вместе, как это только что сделали мы. Кстати, пускай внешне наша машина будет темно-синим кабриолетом Lamborghini Diablo -- очень уж он мне нравится ;).

Александр Асташов voodoo@handy.ru

 


 

Еще об автомобильных электронных системах...

    Сегодня никого уже не удивишь обилием электроники в автомобиле, особенно высокого класса - в "Линкольне" модели Mark VIII только микропроцессоров больше, чем на ином современном истребителе. Рынок автомобильной электроники является одним из четырех наиболее быстрорастущих секторов электронной промышленности (после телекоммуникационного, компьютерного и промышленного оборудования), которая, в свою очередь, является наиболее быстрорастущей - в среднем 8...10% в год - крупнейшей отраслью мировой промышленности. Причем основная доля стоимости электронных устройств за рубежом приходится не на сервисные устройства (магнитолы, охранная сигнализация и т. п.), а на средства управления собственно системами автомобиля и обеспечения безопасности.

    Их доля в стоимости современного автомобиля пока также возрастает, достигая сейчас в среднем 10...15%, хотя аналитики и предсказывают ее стабилизацию в ближайшем будущем на уровне примерно 20...25%. Учитывая, однако, непрерывное снижение удельной стоимости электронных устройств (в пересчете на одну функцию), нельзя сомневаться в том, что число функций, выполняемых электронными устройствами в автомобиле, и их разнообразие будут неуклонно расширяться и далее, по крайней мере, до тех пор, пока потребитель будет в состоянии ими воспользоваться.

    Благодаря постепенному восстановлению связей между российской и мировой экономикой дисбаланс цен между электроникой и прочей машиностроительной продукцией, существовавший в советские времена, уходит в прошлое. Вместе с этим необходимость одновременного повышения экономичности, экологичности и улучшения ходовых качеств автомобилей становится актуальной и для отечественных автозаводов.

    Во-первых, это связано с тем, что экспорт морально устаревшей продукции в развитые страны становится практически невозможен, даже по заниженным ценам, а предприятия нуждаются в твердой валюте для оплаты импортируемых комплектующих. Вовторых, в последнее время в нашей стране были приняты и вскоре должны быть введены в действие соответствующие мировой практике более жесткие нормативы на допустимые уровни загрязнения воздуха и безопасность автомобилей, что приблизит нас к условиям, сложившимся на мировом автомобильном рынке.

    В этой связи обращение к опыту мировой автопромышленности выглядит совершенно естественным и оправданным. У нас сейчас ВАЗ комплектует системами электронного управления впрыском и зажиганием более 40% выпускаемых автомобилей.

    В настоящее время наиболее важным и экономически оправданным является широкое внедрение электронных систем, позволяющих улучшить характеристики и снизить стоимость эксплуатации двигателя и трансмиссии, а также систем для повышения безопасности - как активной (АБС - антиблокировочная система (AntiBlocking System), АПС - антипробуксовочная система )так и пассивной (подушки безопасности). Кроме этого, разработаны и уже находят применение другие электронные системы - управления подвеской, навигационные, парковочные и т. д., но они пока скорее роскошь, чем необходимость.

    Долгое время единственным электронным узлом в автомобиле, кроме радиоприемника, была система зажигания. Классическая искровая система зажигания была впервые предложена Филиппом Лебоном в 1801 г., а первое промышленное применение она нашла на газовом двигателе Ленуара в 1860-1864 гг. Однако из-за низкого уровня электротехники того времени искровое зажигание работало ненадежно. Поэтому до 90-х годов прошлого века большинство двигателей внутреннего сгорания строили с использованием калильного зажигания (сильно нагретого тела в камере сгорания).

    Ситуация изменилась с созданием Робертом Бошем вполне надежного и компактного магнето. Далее, в 10-х годах нашего века благодаря совершенствованию конструкции запальной свечи, катушки зажигания и подбору материалов контактов удалось добиться удовлетворительной работы и от батарейной системы зажигания. Тем не менее она, особенно контакты, все равно оставалась одной из наиболее ненадежных и требующих ухода частей автомобиля. Нужны были принципиально иные решения.

    Первые электронные системы зажигания были созданы в 1940-х годах на основе газонаполненных тиратронов, однако широкого применения не нашли из-за громоздкости и хрупкости конструкции. Массовое применение транзисторные системы зажигания - сначала контактные, затем бесконтактные - нашли в начале 1960-х годов, когда General Motors Corp. (GMC) стала оснащать ими свои серийные автомобили.

    Дальнейшее распространение электронных систем зажигания общеизвестно. Отдельный интерес представляет система с высокочастотным разрядом Direct Ignition (SAAB), заимствованная у реактивных двигателей. При ее создании использованы те обстоятельства, что напряжение пробоя для высокочастотного (80...200 кГц) напряжения оказывается раза в два-три меньше, чем для низкочастотного, и вместо тонкой нитевидной искры получается шарообразный разряд с существенно большей поверхностью.

    Понижение напряжения делает систему менее чувствительной к замасливанию и нагару на свечах, а шарообразная форма искрового разряда ускоряет воспламенение и повышает надежность поджигания бедных смесей. Однако конструктивная сложность и более высокая стоимость этой системы, а также то, что она генерирует обильные радиопомехи, привели к снятию ее с производства после внедрения систем распределенного впрыска с электронным управлением(Условия работы свечей и системы зажигания в целом на таких двигателях много легче, чем на карбюраторных) .

    Вопреки распространенному мнению, впрыск топлива также не является новым изобретением. Более того, первоначально почти во всех двигателях внутреннего сгорания, работавших на жидком топливе, была использована именно система впрыска. Однако вскоре стало ясно, что она требует довольно сложного механизма регулирования количества впрыскиваемого топлива и топливных насосов-дозаторов, изготовленных с высокой точностью. В начале века это обходилось очень дорого, при разумной же цене не обеспечивало необходимой надежности и стабильности характеристик.

    Поэтому после изобретения Донатом Банки простого и дешевого распылительного карбюратора о системах впрыска в автомобилестроении почти забыли. Они остались только в дизельных двигателях, повышенная себестоимость которых, кстати, во многом обязана дороговизне аппаратуры непосредственного впрыска высокого давления. Механические устройства управления впрыском из-за их высокой цены на массовых автомобилях почти не применяли. Первые системы с электрическим управлением были созданы еще в 1939 г. (Moto Guzzi, Италия), но так и остались технической экзотикой.

    В 1957 г. фирма Chrysler представила автомобильную электронную систему управления впрыском топлива, выполненную на вакуумных лампах, также не нашедшую широкого применения из-за дороговизны. Большее распространение в начале 1970-х годов получили транзисторные системы, примененные на немецких (Volkswagen, 1967) и японских (Nissan, 1971) автомобилях, экспортируемых в США. На рубеже 70-х и 80-х годов в Японии, США и несколько позже в Германии начали внедрять комплексные микропроцессорные системы управления как двигател

    Карбюратору присущи многие недостатки: нестабильность регулировок, особенно при смене температуры и сорта топлива; неравномерное распределение топлива по цилиндрам; низкая точность работы при малых нагрузках, вынуждающая настраивать карбюраторы таким образом, что на холостом ходу и малой нагрузке горючая смесь оказывается излишне обогащенной. Кроме того, карбюратор увеличивает сопротивление всасыванию воздуха. Из-за наличия поплавковой камеры работа карбюратора ухудшается в условиях сильной тряски, ускорений на поворотах и при наклонах автомобиля.

    До поры до времени эти недостатки применительно к массовым автомобилям были вполне скомпенсированы простотой и дешевизной карбюраторов. Тем не менее в дорогих автомобилях, а также в поршневой авиации уже с конца 30-х годов наметился возврат к использованию систем впрыска топлива с механическим управлением. Они были весьма сложны и дороги, но позволяли повысить экономичность и стабильность работы двигателей.

    Однако по мере ужесточения требований к экологической чистоте выхлопа и упрощению обслуживания массового автомобиля, обеспечить их выполнение совершенствованием карбюраторов оказалось уже практически невозможным(Типовым требованием на рынке США является необходимость в первом ТО двигателя и трансмиссии не ранее, чем через 80...100 тыс. миль пробега). Сущность проблемы состоит в том, что, если горючая смесь бедна, она плохо поджигается, неустойчиво горит, склонна к детонации и при сгорании дает много окислов азота NOx. Попав в атмосферу и соединясь с водой, эти окислы образуют азотную и азотистую кислоты.

    Если же топлива в смеси оказывается больше, чем может быть сожжено в имеющемся количестве кислорода, то неполное сгорание топлива приводит к выбросам углеводородов CmHn, угарного газа CO, бензапиренов, альдегидов, а при еще большем избытке топлива - и весьма канцерогенной копоти (дыма). При сильном нарушении соотношения между количествами воздуха и топлива топливовоздушная смесь вообще перестает воспламеняться, что, без сомнения, знакомо многим автомобилистам.

    Резко - более чем в десять раз - уменьшить количество вредных выбросов можно, используя каталитический нейтрализатор (дожигатель) выхлопных газов, однако для его работы необходим вполне определенный состав выхлопных газов. В частности, нейтрализатор не терпит работы на этилированном бензине. Нарушение этих условий приводит к необратимому выходу нейтрализатора из строя.

    Тем не менее появление и быстрое удешевление микропроцессорной техники позволило создать системы впрыска топлива для бензиновых двигателей, во-первых, не требующие дорогих прецизионных механических устройств, а, во-вторых, обладающие существенно большими возможностями, нежели механические. В результате применение электронных систем управления впрыском и зажиганием топлива с конца 1980-х годов в развитых странах стало экономически оправданным на автомобилях практически всех классов.

    Система впрыска с электронным управлением (EFI - Electronic Fuel Injection) при использовании датчика содержания кислорода в выхлопных газах (л-зонда) позволяет обеспечить для каждого цилиндра очень стабильное (+0,5%) соблюдение оптимального соотношения по массе подаваемого топлива и засасываемого воздуха (1:14,65 для бензина). Это необходимо как для обеспечения работоспособности каталитического нейтрализатора, так и для достижения наилучшего компромисса между мощностью и экономичностью работы двигателя. Именно поэтому обеспечить на практике длительный срок службы и работоспособность каталитических нейтрализаторов удается только при использо

    Системы впрыска топлива условно подразделяют на три группы - с центральным впрыском, когда распылительная форсунка одна на весь впускной коллектор( Иногда ее приходится дополнять второй - пусковой форсункой, работающей при холодном двигателе и отключающейся по мере прогрева) , с распределенным (многоточечным) впрыском, если форсунки установлены во всасывающих патрубках каждого цилиндра вблизи от впускных клапанов, и с прямым (непосредственным) впрыском, когда форсунка смонтирована непосредственно в стенке или головке цилиндра и подает топливо непосредственно в цилиндр в такте сжатия, когда клапаны уже закрыты.

    В первых двух случаях давление топлива при его подаче не превышает 4...10 кГ/см2 , тогда как при непосредственном впрыске в дизеле оно может достигать 600, а в бензиновом двигателе - 50 кГ/см2.

    Самая дешевая система - с центральным впрыском - фактически дает только два существенных преимущества - вибростойкость и отсутствие необходимости в частой регулировке. Наилучшее отношение цена/качество в настоящее время обеспечивают системы распределенного впрыска во впускные патрубки (рис. 1). Системы непосредственного впрыска в бензиновых двигателях пока оправданы только в двигателях с наддувом, так как они позволяют исключить вынос топливовоздушной смеси в выхлопной коллектор при широких фазах газораспределения и абсолютном давлении наддува более 1,5 кГ/см2.

рис.1

    Различают также системы непрерывного и импульсного (периодического) впрыска. В системах непрерывного впрыска форсунка работает постоянно, меняется лишь ее производительность, в импульсных - впрыск топлива производится порциями в определенные моменты. Непрерывный впрыск имеет много недостатков и в настоящее время применительно к автомобильным двигателям его считают устаревшим.

    Применение распределенного впрыска дает и другие преимущества перед использованием карбюраторов. Вопервых, это возможность обеспечения высокой стабильности состава горючей смеси в широких пределах температуры и нагрузок двигателя, причем практически независимо от вязкости топлива (пропускная способность жиклеров карбюратора сильно зависит от вязкости топлива). Во-вторых, использование многоточечного впрыска (особенно непосредственного) позволяет не только обеспечить равномерное распределение топлива по цилиндрам, но и исключить необходимость подогревания всасываемого воздуха и впускного коллектора. Более того, испаряющееся топливо, наоборот, охлаждает всасываемый воздух и цилиндры двигателя. В результате плотность всасываемого воздуха оказывается на 7...10% больше (С той же целью - снижения температуры воздуха - даже на дешевых автомобилях со впрыском стараются засасывать воздух не из моторного отсека, где он горячий, а непосредственно "с улицы", предусматривая для этого в случае необходимости дополнительные воздухозаборники (Opel "Cadett") .

    Увеличение плотности воздуха, а значит, количества кислорода, поступающего в цилиндры, позволяет сжигать больше топлива и получить большую мощность. Понижение температуры всасываемого воздуха позволяет повысить степень сжатия, что улучшает экономичность двигателя.

    Исключение карбюратора уменьшает сопротивление всасываемому воздуху, давая возможность использования резонансного впуска, что также способствует повышению мощности. Приближение форсунки к цилиндру в системах распределенного впрыска предотвращает выпадение конденсата топлива. Это облегчает запуск двигателя, уменьшает образование нагара на свечах зажигания и смывание масла со стенок цилиндров.

    Отсутствие конденсации топлива увеличивает устойчивость работы и крутящий момент двигателя, особенно на малых и средних оборотах, где он наиболее нужен. Если прибавка максимальной мощности при переводе двигателя на впрыск топлива обычно равна примерно 10%, то повышение крутящего момента на малых и средних оборотах может достигать 15...20%.

    Конечно, подобного повышения ходовых качеств автомобиля можно достичь и "в лоб", увеличив рабочий объем двигателя примерно на 20...30%, однако при этом ухудшится экономичность, увеличатся масса и габариты двигателя, а значит, и автомобиля в целом, возрастут эксплуатационные расходы.

    Использование систем распределенного впрыска предоставляет еще одну возможность снижения расхода топлива - отключение подачи топлива в часть цилиндров с тем, чтобы в большей степени загрузить остальные. Целесообразность такого решения обусловлена тем, что при малой нагрузке КПД двигателя внутреннего сгорания резко снижается не только за счет механических потерь, но и за счет неоптимальности рабочего цикла. Возрастание КПД нагруженных цилиндров с лихвой компенсирует механические потери в выключенных цилиндрах, поэтому экономичность на малых нагрузках удается повысить на 25...30%, особенно на многоцилиндровых двигателях.

    Подобный прием - поочередный пропуск циклов впрыска - также широко используют на многоцилиндровых японских и американских автомобилях. Существует и еще одно применение способа пропуска циклов - охлаждение "отключенных" цилиндров засасываемым воздухом, позволяющее сохранить работоспособность двигателя и доехать до места назначения даже после полной потери охлаждающей жидкости (двигатель GMC North Star и др.).

    Применение электроники обеспечивает оптимальное управление не только двигателем, но и ходовой частью автомобиля. Во-первых, это хорошо известные антиблокировочные системы, позволяющие в большинстве случаев сохранить управляемость машины при экстренном торможении, одновременно обеспечивая минимально возможную длину тормозного пути. Во-вторых, близкую к ним функцию выполняют антипробуксовочные системы, которые стали весьма актуальны в связи с распространением переднеприводных автомобилей, у которых при пробуксовке или блокировке ведущих колес теряется управляемость. Поскольку при разгоне автомобиля передние колеса разгружаются (именно поэтому все гоночные и престижные легковые автомобили, которые должны иметь хорошую разгонную динамику, до настоящего времени проектируют с приводом либо на задние ("Daimler-Benz", "BMW"), либо на все колеса ("Audi A8"), для исключения потери управляемости и предотвращения чрезмерного износа шин весьма желательно наличие на переднеприводном автомобиле наряду с антиблокировочной и антипробуксовочной системы.

    С помощью электронных устройств сглаживается также антагонизм между коробками перемены передач с автоматическим и ручным переключением. Напомним, что классическая автоматическая коробка для обеспечения плавности переключения нуждается в применении дорогого в изготовлении и громоздкого гидротрансформатора, имеющего к тому же большие механические потери (низкий КПД). Коробка же передач с ручным переключением конструктивно гораздо проще, компактнее, дешевле и надежнее. Правда, она менее удобна в эксплуатации.

    Комплексная система управления двигателем и трансмиссией автоматизирует процесс переключения передач без использования гидротрансформаторов и дополнительных муфт сцепления - путем автоматического управления сцеплением и частотой вращения двигателя, сохраняя при этом все эксплуатационные достоинства как автоматических (удобство), так и ручных коробок (надежность, дешевизна, малые потери энергии). Кроме того, электронное управление практически исключает риск поломки из-за неправильного обращения.

    Такая трансмиссия по себестоимости изготовления не отличается от трансмиссии с ручным управлением, а функции управления ею, как правило, интегрируют в состав объединенной системы управления двигателем и трансмиссией. Алгоритмы переключения передач в последнее время часто строят адаптирующимися к стилю езды конкретного владельца, не говоря уже о том, что всегда предусмотрены на выбор несколько стандартных режимов (скоростной, городской, экономичный и т. п.).

    Не менее важную роль в современном автомобиле играют электронные системы повышения безопасности. Ее принято подразделять на активную (предотвращение аварий) и пассивную (уменьшение тяжести их последствий). Что касается активной безопасности, то ее обеспечивают улучшением разгонной и тормозной динамики автомобиля, а также повышением устойчивости на поворотах максимальным увеличением ширины колеи и понижением центра тяжести (это хорошо заметно, если сравнить силуэт отечественных и зарубежных автомобилей сходного класса, как, например, ВАЗ-2108 и Volkswagen "Golf III" или "Golf IV") в сочетании с электронной системой управления подвеской.

    На дорогих автомобилях иногда применяют радиолокационную систему предотвращения лобовых столкновений и наездов (поддержания дистанции), однако от бревна или ямы в асфальте она не спасает. Для уменьшения вероятности наездов используют верхние (салонные) тормозные огни, видимые на большом расстоянии. Этого оказалось мало, и тогда была разработана система с приемопередающим радиоканалом, автоматически включающая индикатор при экстренном торможении или аварии впереди идущей машины. В настоящее время эта система, получившая золотую медаль выставки изобретений в Брюсселе, проходит доработку с последующей стандартизацией в большинстве развитых стран.

    Разгонную динамику улучшают, в первую очередь, внедрением систем электронного впрыска топлива и управления трансмиссией (микропроцессор может переключать передачи гораздо быстрее и точнее, чем человек; как следствие, разгон автомобиля ускоряется) , а на переднеприводных автомобилях - еще и совершенствованием состава резины и рисунка протектора колес, тормозную - применением антиблокировочных систем, предотвращающих чрезмерное проскальзывание колес относительно дороги, что позволяет получить максимально возможное тормозящее усилие и в большинстве случаев сохранить управляемость автомобиля даже при экстренном торможении.

    Определенный вклад в повышение активной безопасности вносит рулевое сервоуправление с переменными коэффициентом передачи и реакцией руля - для обеспечения равного поворота колес на высокой скорости требуется больший угол поворота руля, чем на малой. Иногда дополнительно вводят устройство, предотвращающее срыв колес боковым усилием. Это практически исключает риск заноса при резком повороте на большой скорости. Все эти преимущества, правда, сохраняются лишь до тех пор, пока сервосистема исправно работает....

рис.2

    Пассивную безопасность повышают как конструктивными мерами (увеличением хода деформации сминаемых частей кузова при одновременном укреплении салона, заменой обычного руля травмобезопасным), так и внедрением электронных устройств, приводящих в действие подушки безопасности и механизм натяжения ремней. Кстати, широкое внедрение электроники в автомобили в США началось именно после того, как на рубеже 60-х и 70-х годов конгресс принял закон об обязательной установке систем, блокирующих запуск двигателя до тех пор, пока не будут зафиксированы привязные ремни на двух передних сиденьях.

    В настоящее время, как правило, используют комплексную систему управления ремнями и подушками безопасности. Датчиком в ней служит одноосный (или двухосный при использовании и боковых подушек) акселерометр, чаще всего полупроводниковый (рис. 2), блок управления с пороговыми устройствами и набор пиропатронов, часть из которых при срабатывании действует на крыльчатки, подтягивающие ремни (рис. 3), а часть - наполняет подушки безопасности. Включение пиропатронов механизма подтяжки ремней обычно устанавливают несколько более ранним, чем момент срабатывания подушек безопасности.

рис.3

    Работа этой системы позволяет отделаться испугом, царапинами или синяками при лобовом столкновении с неподвижным препятствием на скорости 50 км/ч (стандарт ЕЭС), а иногда и большей - вплоть до 80 км/ч. При скорости выше 80 км/ч ускорение, испытываемое человеком в момент гашения энергии движения на пути, около 0,7...1,6 м (типичное значение хода деформации кузова и подушек современных автомобилей) становится столь велико, что он оказывается раздавленным собственной массой даже при отсутствии внешних повреждений.

    Говоря об электронных системах повышения безопасности, стоит упомянуть также о несложном, но весьма полезном устройстве контроля исправности сигнальных ламп и проводки. Принцип его действия состоит в том, что через лампы и проводку при включенном зажигании пропускают небольшой ток, не вызывающий свечения ламп, но позволяющий диагностировать замыкание, обрыв проводки и состояние лампы - в конце срока службы сопротивление нити накала несколько возрастает, что заблаговременно служит предупреждением водителю.

    В последнее время определенную популярность, по крайней мере на автомобилях класса выше среднего, начало приобретать использование электронного управления параметрами подвески - жесткостью и коэффициентом демпфирования амортизаторов, изменением дорожного просвета. Такую подвеску часто называют активной, хотя на самом деле речь идет только о сравнительно медленной адаптации параметров подвески под дорожные условия, т. е. вернее считать ее адаптивной или полуактивной. Истинно активная система подвески, строго говоря, должна с помощью мощной сервосистемы отслеживать каждый ухаб и гасить толчки еще в момент их возникновения, как это происходит на комфортабельных судах и многих военных кораблях ("успокоители" качки).

    В Европе и даже, пожалуй, в мире лидер "подвескостроения" - фирма Сitroen, давно и успешно применяющая наиболее совершенные - гидропневматические - подвески в сочетании с электронным управлением их параметрами. Среди японских фирм лидирует, похоже, Mitsubishi. Американцы, имея прекрасные дороги и 55-мильное ограничение скорости в большинстве штатов, предпочитают более традиционные решения - увеличенные габариты и, значит, момент инерции корпуса автомобилей в сочетании с колесами большого диаметра и мягкими подвесками, в которых электронные системы обычно управляют только коэффициентом демпфирования.

    Применение электронных устройств позволило также усовершенствовать ряд традиционных устройств, в первую очередь, электроприводы (стеклоочистителя, стеклоподъемников, регулирования положения кресел и т. п.), осветительные и сигнальные приборы. Традиционно в автомобильной технике используют коллекторные электродвигатели, которым присущи три основных недостатка - ограниченный срок службы, недостаточная надежность (склонность к застреванию) и создание радиопомех. Эти недостатки обусловлены применением трущихся контактов в коллекторе. Развитие электроники привело к тому, что бесконтактные (бесщеточные, brushless) двигатели стали конкурентоспособны по цене с традиционными, превосходя их по надежности, технологичности производства и возможностям регулировки.

    Широкие возможности регулирования позволяют упростить кинематику ряда устройств, например стеклоочистителя, где вместо механического реверсирования может быть применено электрическое. Поэтому в настоящее время практически все ведущие автомобилестроительные фирмы постепенно заменяют в своих автомобилях коллекторные двигатели на бесконтактные, имеющие еще и то преимущество, что их блоки управления могут иметь интерфейс для непосредственного управления от микропроцессора.

    Что касается осветительных приборов, то внедрение набирающих популярность металлогалидных газоразрядных ламп было бы просто невозможно без использования электронных узлов управления ими. Главными достоинствами металлогалидных ламп по сравнению с лампами накаливания являются существенно меньшие размеры светящей области, что позволяет уменьшить размеры рефлекторов фар с сохранением качества фокусировки луча, добиться лучшего КПД (большей световой отдачи при равной потребляемой мощности), стабильной спектральной и яркостной характеристики независимо от степени разряженности аккумулятора, а также долговечности.

    Еще одной электронной системой, повышающей безопасность движения, является корректор положения фар, обеспечивающий независимо от загрузки и положения кузова постоянное освещение дороги при движении по неровным или извилистым дорогам, в последнем случае он отслеживает поворот рулевого колеса. Кроме этого, корректор уменьшает слепящее действие фар на водителей встречных машин.

    Сигнальные огни на многих американских автомобилях последнее время выполняют на основе блоков сверхярких светодиодов. Они экономичнее, компактнее и надежнее традиционных ламп накаливания, особенно в режиме мигания, обеспечивают большую яркость свечения и более чистые цвета (лучше заметны днем). Яркость свечения светодиодов проще изменять в зависимости от внешней освещенности.

    Звуковые сигналы также не остаются без внимания - на смену традиционным контактным электромагнитным гудкам приходят бесконтактные электродинамические и пьезоэлектрические с соответствующими электронными усилителями и узлами управления.

    Появление процессоров цифровой обработки сигналов и постепенное снижение цен на эти приборы привело к созданию систем активного подавления низкочастотного шума в салоне автомобиля. Сущность идеи состоит в подаче в салон через громкоговорители встроенной аудиосистемы сигналов, противофазных шумовым. При этом шумовые сигналы взаимно компенсируются.

    На практике из-за волновых свойств звука нужный эффект удается получить только на частоте ниже 200...300 Гц, и снижение шума не превышает 8...15 дБ. Казалось бы, немного, но, учитывая, что борьба с низкочастотным шумом другими способами малоэффективна, подобная электронная система позволяет сэкономить 10...25 кг звукопоглотителя Dynamat или другого материала, отнюдь не дешевого.

    Широкое внедрение электронного управления при традиционном подходе приводит к резкому усложнению электропроводки, а следовательно, увеличению трудоемкости ее прокладки и вероятности ошибок при обслуживании в процессе эксплуатации. Обилие проводов грозило превратить автомобиль в "электрошкаф" на колесах. В поисках решения этой проблемы автомобилестроители обратились к опыту авиации: одно время масса электрокабелей достигала там 30 % веса электрооборудования самолетов и имела тенденцию к дальнейшему увеличению.

    Проблему удалось решить путем внедрения систем вида "общая линия с последовательной передачей", когда большинство электронных устройств соединяют между собой параллельно с помощью общего трехпроводного интерфейса, а обмен информацией между ними происходит по одним и тем же проводам, но разнесен во времени, точно так же, как это происходит в компьютерных сетях Ethernet.

    Аналогичные решения под названием мультиплексной проводки в начале 90-х годов стали использовать и в автомобильной промышленности. Первоначально, как водится, была "война стандартов", в числе которых фигурировали J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus и др. К настоящему времени наибольшее признание получил стандарт CAN, совместно разработанный фирмами Bosch и Motorola. Он обеспечивает скорость передачи до 1 Мбит/с и позволяет использовать для передачи информации как медные провода, так и оптоволокно.

Журнал "Радио" № 8-9, 1999
Автор:С.Агеев, г. Москва


Copyright © KVN (Valeri N.Kravchuk)  2004-2017 Brest   http://autobrestkvn.narod.ru   All Rights Reserved
Idea, Design, Web-programming, Support: KVN Web Design     E-mail   Hosting: Yandex.ru
Используются технологии uCoz