Система управления дизельных двигателей EA288

Общая схема системы

Система управления впускного и выпускного трактов

Будущие более строгие требования по нейтрализации ОГ делают необходимым расширение возможностей управления процессами во впускном и выпускном трактах двигателя. В дизельных двигателях семейства EA288 частью системы управления двигателя является система управления впускного и выпускного трактов. Система управления впускного и выпускного трактов базируется на цифровой модели, позволяющей рассчитывать состояния во впускном/выпускном тракте во всех режимах работы двигателя.

Система определяет все значения давления, температуры, массового расхода на впуске, в тракте наддувочного воздуха и в системе выпуска ОГ двигателя. Эти значения используются затем для регулирования давления наддува, наполнения цилиндров и степени рециркуляции ОГ. Применение цифровой модели позволяет сложной системе управления впускного и выпускного трактов двигателя с большим количеством исполнительных механизмов обходиться ограниченным набором датчиков.

Условные обозначения
1 Датчик температуры воздуха на впуске G42
2 Интеркулер
3 Датчик температуры наддувочного воздуха после интеркулера G811
4 Датчик Холла G40
5 Датчик температуры ОГ 3 G495
6 Окислительный нейтрализатор
7 Лямбда-зонд G39
8 Датчик температуры ОГ 1 G235
9 Турбина с переменной геометрией
10 Датчик температуры ОГ 2 G448
11 Электромагнитный клапан ограничения давления наддува N75
12 Датчик положения направляющего аппарата турбонагнетателя G581
13 Радиатор системы рециркуляции ОГ
14 Cажевый фильтр
15 Датчик разности давлений G505
16 Датчик температуры ОГ 4 G648
17 Лямбда-зонд после нейтрализатора G130
18 Блок заслонки ОГ J883
19 Датчик 1 давления ОГ G450
20 Исполнительный электродвигатель 2 системы рециркуляции ОГ V339
21 Насосная секция турбонагнетателя
22 Расходомер воздуха G70
23 Клапан 1 регулятора фаз газораспределения N205
24 Исполнительный электродвигатель системы рециркуляции ОГ V338
25 Блок дроссельной заслонки J338
26 Датчик давления наддува G31

Двухконтурная система рециркуляции ОГ

Двигатель EA288 Евро 6 оснащается системой рециркуляции ОГ с контурами высокого и низкого давления.

Контур рециркуляции ОГ высокого давления

Контур рециркуляции ОГ низкого давления

Рециркуляция ОГ высокого давления

При рециркуляции ОГ высокого давления рециркулируемые ОГ подаются без охлаждения от выпускного коллектора через канал в ГБЦ и исполнительный электродвигатель рециркуляции ОГ V338 в распределительный канал во впускном коллекторе. Рециркуляция ОГ высокого давления происходит только в фазе прогрева двигателя после холодного пуска. Она повышает температуру впускаемого воздуха и улучшает процесс сгорания.

Благодаря этому увеличивается температура ОГ, в результате чего окислительный нейтрализатор и накопительный нейтрализатор NOx быстрее прогреваются до своей рабочей температуры. Если это необходимо, в ходе работы двигателя на низких оборотах при небольшой нагрузке ОГ могут подмешиваться через контур рециркуляции высокого давления. Это предотвращает охлаждение компонентов нейтрализации ОГ при прогретом до рабочей температуры двигателе.

Принцип действия

Условные обозначения
1 Блок дроссельной заслонки J338
2 Исполнительный электродвигатель системы рециркуляции ОГ V338
3 Турбонагнетатель
4 Сажевый фильтр

Клапан рециркуляции ОГ 1 GX5

В состав клапана рециркуляции ОГ 1 GX5 входят исполнительный электродвигатель системы рециркуляции ОГ V338 и потенциометр системы рециркуляции ОГ G212.

Исполнительный электродвигатель системы рециркуляции ОГ V338

Исполнительный электродвигатель системы рециркуляции ОГ V338 управляется ШИМ-сигналом от блока управления двигателя и воздействует через механизм привода на подъёмный клапан.
Изменением положения подъёмного клапана регулируется поток рециркулируемых ОГ в контуре рециркуляции ОГ высокого давления. Блок управления двигателя регистрирует фактическое положение подъёмного клапана с помощью установленного в исполнительном электродвигателе потенциометра.
Исполнительный электродвигатель системы рециркуляции ОГ V338 закреплён винтами на впускном коллекторе. Для защиты от высоких температур он включён в контур системы охлаждения двигателя.

Последствия при выходе из строя
При выходе исполнительного электродвигателя системы рециркуляции ОГ V338 из строя рециркуляция ОГ высокого давления не выполняется.

Потенциометр системы рециркуляции ОГ G212

Использование сигнала
Потенциометр системы рециркуляции ОГ G212 встроен в клапан рециркуляции ОГ 1 GX5.
Посредством сигнала потенциометра определяется положение исполнительного электродвигателя системы рециркуляции ОГ V338 и тем самым подъёмного клапана. Эту информацию блок управления двигателя использует при расчёте и регулировании количества ОГ, рециркулируемых через контур высокого давления.

Последствия отсутствия сигнала
При отсутствии сигнала потенциометра рециркуляции ОГ G212 рециркуляция ОГ высокого давления деактивируется.

Распределительный канал контура рециркуляции ОГ высокого давления во впускном коллекторе

Во впускном коллекторе предусмотрен распределительный канал для рециркулируемых ОГ контура высокого давления. Выходные отверстия этого канала имеют разный диаметр для различных цилиндров для как можно более равномерного распределения рециркулируемых ОГ по всем цилиндрам.

Контур рециркуляции ОГ низкого давления

Рециркуляция ОГ низкого давления служит для уменьшения образования оксидов азота при сгорании топлива. Система перенята от двигателя EA288 Евро 5 и активна практически во всех режимах работы двигателя. При рециркуляции ОГ низкого давления отработавшие газы забираются после сажевого фильтра, расположенного около двигателя, проходят через радиатор системы рециркуляции и заслонку рециркуляции ОГ, управляемую исполнительным электродвигателем 2 системы рециркуляции ОГ V339, и далее направляются во впускной тракт непосредственно перед турбонагнетателем.

Преимущества по сравнению с системой рециркуляции ОГ высокого давления:
• ОГ имеют меньшую температуру и не содержат сажевых частиц.
• Через турбинную секцию турбонагнетателя проходит весь поток ОГ целиком. В результате улучшается реакция турбонагнетателя. Становится возможным обеспечение высоких давлений наддува прежде всего в режимах частичной нагрузки.
• Радиатор системы рециркуляции ОГ не загрязняется сажей, так как для рециркуляции отводятся ОГ, прошедшие через сажевый фильтр.

Принцип действия

Условные обозначения
1 Блок дроссельной заслонки J338
2 Турбонагнетатель
3 Сажевый фильтр
4 Блок заслонки ОГ J883
5 Радиатор системы рециркуляции ОГ
6 Исполнительный электродвигатель 2 системы рециркуляции ОГ V339

Управление рециркуляцией ОГ

Регулирование интенсивности рециркуляции ОГ в зависимости от режима работы двигателя в системе рециркуляции ОГ низкого давления производится блоком заслонки ОГ и исполнительным электродвигателем системы рециркуляции ОГ.
Необходимая степень открытия или закрытия регулирующих заслонок рассчитывается на основе цифровой модели в системе управления впускного и выпускного трактов по заданным значениям наполнения цилиндров, давления наддува и степени рециркуляции ОГ параметрического поля.

Модуль рециркуляции ОГ

Модуль рециркуляции ОГ контура рециркуляции ОГ низкого давления состоит из радиатора системы рециркуляции ОГ и исполнительного электродвигателя 2 системы рециркуляции ОГ V339. Модуль расположен между сажевым фильтром и турбонагнетателем. За счёт близкого расположения к двигателю и компактной конструкции потери скорости потока в тракте рециркуляции ОГ невелики.

Радиатор системы рециркуляции ОГ
Все рециркулируемые ОГ проходят через радиатор системы рециркуляции ОГ. Более низкая температура ОГ позволяет подмешивать к всасываемому в цилиндры воздуху большее количество ОГ. Кроме того, при такой схеме компоненты в тракте наддувочного воздуха защищены от слишком горячих ОГ.
Фильтрующий элемент
В корпусе сажевого фильтра между сажевым фильтром и радиатором системы рециркуляции ОГ расположен фильтрующий элемент из волокон нержавеющей стали. Фильтрующий элемент препятствует попаданию остаточных загрязняющих частиц из выпускного тракта в турбонагнетатель.

Исполнительный электродвигатель 2 системы рециркуляции ОГ V339

Исполнительный электродвигатель 2 системы рециркуляции ОГ V339 управляется ШИМ-сигналом от БУ двигателя и изменяет положение дроссельной заслонки рециркуляции ОГ. Положением этой дроссельной заслонки в сочетании с положением заслонки ОГ в блоке заслонки ОГ регулируется разность давлений между выпускным и впускным трактами.

Разница давлений определяет интенсивность рециркуляции ОГ. Интенсивность рециркуляции ОГ тем выше, чем больше разница давлений. Поскольку при работе двигателя с высокими нагрузками разница давлений может быть очень велика, в таких режимах интенсивность рециркуляции ОГ ограничивается заслонкой рециркуляции ОГ, приводимой исполнительным электродвигателем.
Заслонка ОГ остаётся при этом полностью открытой.

Последствия при выходе из строя
При выходе исполнительного электродвигателя 2 системы рециркуляции ОГ V339 из строя дроссельная заслонка рециркуляции ОГ закрывается пружиной. Рециркуляция ОГ больше не происходит.

Потенциометр 2 системы рециркуляции ОГ G466

Использование сигнала
Потенциометр 2 системы рециркуляции ОГ G466 установлен в исполнительном электродвигателе 2 системы рециркуляции ОГ V339.
По сигналу этого потенциометра определяется положение исполнительного электродвигателя 2 системы рециркуляции ОГ V339. Эту информацию блок управления двигателя использует при расчёте и регулировании количества рециркулируемых ОГ.
Последствия при выходе из строя
При отсутствии сигнала потенциометра 2 системы рециркуляции ОГ G466 рециркуляция ОГ не производится. Исполнительный электродвигатель 2 системы рециркуляции ОГ V339 больше не приводится в действие блоком управления двигателя, заслонка рециркуляции ОГ закрывается под воздействием пружины.

Блок заслонки ОГ J883

Блок заслонки ОГ J883 состоит из дроссельной заслонки и её электропривода. Блок установлен в системе выпуска ОГ за сажевым фильтром (в направлении потока ОГ). С помощью блока заслонки ОГ J883 можно дросселировать поток ОГ и тем самым регулировать интенсивность рециркуляции ОГ. Для этого блок управления двигателя подаёт в блок заслонки ОГ ШИМ-сигнал.

Принцип действия
Благодаря разнице давлений перед насосной секцией турбонагнетателя и за сажевым фильтром, в контуре рециркуляции ОГ низкого давления в широком параметрическом поле величина падения давления достаточна, чтобы обеспечить требуемую степень рециркуляции ОГ. В режимах, когда разница давлений оказывается недостаточной, необходимый перепад давлений достигается посредством активации заслонки системы выпуска ОГ. Заслонка ОГ при этом дросселирует весь поток ОГ, выходящих из сажевого фильтра. В результате давление ОГ перед заслонкой становится примерно на 10 мбар выше, чем после заслонки.
Благодаря этому избыточному давлению, увеличивается падение давления после модуля рециркуляции ОГ перед насосной секцией турбонагнетателя. За счёт этого возможность достаточно интенсивной рециркуляции ОГ обеспечивается во всём параметрическом поле.

Последствия при выходе из строя
При выходе блока заслонки ОГ J883 из строя заслонка ОГ перемещается пружиной в положение «открыто». В этом случае рециркуляция ОГ не производится.

Накопительный нейтрализатор оксидов азота

Модуль нейтрализации ОГ
Для соблюдения требований экологического класса Евро 6 в части предельных значений содержания оксидов азота двигатель EA288 Евро 6 оснащается накопительным нейтрализатором NOx. Для выделения оксидов азота из отработавших газов окислительный нейтрализатор, помимо платины, палладия и родия, имеет также покрытие из оксида бария и одновременно является накопительным каталитическим нейтрализатором NOx. В блоке управления двигателя заложена цифровая модель, на основании которой учитываются накапливаемые оксиды азота и выполняется регенерация накопительного нейтрализатора NOx.
В качестве входных параметров в цифровой модели используются данные от датчиков температуры ОГ и лямбда-зондов. Сажевый фильтр выполняет также функцию нейтрализатора для сероводорода, образующегося при удалении серы из накопительного нейтрализатора NOx. Для этого в сажевом фильтре имеется покрытие из оксида металла

Принцип действия
Накопление оксидов азота

В накопительном нейтрализаторе NOx имеется покрытие из оксида бария, в котором улавливаются и временно накапливаются содержащиеся в ОГ оксиды азота. Это происходит преимущественно при работе двигателя на бедной смеси (лямбда > 1) при температурах ОГ в диапазоне 220–450 °C.
Поскольку оксид бария может накапливать только диоксид азота (NO2), оксиды азота сначала окисляются на платиновом покрытии до диоксида азота и только после этого вступают в реакцию с оксидом бария с образованием нитрата бария.

Удаление оксидов азота (регенерация)

Когда способность накопительного нейтрализатора NOx воспринимать оксиды азота исчерпывается, блок управления двигателя инициирует процесс его регенерации. Регенерация накопительного нейтрализатора NOx может выполняться только при работе двигателя на богатой смеси (лямбда < 1).
В показанном примере оксиды азота удаляются в результате взаимодействия с молекулами монооксида углерода, в избытке имеющимися в ОГ.
При этом сначала монооксид углерода восстанавливает нитрат бария до оксида бария, побочными продуктами чего становятся диоксид углерода и монооксид азота. Благодаря наличию в накопительном нейтрализаторе NOx катализаторов родия и платины, оксиды азота восстанавливаются до азота. Монооксид углерода окисляется до диоксида углерода. Процедура регенерации (удаления оксидов азота) длится менее 7 с.

Изменение параметров впрыска топлива для реализации режима богатой смеси

Для реализации режима богатой смеси выполняется до 6 отдельных впрысков топлива. При этом моменты основного и предварительного впрысков смещаются в сторону «рано». Одновременно с этим первый добавочный впрыск топлива смещается в сторону «поздно» и уменьшается поступление воздуха.

Управление регенерацией оксидов азота

Управление регенерацией накопительного нейтрализатора NOx осуществляется на основании цифровой модели накопления и регенерации, рассчитываемой блоком управления двигателя.
В качестве входных параметров для расчётной модели используются данные от датчиков температуры ОГ и лямбда-зондов. Сигнал лямбдазонда перед нейтрализатором G39 применяется для расчёта содержания в ОГ оксидов азота и сажевых частиц. Кроме того, в фазе регенерации накопительного нейтрализатора NOx он используется в качестве входного параметра лямбдарегулирования. С помощью лямбда-зонда после нейтрализатора G130 система управления двигателя определяет момент завершения регенерации (удаления оксидов азота). В ходе регенерации содержание кислорода в ОГ регистрируется лямбда-зондами перед нейтрализатором и после него, эти значения сравниваются друг с другом.

В начале регенерации после нейтрализатора регистрируется более высокое содержание кислорода, чем перед нейтрализатором. Избыточное топливо реагирует с содержащимися в накопительном нейтрализаторе NOx оксидами азота, при этом устанавливается значение лямбда 1.

К концу регенерации содержание кислорода в ОГ после нейтрализатора уменьшается. Значение лямбда изменяется от 1 в сторону богатой смеси. Поскольку в накопительном нейтрализаторе NOx имеется теперь только минимальное количество оксидов азота, топливо не может больше вступать с ними в реакцию. Избыточное топливо проходит через нейтрализатор, и значение лямбда опускается ниже 1.

Десульфатация
В оксиде бария в нейтрализаторе накапливаются не только оксиды азота, но и содержащаяся в топливе сера. По мере эксплуатации имеющееся в нейтрализаторе свободное место всё больше заполняется серой. В результате периоды времени, через которые необходимо выполнять регенерацию, уменьшаются. Поскольку сера обладает достаточно высокой температурной стабильностью, при регенерации оксидов азота она не удаляется из нейтрализатора. Поэтому нейтрализатору необходима регулярная десульфатация (удаление серы). Момент выполнения десульфатации рассчитывается блоком управления двигателя. Для этого в блоке управления двигателя заложена цифровая модель накопления серы, входными параметрами в которой являются расход топлива и содержание серы в топливе. При предельных концентрациях серы в дизельном топливе на уровне 10 частей на миллион, законодательно установленных в Европе, десульфатация нейтрализатора необходима в среднем каждые 1000 км.

Принцип действия
Десульфатация накопительного нейтрализатора NOx требует температур ОГ более 620 °C. Поэтому десульфатация в большинстве случаев выполняется сразу же после регенерации сажевого фильтра. В этом случае высокая температура ОГ, возникающая при регенерации сажевого фильтра, может быть использована для сокращения времени нагрева накопительного нейтрализатора NOx. Когда достаточная для десульфатации температура ОГ будет достигнута, двигатель начинает попеременно работать в режимах богатой и бедной смеси. В режиме богатой смеси сера (SO) преобразуется в диоксид серы (SO2) и сероводород (H2S). Фазы бедной смеси служат для ограничения температуры ОГ в накопительном нейтрализаторе NOx, чтобы не допустить слишком больших термических нагрузок на детали. Небольшие количества сероводорода, образующиеся при десульфатации, преобразуются специальным задерживающим покрытием в сажевом фильтре в диоксид серы (SO2). В зависимости от дорожной ситуации и степени заполнения накопительного нейтрализатора NOx серой, десульфатация может продолжаться от 10 до 20 минут.

Датчик 1 давления ОГ G450

Законодательные нормы экологического класса Евро 6 требуют более строгого контроля эффективности работы сажевого фильтра. Такая контрольная функция реализуется в двигателе EA288 Евро 6 с помощью датчика 1 давления ОГ G450. Датчик установлен на кронштейне на клапанной крышке рядом с датчиком разности давлений G505. Места подключения датчика давления находятся за сажевым фильтром и во впускном коллекторе между воздушным фильтром и турбонагнетателем.
Чтобы иметь возможность без задержки регистрировать неисправность сажевого фильтра, система управления с помощью сигнала датчика давления 1 ОГ G450 контролирует величину потока ОГ в контуре рециркуляции ОГ низкого давления.
Когда сажевый фильтр неисправен, сажевые и другие твёрдые частицы осаждаются на фильтрующем элементе между сажевым фильтром и радиатором охлаждения контура рециркуляции ОГ низкого давления. Это приводит к тому, что поток ОГ через контур рециркуляции ОГ низкого давления уменьшается и больше не соответствует значениям, задаваемым блоком управления двигателя.

Использование сигнала
Блок управления двигателя использует сигнал датчика 1 давления ОГ G450 для контроля потока ОГ через контур рециркуляции ОГ низкого давления и тем самым исправности работы сажевого фильтра. При распознавании неисправности сажевого фильтра делается соответствующая запись в регистраторе событий.

Управление сгоранием топлива в зависимости от давления в цилиндрах

Для точного управления впрыском топлива блок управления двигателя учитывает ход изменения давления в цилиндре во время сгорания. Данные о фактическом значении давления в цилиндре блок управления двигателя получает от датчика давления в камере сгорания цилиндра 3 G679. Этот датчик установлен в корпусе свечи накаливания цилиндра 3. Сведения о давлении в цилиндре во время сгорания дают возможность системе управления адаптировать момент впрыска топлива в зависимости от интенсивности рециркуляции ОГ, качества топлива и износа деталей в течение всего срока эксплуатации двигателя. На основании сигналов датчика давления в камере сгорания цилиндра 3 G679 и датчика числа оборотов двигателя G28 блок управления двигателя рассчитывает картину давления в каждом из цилиндров по цифровой модели. Исходя из разницы заданных и действительных параметров рассчитываются корректирующие значения для момента впрыска и длительности использования форсунки.

Преимущества управления сгоранием топлива в зависимости от давления в цилиндрах:
• Прецизионная регулировка момента впрыска и количества впрыскиваемого топлива.
• Адаптация допусков количества впрыскиваемого топлива форсунок по мере эксплуатации двигателя.
• Более стабильная и равномерная работа двигателя по всем цилиндрам.
• Адаптация впрыска к задержке воспламенения в результате высокой степени рециркуляции ОГ и различий в качестве топлива.
• Управление режимами, предъявляющими определённые требования к работе двигателя, и сменой таких режимов (например, регенерация накопительного нейтрализатора NOx или регенерация сажевого фильтра) без воздействия на динамические свойства автомобиля.

Принцип действия
Принцип измерения давления датчиком давления в камере сгорания цилиндра 3 G679 основан на том, что нагревательный стержень является подвижным в осевом направлении и может передавать силу давления газов в цилиндре на измерительную мембрану. На этой мембране находятся тензорезисторы, которые меняют своё электрическое сопротивление при деформации.
На основании измеренного сопротивления электронная схема датчика генерирует и передаёт в блок управления двигателя аналоговый электрический сигнал, соответствующий давлению в камере сгорания.

Устройство свечи накаливания 3 Q12 с датчиком давления в камере сгорания цилиндра 3 G679

Использование сигнала
Сигнал датчика давления в камере сгорания цилиндра 3 G679 используется блоком управления двигателя для расчёта поправок при регулировании впрыска топлива.

Последствия отсутствия сигнала
При отсутствии сигнала от этого датчика управление сгоранием топлива в зависимости от давления в цилиндрах не выполняется. Это может выражаться в менее равномерной работе двигателя.

Система впрыска

В двигателях EA288, удовлетворяющих требованиям экологического класса Евро 6, устанавливается система впрыска топлива Common Rail производства фирмы Bosch, обеспечивающая давление впрыска до 2000 бар.
Максимальное давление впрыска по сравнению с двигателем EA288 Евро 5 было увеличено на прим. 200 бар, что потребовало модификации ТНВД и форсунок двигателя EA288 Евро 6 в соответствии с более строгими требованиями. Увеличение давления впрыска позволило уменьшить продолжительность впрыска и сечение отверстий распылителя. Это обеспечивает более гибкое управление сгоранием и улучшение процесса смесеобразования.

Форсунки
На рисунках ниже показаны основные отличия форсунок двигателя EA288 Евро 5 с максимальным давлением впрыска 1800 бар от форсунок двигателя EA288 Евро 6 с максимальным давлением впрыска 2000 бар. В то время как зона магнитного клапана форсунки осталась практически без изменений, в области ниже электромагнитного клапана в форсунках двигателя EA288 Евро 6 были выполнены следующие модификации:
• Благодаря отсутствию зоны низкого давления топлива в корпусе форсунки, снижается количество топлива в обратной топливной магистрали форсунки.
• Увеличенный объём топлива в зоне высокого давления в корпусе форсунки уменьшает колебания давления топлива на игле во время впрыска. Это означает более высокую точность дозирования впрыскиваемого топлива.
• Уменьшается объём замкнутого пространства распылителя под иглой. В результате сокращается количество топлива, попадающего в камеру сгорания неподготовленным и приводящего к увеличению выбросов углеводородов.

Форсунка двигателя EA288 Евро 5 и Форсунка двигателя EA288 Евро 6