System zarządzania silnikiem 1ZZ-FE i 3ZZ-FE — Opis projektu [Toyota Corolla Verso-AR10]

Projekt

Rysunek 2.30 przedstawia konfigurację elektronicznego układu zarządzania silnikiem.

Główne elementy układu zarządzania silnikiem

W układach sterowania silników 1ZZ-FE i 3ZZ-FE znajdują się zespoły podane w tabeli 2.6.

Tabela 2.6. Główne elementy układu zarządzania silnikiem

Sterownik silnika

Sterownik silnika bazuje na procesorze 32-bitowym.

Czujnik tlenu i czujnik stosunku powietrza do paliwa

W kolektorze dolotowym zamontowano niewielki czujnik tlenu i czujnik stosunku powietrza do paliwa o małej masie. Część powietrza dostającego się do silnika przechodzi przez strefę pomiarową czujnika (rys. 2.32). Dzięki bezpośredniemu pomiarowi masy i natężenia przepływu powietrza wpływającego do silnika, dokładność pomiaru ulega poprawie, a opór stawiany przez czujnik w kolektorze dolotowym zostaje zmniejszony.

Czujnik posiada wbudowany czujnik temperatury powietrza.

Czujnik położenia wału korbowego

Wirnik rozrządu wału korbowego ma 34 zęby, a w jednym miejscu brakuje 2 zębów. Czujnik położenia wału korbowego wysyła sygnał co 10°, a górny martwy punkt jest ustalany na podstawie odcinka z brakującymi zębami (rys. 2.33).

Czujnik położenia wałka rozrządu

Do określania położenia zaworów dolotowych na wałku rozrządu montuje się wirnik rozrządu, za pomocą którego na każde dwa obroty wału korbowego generowane są 3 impulsy (rys. 2.34).

Czujnik spalania stukowego (typ płaski)

W konwencjonalnych czujnikach spalania stukowego (typ rezonansowy) istnieje płyta, której częstotliwość drgań rezonansowych pokrywa się z częstotliwością detonacji silnika. Umożliwia rejestrację drgań bliskich częstotliwości rezonansowej.

W przeciwieństwie do tej konstrukcji, płaski czujnik spalania stukowego (typ nierezonansowy) umożliwia rejestrację drgań w szerszym zakresie częstotliwości (ok. 6–15 kHz) i ma następujące zalety.

Częstotliwość spalania stukowego w silniku zmienia się nieznacznie w zależności od prędkości wału korbowego. Płaski czujnik spalania stukowego umożliwia rejestrację drgań nawet przy zmianie częstotliwości detonacji silnika. Dzięki temu, w porównaniu do tradycyjnych czujników spalania stukowego, możliwości rejestrowania drgań zostały rozszerzone, co pozwala na dokładniejszą regulację kąta wyprzedzenia zapłonu.

Projekt

Płaski czujnik spalania stukowego mocowany jest do silnika za pomocą śruby wkręconej w blok cylindrów (rys. 2.36). Otwór na kołek przechodzi przez środek czujnika.

Wewnątrz czujnika, w jego górnej części, zamontowany jest ciężarek stalowy, który poprzez izolator opiera się na elemencie piezoelektrycznym.

Czujnik ma wbudowany rezystor służący do wykrywania przerw/zwarć.

Zasada działania

Drgania powstałe w wyniku detonacji silnika przenoszone są na stalowy ciężarek, który naciska na element piezoelektryczny. W rezultacie powstaje siła elektromotoryczna.

Rezystor wykrywający zwarcie/otwarcie

Gdy zapłon jest włączony, rezystor rejestrujący czujnika detonacji w obwodzie otwartym/zwartym i rezystor w ECU silnika utrzymują stałe napięcie na zacisku KNK1. Napięcie na zacisku jest stale monitorowane przez zintegrowany obwód ECU silnika. Jeśli obwód między czujnikiem detonacji a ECU silnika jest otwarty lub zwarty, napięcie na zacisku KNK1 zmienia się, a ECU silnika wykrywa przerwanie/zwarcie obwodu, zapisując w pamięci kod elektroniczny DTC P0325.

Zalecenia dotyczące konserwacji

Ze względu na wprowadzenie do obwodu rezystora otwartego/zwartego, zmieniono metodę testowania czujnika.



Aby zapobiec gromadzeniu się wilgoci w złączu, należy zainstalować płaski czujnik spalania stukowego, jak pokazano na rysunku 2.38.

Czujnik położenia przepustnicy

Czujnik położenia przepustnicy zamontowany jest na korpusie przepustnicy. Służy do określania kąta otwarcia przepustnicy. Czujnik położenia przepustnicy (czujnik Halla) składa się ze zintegrowanego układu z czujnikami Halla i obracającymi się wokół niego magnesami trwałymi. Magnesy zamontowane są wokół osi przepustnicy i obracają się synchronicznie z nią.

Gdy przepustnica się otwiera, magnesy obracają się wraz z nią. Czujniki Halla wykrywają zmiany strumienia magnetycznego i generują napięcie wyjściowe o odpowiedniej wartości na zaciskach VTA1 i VTA2. Sygnał ten służy do generowania sygnału otwarcia przepustnicy w sterowniku silnika.

Konstrukcja ta nie tylko gwarantuje wysoką dokładność określania położenia przepustnicy, ale jest także prosta i niezawodna, ponieważ wykorzystuje zasadę bezkontaktową. Dodatkowo, aby zwiększyć niezawodność czujnika, do generowania sygnałów wyjściowych zastosowano dwa układy o różnych charakterystykach wyjściowych.

Zalecenia dotyczące konserwacji

Ponieważ czujnik wykorzystuje układ scalony czujnika Halla, metoda testowania różni się od tej stosowanej w przypadku konwencjonalnego czujnika położenia przepustnicy.

Czujnik położenia pedału przyspieszenia

Czujnik położenia pedału przyspieszenia zamienia skok pedału na sygnały elektryczne o dwóch różnych charakterystykach i przesyła je do sterownika silnika. Sygnał VPA1 ma charakterystykę liniową i jest dostarczany przez cały czas trwania skoku pedału przyspieszenia. Sygnał VPA2 charakteryzuje się przesunięciem napięcia.

Elektroniczny wtrysk EFI

Układ EFI typu L bezpośrednio mierzy masę powietrza dostającego się do silnika za pomocą przepływomierza powietrza z elementem drutowym.

Zastosowano układ wtrysku rozproszonego (gdy paliwo jest wtryskiwane do każdego cylindra raz na dwa obroty wału korbowego).

Istnieją dwa rodzaje wtrysku paliwa:

• pierwszą metodą jest wtrysk synchroniczny, w którym czas trwania głównego wtrysku jest regulowany na podstawie sygnałów z czujników. w tym przypadku wtrysk odbywa się w tej samej pozycji wału korbowego;
• drugą metodą jest wtrysk asynchroniczny, w którym jeden moment wtrysku dla wszystkich wtryskiwaczy ustalany jest na podstawie sygnałów z czujników, niezależnie od położenia wału korbowego. Aby zmniejszyć zużycie silnika i zużycie paliwa, system włącza dopływ paliwa w określonych warunkach jazdy.

Przy niskiej temperaturze płynu chłodzącego i niskiej prędkości obrotowej silnika system zapewnia dodatkowy wtrysk paliwa.

Inteligentny elektroniczny układ sterowania przepustnicą ETCS-i

System ETCS-i charakteryzuje się wyjątkowymi możliwościami sterowania przepustnicą we wszystkich trybach pracy silnika. Nowe silniki 1ZZ-FE i 3ZZ-FE nie posiadają mechanicznego sterowania przepustnicą, a czujnik położenia pedału gazu jest zamontowany na pedale przyspieszenia.

W konwencjonalnym układzie przepustnicy kąt otwarcia przepustnicy jest określany przez skok pedału przyspieszenia. Natomiast w systemie ETCS-i sterownik silnika oblicza optymalną pozycję przepustnicy na podstawie warunków jazdy i ustala ją, sterując silnikiem napędowym.

System ETCS-i steruje układem kontroli prędkości biegu jałowego ISC, układem regulacji prędkości obrotowej silnika, układem kontroli trakcji TRC i układem kontroli stabilności pojazdu VSC.

W przypadku wykrycia nieprawidłowości system przełącza się w tryb awaryjny.

Zasada działania

W zależności od trybu pracy sterownik silnika ECU ustala wymagany kąt otwarcia przepustnicy i steruje silnikiem siłownika przepustnicy. Poniżej wymieniono tryby, za które odpowiada komputer sterujący silnikiem.

• Tryb nieliniowy.
• Tryb bezczynności.
• Sterowanie przepustnicą przy działającym układzie kontroli trakcji (TRC).
• Tryb koordynacji z systemem VSC.
• Tempomat.

Tryb nieliniowy

System ustawia przepustnicę w optymalnym położeniu, odpowiadającym warunkom jazdy, tj. położeniu pedału przyspieszenia i obrotom silnika, zapewniając precyzyjną kontrolę przepustnicy i komfortową jazdę w każdym trybie.

Tryb bezczynności

Sterownik silnika reguluje położenie przepustnicy, stale utrzymując optymalną prędkość biegu jałowego.

Sterowanie przepustnicą

gdy działa układ kontroli trakcji (TRC)

Po aktywacji układu kontroli trakcji (TRC) i znacznym poślizgu koła napędowego sterownik TRC wysyła sygnał zamknięcia przepustnicy, co pomaga utrzymać kontrolę nad pojazdem i przyczepność kół.

Tryb koordynacji z systemem VSC

Aby zwiększyć wydajność systemu VSC, położenie przepustnicy jest kontrolowane wspólnie z komputerem sterującym układem kontroli poślizgu.

Tempomat

Sterownik silnika ze zintegrowanym tempomatem bezpośrednio steruje położeniem przepustnicy, utrzymując stałą prędkość jazdy.

Działanie czujnika położenia pedału przyspieszenia w trybie awaryjnym

Do przesyłania sygnału czujnika położenia pedału przyspieszenia służą dwa obwody (główne i pomocnicze). Jeżeli jeden z obwodów czujnika ulegnie awarii, sterownik silnika wykryje nieprawidłową różnicę napięć między sygnałami w obu obwodach i przełączy się w tryb awaryjny. Aby zachować możliwość sterowania pojazdem w trybie awaryjnym, zastosowano nieuszkodzony obwód wykrywający położenie pedału przyspieszenia.

Jeżeli oba obwody czujników są uszkodzone, komputer sterujący silnikiem rozpoznaje nieprawidłowe napięcia sygnału w obu obwodach i wyłącza układ sterowania przepustnicą. W tym trybie pojazd może poruszać się z prędkością obrotową wału korbowego równą prędkości obrotowej biegu jałowego.

Do przesyłania sygnału czujnika położenia przepustnicy służą dwa obwody (główne i pomocnicze). Jeżeli jeden z obwodów czujnika ulegnie awarii, sterownik silnika wykrywa nieprawidłową różnicę napięć między sygnałami w obu obwodach, rozłącza zasilanie silnika siłownika przepustnicy i przełącza się na tryb awaryjny. W tym przypadku pod wpływem sprężyny powrotnej przepustnica zostaje ustawiona w wstępnie ustawionej pozycji lekko otwartej. Dzięki temu samochód może poruszać się w trybie awaryjnym. Moc silnika reguluje się poprzez zmianę ilości wtryskiwanego paliwa oraz zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu, w zależności od położenia pedału przyspieszenia.

Ten sam tryb sterowania zostanie użyty w przypadku, gdy ECU wykryje usterkę silnika siłownika przepustnicy.

Elektroniczny układ zmiennych faz rozrządu WT-i

System VVT-i przeznaczony jest do regulacji kąta obrotu wałka rozrządu zaworów dolotowych w zakresie 40° (według kąta obrotu wału korbowego) i ustawienie faz rozrządu optymalnie odpowiadające trybom pracy silnika. System pozwala na zwiększenie momentu obrotowego przy dowolnej prędkości obrotowej wału korbowego, a także przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa i ograniczenia zawartości szkodliwych substancji w spalinach (rys. 2.45).



Na podstawie prędkości obrotowej wału korbowego, objętości powietrza dostającego się do silnika, położenia przepustnicy i temperatury płynu chłodzącego, sterownik silnika ECU ustala optymalny czas otwarcia zaworów dla danego trybu pracy silnika i steruje zaworem hydraulicznym w celu zmiany faz. Ponadto, przetwarzając sygnały z czujników położenia wałka rozrządu i wału korbowego, sterownik silnika określa rzeczywisty czas otwarcia zaworów, dostarczając informacji zwrotnych do sterowania czasem otwarcia zaworów (rys. 2.46).

Jednostka sterująca WT-i

Jednostka sterująca składa się z obudowy z napędem od łańcucha mechanizmu zaworowego i aparatu prowadzącego połączonego z wałkiem rozrządu zaworów dolotowych.

Olej pod ciśnieniem dostaje się kanałem wałka rozrządu zaworów dolotowych do zaworu hydraulicznego sterowanego przez komputer silnika. Następnie zawór redystrybuuje olej, zależnie od poleceń ECU, albo do kanału wyprzedzającego, albo do kanału opóźniającego, aby otworzyć zawory dolotowe, co z kolei powoduje obrót elementu prowadzącego WT-i, zapewniając w ten sposób płynną zmianę faz rozrządu zaworów dolotowych.

Gdy silnik nie pracuje, wałek rozrządu zaworów dolotowych znajduje się w najbardziej opóźnionym położeniu, co zapewnia najlepsze właściwości rozruchu silnika.

Jeżeli od razu po uruchomieniu silnika do jednostki sterującej VVT-i nie zostanie doprowadzony olej pod ciśnieniem, sworzeń blokujący zablokuje obrót jednostki sterującej VVT-i, zapobiegając detonacji.

Zawór zmiany fazy hydraulicznej

Zawór sterujący hydraulicznym rozrządem steruje położeniem zaworu suwakowego zgodnie z cyklicznymi poleceniami z komputera sterującego silnikiem. W rezultacie do sterownika WT-i dostarczany jest olej pod ciśnieniem, który powoduje przyspieszenie lub opóźnienie wałka rozrządu. Gdy silnik nie pracuje, zawór hydraulicznego sterowania fazami rozrządu znajduje się w położeniu największego opóźnienia.

Zasada działania (osiągnięcie)

Jeżeli zawór hydrauliczny służący do zmiany faz rozrządu pod wpływem sygnałów wyprzedzenia z komputera sterującego silnikiem jest ustawiony tak, jak pokazano na rysunku 2.48, to powstałe ciśnienie oleju jest doprowadzane do elementu prowadzącego od strony wyprzedzenia, a wałek rozrządu obraca się w kierunku wyprzedzenia kąta otwarcia zaworu.

Zasada działania (opóźnienie)

Jeżeli zawór hydrauliczny zmiany faz pod wpływem sygnałów retardacji z komputera sterującego silnikiem jest umiejscowiony tak jak pokazano na rysunku 2.49, wówczas olej pod ciśnieniem jest dostarczany do elementu prowadzącego od strony retardacji, a wałek rozrządu obraca się w kierunku retardacji kąta otwarcia zaworu.

Mocowanie wału w pozycji zamontowanej

Po ustawieniu wałka rozrządu w odpowiednim położeniu zawór hydrauliczny zmiany faz przyjmuje położenie neutralne, blokując wałek rozrządu do momentu zmiany warunków jazdy. W ten sposób można regulować rozrząd zaworowy i zapobiegać niepotrzebnym wyciekom oleju silnikowego.

Sterowanie pompą paliwa

W przypadku zadziałania poduszki powietrznej w przypadku zderzenia czołowego lub bocznego, dostępna jest funkcja odcięcia paliwa, która wyłącza pompę paliwa. Funkcja ta jest aktywowana przez sygnał aktywacji poduszki powietrznej z czujnika poduszki powietrznej, który jest rejestrowany przez sterownik silnika; Sterownik silnika wyłącza przekaźnik wyłącznika automatycznego. Po wyłączeniu silnika dopływ paliwa można przywrócić, a silnik uruchomić poprzez przekręcenie kluczyka w stacyjce z pozycji OFF do pozycji ON.

Sterowanie wyłączaniem klimatyzatora

W modelach bez klimatyzacji prędkość wentylatora układu chłodzenia jest regulowana przez komputer sterujący silnikiem na podstawie sygnałów z czujnika temperatury płynu chłodzącego.

Modele z klimatyzacją mają dwie prędkości wentylatora chłodzącego: niską i wysoką. Sterownik silnika wydaje polecenie włączenia wysokich obrotów na podstawie sygnałów z czujnika temperatury płynu chłodzącego i czujnika ciśnienia klimatyzacji. Za regulację niskiej prędkości odpowiada jednostka sterująca klimatyzacją.

Funkcja sterowania rozrusznikiem "Rozruch półautomatyczny"

W nowym modelu samochodu zastosowano funkcję sterowania rozrusznikiem "Rozruch półautomatyczny". Po naciśnięciu przycisku rozruchu silnika funkcja ta pozostaje aktywna do momentu uruchomienia silnika. Pedał hamulca musi być wciśnięty (w modelach ze skrzynią biegów manualną multimodalną M-MT) lub pedał sprzęgła (w modelach ze skrzynią manualną). Zwiększa to niezawodność rozruchu silnika i eliminuje możliwość zadziałania rozrusznika po uruchomieniu silnika.

Jeżeli moduł sterujący silnikiem otrzyma sygnał rozruchu od modułu sterującego zasilaniem, system monitoruje sygnał prędkości obrotowej silnika (NE) i nie wyłącza rozrusznika do momentu uruchomienia silnika. Ponadto, jeśli moduł sterujący silnikiem otrzyma sygnał rozruchu od modułu sterującego układem elektrycznym, ale ustali, że silnik już pracuje, nie uruchomi rozrusznika.

Zasada działania

Jak pokazano na rysunku 2.56, gdy sterownik silnika odbiera sygnał startu (STSW) z sterownika zasilania, wysyła on sygnały STAR i ACCR do sterownika zasilania. Ten ostatni z kolei wysyła sygnał do przekaźnika rozrusznika w celu włączenia rozrusznika. Jeżeli silnik jest już uruchomiony, sterownik silnika nie wysyła sygnałów STAR i ACCR do sterownika zasilania. Dlatego też sterownik układu zasilania nie dostarcza zasilania do przekaźnika rozrusznika.

Po włączeniu rozrusznika i przekroczeniu przez wał korbowy prędkości obrotowej około 500 min⁻¹, komputer sterujący silnikiem ustala, że silnik został uruchomiony i wyłącza rozrusznik.

Jeżeli silnik ulegnie awarii i nie da się go uruchomić, rozrusznik pracuje przez maksymalny dozwolony czas, po czym wyłącza się automatycznie. Maksymalny czas pracy rozrusznika wynosi około 2 do 25 sekund, zależnie od temperatury płynu chłodzącego. Jeżeli temperatura płynu chłodzącego jest bardzo niska, rozrusznik pracuje przez około 25 sekund, a przy dostatecznie ciepłym silniku rozrusznik pracuje nie dłużej niż 2 sekundy.

Aby wyeliminować dodatkowe obciążenie wynikające z niestabilnego napięcia podczas rozruchu silnika, system odłącza na ten czas zasilanie urządzeń pomocniczych.

System zapewnia następujące poziomy ochrony:

• jeśli silnik jest już uruchomiony, rozrusznik nie uruchomi się nawet po przekręceniu kluczyka w stacyjce do pozycji START;
• nawet jeśli kierowca trzyma kluczyk w stacyjce w pozycji START, po uruchomieniu silnika po półobrocie, komputer sterujący silnikiem wyłączy rozrusznik, gdy prędkość obrotowa silnika osiągnie około 1200 min⁻¹ lub więcej;
• nawet jeśli kierowca pozostawi kluczyk w stacyjce w pozycji START, a silnik nie uruchomi się, komputer sterujący silnikiem wyłączy rozrusznik po około 30 sekundach;
• jeżeli ECU silnika nie otrzyma sygnału o prędkości obrotowej silnika podczas pracy rozrusznika, natychmiast przestaje wysyłać sygnały STAR i ACCR.

Diagnostyka

Typ układu diagnostycznego EURO-OBD (Europejska diagnostyka pokładowa), stosowany w silnikach 1ZZ-FE i 3ZZ-FE, spełnia wymagania norm europejskich.

Jeśli sterownik silnika wykryje usterkę, przeprowadza diagnostykę i zapisuje uszkodzony komponent w swojej pamięci. Dodatkowo, w celu poinformowania kierowcy, kontrolka ostrzegawcza silnika Chk Eng na desce rozdzielczej świeci się stale lub zaczyna migać.

Sterownik silnika zapisuje w swojej pamięci również elektroniczne kody DTC wszystkich usterek. Kody te można odczytać przy użyciu testera mikroprocesora P.

Wszystkie kody DTC odpowiadają kodom SAE. Niektóre DTC podzielono na mniejsze podsekcje niż poprzednio, a do podsekcji przypisano nowe DTC.

Zalecenia dotyczące konserwacji

Aby wyczyścić kody DTC zapisane w pamięci sterownika silnika, należy użyć testera mikroprocesora II lub odłączyć zacisk akumulatora lub wyjąć bezpiecznik EFI na co najmniej jedną minutę.

Praca systemu w trybie awaryjnym

Gdy zostanie wykryta usterka, sterownik silnika wyłącza silnik lub przełącza go w tryb pracy awaryjnej na podstawie danych zapisanych w pamięci.

Tabela 2.9. Praca systemu w trybie awaryjnym