Навчальний посібник з дисципліни «електронне та мікропроцесорне обладнання автомобілів» для студентів усіх форм навчання освітньо-кваліфікаційного рівня «Бакалавр» за спеціальністю

УДК 629.113.066
ББК 39.33-5
Електронне та мікропроцесорне обладнання автомобілів: навч. посіб. / Ю.І.
Пиндус, Р.Р. Заверуха. – Тернопіль: ТНТУ, 2016. – 209 с.
Навчальний посібник з дисципліни «Електронне та мікропроцесорне обладнання автомобілів» розроблений відповідно до ОПП, ОКХ та навчального плану підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня «Бакалавр» за спеціальністю 274 «Автомобільний транспорт».
В навчальному посібнику дано вичерпні теоретичні відомості по тенденції розвитку автомобільного бортового електричного та електронного устаткування; датчиках новітніх автомобільних електронних систем; електронному керуванню автомобільним двигуном; функціональних перетворювачах в автомобільних системах керування; спеціалізованих бортових системах автомобілів; автомобільних мультиплексних системах передачі інформації. Проаналізовано протокол CAN для автомобільних мультиплексних систем. Дано детальний аналіз системі керування курсовою стійкістю автомобіля та електромагнітному приводу газорозподільних клапанів в поршневому двигуні внутрішнього згоряння. Подано вичерпну і детальну інформацію про перспективи розвитку гібридних автомобілів та електромобілів В кожній з висвітлених тем ставиться наголос на детальну будову, використання, і технічні характеристики автотронної системи чи її компонента.
Укладачі: к.т.н., доц. Пиндус Ю.І. асист. Заверуха Р.Р.
Рецензент: к.т.н., доц. Медвідь Р.В.
Розглянуто та схвалено на методичному семінарі кафедри
автомобілів (протокол № 1 від 25.08.2016).
Рекомендовано до друку методичною радою факультету інженерії
машин, споруд та технологій (протокол № 1 від 29.08.2016).
Відповідальний за випуск: к.т.н. Клендій В.М.

3
ЗМІСТ
ВСТУП………………………………………………………………………………....8
Тема 1 Тенденції розвитку автомобільного бортового електричного та
електронного устаткування ………………………………………………………10
1.1 Перспективи розвитку електричного та електронного устаткування……..…10 1.2 Розвиток і удосконалення автотронних систем………………………………..11 1.3 Автотронна система керування курсовою стійкістю руху автомобіля………11 1.4 Автотронне керування насос-форсунками системи впорскування палива….14 1.5 Перспективи розвитку автомобільних бортових пристроїв…………………..16 1.6 Удосконалення електропостачання автомобільних електронних систем……17 1.7 Сучасна мікропроцесорна система запалювання з низькорівневим багатоканальним розподілом енергії по свічках…………………………………..17
Тема 2 Датчики новітніх автомобільних електронних систем………………18
2.1 Передумови створення датчиків АЕС. ………………………………………...19 2.2 Датчики тиску. …………………………………………………………………..23 2.2.1 Датчики барометричного тиску і абсолютного тиску у впускному колекторі.
2.2.2 Датчики тиску в рідинних середовищах. ……………………………………27 2.2.3 Нові застосування датчиків тиску. …………………………………………...27 2.2.4 Нові конструкції датчиків тиску. …………………………………………….29 2.3 Датчики температури і вологості. ……………………………………………...32 2.3.1 Вузли автомобіля, в яких проводиться вимірювання температури. ……….33 2.3.2 Термістори. …………………………………………………………………….35 2.3.3 Термопари. …………………………………………………………………….37 2.3.4 Інші типи датчиків температури. ……………………………………………37 2.3.5 Датчики вологості. ……………………………………………………………38 2.4 Датчики витрати рідини і газів. ………………………………………………..38 2.4.1 Загальні відомості про датчики витрати рідини і газів. ……………………38 2.4.2 Витратоміри і массметри. ……………………………………………………39 2.4.3 Датчик Кармана. ………………………………………………………………39 2.5 Датчики складу вихлопних газів. ………………………………………………41 2.5.1 Цирконієві й титанові датчики концентрації кисню у вихлопних газах…..41 2.5.2 Датчики кисню для двигунів, що працюють на збіднених сумішах. ……..42 2.5.3 Вплив різних факторів на характеристики датчиків кисню. ………………43 2.5.4 Газоаналізатори. ………………………………………………………………44 2.6 Датчики кутових і лінійних переміщень і положень…………………………44 2.6.1 Загальні відомості про датчики кутових і лінійних переміщень і положень.
2.6.2 Контактні датчики. ………………………………………………………..….45 2.6.3 Безконтактні датчики. ………………………………………………………..47

4 2.7 Радарні та інші спеціальні датчики. ………………………………………..…51 2.7.1 Радарні і ультразвукові датчики. ……………………………………………51 2.7.2 Датчики прискорення (акселерометри). …………………………………….52 2.7.3 Датчик детонації. …………………………………………………………..…54 2.7.4 Датчик змісту метанолу в паливі. ……………………………………………55 2.7.5 Датчики стану електричних ланцюгів. ……………………………………...56 2.7.6 Інтеграція датчиків……………………………………………………………56
Тема 3 Електронне управління автомобільним двигуном……………………57
3.1 Необхідність електронного управління автомобільним двигуном …………57 3.1.1 Зменшення забруднення навколишнього середовища вихлопними газами 58 3.1.2 Екологія бензинових двигунів ……………………………………………….58 3.1.3 Каталітичний газонейтралізатор ……………………………………………..58 3.1.4 Кут випередження запалювання ……………………………………………..58 3.1.5 Екологія дизельних л живильників …………………………………………..59 3.1.6 Зменшення споживання палива ……………………………………………..59 3.1.7 Діагностика ……………………………………………………………………59 3.2 Функції електронних систем управління бензиновим двигуном…………….60 3.2.1 Визначення необхідної кількості палива ……………………………………60 3.2.2 Управління по сигналу датчика кисню …………………………………..…60 3.2.3 Управління кутом випередження запалювання…………………………….62 3.3 Режими роботи системи управління двигуном ……………………………….62 3.3.1 Запуск двигуна ……………………………………………………………..…62 3.3.2 Прогрівання двигуна …………………………………………………………62 3.3.3 Робота в перехідних режимах ………………………………………………..63 3.3.4 Повне навантаження …………………………………………………………..63 3.3.5 Робота на холостих обертах ………………………………………………….63 3.4 Системи подачі палива ………………………………………………………….64 3.4.1 Класифікація систем…………………………………………………………...64 3.4.2 Карбюратор з електронним управлінням ……………………………………65 3.4.3 Системи з центральним уприскуванням палива …………………………….66 3.4.4 Системи з розподіленим уприскуванням палива……………………………67 3.5 Системи електроіскрового запалювання ………………………………………68 3.6 Комплексні системи управління двигуном…………………………………….68 3.7 Діагностичні функції системи управління двигуном………………………….70 3.7.1 Основні відомості про стандарт OBD-II……………………………………...70 3.7.2 Структура програмного забезпечення систем OBD-II………………………71 3.7.3 Монітор каталітичного нейтралізатора………………………………………72 3.7.4 Монітор датчиків кисню………………………………………………………72 3.7.5 Монітор пропусків у системі запалювання………………………………….72 3.7.6 Монітор паливної системи…………………………………………………….73 3.7.7 Монітор системи уловлювання парів бензину………………………………74 3.7.8 Монітор системи рециркуляції вихлопних газів…………………………….75 3.7.9 Монітор інжекції вторинного повітря (AIR-monitor) в каталітичний нейтралізатор………………………………………………………………………...76
Тема 4 Функціональні перетворювачі в автомобільних системах керування

5 4.1. Функціональний перетворювач………………………………………………..76 4.2. Лінгвістичні перетворювачі ……………………………………………………77 4.3. Продукційні правила …………………………………………………………...79 4.4. Застосування нечіткої логіки управління……………………………………...81
Тема 5 Спеціалізовані бортові системи автомобілів…………………………..83
5.1 Сучасна інформаційна система водія ………………………………………….83 5.1.1 Системи розпізнавання голосу і перетворення тексту в мову……………...85 5.1.2 Бортовий комп'ютер ………………………………………………………….85 5.1.3 Інформація про стан бортових систем автомобіля …………………………87 5.2 Бортові засоби відображення інформації …………………………………..…88 5.2.1 Стрілочні індикатори …………………………………………………………89 5.2.2 Цифрові індикатори (дисплеї)………………………………………………..89 5.2.3 Індикатори на світлодіодах ………………………………………………….90 5.2.4 Рідкокристалічні дисплеї …………………………………………………….90 5.2.5 Вакуумні флуоресцентні індикатори…………………………………………91 5.2.6 Електронно-променеві трубки ……………………………………………….92 5.3 Приладові панелі ……………………………………………………………..…93 5.4 Відображення інформації на лобовому склі…………………………………..94 5.5 Перспективні засоби відображення інформації…………………………….…95 5.6 Навігаційні системи автомобіля ……………………………………………….96 5.6.1 Функції, структура і складові компоненти навігаційної системи …………96 5.6.2 Датчик азимута (компас) …………………………………………………..…97 5.6.3 Датчик швидкості обертання коліс………………………………………..…98 5.6.4 Гіроскоп ……………………………………………………………………….99 5.7 Навігаційне числення …………………………………………………………100 5.8 Електронні картки …………………………………………………………….101 5.8.1 Орієнтування па карті місцевості але конфігурації пройденого шляху…101 5.8.2 Вибір оптимального маршруту ПО ……………………………………..…102 5.9 Супутникове позиціонує система GPS………………………………………103 5.10 Приклади автомобільних навігаційних систем ……………………………104 5.11 Системи охоронної сигналізації і протиугонні пристрої …………………106 5.11.1 Електронні протиугінні системи …………………………………………106 5.11.2 Дистанційне керування протиугінними пристроями……………………107 5.11.3 Характеристики протиугінних систем з дистанційним управлінням …108 5.11.4 Робота протиугінної системи з дистанційним управлінням ……………109 5.11.5 Види злому і захист від них ………………………………………………110 5.11.6 Шифратори і дешифратори динамічного коду Keeloq …………………111 5.11.7 Іммобілайзер з транспондером ……………………………….……….…113 5.11.8 Конфігурація протиугінної системи …………………………………..…114 5.11.9 Додаткові датчики…………………………………………………………115
Тема 6 Автомобільні мультиплексні системи передачі інформації………116
6.1 Поняття про автомобільні мультиплексний системах …………………….116

6 6.2 Локальні обчислювальні мережі ………………………………………….…119 6.2.1 Еталонні моделі взаємодії систем …………………………………………119 6.2.2 Протоколи комп'ютерних мереж ……………………………………..……121 6.2.3 Фізична передає середовище в ЛВС ………………………………………121 6.2.4 Основні топології ЛОМ ……………………………………………………123 6.2.5 Методи доступу до передавальної середовищі……………………………124 6.2.6 Тимчасове та частотне ущільнення сигналів в мультиплексний система.124 6.3 Приклади автомобільних мультиплексних систем ………………………….125 6.3.1 Клас А …………………………………………………………………….….125 6.3.2 Клас В…………………………………………………………………………126 6.3.3 Клас С…………………………………………………………………………129 6.4 Протоколи високих рівнів ………………………………………………….…129 6.4.1 Транспортний рівень ………………………………………………………..130 6.4.2 Прикладний рівень ………………………………………………………….132 6.4.3 Управління мережею (диспетчеризація) …………………………………..133 6.5 Протоколи низького рівня (шинні) …………………………………………..134 6.5.1 Канал зв'язку………………….………………………………………………135 6.5.2 Підрівні MDI і РМА …………………………………………………………136 6.5.3 Сигнали на фізичному рівні (підрівень PLS)……………………………….136 6.5.4 Управління доступом до середовища (підрівень MAC)………………...…137
Тема 7 Протокол CAN для автомобільних мультиплексних систем………139
7.1 Попередні зауваження…………………………………………………………139 7.2 Архітектура протоколу CAN …………………………………………………139 7.3 Передає середовище і нижні підрівні протоколу CAN…………………...…140 7.4 Підрівень PLS ………………………………………………………………….142 7.5 Підрівень MAC (Управління доступом до середовища в CAN) ……………144 7.6 Підрівень LLC …………………………………………………………………149 7.6.1 Можливості підрівня …………………………………………………….…149 7.6.2 Обмеження поширення помилок ………………………………………..…150
Тема 8 Система управління курсовою стійкістю автомобіля………………152
8.1 Попередні відомості……………………………………………………………152 8.2 Концепція та варіаційні параметри системи VРС ………………………...…153 8.3 Функціональна блок-схема системи VDC……………………………………156 8.4 Технічна реалізація системи VDC ……………………………………………158 8.4.1 Основні компоненти …………………………………………………………158 8.4.2 Датчики системи VDC ……………………………………………………...159 8.4.3 Гідросистема …………………………………………………………………160 8.4.4 Електронний блок управління………………………………………………161 8.5 Результати експериментальних досліджень ………………………………...161 8.5.1 Випробування автомобіля з системою VDC при різкій зміні напряму руху
8.5.2 Гальмування при русі автомобіля по гладкому льоду ……………………163 8.5.3 Випробування автомобіля при русі по замкнутій траєкторії зі збільшенням швидкості ………………………………………………………………………….163 8.6 Надійність системи VDC. Пошук несправностей……………………………164

7
Тема 9 Електромагнітний привід газорозподільних клапанів в поршневому
двигуні внутрішнього згоряння…………………………………………………166
9.1 Попередні зауваження…………………………………………………………166 9.2 Механічні клапани……………………………………………………………..166 9.3 Електромагнітні клапани………………………………………………………167 9.4 Електромагнітний клапан з пружинним ударним пристроєм ………………168 9.5 Електромагнітний клапан з пружинною амортизацією …………………….169 9.6 Електромагнітний клапан з демпферним пристроєм ……………………..…171 9.7 Електромагнітний клапан без поворотної запірної пружини ………………173 9.8 Магнітоелектричний клапан з гідравлічним амортизатором ……………….175 9.9 Електромагнітний клапан з пневматичним амортизатором ……………...…182 9.10 Висновки………………………………………………………………………184
Тема 10 Електромобілі……………………………………………………………185
10.1 Загальні відомості про електромобілі……………………………………….185 10.2 Експлуатаційні характеристики електромобілів……………………………187 10.3 Вузли, агрегати та системи електромобіля …………………………….….189 10.3.1 Класична схема ………………………………………………………….…189 10.3.2 Компоненти сучасного електромобіля ……………………………………190 10.4 Зарядні та захисні пристрої …………………………………………………191 10.4.1 Зарядні пристрої ……………………………………………………………191 10.4.2 Захисні пристрої ……………………………………………………………193 10.5 Електродвигуни та приводні системи електромобіля………………………194 10.5.1 Двигуни змінного струму …………………………………………………194 10.5.2 Електродвигуни постійного струму ………………………………………195 10.5.3 Безколекторні електродвигуни постійного струму ……………………..195 10.5.4 Електроприводні системи …………………………………………………196 10.5.5 Електропривод постійного струму ……………………………………….196 10.5.6 Привід безколекторних двигунів постійного струму……………………197 10.5.7 Електропривод змінного струму …………………………………………197 10.5.8 Напівпровідникові ключові пристрої …………………………………….198 10.5.9 Коробки перемикання передач для електромобілі……………………….199 10.5.10 Безпосередній привід……………………………………………………..200 10.6.Тягові акумуляторні батареї ……………………………………………….200 10.6.1 Вимоги до акумуляторів електромобілів ……………………………..…201 10.6.2 Робота акумулятора ………………………………………………………201 10.6.3 Типи акумуляторів для тягових акумуляторних б: 1.; Арен ……………201 10.6.4 Перспективні джерела енергії для електромобілів ……………………..201 10.7 Допоміжні бортові системи електромобіля ……………………………….203 10.7.1 Система управління електромобілем ……………………………………203 10.7.2 Електромобільних система клімат-контролю …………………………..203 10.7.3 Низьковольтні джерела живлення ………………………………………..204 10.8 Інфраструктура ………………………………………………………………204 10.8.1 Електричні мережі …………………………………………………………204 10.8.2 Вищі гармоніки і коефіцієнт потужності ………………………………...205

8 10.8.3 Електромагнітне випромінювання ……………………………………….205 10.9 Гібридні електромобілі ……………………………………………………...205 10.9.1 Послідовна схема ………………………………………………………….206 10.9.2 Паралельна схема ……………………………………………………….…206 10.9.3 Змішана схема ……………………………………………………………...206
Вступ
Автомобільна промисловість відіграє провідну роль у індустрії будь-якої країни і визначає рівень його економічного розвитку. Разом з тим завдання виробництва автомобілів залежить від споживчого попиту. У першій половині ХХ ст. в нашій країні головне завдання полягало в організації масового виробництва автомобілів з це ¬ наливаю забезпечення потреб народного господарства. До автомобілів в першу чергу пред'являлися вимоги надійності, довговічності і міцності конструкції з урахуванням особливостей наших дорожніх умов і одночасно невисокої вартості. Тому наші автомобілі відрізнялися конструктивною простотою і на них встановлювалося тільки електричне обладнання. У другій половині ХХ ст. індустріально-економічний рівень і наукові досягнення суттєво зросли. Це дозволило враховувати такі споживчі вимоги, як підвищення рівня безпеки автомобіля, екологічність і комфорт управління шляхом ускладнення конструкції, що призвело до його подорожчання. Розвиток електронної промисловості дало можливість вирішувати зазначені завдання шляхом впровадження в автомобіль спочатку порівняно простих вузлів і приладів з електронними елементами. В даний час ми вже не можемо уявити собі виробництво автомобіля без достатньо складних електронних систем автоматичного, управління
інжекторними двигунами, антиблокувальними
і противобуксовочними гальмівними пристроями, динамічної і курсовою стійкістю, протиугінними пристроями, системами конденсацій та ін.
Сучасна наука про автомобільний бортовому обладнанні розвивається у двох напрямках:
В напрямку пошуку способів поліпшення параметрів і характеристик існуючих пристроїв, систем, апаратів та приладів. В напрямку розробки нових функціональних вузлів, систем і блоків для потреб автоматизації та механізації процесів на автомобілів.
Другий напрямок стало можливим завдяки досягненням в області напівпровідникової
і мікроелектронної технології. В першу чергу на автомобілі з'явилися такі нові системи:
- Мікропроцесорні системи запалювання;
- Системи упорскування палива для бензинових двигунів;
- Системи очищення вихлопних відпрацьованих газів (ОГ);
- Системи автоблокування гальм;
- Системи допоміжної механізації в пристроях комфортні призначення.
Сукупність систем автомобільної бортової автоматики получила назву «Автотроне обладнання» або «Автотроніка».
Компонентами автотронного обладнання можуть бути пристрої:
- Електричні;
- Електронні;
- Електронно-обчислювальні;
- Механічні;

9
- Пневматичні;
- Гідравлічні та ін.
З цієї причини автотронні системи прийнято класифікувати за основним функціональним призначенням:
• навісне обладнання:
- Система електропостачання;
- Система електростартерного пуску двигуна;
- Система електроіскрового запалювання;
- Система паливного харчування з підсистемою випуску ОГ;
• комфортне обладнання:
- Внутрішнє освітлення та опалення;
- Вентиляція та кондиціонування з підсистемою електро підігрів сидінь;
- Електроприводи склопідіймачів, люка на даху, радіоан-тінни;
- Центральний замок дверей;
- Прикурювача;
- Засоби протиаварійного захисту водія і пасажирів;
- Засоби теле-аудіо-відео-радіо та телефонного зв'язку;
• функціональне обладнання:
- Зовнішнє освітлення і сигналізація;
- Контрольно-вимірювальні прилади;
- Склоочисники і склообмивачі;
- Зовнішні дзеркала;
- Електропривід та електропідігрів зовнішніх дзеркал заднього виду;
• механічне або гідравлічне обладнання трансмісії і ходової частини. В останні роки механічне або гідравлічне обладнання автоматизуються із застосуванням електронного управління.
Таким чином, автотронная система - це бортовий комбінований комплекс автоматичного управління, що включає різні технічні пристрої, з'єднані в єдине ціле для виконання конкретного неелектричного дії. Наприклад, автотронная система уприскування палива - це комплекс, що включає:
-Електронний блок управління уприскуванням;
- Електричну схему з'єднань;
- Вхідні датчики, що працюють від неелектричних сигналів первинних датчиків;
- Неелектричні датчики з механічними з'єднувачами;
- Вихідні виконавчі пристрої неелектричного принципу дії (форсунки, гідравлічні та пневматичні клапани);
- Механічний пристрій регулювання частоти обертання колінчастого вала при роботі двигуна на холостому ходу.
Електроніка застосовується на автомобілі у випадках, коли потрібно невеликий енергетичний рівень: фіксація, перетворення, оброблення, передавання, запам'ятовування, обчислення або кодування інформації.
Там де потрібен високий рівень енергетичних перетворень-ний, використовуються електротехнічні пристрої.
Головною особливістю автотронної системи є обов'язкове наявність у її складі електронного блоку управління (ЕБУ) усіма іншими компонентами системи. ЕБУ може