В современных условиях эксплуатации дизельной техники вопросы

надёжного пуска двигателя, особенно в холодное время года, являются крайне актуальными. Дизельные двигатели, в отличие от бензиновых, требуют предварительного подогрева камеры сгорания для обеспечения уверенного запуска. Большинство систем управления запуском имеют ручное управление, что может приводить к ошибкам оператора, преждевременному износу стартера и аккумуляторной батареи, а также к затруднённому пуску в зимних условиях. Автоматизация процесса пуска позволяет исключить человеческий фактор, могущий привести к нарушениям процесса запуска двигателя и, соответственно, к поломкам оборудования; оптимизировать режимы предпускового накала свечей в зависимости от температуры двигателя; обеспечить своевременное включение и отключение стартера; обеспечить защиту аккумулятора, топливного оборудования и стартера при запуске. Это способствует увеличению ресурса как самого двигателя, так и элементов системы пуска. Следовательно, разработка электронного устройства автоматического управления запуском дизеля является актуальной задачей.

Рассмотрим алгоритм работы устройства, обеспечивающего автоматизацию запуска двигателя.

После подачи оператором сигнала на включение устройство должно проверить следующие факторы: наличие топлива в топливной магистрали, уровень заряда аккумулятора, температуру свеч накаливания, температуру окружающей среды. Необходимость определения двух последних факторов связана с тем, что от температуры входящего воздуха зависит требуемая для запуска температура рабочей смеси. При неудовлетворительном состоянии первых двух факторов должен выдаваться соответствующий сигнал оператору. В зависимости от значений двух вторых факторов устройство должно определить температуру, до которой необходимо нагреть свечи. После этого подается ток на свечи, до достижения ими заданной на предыдущем шаге температуры. При ее достижении устройство ставит орган управления подачей топлива в необходимое для запуска положение и подает сигнал на включение стартера. Отключение питания стартера должно происходить по одной из причин:

– запуск двигателя, что определяется по повышению его оборотов или по повышению давления масла в системе смазки;

– отсутствие вращения двигателя, что возможно в случае поломки механической или электрической части и определяется по отсутствию повышения оборотов или давления масла;

– превышение времени безопасной работы стартера.

После успешного запуска устройство дает сигнал оператору и отключается, при отсутствии запуска — также дает соответствующий сигнал и отключается. Нужно также предусмотреть возможность отключения устройства для перевода в ручной режим, что в некоторых случаях необходимо.

Рассмотрим принципиальную электрическую схему разработанного устройства, представленную на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства запуска дизельного двигателя

Питание устройства осуществляется от бортовой сети постоянного тока напряжением 12 В. Первым звеном устройства является защитный диод VD1 (1N4007), необходимый для защиты от переполюсовки питающего напряжения. Далее расположен интегральный стабилизатор напряжения DA1 типа 78M05, преобразующий бортовое напряжение 12 В в стабилизированные +5 В для питания микроконтроллера и логических микросхем. Фильтрующие конденсаторы C3, C4, C5, C6 обеспечивают сглаживание пульсаций по цепям питания +5 В.

Основным звеном устройства является микроконтроллер DD1 типа ATtiny13, выполняющий роль блока управления. Он анализирует внешние

сигналы и формирует логику включения исполнительных механизмов. Для задания временных интервалов предпускового накала свечей в схеме предусмотрен таймер DD2 типа NE555D с времязадающей цепочкой R2, R3, C1, C2.

Управление мощной нагрузкой (свечи накала и стартер) осуществляется с помощью силовых MOSFET-транзисторов VT2–VT8 типа IRF3710, способных коммутировать токи до 50 А. Для управления затворами транзисторов используется драйвер DA2 типа HCPL3120, обеспечивающий гальваническую развязку и необходимый ток затвора. Для индикации режимов работы в схеме предусмотрен светодиод HL1 (AJ307BM) с токоограничивающим резистором R4. Цепи обратной связи и гальванической развязки реализованы на оптопарах U1, U2 типа PC817, позволяющих безопасно подключать внешние датчики (давления масла, температуры) к микроконтроллеру. Коммутация цепей стартера осуществляется электромагнитным реле (на схеме «К реле К1»), управляемым транзистором VT1 (BD139) с защитным диодом VD2.

Принцип действия устройства заключается в следующем: при подаче питания микроконтроллер DD1 опрашивает внешние датчики через оптопары, определяет температуру двигателя и выдает сигнал на включение свечей накала. Сигнал с вывода микроконтроллера поступает на драйвер DA2, который открывает силовые транзисторы VT2–VT8, подавая напряжение на свечи. Время накала контролируется таймером DD2. После завершения цикла накала микроконтроллер подает сигнал на включение стартера через транзистор VT1 и реле K1. При запуске двигателя сигнал с датчика давления масла поступает на оптопару U2, и микроконтроллер отключает стартер.

Для отработки алгоритмов управления и проверки работоспособности схемы в программе ISIS Proteus была создана имитационная модель устройства, представленная на рис. 2. Модель полностью соответствует принципиальной схеме.

Рис. 2. Имитационная модель устройства запуска дизеля

Рассмотрим функциональные блоки модели более подробно.

Для имитации автомобильного аккумулятора используем источник постоянного напряжения 12 В. Для учета реальных характеристик источника в цепь питания добавлено внутреннее сопротивление, моделирующее потери в проводах и конечную мощность батареи. Защитный диод VD1 предотвращает повреждение схемы при случайной смене полярности подключения. Напряжение поступает на интегральный стабилизатор DA1 (78M05), который понижает напряжение до +5 В, необходимого для питания микроконтроллера и таймера. На входе и выходе стабилизатора установлены конденсаторы для сглаживания пульсаций и обеспечения устойчивости работы линейного регулятора, что гарантирует стабильное питание цифровой части даже при значительных колебаниях бортового напряжения в моменты работы стартера.

Центральным элементом модели является микроконтроллер DD1 (ATtiny13). К его выводам подключены: цепь сброса с подтягивающим резистором R10, входы для приема сигналов от оптопар U1, U2, выходы для управления драйвером свечей накала и транзистором реле стартера. Его программное обеспечение реализует алгоритм пуска: после подачи питания он переходит в режим ожидания, затем при активном сигнале «зажигание» запускает цикл запуска. Программа учитывает сигнал от датчика температуры.

Для формирования длительности импульса накала свечей служит микросхема DD2 (NE555D), включенная по схеме одновибратора. Время импульса определяется номиналами резисторов R2, R3 и конденсаторов C1, C2. Выбор номиналов произведен таким образом, чтобы при холодном двигателе длительность составляла около 10 секунд, что соответствует рекомендациям. Использование отдельного таймера разгружает контроллер и обеспечивает точность временных интервалов независимо от программных задержек.

Сигнал с выхода микроконтроллера (или с таймера) подается на вход драйвера DA2 (HCPL3120). Данный драйвер обеспечивает гальваническую развязку между управляющей логикой и силовой частью, что повышает безопасность и помехоустойчивость. Выход драйвера подключен к затворам полевых транзисторов VT2–VT8 (IRF3710), соединенных параллельно для увеличения коммутируемого тока. Каждый транзистор способен пропускать ток до 50 А, а их параллельное соединение позволяет коммутировать суммарный ток до 350 А, что с большим запасом перекрывает пиковые токи свечей накала. Резисторы в цепях затворов ограничивают ток, предотвращая перегрузку драйвера, а также служат для демпфирования паразитных колебаний. Сами свечи накала в модели представлены мощными резисторами соответствующего сопротивления.

Для коммутации цепи стартера используется электромагнитное реле K1, управляемое транзистором VT1 (BD139). Транзистор открывается сигналом микроконтроллера через резистор R5. Параллельно обмотке реле включен диод VD2, защищающий транзистор от выбросов напряжения при выключении. Контакты реле замыкают цепь питания стартера, который представлен низкоомной нагрузкой с последовательной индуктивностью для имитации обмотки стартера. Это позволяет наблюдать броски тока в момент пуска и просадки напряжения на аккумуляторе.

Для контроля режимов работы в модель включен светодиод HL1 с токоограничивающим резистором R4. Светодиод подключен к выводу микроконтроллера и может мигать с разной частотой или гореть постоянно, сигнализируя о различных состояниях: включение зажигания, работа свечей, активный стартер. Обратная связь от двигателя реализована через оптопары U1 и U2 (PC817). Оптопара U1 может использоваться для подключения датчика температуры, а U2 — для датчика давления масла. Сигнал с оптопары поступает на вход микроконтроллера, который принимает решение об отключении стартера при успешном запуске. Гальваническая развязка защищает микроконтроллер от помех и наводок в бортовой сети.

В процессе моделирования в среде Proteus была проведена проверка взаимодействия всех блоков. С помощью виртуальных вольтметров и амперметров контролировались уровни напряжений в контрольных точках и токи через нагрузку. Логика работы микроконтроллера и таймера проверялась путем наблюдения за состоянием светодиода HL1. Модель показала устойчивую работу при различных комбинациях входных сигналов: при имитации холодного двигателя и при прогретом. Также была проверена реакция на сигнал «двигатель запущен» — стартер отключался досрочно.

Модель подтверждает, что схема корректно реализует требуемый алгоритм запуска дизеля: после включения зажигания происходит предпусковой накал свечей в течение заданного времени, затем автоматически включается стартер, который отключается либо по истечении максимального времени работы, либо при поступлении сигнала с датчика давления масла. Все компоненты функционируют в соответствии с расчетными режимами.

Таким образом, разработанная имитационная модель устройства является работоспособной и может использоваться как прототип для дальнейшего исследования и доработки схемы. В дальнейшем планируется оптимизировать программный код микроконтроллера, подобрать более точные номиналы времязадающих цепей и перейти к созданию макетного образца.

Литература:

1. Грехов Л. В., Иващенко Н. А., Марков В. А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. — М.: Легион-Автодата, 2004. — 344 с.
2. Соснин Д. А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей: Учебное пособие. — М.: СОЛОН-Пресс, 2016. — 448 с.
3. Марсов В. И., Гематудинов Р. А., Селезнёв В. С., Джабраилов Х. А. Моделирование в PROTEUS VSM: учебно-методическое пособие — Москва: МАДИ, 2019. — 44 с.
4. Туревский И. С. Электрооборудование автомобилей: Учебное пособие. – М.: Форум, 2012. — 368 с.