Электронное управление необходимо для удовлетворения высоких требований по экологичности, топливной экономичности, эксплуатационным характеристикам, удобству обслуживания и диагностики, предъявляемым к современным автомобильным двигателям законодательно и потребителями.
Уменьшение загрязнения окружающей среды выхлопными газами
В выхлопных газах содержатся остатки углеводородного топлива (СН), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО2), окислы азота NOX, азот (N) и кислород (О2).
Содержание углеводородов измеряется в частях на миллион по объему (PPM или млн-1). Нормально работающий двигатель сжигает в цилиндрах практически все топливо. Допустимое содержание СН должно быть менее 50 РРМ. Бензин является канцерогеном.
Окись углерода — неустойчивое химическое соединение, легко вступающее в реакцию с кислородом, в результате которой образуется двуокись углерода СО2. CO — ядовитый газ, вступая в легких человека в реакцию с кислородом, вызывает сильное отравление (возможен летальный исход). Уровень CO в выхлопных газах измеряется в процентах и не должен превышать 0,5%.
Двуокись углерода СО2 — результат соединения углерода из топлива с кислородом воздуха. Допустимое содержание 12...15%. Высокие значения свидетельствуют о хорошей работе двигателя. Низкий уровень СО2 говорит о том, что топливно-воздушная смесь (ТВ-смесь) богатая или бедная. Повышение концентрации СО2 в атмосфере способствует развитию парникового эффекта.
Кислород — в воздухе его 21% и большая часть вступает в реакцию с топливом. Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, менее 0,5%.
В камере сгорания двигателя образуется группа окислов азота, для краткости обозначаемых NOX. Окись азота NO — бесцветный газ без вкуса и запаха. Двуокись азота NO2 — рыжеватый газ с кислым едким запахом, слабо токсичен.
Окислы азота NOX формируются в камере сгорания двигателя при температуре выше 1370°C (2500°F) или при большом давлении. При соединении окислов азота с углеводородом СН в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический смог, вредный для органов дыхания человека.
Экология бензиновых двигателей
На работу бензинового двигателя сильно влияет соотношение между массой воздуха и топлива в горючей смеси.
В идеальном случае при полном сжигании 1 кг (1 л) бензина в 14,7 кг (10 м3) воздуха образуются нетоксичные вещества — вода и двуокись углерода. Соотношение между массой воздуха и топлива, равное 14,7:1, называется стехиометрическим. Качество ТВ-смеси определяется коэффициентом избытка воздуха λ, который равен отношению фактического состава ТВ-смеси к ее стехиометрическому составу. Полное сгорание топлива в цилиндрах ДВС имеет место при λ=1. Но в силу ряда причин даже при стехиометрическом составе ТВ-смеси сгорание осуществляется не полностью и образуются токсичные вещества. Сгорание богатой ТВ-смеси (λ < 1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н2 и СН. Бедные ТВ-смеси (λ=1) сгорают с образованием NOX и приводят к пропускам воспламенения.
Каталитический газонейтрализатор
В каталитическом газопейтрализаторе происходят химические реакции, уменьшающие концентрацию токсичных веществ в выхлопных газах:
В современных газонейтрализаторах в качестве катализаторов химических реакций используются благородные металлы, например платина. Для нормальной эксплуатации каталитического газонейтрализатора требуется поддержание стехиометрического состава ТВ-смеси с высокой точностью — менее 1%. В противном случае нейтрализатор постепенно деградирует. Такая точность дозирования без электронного управления недостижима. В исправном каталитическом нейтрализаторе до 90% токсичных веществ перерабатывается в нетоксичные.
Угол опережения зажигания
Неоптимальные значения угла опережения зажигания приводят к увеличению концентрации СН и NOX в выхлопных газах. Точное задание угла опережения зажигания для всех режимов работы двигателя возможно только с помощью электронной системы управления.
Экология дизельных двигателей
В дизелях топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры и воспламеняется за счет разогрева сжимаемого воздуха. В дизелях А, всегда больше единицы. При оптимальных значениях λ=1,1...1,2 в выхлопных газах содержится минимальное количество сажи, СН и СО. На дизелях работают двухкомнонентные окислительные каталитические нейтрал и заторы, преобразующие СН и CO в СО2 и Н2О. Применение трехкомпонентного каталитического нейтрализатора невозможно из-за избытка воздуха. На процесс сгорания топлива сильно влияет точность синхронизации его впрыска. Например, погрешность начала впрыска в 1° оборота коленчатого вала ведет к увеличению содержания в выхлопных газах NOX на 5% и СН на 15%.
Для уменьшения концентрации NOX на дизелях, как и па бензиновых двигателях, применяется система рециркуляции выхлопных газов.
Уменьшение потребления топлива
Экономия топлива в двигателях с электронным управлением достигается за счет его более точного дозирования во всех режимах работы и отключения подачи топлива, когда это допустимо, например, при торможении двигателем. Обеднение горючей ТВ-смеси с целью экономии топлива приводит к необходимости увеличивать угол опережения зажигания, т. к. бедная смесь горит медленно, но при этом возрастает токсичность выхлопных газов.
Управление углом опережения зажигания осуществляется электронной автоматикой путем компромисса между количеством потребляемого топлива и содержанием токсичных веществ в выхлопных газах по сложным алгоритмам.
Диагностика
ЭБУ в фоновом режиме постоянно контролирует исправность подключенных к компьютеру датчиков и исполнительных механизмов, а также исправность систем, выход из строя которых ведет к увеличению загрязнения окружающей среды (каталитический газонейтрализатор, система подачи топлива и т. д.).