Система впрыска TCCS автомобилей фирмы Toyota

Основы функционирования и самодиагностика.

Как известно, абсолютное большинство японских автомобилей вообще, и Тойот в частности, оснащаются не карбюраторами, а системами впрыска топлива. Есть мнение, что впрыск - это хорошо, современно и прогрессивно. Также есть другое мнение, диаметрально противоположное первому: впрыск - это сложно, дорого, неремонтопригодно. Этого мнения придерживаются в основном автовладельцы со стажем, имеющие богатый опыт эксплуатации отечественной техники и прекрасно знающие, что такое карбюратор, но не знающие, что делать с этими "новомодными" компьютерами, инжекторами, датчиками и т.д. Разумеется, для понимания того, как работает принципиально другая система питания, нужно, во-первых, иметь желание разобраться в этом, а во-вторых - нужна информация, которой очень и очень мало. Именно поэтому мы и попробуем сейчас в общих чертах дать описание функционирования системы впрыска TCCS (Toyota Computer Control System) фирмы Тойота, рассказать, как это все работает, и какие действия может предпринять автовладелец в случае, когда что-то не работает или работает не так.

Прежде всего, хотелось бы напомнить основные принципы работы любой современной автомобильной электронной системы впрыска. В двух словах процесс работы системы впрыска выглядит так: масса воздуха, поступающая в двигатель, измеряется датчиком расхода воздуха, эти данные передаются компьютеру, который на основе этой информации, а также на основе некоторых других текущих параметров работы двигателя, таких, как температура двигателя, температура воздуха, скорость вращения коленчатого вала, степень открытия дроссельной заслонки (и скорость ее открытия), расчитывает необходимое количество топлива, которое нужно сжечь в данном количестве воздуха. После этого компьютер подает на форсунки электрический импульс нужной длительности, форсунки открываются, и топливо, находящееся под давлением в топливной магистрали, впрыскивается во впускной коллектор. Все, дело сделано.

Как все просто, скажут многие и, в общем-то, будут правы - в системе впрыска есть одна-единственная сложность - это сложная программа, находящаяся в памяти компьютера и составленная таким образом, чтобы учитывать все разнообразие режимов работы двигателя и внешних условий, в которых ему приходится работать, а механические же узлы и составные части ничего сложного из себя не представляют и их можно перечислить по пальцам: это бензонасос, перепускной клапан топливной магистрали, клапан поддержания холостых оборотов (он же зачастую отвечает за прогревные обороты и компенсацию падения оборотов при включении кондиционера и других электроприборов), форсунки. Ну и, естественно, датчики. Один из таких датчиков, о котором в автомобильной среде ходит очень много разных слухов и "гаражных баек", является датчик кислорода или, иначе, лямбда-зонд. Чуть позже мы уделим ему особое внимание.

Итак, рассмотрим процесс функционирования системы TCCS. Следует сразу сказать, что автомобильные системы впрыска бывают двух типов - с обратной связью и без нее. Системами с обратной связью оснащаются автомобили, предназначеные для рынков развитых стран, таких как США, Япония, европейские страны, где нормы на содержание токсичных веществ в выхлопных газах очень строги и к автомобилям предъявляются соответствующие требования. В таких системах обязательно есть два компонента - каталитический нейтрализатор и лямбда-зонд. В системах без обратной связи ни лямбда-зонда, ни, как правило, нейтрализатора нет.

Система TCCS не является исключением и также выпускается в двух вариантах. Мы начнем с более сложного и передового варианта с обратной связью, тем более, что автомобили, приходящие из Японии, имеют именно этот вариант системы, ведь требования к чистоте выхлопа в Японии очень высоки.

Компьютер (ECU)

Начнем мы, пожалуй, с компьютера управления, который общепринято называть ECU (Electronic Control Unit). В памяти компьютера находятся собственно программа управления и набор так называемых "карт" (maps), в которых отражена необходимая для работы программы информация. При этом сама программа более-менее стандартна для любого двигателя, а вот карты, используемые ею, уникальны для каждой модели и каждой модификации двигателя. Для большей наглядности можно представить себе простейшую программу, которая работает с двумя картами, одна из которых представляет собой трехмерную таблицу, в которой по горизонтали (вдоль оси X) заданы значения массы поступающего воздуха, по вертикали (вдоль оси Y) - значения оборотов двигателя, а вдоль оси Z - значения углов открытия дроссельной заслонки. На пересечении всех трех колонок и столбцов таблицы проставлены значения количества топлива, которое необходимо впрыснуть при данных условиях работы двигателя. Во второй карте, двумерной, заданы соответствия между количеством топлива и временем открытия форсунок, в результате из этой карты программа может узнать то, для чего и городился весь этот огород - длительность электрического импульса, который должен быть подан на форсунки. В процессе работы программа каждые несколько миллисекунд опрашивает датчики, сравнивает полученные значения с заданными в первой карте, выбирает из соответствующей ячейки содержащееся там значение количества топлива, потом переходит ко второй карте и выбирает исходя из этого значения требуемое время открытия форсунок. Далее следует импульс на форсунки - все, цикл завершен. Описанный процесс отличается от реального тем, что на самом деле таких карт больше и в них отражены взаимные зависимости гораздо большего числа параметров, чем было перечислено, в том числе нагрузка на двигатель, температура двигателя, температура воздуха и даже высота над уровнем моря. Но цель работы программы управления та же - конечным результатом сбора и обработки данных от датчиков должна быть длительность электрического импульса на форсунку.

Таким образом, вся сложность заключается не в написании собственно программы, которая всего-то и делает, что сверяется последовательно с несколькими картами и в результате "добирается" до некоторого значения, а в самих картах, которые должны быть очень точными и подобраны под конкретную модификацию двигателя.

Кроме этого, ECU системы TCCS управляет также и углом опережения зажигания, зависимость которого от различных текущих параметров работы двигателя также задается соответствующими картами.

Обратная связь

Обратная связь в системе TCCS, как и в любой другой системе впрыска, обеспечивается лямбда-зондом (датчиком кислорода). Необходимость ее обусловлена тем, что как бы ни были хороши и точны карты, находящиеся в памяти ECU, каждый экземпляр двигателя все- равно в той или иной мере отличается от остальных и требует индивидуальной подстройки топливной системы. В процессе эксплуатации двигателя также происходят изменения, связанные с его старением и износом, и которые тоже было бы неплохо компенсировать. Кроме этого, сами карты могут быть изначально составлены неоптимально для некоторых сочетаний внешних условий и режимов работы двигателя и, таким образом, требовать корректировки. Именно эти задачи и позволяет решить наличие обратной связи. Но главная цель при решении всех этих задач - это достижение наиболее полного сгорания горючей смеси в цилиндрах двигателя для получения наилучших характеристик его токсичности. Известно, что оптимальным для полного сгорания топлива является соотношение воздух/топливо равное 14.7:1. Это отношение называют "стохиометрическим" или, иначе, "коэффициент лямбда" (именно отсюда и пошло название "лямбда- зонд").

Выглядит обратная связь так. После того, как компьютер определил необходимое количество топлива, которое нужно впрыснуть в текущий момент работы двигателя исходя из текущих условий и режима его работы, топливо сгорает и выхлопные газы поступают в выпускную систему. В этот момент с датчика кислорода считывается информация о содержании кислорода в выхлопных газах, на основании чего можно сделать вывод, а так ли все прошло, как было расчитано, и не требуется ли коррекция состава горючей смеси. Образно говоря, компьютер постоянно проверяет свои расчеты по конечному результату, информацию о котором он получает от датчика кислорода, и, если это требуется, выполняет окончательную точную подстройку состава горючей смеси. В англоязычной литературе эта процедура обычно именуется "short term fuel trim". Но так происходит не всегда - в некоторых режимах работы двигателя компьютер игнорирует информацию от датчика кислорода и руководствуется только своими собственными расчетами. Давайте посмотрим, когда же это происходит.

Режимы управления

Компьютер любой системы управления впрыском с обратной связью, в том числе и TCCS, в процессе работы может находиться в одном из двух режимов управления - либо в режиме замкнутого контура (closed loop), когда он использует информацию датчика кислорода в целях точной корректировки, либо в режиме разомкнутого контура (open loop), когда он игнорирует эту информацию. Ниже мы рассмотрим основные режимы работы двигателя и режимы управления.

1. Запуск двигателя. В момент запуска требуется, в зависимости от температуры как самого двигателя, так и окружающего воздуха, обогащенная горючая смесь с повышенным процентным содержанием топлива. Это всем известный факт, характерный вообще для всех бензиновых двигателей внутреннего сгорания, как карбюраторных, так и двигателей с впрыском, поэтому мы не станем подробно останавливаться на причинах. Скажем только, что соотношение воздух/топливо в этом режиме варьируется в среднем от 2:1 до 12:1. В этом режиме компьютер системы TCCS работает в режиме разомкнутого контура.

2. Прогрев двигателя до рабочей температуры. После запуска двигателя компьютер системы TCCS постоянно проверяет текущую температуру двигателя и в зависимости от этого параметра производит расчет состава горючей смеси, а также устанавливает требуемую величину прогревных оборотов посредством воздушного клапана ISC (Idle Speed Control). В процессе прогрева двигателя с ростом температуры соотношение воздух/топливо изменяется компьютером в сторону обеднения, а прогревные обороты также уменьшаются. В это же время происходит разогрев датчика кислорода в выпускном коллекторе до рабочей температуры. Компьютер при этом работает в режиме разомкнутого контура.

3. Холостой ход. По достижении заданной температуры двигателя и при условии достаточного для работы разогрева датчика кислорода (датчик кислорода начинает выдавать правильные показания только при температуре от 300C и выше) компьютер переключается в режим замкнутого контура и начинает использовать показания датчика кислорода для поддержания стохиометрического состава горючей смеси (14.7:1), обеспечивающего наименьший уровень содержания токсичных веществ в выхлопных газах.

4. Движение с постоянной скоростью, плавное увеличение или уменьшение скорости. В этом случае компьютер TCCS также находится в режиме замкнутого контура и использует показания датчика кислорода. Вы можете раскрутить двигатель хоть до 6500 об/мин, наполовину нажав педаль газа, но компьютер все-равно будет оставаться в режиме замкнутого контура, обеспечивая состав горючей смеси в пределах примерно от 14.5:1 до 15.9:1.

5. Резкое ускорение. Как только Вы нажимаете педаль газа "в пол" и полностью открываете дроссельную заслонку - компьютер безоговорочно переходит в режим разомкнутого контура. Под нагрузкой (а компьютер всегда в состоянии определить, велика ли нагрузка на двигатель) компьютер может переключиться в режим разомкнутого контура несколько раньше - уже при открытии дроссельной заслонки на 68 или более процентов от ее хода. При этом он будет поддерживать состав горючей смеси в пределах от 11.9:1 до 12:1 для получения большей мощности.

6. Принудительный холостой ход (торможение двигателем). Компьютер также переходит в режим разомкнутого контура в случаях, когда текущие обороты двигателя превышают величину оборотов холостого хода, а дроссельная заслонка полностью закрыта - например, когда Вы движетесь под уклон, убрав ногу с педали газа и не выключив передачу. При этом компьютер обеспечивает обедненный состав горючей смеси.

Таким образом, мы видим, что большую часть времени компьютер TCCS находится в режиме замкнутого контура, который обеспечивает оптимальный состав горючей смеси. Более того, находясь в этом режиме, компьютер "самообучается", корректируя и модифицируя карты, используемые в режиме разомкнутого контура, адаптируя их к текущим условиям эксплуатации и состоянию двигателя. Т.е., если, скажем, компьютер замечает, что в режиме замкнутого контура для достижения оптимального сгорания ему приходится все время обогащать топливо-воздушную смесь на, скажем, 5% относительно базовых значений, прописанных в соответствующих картах, то через некоторое время, когда он удостоверится в стабильности этого корректирующего коэффициента, он соответствующим образом модифицирует сами карты, тем самым влияя и на смесеобразование в режиме разомкнутого контура. Это и есть тот самый процесс "самообучения", о котором тоже ходит столько слухов. "По-научному" ;) он называется "long term fuel trim". Следует заметить, что модифицированные карты сохраняются только в энергозависимой памяти компьюетра, поэтому после отключения аккумулятора восстанавливаются заводские значения этих карт, и компьютер должен "самообучиться" заново.

Все было бы просто замечательно, если бы не один фактор, портящий эту красивую картину - лямбда-зонд имеет обыкновение выходить из строя в результате заправок этилированным бензином. В реальной жизни это приводит к тому, что рано или поздно после пробега по нашим дорогам система TCCS лишается своей способности к адаптации под текущие условия и работает строго по тем картам, которые изначально находились в памяти компьютера, постоянно находясь в режиме разомкнутого контура. Естественно, что ничего хорошего из этого не получается, ведь большинство автомобилей к тому времени, когда они попадают к нам, уже немало побегали по японским дорогам, и двигатели их, увы, уже не новые. Впрочем, практика показывает, что и ничего особенно плохого тоже не происходит. Более того, система TCCS "нативных" японских Тойот в случае выхода из строя лямбда-зонда даже не зажигает на панели лампочку "check engine" в отличие от Тойот для американского и/или европейского рынков.

Кстати, следует заметить, что каталитический нейтрализатор (именуемый в народе "катализатор") и лямбда-зонд - это совершенно разные устройства, хотя их и можно назвать "сладкой парочкой" - как правило, если в машине есть лямбда-зонд - то есть и нейтрализатор, и наоборот. Оба эти устройства служат одной и той же цели - снижению уровня токсичности выхлопа, но выполняют каждое свою часть работы: лямбда-зонд помогает системе управления впрыском готовить оптимальную с точки зрения полноты сгорания горючую смесь, а нейтрализатор эту смесь дожигает.

Каталитический нейтрализатор

Нейтрализатор, который представляет собой керамические "соты", покрытые активным слоем, способным дожигать остающиеся в выхлопных газах частички топлива, также выходит из строя после нескольких заправок этилированным бензином. Выходит из строя - это означает, что он теряет способность к дожиганию несгоревших частичек топлива. Известны случаи, когда соты катализатора оплавлялись, забивались нагаром и такой нейтрализатор уже создавал серьезную помеху на пути выходящих из двигателя выхлопных газов. Но следует сказать, что сама по себе заправка, даже неоднократная, этилированным бензином к такому результату не приведет. Причина оплавления нейтрализатора - это работа двигателя в течение длительного времени на обогащенной (или богатой) смеси, к чему может привести как выход из строя лямбда-зонда, так и неисправности в системе питания и зажигания.

Принцип работы датчика кислорода

Hаиболее распостраненый тип - циркониевый кислородный датчик. По сути дела он является переключателем, резко меняющим свое состояние на рубеже 0.5% кислорода в составе выхлопных газов. Это количество кислорода соответствует идеальному стохиометрическому соотношению воздух/топливо 14.7:1.

Обычно интерфейс датчика устроен таким образом: прогретый датчик (более 300 градусов Цельсия) при количестве кислорода менее 0.5% (богатая смесь), являясь слабым источником тока, выставляет на сигнальном выходе напряжение в диапазоне от 0.45 до 0.8 вольта, а при количестве кислорода более 0.5% (бедная смесь) - от 0.2 до 0.45 вольта. Какой точно уровень напряжения при этом - роли не играет, учитывается его положение относительно средней линии. Если ECU видит сигнал бедной смеси - топливо добавляется. Если в следующий измерительный период ECU видит сигнал богатой смеси - то подача топлива уменьшается. Таким образом состояние системы постоянно колеблется вокруг оптимальной величины и подача топлива настраивается по практическим результатам сгорания. Это позволяет системе адаптироваться к различным условиям работы. Частота колебаний напряжения на датчике кислорода составляет примерно 1-2 Гц на холостых оборотах и 10-15 Гц при 2000- 3000 об/мин.

Так как датчик работает надежно только в хорошо прогретом состояни, то ECU системы TCCS начинает замечать его показания только после определенного уровня прогрева двигателя. Для ускорения прогрева датчика в него зачастую монтируют электрический подогреватель. Бывают датчики с одним проводом (сигнал), бывают с двумя (сигнал, земля сигнала), с тремя (сигнал, 2 провода подогревателя), с четырьмя (сигнал, земля сигнала, 2 провода подогревателя).

Самодиагностика компьютера системы TCCS

Любая современная система впрыска имеет встроенную подсистему самодиагностики, которая позволяет определить различного рода неисправности датчиков, исполнительных механизмов и узлов системы. В результате процедуры самодиагностики компьютер вырабатывает диагностические коды, которые можно тем или иным способом извлечь из памяти компьютера и расшифровать в соответствии с таблицами. Способ извлечения этих кодов у разных производителей - разный. В системе TCCS для этого используется лампочка "Check Engine" на панели приборов, а переключение компьютера в режим вывода диагностических кодов осуществляется путем закорачивания пары контактов на диагностическом разъеме в моторном отсеке автомобиля. Диагностический разъем обычно находится вблизи левой опоры стойки передней подвески и представляет собой черную или серую коробочку с надписью "DIAGNOSIS" на крышке. Пошаговая процедура самодиагностики:
1. Начальные условия

• напряжение в бортовой сети превышает 11 вольт
• дроссельная заслонка полностью закрыта
• трансмиссия в положении "нейтраль" (или "парковка" для автоматических трансмиссий)
• кондиционер выключен
  2. Металлическим проводником (провод, разогнутая канцелярская скрепка) замкнуть контакты T (или TE1) и E1 на диагностическом разъеме.
  3. Повернуть ключ зажигания в положение "ON", но не запускать двигатель стартером.
  4. Считать коды путем подсчета количества миганий лампочки "Check Engine".

  Считывание кодов диагностики. При считывании кодов возможны две ситуации:
  1. Неисправностей не обнаружено:

• лампочка будет мигать непрерывно с интервалом в 0.25 секунды
  2. Обнаружены неисправности:
• последует серия миганий с интервалом 0.5 секунды - первая цифра кода (например, пять миганий - цифра 5)
• пауза 1.5 секунды
• серия миганий с с интервалом 0.5 секунды - вторая цифра кода (например, четыре мигания - цифра 4)
• в случае, если кодов больше одного - пауза 2.5 секунды
• после отображения всех кодов следует пауза в 4.5 секунды и процесс повторяется сначала

  Сброс кодов диагностики. Обнаруженные коды диагностики (за исключением кодов 51 и 53) будут находиться в памяти компьютера даже после устранения неисправности. Чтобы очистить область памяти компьютера, в которой хранятся коды, нужно при заглушенном двигателе вынуть на 30-60 секунд предохранитель EFI (15A) из блока предохранителей. Коды диагностики также сбрасываются при отключении аккумуляторной батареи.

  Таблица диагностических кодов. Все коды системы TCCS унифицированы и значение их одинаково для всех двигателей Toyota, но для каждого конкретного двигателя используется специфичное для него подмножество кодов. Например, код 34 может присутствовать только на двигателях, оборудованных турбонаддувом.

   

  Код	Краткое описание	Полное описание
  11	ECU (+B)	Кратковременный сбой питания ECU
  12	RPM Signal	Отсутствие сигналов "NE" или "G" на ECU в течение 2 секунд после того, как коленчатый вал начал проворачиваться стартером (при запуске двигателя)
  13	RPM Signal	Отсутствие сигнала "NE" на ECU в течение 50 мсек или более при скорости вращения коленвала 1000 об/мин и выше
  14	Ignition Signal	Отсутствие сигнала "IGf" на ECU в течение 4-х последовательных циклов зажигания
  21	Oxygen Sensor	Обнаружен выход из строя датчика кислорода ("OX")
  22, 23	Water Temperature Signal	Обрыв или короткое замыкание (КЗ) в цепи датчика температуры охлаждающей жидкости ("THW") в течение 0.5 сек или дольше
  24	Intake Air Temperature Sensor signal.	Обрыв или короткое замыкание (КЗ) в цепи датчика температуры воздуха ("THA"), поступающего в двигатель, в течение 0.5 сек или дольше
  25	Air-Fuel Ratio Lean	Напряжение сигнала от датчика кислорода меньше, чем 0.45 вольта, в течение 120 сек
  26	Air-Fuel Ratio Reach	Напряжение сигнала от датчика кислорода больше, чем 0.45 вольта, в течение 120 сек
  27	Sub Oxygen Sensor signal	Обнаружен выход из строя дополнительного датчика кислорода
  28	No. 2 Oxygen Sensor signal	Обнаружен выход из строя датчика кислорода ("OX2")
  31	Air Flow Meter(AFM) Signal или Manifold Absolute Pressure (MAP) signal	TCCS с датчиком MAP: Обрыв или КЗ в цепи датчика датчика вакуума во впускном коллекторе (MAP) TCCS с датчиком AFM: Обрыв в цепи сигнала "VC" или КЗ между цепями сигналов "VS" и "E2"
  32	Air Flow Meter AFM) Signal	TCCS с датчиком AFM: (Обрыв в цепи сигнала "E2" или КЗ между цепями сигналов "VC" и "VS"
  34	Turbocharger Pressure signal	Давление наддува находится в недопустимых пределах. Возможно, некорректная работа AFM
  35	Turbocharger Pressure Sensor signal или HAC Sensor signal	Давление наддува находится в недопустимых пределах или обрыв или КЗ в цепи датчика компенсации высоты над уровнем моря (HAC)
  41	Throttle Position Sensor signal	Обрыв или КЗ в цепи "VTA" датчика положения дроссельной заслонки в течение 0.5 сек или дольше
  42	Vehicle Speed Sensor signal	Отсутствие сигнала скорости автомобиля ("SPD") на ECU при оборотах двигателя между 2500 и 4500 в течение 8 сек или дольше
  43	Starter signal	Отсутствие сигнала стартера ("STA") на ECU до тех пор, пока обороты двигателя не достигнут 800 об/мин в процессе запуска
  51	Neutral Start Switch signal	Дроссельная заслонка закрыта не полностью (отсутствие сигнала "IDL" на ECU) или рычаг управления трансмиссией находится в положении, отличном от "P" или "N" (присутствие сигнала "NSW" на ECU) или включен кондиционер (присутствие сигнала "A/C" на ECU)
  52	Knock Sensor signal	Обрыв или КЗ в цепи датчика детонации
  53	Knock Sensor signal	Отказ подпрограммы обработки ситуации детонации (частичный отказ ECU)
  54	Intercooler ECU signal	Неисправность промежуточного охладителя воздуха (интеркулера)
  71	EGR System malfunction	Обрыв или КЗ в цепи датчика температуры выхлопных газов (THG). Температура выхлопных газов ниже, чем температура поступающего в двигатель воздуха плюс 55C и автомобиль находится в движении в течение 25 сек или дольше
  72	Fuel Cut Solenoid signal	Неисправность соленоида отсечки топлива
  78	Fuel Pump Control signal	Неисправность бензонасоса

  Следует еще раз подчеркнуть, что данная таблица содержит перечень всех известных автору диагностических кодов системы TCCS, но это не означает, что все эти коды могут быть диагностированы компьютером системы TCCS конкретного двигателя. Например, компьютер TCCS двигателя 1G-EU способен диагностировать только коды 11, 12, 13, 14, 22, 23, 31, 32, 41, 42, 43, 51.

  Кроме этого, в описании кодов присутствуют ссылки на сигнальные цепи ECU с разного рода обозначениями (например, NSW, THA, IDL), расшифровка которых не дана.

  Схема расположения контактов диагностического разъема. Приведены схемы разъемов двух автомобилей.

  '87 Toyota MarkII (1G-GEU), A/T (A42DE)

  Fp	W	E1		Ox
  CCo	T
  +B	Vf					Tect	Tems

  '88 Toyota Crown (1G-GZE), A/T (A340E)

  Fp	W	E1		Ox1		Ox3	Ox4
  CCo	TE1	TE2				CC2	Tc
  +B	Vf1	Vf2		Ox2		Ts	Tt

  Кстати, наличие промаркированных контактов на диагностическом разъеме (на примере второго изображенного разъема - Toyota Crown) не говорит о том, что все они разведены и действуют. Просто сами корпуса диагностических разъемов однотипны и унифицированны.