Elektronické tvarování charakteristik

RNDr. Bohumil Ferenc, leden 2000

   Z potřeby realizovat sloľité průběhy předstihových charakteristik vyplývá nutnost co nejpřesnějąího určení hodnot vstupních veličin, zejména polohy klikové hřídele, otáček a zatíľení motoru. Ke snímání hodnot těchto veličin je pouľíváno snímačů, umís»ovaných větąinou u klikové a někdy i u vačkové hřídele.

   Jsou-li snímače umístěny v rozdělovači vn, nebo je-li snímání prováděno u vačkové hřídele, lze pouľít pouze těch snímačů, které zajią»ují dostatečnou přesnost měření, např. Hallův, optoelektronický nebo jednozubový induktivní.

Snímače otáček a polohy klikové hřídele

umís»ované u jejího setrvačníku, jsou nejčastěji indukčního typu. Jejich indukčnost je navinuta kolem tyčinkového jádra z měkké oceli, které je pólovým nástavcem permanentního magnetu. Magnetický obvod se uzavírá přes těleso klikové skříně a ozubení věnce setrvačníku, nebo u novějąích typů motorů častěji přes nástavce ve tvaru kotouče s ozubením, případně s jinou formou mezer. Při otáčení klikové hřídele se proti magnetu střídají zuby s mezerami a tím se mění magnetický tok. Následkem jeho změn se ve vinutí indukčnosti indukuje střídavé napětí.

   Aby se mohla snímat jedním snímačem jak poloha klikové hřídele odpovídající např. horní úvrati 1. válce, tak otáčky motoru, musí být na věnci odpovídající referenční značka. Můľe to být mezera mezi zuby ozubení (obr.). Snímač polohy

Písty vąech válců jsou přes ojnici spojeny s klikovou hřídelí, takľe jeden snímač na této hřídeli udává informaci o poloze pístů ve vąech válcích. Otáčky motoru jsou pak odvozovány z otáčení klikové hřídele.

   Protoľe se amplituda signálu snímače mění s otáčkami motoru, je signál s velmi rozdílnou amplitudou v řídící jednotce zpracováván na pravoúhlé napětí s konstantní velikostí. Kdyľ je odstup hran pravoúhlého signálu více neľ dvakrát větąí neľ předchozí a následný je rozpoznána zubová mezera, která je definována jako přesná poloha HÚ prvního válce. S tímto okamľikem synchronizuje řídící elektronika polohu klikové hřídele. S kaľdou následující kladnou nebo zápornou (náběľnou nebo závěrnou) hranou pravoúhlého signálu počítá řídící jednotka s natočením o daląí úhel, jehoľ velikost je závislá na počtu zubů ozubeného kotouče. Např. u systému Motronic fy Bosch, který má 60 zubů, je to úhel 3 stupně. Čas měřený mezi dvěma hranami signálu se obvykle dále rozdělí v řídící jednotce, čímľ se přesnost odečtu zvyąuje.

   U čtyřdobého motoru jsou válce vzájemně přesazeny tak, ľe pracovní cyklus 1. válce se obnoví vľdy po dvou otáčkách klikové hřídele (720 stupňů). Z tohoto přesazení vyplývá střední odstup zapalování mezi jednotlivými válci a z něj vypočteny okamľiky záľehů.

   U starąích typů zapalovacích soustav je pouľíváno dvou snímačů u klikové hřídele. Jak vyplývá z obr. 26, bývá jeden ze snímačů umístěn proti zubům věnce setrvačníku, druhý pak tak, aby kolem něj procházela referenční značka tvořená např. kolíkem vsazeným do setrvačníku. Existují i jiné varianty, jako otvor vyvrtaný do tělesa setrvačníku nebo přídavný kotouč značky na řemenici klikové hřídele apod.

   Funkce tohoto provedení je v podstatě stejná jako u předchozího. Snímač referenční značky poskytuje informaci o poloze klikové hřídele v horní úvrati jednoho nebo i více válců a snímač proti ozubení informuje o natočení hřídele proti referenčnímu bodu.

   Informace ze snímače nebo snímačů u klikové hřídele je vyuľíváno předevąím pro tvarování předstihových charakteristik, u novějąích soustav i pro řízení plnění zapalovací cívky v závislosti na otáčkách motoru.

   Pohybuje-li se píst ve válci směrem k horní úvrati nelze ze snímačů u klikové hřídele získat informaci, zda se nachází ve fázi komprese nebo výfuku. Informace tohoto druhu se získá pouze z vačkové hřídele, která ovládá polohy sacích a výfukových ventilů. Pokud je zapalovací souprava vybavena mechanickým rozdělovačem vysokého napětí, pak řídící jednotka informaci o poloze vačkové hřídele k zapálení nepotřebuje. Palec rozdělovače vľdy směřuje ke správnému válci. Nové typy zapalování pracují větąinou s bezrozdělovačovým rozdělením vysokého napětí. Některé z těchto typů (bude popsáno v daląím) potřebují přídavnou informaci, podle které musí řídící jednotka rozhodnout, ke které zapalovací svíčce přivést vysoké napětí, aby se zaľehla stlačená směs. Takovou informaci poskytují snímače polohy vačkové hřídele.

   Tento problém řeąí mnozí výrobci automobilů různými způsoby. V Evropě je nejroząířenějąí pouľití jednoho snímače u klikové hřídele a jednoho u vačkové. Nejčastějąími jsou dvě rozdílné kombinace. U obou je obvykle u klikové hřídele pouľito snímačů obdobného typu, jaký byl výąe popsán. U německých, francouzkých a britských vozů (systémy Bosch Motronic. Fénix fy Allied Electronics a systémy fy Lucas) je proti snímači disk s větąím počtem zubů a s referenční značkou např. ve formě mezizubové mezery. Jako snímače polohy vačkové hřídele je pouľito Hallova prvku s clonkou s jediným výřezem (obdobné provedení jaké bylo popsáno u rozdělovačů). Během otáčení clonky se přeruąováním magnetického pole vytváří značka (pouze jedna za kaľdou otáčku vačkové hřídele), která má časově souhlasit s referenční značkou z disku u klikové hřídele. Přitom má být píst 1. válce u horní úvrati v kompresním zdvihu. Ostatní výpočet probíhá obdobně jako u jednoho snímače u klikové hřídele.

   Druhý typ této kombinace je pouľíván u vozů italských výrobců a u některých vozů Ford. Značky proti snímači u klikové hřídele jsou provedeny na řemenici této hřídele a to čtyři s rozmístěním po 90 stupních (viz obr. 27a). Signál, který vzniká ve snímači při průchodu zubu v jeho blízkosti poskytuje svým kmitočtem informaci o otáčkách klikové hřídele motoru. Společně se signálem snímače na vačkové hřídeli, nazývaným snímačem fáze, pak vytvářejí informaci o horní úvrati pístu prvního válce. Snímač u vačkové hřídele (obr. 27b) je tvořen indukčností navinutou na permanentním magnetu, proti kterému se na hřídelce snímače, spojené s vačkovou hřídelí, otáčejí dva nesouměrně rozloľené zuby rotoru z magneticky vodivého materiálu. Zuby jsou po obvodu úhlově rozmístěny o 90 a 270 stupňů. Při otáčení rotoru se v indukčnosti snímače indukují impulsy, vzájemně posunuté o uvedené úhly obvodu vačkové hřídele. Tyto signály spolu se signály od snímače u klikové hřídele slouľí jako informace řídící jednotce o otáčkách motoru a o horní úvrati 1. válce, ale i k určení polohy vačkové hřídele.

   U starąích provedení soustavy I.A.W. fy Weber je ve snímači pouľito dvou indukčností, vzájemně posunutých o 180 stupňů. Tímto provedením jsou menąí nároky na elektroniku řídící jednotky, jejíľ parametry nebyly v době vzniku zmíněných souprav na potřebné úrovni.

   Japonątí výrobci pouľívají větąinou dvou snímačů na vačkové hřídeli. Např. Honda pouľívá dvou indukčních snímačů (obr. 28), nazývaných snímačem horní úvrati a snímačem válce. Kaľdý z nich má vlastní rotor. Tyto rotory jsou z magneticky vodivého materiálu a nacházejí se na společné hřídeli. Kaľdý z rotorů má jiný počet výstupků. Rotor má dva protilehlé a druhý Ne pak 24 výstupků, s rozestupem 15 stupňů. Proti kaľdému rotoru je indukčnost s magnetickým jádrem. Při otáčení hřídele s nasazenými rotory se ve vinutí indukují dva, resp. 24 impulsů během jedné otáčky vačkového hřídele.

Optoelektronický snímač

   Signál ze snímače G odpovídá referenční značce na klikové hřídeli, tedy obvykle horní úvrati 1. válce. Signál ze snímače Ne pak slouľí jako informace o úhlu jejího natočení.

   U systémů ECCS fy Nissan je pouľito optoelektronických snímačů (obr.).

   Sestávají z fototranzistorů a světloemitujících diod (LED). Mezi nimi se při otáčení hřídele pohybuje disk s výřezy, který je na hřídeli nasazen. Na disku jsou při okraji výřezy pro snímání úhlu natočení klikové hřídele, blíľe středu výřezy pro referenční značky horní úvrati válců.

Legenda k obrázku
Snímač Disk
1. Palec rozdělov. 1. Disk
2. Těsnění 2. 180° výřez 1. v.
3. Kotouč rotoru 3. 1° výřez
4. Dvojice LED 4. 180° sign. výřez
5. Dvojice fotodiod  

Kotouč se snímači

   Vozy Mazda s přímočarým pohybem pístu mívají snímače s Hallovými prvky. Na společné hřídelce jsou umístěny dvě různé clonky. Kaľdá z nich prochází při otáčení hřídelky mezerou ve svém Hallově prvku. Clonka signálu Ne (novějąí označení SGT) má po obvodu osm rovnoměrně rozloľených, stejně ąirokých výřezů, clonka signálu G (novějąí označení SGC) má výřezy čtyři, dva z nich jsou ąirąí, dva uľąí. Za kaľdým ąirąím výřezem následuje uľąí. Mezery mezi ąirąím a uľąím jsou poněkud kratąí, neľ mezi uľąím a následujícím ąirąím výřezem. Určení signálů je obdobné, jako bylo výąe popsáno.

   Mimo uvedené případy existují i daląí moľnosti. Poměrně roząířené je pouľití snímačů s Hallovým prvkem i u klikové hřídele, místo indukčního typu. Mimo vozy ©koda je to např. počítačem řízená zapalovací souprava CCC fy General Motors, která pouľívá bezrozdělovačového rozdělení vn. Snímač u klikové hřídele pouľívá přeruąovacího prstence upevněného na řemenici této hřídele. Signály ze snímače informují řídící jednotku o horní úvrati pístů kaľdého z válců motoru a jsou pouľívány pro opravu časování záľehu a řízení předstihu. Snímač u vačkové hřídele je montován místo rozdělovače.

   U některých novějąích vozidel jsou oba snímače, tj. pro klikovou a vačkovou hřídel, spojeny do jednoho dílu a montovány u přední strany klikové hřídele.

   Zajímavé řeąení snímače otáček a polohy klikové hřídele je u soustavy Trionic fy SAAB. Je pouľito jediného snímače u klikové hřídele. Je to snímač s Hallovým prvkem, clonka snímače má tři vybrání. Dvě z nich jsou stejně velké, třetí je poněkud menąí. Obě větąí vybrání ukazují, kdy se písty jedné dvojice válců (čtyřválcového motoru) nacházejí v horní úvrati. Menąí vybrání pak informuje o kterou dvojici jde. Podrobněji bude souprava Trionic popsána v daląím.

   Snímače umístěné u klikové hřídele mívají nejčastěji pevně určenou polohu. V případě potřeby se nastavuje pouze mezera mezi jejich jádrem a zuby setrvačníku nebo řemenice klikové hřídele, či zvláątního disku upevněného na této hřídeli.

   Snímače spojené s vačkovou hřídelí vyľadují obvykle seřízení jak orientace rotoru, tak polohy statoru, na kterém je snímací člen uloľen.

Zatíľení motoru

je nejčastěji vyhodnocováno podle podtlaku v sacím potrubí. Snímače, které převádějí tuto neelektrickou veličinu na elektrický signál lze rozdělit do dvou skupin. První z nich jsou polovodičové snímače, vyuľívající piezorezistivního jevu. Na obr. 30 je jedna z moľných konstrukcí. V pouzdře snímače je uloľen křemíkový krystal, na jehoľ povrchu je vytvořen odporový můstek. Vlivem deformací způsobených tlakem přiváděným ke krystalu potrubím se mění proud protékající můstkem. Proud se zesílí a zavede se teplotní kompenzace.

Membránový snímač tlaku

   Druhou skupinu tvoří snímače, jejichľ princip je zřejmý z obr. V podstatě jde o membránu, která je uloľena v uzavřené komoře, do níľ se přivádí tlak obdobně jako u předchozího typu snímačů. Působením tlaku se membrána deformuje a zasouvá nebo vysouvá jádro indukčnosti, které je s ní mechanicky spojeno. Indukčnost je součástí oscilačního obvodu a její změny vlivem různé hloubky zasunutí jádra se projeví změnou kmitočtu generovaného obvodem. Výstupní signál snímače tedy bude střídavé napětí, jehoľ kmitočet se mění podle velikosti tlaku působícího na membránu.

   Do této skupiny lze zařadit i snímače s Hallovým prvkem. U nich je na membráně upevněn magnet a jeho magnetické pole, působící na Hallův prvek se mění vychýlením membrány, která magnetem posouvá. V důsledku změn magnetického pole se mění napětí odebírané z Hallova prvku, které je tak přímo úměrné podtlaku v sacím potrubí.

   Snímače podtlaku jsou větąinou uloľeny v elektronické jednotce a s vývodem podtlaku ze sacího potrubí (nebo karburátoru) jsou spojovány pryľovou nebo umělohmotnou hadičkou.

   Daląí veličinou ovlivňující okamľik záľehu je teplota motoru. Je měřena teplotně závislým odporem, který je vsazen do chladící kapaliny a sdílí její teplotu. Odpor má záporný teplotní součinitel, coľ znamená, ľe jeho hodnota se s rostoucí teplotou zmenąuje. Je součástí napě»ového děliče, jehoľ výstupní napětí je pak úměrné teplotě chladící kapaliny. Toto napětí je vhodným způsobem linearizováno, aby se kompenzovala nelineární závislost odporového snímače. Odporové tělísko bývá uloľeno ve vhodném pouzdře, kterým je chráněno proti vlivům prostředí. Jedno z mnohých provedení je např. výrobek fy Bosch na obr. 32.

   Kromě uvedených snímačů otáček a polohy klikové či vačkové hřídele, zatíľení a teploty motoru, pouľívají některé typy zapalování i spínače ąkrtící klapky. Tento spínač předává elektronické jednotce signál o polohách ąkrtící klapky odpovídající volnoběhu a plnému zatíľení. Spínač bývá upevněn na sacím potrubí v místě ąkrtící klapky a je ovládán její hřídelkou. Kulisa spínače se při natáčení ąkrtící klapky pohybuje kolem jeho kontaktů. V koncových polohách volnoběhu nebo plného zatíľení je sepnut vľdy jeden z těchto kontaktů. Informace ze spínače je pouľíváno k řízení předstihu v těchto reľimech chodu motoru. Jedno z moľných provedení (výrobek fy Bosch) je na obr.

Snímač klapky

   U novějąích zapalování je pouľíváno řízení úhlu sepnutí, tj. doby plnění zapalovací cívky. K tomu účelu je do řídící jednotky přiváděna informace o velikosti napětí baterie, coľ je jeden z parametrů podle kterého se řídí okamľik zapnutí primárního proudu cívky. Podle signálů ze snímačů se nastavuje úhel předstihu záľehu podle průběhu předstihové charakteristiky, která je pro přísluąný motor naprogramována v řídící jednotce. Její odezva je závislá na zapojení tvarovacích obvodů a hodnotách jejich součástí. Vhodnou volbou se dosáhne poľadovaného průběhu charakteristik předstihu a to dvěma způsoby.

   První z nich realizuje funkční vztah mezi předstihem a parametry motoru (otáčkami, pod tlakem a teplotou). Přitom se předpokládá vyjádření Alfa jako součet funkcí ., z nichľ kaľdá je závislá na jednom parametru, tj.

. (14)

   Druhý způsob, který postihuje průběh shoření směsi realističtěji, předpokládá, ľe hodnota předstihu je dána jednou funkcí více proměnných

. (15)

   Podle rovnice(14) mohou být pouľity obvody s analogovým (lineárním) zpracováním signálů ze snímačů. Poľadovaného průběhu se dosáhne změnami hodnot součástí obvodu. Z celé řady důvodů se taková řeąení neroząířila. Mnohem výhodnějąí je číslicové zpracování signálů. Funkci je moľno realizovat odečítáním počtu impulsů od časového okamľiku daného např. určitou polohou klikové hřídele, např. 30 stupňů před HÚ 1. válce. Po dosaľení stanoveného počtu je generován spouątěcí impuls. Čím jsou otáčky motoru vyąąí, tím dříve bude potřebného počtu impulsů dosaľeno, takľe předstih záľehu se s rostoucími otáčkami zvyąuje.

   Zatíľení motoru, tj. funkce ., můľe být realizována posouváním začátku odečítání podle signálu ze snímače podtlaku. Funkci teploty motoru . pak změnou celkového počtu N načítaných impulsů, tentokrát podle signálu ze snímače teploty chladící kapaliny. Tím se posouvá průběh otáčkové charakteristiky a výsledný předstih se zvětąuje nebo zmenąuje. Blokové schéma zapalování tohoto typu je na obr. 34. Obdobný systém, nazývaný čítačový, je pouľit u zapalování Bendix na starąích vozech Renault, Volvo a některých daląích značek.

   Je zřejmé, ľe tímto způsobem lze realizovat průběhy velmi podobné těm, které se dosahují mechanickými regulátory. Mají vąak proti nim řadu výhod. Nemají hysterezi, coľ znamená, ľe průběh je stejný pro zvyąování i sniľování otáček. Neuplatňuje se stárnutí a opotřebení materiálu, průběh zadaný v řídící jednotce se tedy s časem nemění a předstih nemusí být pravidelně kontrolován a seřizován. Významné je i to, ľe zadání průběhu lze jednoduąe měnit změnami hodnot součástí nebo zapojení obvodů řídící jednotky.

   Pole charakteristik realizovatelné tímto způsobem odpovídá přibliľně pravé části obr. 35. V levé části tohoto obrázku je pole charakteristik, jaké by tentýľ motor skutečně potřeboval. Podobných, a nebo alespoň blízkých tvarů, lze dosáhnout funkcí podle rovnice (15). K uskutečnění takových průběhů musí být pouľito výhradně číslicového zpracování dat, tj. signálů ze snímačů přísluąných parametrů. Zjednoduąené blokové schéma takové soustavy je na obr. 36.

   Dvoustavové (digitální) signály ze snímačů jsou přiváděny přímo k počítači, spojité signály (analogové), jsou nejprve převedeny na digitální, buď v A/D převodnících, nebo jinak zpracovány (signály ze snímačů detonačního hoření -- viz dále). Poté jsou přivedeny k počítači, který vypočítá hodnotu předstihu pro konkrétní provozní podmínky motoru. Počítač můľe být řeąen dvěma způsoby. Jeden je tzv. hardvérový, u kterého je ústřední částí počítače polovodičová pamě» typu PROM. Proto bývají takové soustavy také nazývány pamě»ovými. Na jednotlivých pamě»ových místech jsou uloľeny přísluąné hodnoty předstihu Alfa, obvykle v závislosti na otáčkách a zatíľení motoru. Adresy paměti jsou pak vybírány podle signálů ze snímačů těchto parametrů. Vliv daląích parametrů se pak můľe vyjádřit korekcí zadaných hodnot předstihu prováděnou buď skokově nebo spojitě.

   Jako příklad pro osvětlení je moľno uvést zapalování Digiplex fy Magneti Marelli, pouľívané u vozů Fiat Uno a daląích. V polovodičové paměti řídící jednotky je naprogramováno 512 hodnot předstihu. Otáčky motoru jsou snímány snímačem proti ozubenému věnci setrvačníku na klikové hřídeli. Celý rozsah otáček je rozdělen do 64 kanálů. ©ířka 1. aľ 63. kanálu je 70 ot/min, 64. kanál má rozsah od 5040 ot/min aľ po maximální.

   Zatíľení motoru je snímáno podtlakovým snímačem umístěným v řídící jednotce a připojeným hadičkou k otvoru v sacím potrubí. Podtlak je rozdělen do 8-mi hladin po 10 kPa, takľe je naprogramováno 64x8=512 okamľiků záľehu. Kaľdou půlotáčku se vybere podle signálů ze snímačů otáček a podtlaku jedna z 512 naprogramovaných hodnot předstihu. Děj je synchronizován signálem horní úvrati ze snímače umístěného proti řemenici klikové hřídele. K řídící jednotce je moľno připojit jeątě dva dvoustavové spínače, např. teplý -- studený motor a spínač polohu ąkrtící klapky. Součástí řídící jednotky je i koncový stupeň zapalování, který pracuje s řízením úhlu sepnutí. Výstup koncového stupně je připojen k zapalovací cívce a od ní k rozdělovači vn.

   Druhý způsob, programové zabezpečení (softvér) pouľívá počítače řízeného mikroprocesorem. Je to integrovaný obvod jehoľ funkci lze měnit zadáním vhodného programu. V tomto případě je to postup výpočtu předstihu, tj. funkce (15) s pořadím dle závaľnosti vstupních parametrů. Je to součástka více méně univerzální a její funkce není určena výhradně vnějąím zapojením jako u technického (hardvérového) řeąení, ale je rozhodujícím způsobem závislá na řídícím programu, ve kterém jsou zadány povely pro mikroprocesor. Tento program je zapsán ve vnějąí součástce -- paměti ROM -- ze které mikroprocesor "čte" postupně jednotlivé povely, které má vykonat. Program je určován provedením a zamýąlenou funkcí soustavy. Můľe tedy slouľit pro více obdobných zařízení.

   V druhé vnějąí paměti, obvykle typu PROM, kterou si můľe výrobce motoru naprogramovat, nebo přeprogramovat podle typu i s přihlédnutím k výrobním změnám, jsou uloľeny hodnoty předstihu v závislosti na jednotlivých proměnných, nejčastěji otáčkách a zatíľení motoru. K nim často přistupují opravy podle teploty motoru, polohy ąkrtící klapky a daląí. Tyto paměti bývají mnohdy provedeny jako výměnný díl, aby se daly snadno nahradit jinou s odliąným obsahem.

   Skutečné hodnoty v reálných podmínkách jsou snímány přísluąnými snímači a přiváděny k mikroprocesoru jako vstupní informace pro výpočet, větąinou po předběľných úpravách v obvodech počítače.

   Mimo tyto součásti jsou v mikropočítači daląí. Patří k nim pamě» typu RAM do které mikroprocesor ukládá dílčí výpočty a pak je pouľívá dle instrukcí programu. Dále jsou to obvody vstup/výstup, ve kterých se převádí vstupní a výstupní signály na formu vhodnou pro zpracování a provedení přísluąných operací. Protoľe celá činnost musí být synchronizována, aby regulační proces správně proběhl, je obvyklou součástí počítače i časovač.

   Naznačený proces objasní následující obrázky. Na obr. 37 je uvedeno pole předstihových charakteristik uloľených v paměti PROM mikropočítače, závislých na otáčkách a zatíľení motoru. Na daląím obr. 38 je zjednoduąený funkční postupový diagram programu uloľeného v ROM paměti. Ten naznačuje postup výpočtu hodnoty předstihu s vyuľitím pole charakteristik z PROM paměti.

   Program výpočtu vychází z předpokladu, ľe je zapalování zapnuto. Prvním krokem je zjiątění, zda je motor v chodu či nikoliv. Není-li, provádí se start. Pro startování se pouľije jiné předstihové charakteristiky - ., která je funkcí otáček (startovacích) a teploty motoru. Je tedy uloľena mimo pole charakteristik z obr. 37, které obsahuje předstihové charakteristiky podle provozních otáček a zatíľení motoru. Průběh startovních charakteristik, tj. funkce ., je naprogramován na vysoký kroutící moment motoru, bez vzniku zpětných rázů při startu. Startovní optimální předstih je poměrně značně závislý jak na teplotě motoru, tak na jeho startovních otáčkách. Hodnoty při studeném motoru a nízkých otáčkách jsou dosti odliąné od hodnot při teplém startu, zejména u motorů s vyąąím kompresním poměrem.

   Druhým krokem programu je zjiątění, zda je motor ve volnoběhu. Zdrojem informace je spínač ąkrtící klapky, sepnutý při její volnoběľné poloze. Je-li sepnut, pouľije se pro výpočet předstihu nejspodnějąí křivka 1 pole charakteristik (.), která slouľí současně i pro výpočet předstihu při deceleracích.

   Při jmenovitých volnoběľných otáčkách je předstih nejniľąí. Pro otáčky niľąí neľ jmenovité volnoběľné, je předstih zvyąován, coľ přispívá ke stabilizaci volnoběľného chodu zvyąováním kroutícího momentu motoru. Pro oblast decelerace jsou hodnoty předstihu naprogramovány na nejpříznivějąí hodnoty emisí.

   Z hodnoty vypočtené otáčkové charakteristiky se provádí korekce podle teploty motoru, coľ je v obr. 37 vyjádřeno svislicemi nad křivkou 1. Tato korekce je kvůli nejrychlejąímu zahřátí motoru na provozní teplotu.

   Je-li ąkrtící klapka otevřena a spínač volnoběľné polohy rozepnut, je daląím krokem programu stanovení, zda klapka není otevřena maximálně (plný plyn). Informace se získává z druhého spínače u ąkrtící klapky, tentokráte pro její maximální otevření. Při něm je spínač sepnut a protoľe to odpovídá maximálnímu zatíľení motoru, provádí se výpočet podle nejhorąí křivky 2 pole charakteristik (.). Zde jsou naprogramovány předstihy pro nejvyąąí kroutící moment, s přihlédnutím k mezi klepání. U vypočtené hodnoty předstihu se opět provádí korekce podle teploty motoru. Jak je ale zřejmé z obr. 37 (svislice jsou pod křivkou 2) předstih je korigován negativně, tj. s rostoucí teplotou motoru se zmenąuje. Tím se sniľuje nadměrné přehřívání motoru jeho příliąným zatěľováním.

   Není-li ąkrtící klapka v ľádné ze svých krajních poloh, pracuje motor s částečným zatíľením a předstih se vypočítá z pole charakteristik v závislosti na otáčkách a zatíľení motoru - .. U vypočtené hodnoty se opět provádí korekce podle teploty. Průběh korekce můľe být poněkud jiný, neľ u předchozích provozních reľimů.

   Výsledná vypočtená hodnota předstihu se vztahuje k úhlu natočení klikové hřídele. Její poloha je nepřetrľitě snímána přísluąným snímačem a jakmile je shodná s polohou vypočtenou mikropočítačem, dojde k záľehu. Ten je vyvolán činností daląích obvodů elektronické části. Ze snímače polohy klikové hřídele přichází tolik značek, kolik záľehů má během jedné otáčky nastat. Počet je roven polovině válců motoru. Kaľdá změna spouątí výpočet optimálního předstihu i úhlu natočení hřídele.

   Programový způsob má proti technickému několik výhod. K nejpodstatnějąím patří moľnost zahrnout do výpočtu i interpolaci mezi body uloľenými v paměti pole charakteristik. To umoľňuje zvýąit přesnost výpočtu předstihu, zejména v kritických oblastech, kde se průběhy značně rychle mění, větąinou různou rychlostí změny a často i s jejím směrem.

   K daląím výhodám patří moľnost jednoduąąích roząíření o daląí parametry regulace. U technické (hardvérové) cesty přidání daląích parametrů obvykle znamená změnu zapojení systému a odpovídající zvětąení kapacity pamětí.

   U nových sloľitých systémů se podle vnějąích podmínek mění někdy i program výpočtu parametrů záľehu. Tak např. systém Trionic, pouľívaný u vozů SAAB, vytváří při studeném startu s teplotami motoru pod 0 stup místo jednotlivých jisker jejich celý trs, a to v rozmezí od . před horní úvratí, do . za ní. Zapalování má bezrozdělovačové rozdělení vn k jednotlivým válcům (bude později popsáno), takľe není-li startovací pokus úspěąný, je taková řada jisker vyslána do vąech válců současně, a tak jsou spáleny saze a usazeniny zbytků paliva na elektrodách zapalovacích svíček.

   Při běľném startu je vysoké napětí přiváděno po dobu deseti za sebou následujících záľehů ke dvěma válcům současně. Společně jsou napájeny válce 1 a 4, poté 2 a 3. Po proběhnutí těchto deseti spalování přechází systém k synchronizaci záľehů ve správném pořadí válců motoru. Ovąem za předpokladu, ľe řídící jednotka obdrľela informaci o vyhovujícím spalování ve vąech válcích. Tuto informaci poskytuje ionizační proud, protékající přes zapalovací svíčky, je-li na ně po skončení výboje přivedeno nízké elektrické měrné napětí. Při spalování směsi vznikly ve spalovacím prostoru elektricky nabité molekuly -- ionty -- jejichľ mnoľství podává informaci o kvalitě spalování. Stupeň ionizace se stanoví podle zmíněného ionizačního proudu, který bude tím větąí, čím více iontů vznikne. Doplňující informaci, určující jednotlivé válce, dostává řídící jednotka signálem snímače u klikové hřídele motoru.

Korekce při detonačním hoření

   Detonační hoření vzniká od samozápalů částečných objemů směsi stlačované ve válci. Toto vznícení nepochází od záľehu směsi, ale od nadměrného růstu teploty v místech samovznícení, vlivem stlačování objemu kompresí. K jeho vzniku ale přispívá i vzrůst teploty ve válci vlivem záľehu, avąak samovznícení vznikají v místech, kam se čelo plamene pocházejícího od záľehu jeątě neroząířilo. Vznícení tedy není záľehem řízeno. Vznik samozápalů je usnadňován přílią velkým předstihem, vysokým kompresním poměrem a nízkým oktanovým číslem benzinu.

   Zvyąování předstihu a kompresního poměru vedou, jak známo, k lepąí termodynamické účinnosti motoru, coľ se při stejném výkonu projeví sníľením spotřeby. S jejich zvyąováním ale současně roste i sklon k detonačnímu hoření, při kterém můľe dojít k váľnému poąkození motoru. Aby takový stav nenastal, byl u mechanických regulátorů předstihu podle otáček motoru nastavován průběh s dostatečným odstupem od meze klepání. Tím bylo zabezpečeno, aby v důsledku zvětąování různých vůlí mechanické regulace a opotřebení některých dílů motoru nedocházelo s přibývající dobou provozu motoru k detonačnímu hoření.

   Elektronická regulace předstihu, která je v čase neměnná a umoľňuje realizovat sloľité průběhy v závislosti na parametrech motoru, dovoluje realizovat předstih pro maximální kroutící moment v oblasti, kde je pod mezí klepání a v ostatních případech na této mezi. Tak se dosáhne optimální spotřeby bez sníľení ľivotnosti motoru, nebo bez nebezpečí jeho poąkození.

   Mez klepání není ľádná pevná hranice, ale je závislá na různých provozních podmínkách. Zatím není obvyklá moľnost, jak zjistit mez bez vzniku klepání. Při regulaci podél meze tedy k ojedinělému klepání dochází. Při správné funkci regulace není klepání slyąitelné a k poąkození motoru nedojde. Jako snímače se zpravidla pouľívá piezoelektrického měřiče zrychlení, nejčastěji ąirokopásmového, u některých výrobců (např. Toyota) ale i rezonančního. Druh snímače je větąinou závislý na ąířce pásma kmitočtů detonačního hoření konkrétního typu motoru.

   Snímač klepání se umís»uje na vhodném místě motorového bloku tak, aby bylo bezpečně zjiątěno klepání v kaľdém válci. Je to větąinou na ąirąí straně bloku. U ąesti a víceválcových motorů vąak jeden snímač ke zjiątění klepání ve vąech válcích obvykle nepostačí. V takových případech se na motoru pouľívá dvou snímačů, které se přepínají podle sledu záľehů ve válcích.

   Signály se snímačů se v řídící jednotce filtrují, aby se odstranilo zvukové spektrum parazitních signálů (např. klepání ventilů) a poté se porovnává výstupní úroveň během otáček klikové hřídele. Překročí-li referenční hodnotu, je to vyhodnoceno jako klepání. U jednoduąąích systémů se vyhodnocují signály ze vąech válců společně, dokonalejąí provádějí vyhodnocení signálů kaľdého válce zvláą».

   Jakmile je klepání zjiątěno, provede regulační systém korekci hodnoty předstihu, a to jeho zmenąením o určitou hodnotu. Ta je závislá na pouľitém způsobu provedení korekce. Na příklad u systémů fy Bosch je pouľíván ąirokopásmový snímač (obr. 38), který přeměňuje akustické hlukové signály, které jsou projevem detonačního hoření, na elektrický signál. Ten je přiváděn ke zpracování k řídící jednotce. Zde je nejprve filtrován, aby byl zbaven parazitních sloľek pocházejících např. od dosedávání ventilů na svá sedla a daląích. Toto odfiltrování se provádí nejprve kmitočtově, pásmovou propustí, za ní signál prochází "bránou", která jej propouątí pouze v úzké úhlové oblasti otáčky klikové hřídele, např. mezi deseti a devadesáti stupni za horní úvratí kaľdého válce. Takto "očistěný" signál se integruje a výsledek je porovnáván s referenční úrovní, která je pro kaľdý válec individuální a mění se automaticky, v závislosti na zatíľení a otáčkách motoru. Překročí-li signál některého (případně i více, nebo vąech) z válců referenční hodnotu, je to vyhodnoceno jako klepání.

   Jakmile je klepání zjiątěno, provede regulační systém korekci předstihu jeho zmenąením v následujícím záľehu o malou hodnotu, na příklad . klikové hřídele. Jestliľe klepání i při daląím záľehu potrvá, je předstih znovu sníľen o stejnou hodnotu. To se můľe opakovat vícekrát aľ do doby, kdy klepání ustane. Po zmizení klepání regulace chvíli vyčká a poté začne předstih po malých krocích (asi . na kaľdých 20 aľ 100 otáček) zvyąovat aľ k hodnotě u meze klepání. Vyskytne-li se klepání dříve, proces se znovu opakuje. Uvedený děj je zjednoduąeně zakreslen na obr. 39 a to pro čtyřválcový motor, v jehoľ jednotlivých válcích dochází k různorodému klepání (4. válec je bez něj).

   Systém můľe být roząířen o adaptivní regulaci tak, ľe v paměti počítače jsou uloľeny předstihové charakteristiky pro bezolovnaté benziny se dvěma různými oktanovými čísly, kaľdá samostatně (viz obr. 40). Motor je po nastartování provozován s polem charakteristik pro benzin s vyąąím oktanovým číslem (super) a pokud četnost detekovaného klepání překročí přednastavený práh, je systém přepnut na pole charakteristik benzinu s niľąím oktanovým číslem (speciál). Řidič toto přepnutí nepozoruje, pouze výkon a spotřeba se nepatrně zhorąí. Tak je na libovůli řidiče, aby se rozhodl mezi kvalitnějąím palivem s větąím dosahovaným výkonem, nebo levnějąím benzinem s omezeními ve výkonu a s vyąąí spotřebou. U některých typů vozidel je takové přepínání prováděno ručně přepínačem, nebo podle přání zákazníka, přepojením vodiče na konektoru řídící jednotky.

   Renault pouľil u svých modelů adaptivního řízení předstihu s detekcí klepání, které vyuľívá odliąného algoritmu. Systém pouľívá opět ąirokopásmového snímače klepání a zpracování signálu před detekcí, obdobného řeąení, jaké bylo popsáno u předchozího.

   Korekce předstihu je ale koncipován odliąně. Je zaloľen na existenci dvou typů korekcí, jejichľ princip je zřejmý z obr. 41. Rychlá spočívá v okamľitém sníľení předstihu o určitý počet stupňů (typicky mezi 3 aľ 10); návrat k jmenovité hodnotě pak probíhá po jednostupňových přírůstcích za kaľdých 5 aľ 20 otáček motoru. Rychlá korekce zajistí, aby doba klepání motoru byla minimální. Má jistou hysterezi, spočívající v tom, ľe dojde-li při "jednostupňovém" zvyąování předstihu ke vzniku klepání, je ihned provedena korekce větąí neľ ., která klepání odstraní.

   Druhá pomalá korekce je spíąe adaptivní neľ ochranná. Jejím účelem je kompenzovat buď dlouhodobé změny motoru, rozdíly mezi jednotlivými motory vyplývající z výrobních tolerancí, nebo vliv měnících se provozních podmínek (niľąí oktanové číslo benzinu, horký a suchý vzduch apod.). Při této korekci se pouľívá jednostupňového (ale i větąího) zpoľdění navíc vľdy, kdykoliv je provedena rychlá korekce. Návrat k naprogramované mezi klepání je vąak prováděn v jednostupňových přírůstcích na velmi pomalém základě. Po krátké době se vąak adaptivní korekce ustaví na hodnotě, která odpovídá skutečné mezi klepání.

   Oba typy korekcí bývají různě kombinovány a modifikovány podle pouľití na různých motorech a podle cílů, které jsou pouľitím sledovány. Rychlá korekce můľe být prováděna jak pro jednotlivé válce, tak pro vąechny válce téhoľ motoru společně. Korekce podle jednotlivých válců je výhodnějąí, protoľe je časté, ľe jeden válec začne klepat dříve neľ ostatní a pokles kroutícího momentu motoru v důsledku zpoľdění předstihu jednoho válce o . je sotva postřehnutelný.

   . Pomalá korekce zase můľe být uplatněna pouze v těch oblastech provozních podmínek, kde lze očekávat vznik klepání s vyąąí pravděpodobností. Tyto "kritické" oblasti se snadno stanoví z otáčkových a zátěľových charakteristik předstihu a ze znalosti průběhu meze klepání, vąe při standardních podmínkách.

   Snímač rezonančního typu pouľívá Toyota ve svém systému TCCS pro řízení chodu motoru a převodovky. Provedení snímače je zřejmé z jeho řezu na obr. 42a. Piezoelektrický výbrus je uloľen v tuhém pouzdře, umístěném na bloku válců. Při vzniku detonačního hoření se blíľí akustický kmitočet rázových vln k rezonančnímu kmitočtu diskovitého piezoprvku a na jeho elektrodách se objeví elektrické napětí. Kmitočtová charakteristika snímače je na obr. 42b. Při detonačním hoření se objeví ve spektru signálu snímače sloľka s neobyčejně velkou amplitudou (viz obr. 43). Tato kmitočtová oblast se vybere pásmovým filtrem a výsledný signál slouľí pro detekci klepání. Detekce se provádí srovnáním okamľité hodnoty signálu se střední hodnotou amplitudy signálu bez detonačního hoření. Stupeň klepání se stanoví sčítáním počtu amplitud ze signálu snímače, jejichľ velikost převyąuje standardní hodnotu charakterizující mez jeho vzniku. Celý děj probíhá v obdobném časovém intervalu jako předeąle popsané, tj. v určitém rozmezí úhlů natočení klikové hřídele za horní úvratí kaľdého z válců. Průběh osvětlují diagramy v obr. 44.

   Ihned po zjiątění klepání provádí řídící jednotka sníľení předstihu o hodnotu, která je závislá na stanoveném stupni. Jestliľe potom klepání ustane, je předstih po malých krocích pozvolna zvyąován aľ do blízkosti meze klepání.

   Zcela odliąný způsob detekce klepání pouľívá SAAB u svého systému Trionic, určeného pro řízení chodu přeplňovaných záľehových motorů. Problém odstranění parazitních signálů z ultrazvukového snímače je řeąen volbou jiného principu zjią»ování detonačního hoření, a to měření ionizačního proudu protékajícího zapalovací svíčkou válce, v jehoľ spalovacím prostoru proběhlo shoření směsi. Po kaľdém shoření směsi vzniknou ve spalovacím prostoru elektricky nabité molekuly -- ionty -- jejichľ mnoľství je závislé na poměrech při spalování. Tento stupeň ionizace je moľno změřit tak, ľe po zapálení směsi se na zapalovací svíčku připojí malé elektrické napětí. Čím více iontů vzniklo, tím větąí bude proud protékající mezi elektrodami svíčky vlivem zmíněného napětí. Jestliľe nastane detonační hoření, vytvoří se v ionizačním proudu protékajícím zapalovací svíčkou přísluąného válce jedna nebo několik ąpiček. Systém vychází ze dvou indukčních elektrických obvodů, které snímají společně vľdy dva válce, tj. válce 1 a 2 a válce 3 a 4. Pro stanovení válce, ve kterém k detonačnímu hoření doąlo je informace pro řídící jednotku doplněna signálem se snímače polohy klikové hřídele. Podle těchto signálů pak řídící jednotka nastavuje nejen předstih, ale i dobu vstřikování paliva, a protoľe jde o přeplňované motory, reguluje i plnicí tlak.

   U přeplňovaných motorů se můľe mimo korekci předstihu také řídit plnicí tlak (viz obr. 45). Nasávaný vzduch prochází dmychadlem, které je spřaľeno s turbínou poháněnou výfukovými plyny. Plnicí tlak je závislý na hnacím výkonu turbíny, jejíľ záběr je určován průtokovým průřezem obtokového ventilu. Ten je ovládán elektromagnetickým taktovacím ventilem, řízeným z elektronické jednotky, podle signálu ze snímače klepání a signálů z daląích snímačů. Jsou to snímače polohy ąkrtící klapky, tlaku v sacím potrubí, otáček motoru a teploty chladící kapaliny.

   V poli charakteristik v paměti elektronické jednotky jsou uloľeny řídící hodnoty elektromagnetického ventilu ovlivňujícího plnicí tlak. Na plnicím tlaku závisí hmotnost náplně směsi, která je v kompresním zdvihu stlačována na objem .kompresního prostoru.

   Při atmosférickém plnění je přísluąnou hmotností směsi zaplněn pracovní prostor

.. (16)

   Zvýąením plnicího tlaku se do tohoto objemu od stane větąí mnoľství směsi a to úměrně zvýąení plnicího tlaku. Stlačení zvětąené hmotnosti do objemu kompresního prostoru se projeví obdobně, jako kdyby byl touto hmotností směsi zaplněn větąí zdvihový objem .za atmosférického tlaku.

   Protoľe kompresní poměr motoru je definován vztahem

. (17)

vyplývá se vztahů 16 a 17, ľe změna plnicího tlaku vyvolává stejný efekt jako změna kompresního poměru epsilon motoru.

   Z obr. 2 vyplývá, ľe čím je kompresní poměr vyąąí, tím je vyąąí termodynamická účinnost motoru. Při stejném mnoľství paliva tedy bude výkon motoru vyąąí. Zvyąováním plnicího tlaku roste mnoľství spalovacího vzduchu dopravovaného do objemu válce. Větąina soudobých automobilů se záľehovými motory pouľívá stechiometrické směsi. Má-li být její sloľení zachováno, musí se měnit se změnou plnicího tlaku i vstřikované mnoľství paliva. Při změně kompresního tlaku se mění průběh předstihu pro optimální kroutící moment a průběh meze klepání, obé v závislosti na otáčkách motoru, například jak je uvedeno v obr. 46. Regulací plnicího tlaku je tedy moľno optimalizovat výkon a spotřebu. Plnicí tlak se mění podle polohy ąkrtící klapky, nejniľąí je ve volnoběhu, nejvyąąí při maximálním zatíľení. Jeho skutečnou hodnotu měří snímač tlaku v sacím potrubí a v případě odchylky je tlak upraven taktovacím ventilem. Při pouľití snímače absolutního tlaku se dosáhne plnicího tlaku nezávislého v ąirokém rozsahu na velikosti vnějąího tlaku (výąková korekce).

   Signálem snímače klepání je prováděna korekce předstihu. Při vzniku klepání je prováděna korekce u právě klepajícího válce. Kromě toho se provádí sníľení plnicího tlaku, jestliľe zpoľdění od provedené korekce překročilo alespoň u jednoho válce stanovenou hodnotu. Tato hodnota je uloľena v paměti řídící jednotky jako charakteristika nezávislá na otáčkách. Její velikost je stanovena podle maximálně přípustné teploty výfukových plynů na výstupu turbíny. Regulační algoritmus s rychlým poklesem tlaku a jeho pomalým krokovým zvyąováním ke jmenovité hodnotě je podobný korekci předstihu, avąak s výrazně vyąąí časovou prodlevou.

   Při působení obou regulačních algoritmů se vychází z četnosti klepání, časové odezvy motoru, obtokového ventilu a turbodmychadla, dále z teploty výfukových plynů, jízdních vlastností vozidla a stability regulace.

   Při regulaci plnicího tlaku je v částečném zatíľení motoru turbodmychadlo méně namáháno, je niľąí protitlak výfukových plynů, zůstává méně zbytků spálené směsi ve válcích, teplota plnicího vzduchu je niľąí, coľ sniľuje pravděpodobnost klepání a úroveň emisí NOx. Při plném zatíľení se lépe přizpůsobuje průběh plnicího tlaku otáčkám motoru.

   Kombinace regulace plnicího tlaku s korekcí předstihu při klepání přináąí proti pouhé korekci zlepąení účinnosti motoru, sníľení teplotního namáhání motoru a turbodmychadla a omezení teploty plnicího vzduchu.

   Přednostmi proti samotné regulaci plnicího tlaku jsou rychlejąí odezvy regulace při výskytu klepání, dobré dynamické vlastnosti motoru a stabilita regulace.


Autodíly MJauto, náhradní díly Brno, Vančurova 5, Židenice tel: 548 533 193, 603 812 458

Alfa Romeo -Audi- Austin- BMW- Citroen- Daewoo- Daf- Daihatsu- Dodge- Ferrari- Fiat- Ford- Honda- Hyundai- Isuzu- Jaguar- Iveco- Jaguar- Jeep- Kia- Lancia- Land Rover- Lexus- Maserati- Mazda- Mercedes- Mini- Mitsubishi- Nissan- Opel- Peugeot- Porsche- Renault- Rover- Saab- Seat- Skoda- Smart- Skoda- Subaru- Suzuki- Toyota- Vauxhal- Volkswagen- Volvo.

Copyright© 1998 - 2012 Autodíly MJauto, všechna práva vyhrazena