Analýza změn datových matic elektronických regulátorů na výstupní parametry spalovacích motorů

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Analýza změn datových matic elektronických regulátorů na výstupní parametry spalovacích motorů Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Vypracoval: doc. Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Luboš Richtárik Brno 2015

2

3 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto práci: Analýza změn datových matic elektronických regulátorů na výstupní parametry spalovacích motorů: Analýza změn datových matic elektronických regulátorů na výstupní parametry spalovacích motorů Vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů, a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 Autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne

4 PODĚKOVÁNÍ Dovoluji si tímto poděkovat panu doc. Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za jeho odborné vedení při vypracování bakalářské práce, za poskytnutí cenných rad a odborných informací k mojí práci.

5 Abstrakt Cílem této práce je zjištění reálných změn výstupních parametrů spalovacího motoru po softwarové úpravě datových polí v řídicí jednotce. Popis jednotlivých elektronických systémů řízení motoru. Vlastní analýza změn se provádí zejména pomocí měření signálů OBD-II, dále výkonu a točivého momentu na vozidlovém dynamometru 4VDM E120-D. Klíčová slova Chiptuning, dynamometr, řídicí jednotka, spalovací motor, diagnostika, OBD-II Abstract The aim of this work is to identify real changes the output parameters of the combustion motor software modification data fields in the control unit. Description of individual electronic engine control systems. The analysis of changes is performed mainly by measuring signals OBD-II, as well as power and torque on the chassis dynamometer machine 4VDM E120-D. Keywords Chiptuning, dynamometer, control unit, combustion engine, diagnostics, OBD-II

6

7 Obsah 7 Obsah 1 Úvod 10 1 Cíle bakalářské práce Cíle teoretické části práce Cíle praktické části práce Materiál a metodika zpracování Materiál a metodika zpracování teoretické části práce Materiál a metodika zpracování praktické části práce Regulační systém motoru Elektronický systém řízení motoru Architektura řídicí jednotky motoru ECU Základní řídicí veličiny Snímače Snímač otáček Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu (MAF) Snímač tlaku v sacím potrubí (MAP) Snímač tlaku paliva Snímač teploty paliva Snímač polohy akcelerátoru Lambda sonda Snímače klepání motoru Ostatní používané snímače Akční členy využívané při řízení motoru Systém vstřikování paliva Regulace plnícího tlaku vzduchu u přeplňovaných motorů Palivové čerpadlo... 29

8 Obsah 8 4 Data a software Systém zpracování dat Datová pole a jejich struktura Druhy polovodičových pamětí ECU paměť ROM (Read Only Memory) paměť EPROM (Electronically Programable Read Only Memory) paměť EEPROM (Electronically Erasable Programble Read Only Memory) Paměti Flash Přístup k ECU pomocí OBD portu Standardizace OBD Komunikace s OBD Úpravce a dodavatel software Upravované vozidlo Škoda Octavia Scout 2.0 TDI PD 4x Motor 2.0 TDI PD, kód BMM Mechanická převodovka Použité přístroje k měření Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D Základní vlastnosti dynamometru 4VDM E120-D Diagnostický tester Devcom TS Pro Praktická část a výsledky práce Popis vlastního měření Měřené parametry Vyhodnocení naměřených hodnot Naměřené parametry Diskuze 56

9 Obsah 9 10 Závěr Seznam použité literatury Elektronické zdroje: Seznam obrázků Seznam tabulek Seznam příloh 66

10 1 Úvod 10 1 Úvod Moderní, dynamická doba klade stále větší požadavky na spalovací motory, nejen po stránce ekologie, ale také jak dostat co největší výkon z malého objemu motoru. Většina výrobců automobilů nastavuje výkonnostní parametry pro běžný provoz a důraz je směrován zejména na spotřebu paliva, emisní limity a řadu dalších faktorů. Homologační zkoušky vozidel nekladou podstatné nároky na výši generovaného momentu a lze tedy uvažovat vzhledem k nutným zrychlením, že regulační systém, je možné udržet v lambda okně na úrovni jedné, kdy katalyzátor bude mít vysokou účinnost. Pokud by se změnil režim zatěžování a vyvstal by nárok na změnu směsi do oblasti bohatých směsí, pak by nutně musel být emisní systém konstruován jinak, nebo by motor musel být schopen generovat točivý moment opět v oblasti stechiometrie, tedy by muselo dojít k cílenému zásahu, například zvýšením plnícího tlaku. Trend posledních let je nechat si zvýšit výkon a upravit průběh točivého momentu pomocí úpravy software v řídicí jednotce motoru tzv. Chiptuningem. Pokud pomineme možnost upravit si tyto data v domácích podmínkách, například zakoupením patřičného zařízení, je zde možnost sáhnout po nabídce firem, které se zabývají touto problematikou. Společností nabízející tuto činnost je obrovské množství, prezentují se reklamními letáky s výslednými grafy zaručujícími zvýšení výkonu a točivého momentu za současného snížení spotřeby. Otázkou zůstává, jaké reálné změny se odrazí na výstupních hodnotách upravovaného vozidla. Jedinou možností jak se vyhnout dohadům a spekulacím je změřit výkon a točivý moment na vozidle před úpravou v patřičné zkušebně s vozidlovým dynamometrem, poté provést totožnou operaci po úpravě, vyhodnotit výsledky a porovnat s údaji v technické specifikaci daného vozidla.

11 Cíle bakalářské práce 11 1 Cíle bakalářské práce Cílem mojí bakalářské práce s názvem Analýza změn datových matic elektronických regulátorů na výstupní parametry spalovacích motorů bylo v rešeršní části shrnout regulační systémy spalovacích motorů, popsat funkci a vliv hardwarových součástí a vlastních algoritmů na celkový výkon a točivý moment vlastního vozidla. Zobrazit objektivní změny výkonu motoru po softwarové úpravě elektronické řídicí jednotky. 1.1 Cíle teoretické části práce Popsat jednotlivé regulační systémy a akční členy, které jsou součástí řídicích systémů spalovacích motorů, jejich funkci a možnosti, jak lze ovlivnit výsledné parametry na výstupu spalovacího motoru. V detailnějším pohledu popsat možnosti a metodiky měření výkonových parametrů, úpravy dat v řídící jednotce pomocí speciálního software a hardware. 1.2 Cíle praktické části práce Vypracovat návrh experimentu na reálném vozidle včetně popisu metodiky vstupu dat do elektronické řídicí jednotky, provést úpravu dat a následně analyzovat změny výkonu na výstupu hnací jednotky vozidla. Experiment realizovat na válcovém dynamometru v prostorách Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně, analyzovat výsledky měření při jednotlivých změnách hlavních řídicích parametrů a to bez jakéhokoliv zásahu do mechanické části motoru.

12 Materiál a metodika zpracování 12 2 Materiál a metodika zpracování 2.1 Materiál a metodika zpracování teoretické části práce Pro teoretickou část bakalářské práce jsem využil zejména zakoupené odborné literatury, dále jsem čerpal z přednášek, které jsme měli v uplynulých třech letech bakalářského studia. Pro mojí práci byly důležité, zejména opory z předmětu příslušenství motorových vozidel, zkoušení motorových vozidel pana doc. Ing. Jiřího Čupery, Ph.D. a motorová vozidla prof. Ing. Františka Bauera, Csc. Z části bylo využito také internetových zdrojů, článků zabývajících se danou problematikou, webových stránek výrobce zařízení, které bylo použito pro experiment při úpravě řídicí jednotky. 2.2 Materiál a metodika zpracování praktické části práce Pro praktickou část Bakalářské práce bylo směrodatné využití vozidlové zkušebny v areálu Mendelovy univerzity vozidlový dynamometr 4VDM E120-D. Osobní vozidlo Škoda Octavia Scout 2.0 TDI 4x4, diagnostického přístroje Devcom TS Pro. Dále profesionálního softwarového a hardwarového zařízení KESS a ECM2001 od společnosti Alientech. Veškeré data z diagnostického přístroje Devcom TS Pro byla zaznamenávána do předem připravené tabulky, kde byla data zapisována v závislosti otáček motoru, vstřikovaného paliva a tlaku turbodmychadla. Výstupy dat z vozidlového dynamometru byly vždy řešeny tiskem přes softwarové vybavení zkušebny, poté porovnávána s jednotlivými měřeními. Následné statistické výpočty, směrodatná odchylka a variační koeficient byly realizovány v programu Microsoft Office Excel 2010, která tuto možnost nabízí v jedné ze svých funkcí. Většina informací o testovaném vozidle jsou k dispozici na webových stránkách výrobce vozidla Škoda Auto a.s., další konkrétní údaje např. převodové poměry daného modelu jsem si vyžádal přímo v autorizovaném servisu Škoda auto, a.s.

13 Regulační systém motoru 13 3 Regulační systém motoru Elektronické řídící jednotky pracují s co nejmenší regulační odchylkou, tudíž řízení musí být maximálně efektivní, splnit přísné nároky na spolehlivost systému, rychlost procesorů, odolnost vůči klimatickým výkyvům, vibracím a teplotám. Elektronika má zde své nezaměnitelné místo, řídicí jednotky musí zajistit bezpečnost, stabilitu, výkonové parametry, přísné emisní normy a danou spotřebu paliva. Aby byl systém účinný, musí využívat různých čidel, ovládacích prvků a z nich reálné informace v přesný okamžik a v jakémkoli režimu. Především přísné emisní limity vedou konstruktéry motorů ke stále náročnějším postupům, aby byl spalovací motor schopný tyto normy splnit. Významnou roli zde má v každém případě elektronika. Obr. 1 Řídicí jednotka motoru BOSCH EDC16 Zdroj: oficiální webové stránky výrobce Elektronický systém řízení motoru ECU elektronická řídicí jednotka, (ECU angl. Electronic control unit), je ve vozidle zabudovaný počítač pro řízení automobilového systému (brzdový, bezpečnostní, motor, převodovka). Hlavními úkoly systému řízení motoru ECU je sledování činnosti jednotlivých vstupů, ke kterým jsou připojeny senzory, stavové členy a komunikační rozhraní. Principiálně se design jednotky navrhuje pro provoz deseti let (u osobních automobilů je zaručen proběh 250 tis. km). Regulační zásahy provádí řídicí jednotka pomocí elektrických výstupů, těmi jsou tzv. akční členy. Zpracování signálu v řídicí jednotce se obvykle skládá z několika částí: vstupní, vyhodnocovací a výstupní. Vstupní část se sběrnicí slouží k příjmu a úpravě signálů ze senzorů.

14 Regulační systém motoru 14 Ne každý senzor má digitální výstup, například induktivní senzor otáček motoru obsahuje také analogově-digitální převodníky, které jsou schopny převádět analogový signál na digitální výstupní. 3.2 Architektura řídicí jednotky motoru ECU Elektronické součástky jsou uvnitř řídicí jednotky pájeny na desku tištěných spojů, která má v současné době 4 až 6 vrstev. Pasivní elektronické součástky jako rezistory, kondenzátory jsou v podobě SMD (Surface Mounted Device miniaturní provedení pájená přímo na povrch desky plošných spojů). Obal řídicí jednotky je vyroben z hliníkové slitiny, někdy z ocelového plechu, musí být mechanicky odolný a také musí dobře nést a odvádět teplo. Z elektromagnetických požadavků musí být splněna elektromagnetická kompatibilita, v praxi to znamená, že musí být vyloučeno vzájemné ovlivňování elektronických zařízení (nejen v automobilu, ale také ve frekvencích, která jsou určena například pro mobilní sítě, nebo radiové vysílání). Konektory určené pro kabeláž jsou většinou v počtu jednoho až tří, materiál z plastu, existují také provedení z kovu, ty jsou mechanicky odolnější. Z důvodu snížení rizika přechodových odporů jsou piny konektorů zlaceny. Podíváme-li se na blokové uspořádání řídicí jednotky, je složena z následujících prvků: - Procesor (32bitový mikrokontroler MCU) jednoprocesorové jádro univerzální architektury PowerPC a taktovací frekvencí 150 MHz, vybavené základními periferiemi, ale také například komunikačními linkami CAN atp.) je srdcem jednotky, vykonává předepsané operace, řídí přesnou funkci celé jednotky. Výkon procesoru řídicí jednotky není možné posuzovat stejně jako u běžného osobního počítače, protože PC nepracuje v operačním systému reálného času. Počet bitů je 32 (někdy udáváno jako šířka slova), udává velikost čísla se kterým je procesor schopen pracovat v jednom taktu. Hodnota 32 bitů je číslo o hodnotě = Taktovací frekvence (hodinový kmitočet), určuje kolik cyklů procesor vykoná za 1 sekundu. - Paměť nese data pro řízení motoru, můžeme ji rozdělit na několik druhů: - ROM tzv. trvalá paměť, je nositelem algoritmů naprogramovaných již výrobcem, ty nelze přepsat. Vyznačuje se dlouhou přístupovou dobou, proto se v ní uložená data kopírují po zapnutí napájení do paměti RAM. - RAM operační paměť, data zde uložená, lze kdykoliv přepsat, zde je přístupová doba krátká, po vypnutí napájení se data nenávratně ztratí. - PROM jde o programovatelnou paměť, ale pouze jednou, poté se stává ve své podstatě pamětí ROM, pokud bychom chtěli data změnit, je nutno tuto část vyměnit, za novou.

15 Regulační systém motoru 15 - EPROM programovatelná paměť s externím výmazem. Do této paměti můžeme data jedenkrát uložit, poté zůstanou i po vypnutí napájení. Vymazat data lze použitím například UV záření, pak opět naprogramovat. - EEPROM přepisovatelná paměť, zachovává data také i po vypnutí napájení. Data lze kdykoliv bez mechanického zásahu mazat a opět nahrát. Doba přepisu je však dlouhá, nehodí se proto na běžné operace (na ty máme RAM), ale pouze pro uchování dat před vypnutím zařízení. V průběhu zápisu nesmí dojít k výpadku napájení, mohlo by dojít k poškození. Zde jsou uloženy adaptační hodnoty, kalibrační čísla a také paměť pro závady interní diagnostiky. - Sběrnice zajišťuje přenos dat mezi pamětí a procesorem, vstupními a výstupními obvody. - Vstupní a výstupní obvody jsou osazeny AD a DA převodníky, popřípadě výkonovými členy pro spínání velkých proudů, tyto obvody zajišťují, že se informace ze snímačů dostanou do řídicích algoritmů a naopak. Např. informace o velikosti dávky paliva se převedou na impuls pro otevření vstřikovače viz. obr CAN- Interface tento obvod je také jistým vstupním a výstupním členem, ale na úrovní počítačové sítě. Zajišťuje komunikaci například řízení motoru s ostatními řídicími jednotkami ABS, převodovka, přístrojová desky, komfortní jednotka, SRS, apod.). Obr. 2 Pohled na tištěný spoj řídicí jednotky motoru DENSO Zdroj: oficiální webové stránky výrobce Aby bylo možné provádět diagnostiku vlastní řídicí jednotky, byly výrobcem vytvořeny obvody monitorující aktivitu mikrokontroleru, zejména taktovací frekvenci a napájecího napětí. Jedná se o kontrolu typu Watchdog, kde hlavní smyčka v určeném časovém intervalu zasílá do tohoto obvodu instrukci. V případě, že neobdrží v daném okamžiku informaci, provádí se reset systému. Obvod Watchdog funguje ve své podstatě jako ochrana proti zamrznutí systému.

16 Regulační systém motoru 16 Obr. 3 Blokové schéma komunikace mezi ECU a akčními členy Zdroj: oficiální webové stránky Obr. 4 Podrobné blokové schéma funkce ECU Zdroj: přednášky, doc. Čupera; 2014

17 Regulační systém motoru 17 Obr. 5 Schéma elektrického vedení ECU Bosch EDC16 Zdroj: software VividWorkshop Data; 2010 Obr. 6 Schéma zapojení sběrnice ECU Bosch EDC16 Zdroj: webové stránky

18 Regulační systém motoru Základní řídicí veličiny Nepostradatelné veličiny, tzv. vstupní data, které potřebujeme k provádění jednotlivých regulací a efektivní funkci ECU můžeme zařadit: - otáčky motoru (RPM), - výpočet zatížení motoru v %, - snímání polohy škrticí klapky (TPS), - snímání tlaku v sacím potrubí (MAP), - snímání průtoku vzduchu v sacím potrubí (MAF), - teplotní snímače, - snímač složení výfukových plynů (O2, NOx). 3.4 Snímače Obr. 7 Zpracování signálu v řídicí jednotce Zdroj: Vlastní; 2015 ECU zpracovává data o provozním stavu motoru, díky jednotlivým snímačům. Na základě přeprogramovaných funkcí z nich vytváří například elektronické signály pro: - regulaci množství vstřikovaného paliva, startovací dávku, počátku vstřiku, - regulaci počátku vstřiku, recirkulaci spalin, plnícího tlaku vzduchu, - funkci nouzového režimu, diagnostický výstup.

19 Regulační systém motoru Snímač otáček Základní snímač, bez něho bychom nemohli plně řídit chod motoru, pracuje nejčastěji na principu Hallova jevu, kdy průchodem vodivého předmětu v těsné blízkosti snímače dochází k indukování napětí. Většinou se využívá pravidelných, či nepravidelných výřezů na setrvačníku klikového hřídele, které tak indukují ve snímači signál. Stejný typ snímače bývá také na vačkovém hřídeli, abychom mohli řídit také sekvenční vstřikování. Vzájemná synchronizace umožňuje velmi efektivní funkci předstihu zážehu, určení doby vstřiku, apod. Obr. 8 Snímač otáček klikového hřídele BOSCH Octavia 2.0 TDI 103kW Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015 Výstupní impulsy měřené osciloskopem HVC95 jsou tedy úměrné tvaru rotujícího předmětu okolo Hallova snímače. Obr. 9 Průběh na výstupu snímače otáček klikového hřídele při volnoběhu Zdroj: webové stránky

20 Regulační systém motoru Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu (MAF) Množství nasávaného vzduchu je přímo úměrné zatížení motoru, je to další ze základních veličin pro určení dávky paliva. Pro dosažení co nejideálnějšího poměru vzduchu a paliva je nezbytné použití tohoto snímače. Často MAF obsahuje zároveň i snímač teploty nasávaného vzduchu. Jde o termický snímač, buďto se žhaveným drátkem, nebo s vyhřívaným filmem, oba pracují na stejném principu. Vyhřívané tělisko je umístěno v proudu nasávaného vzduchu a ten ho ochlazuje, ECU dodává takový proud, aby rozdíl teploty byl konstantní mezi tělískem a vzduchem. Velikost tohoto proudu je přímo úměrná hmotnostnímu průtoku vzduchu. Funkce tohoto snímače ovlivňuje z velké části chod celého motoru, proto jakákoliv dysfunkce se okamžité projeví na výkonu a reakce vozu na sešlápnutí plynu. Obr. 10 Snímač množství nasávaného vzduchu BOSCH, 2.0 TDI 103kW Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015 Obr. 11 Graf z měření snímače MAF pomocí diagnostiky VAG-COM Zdroj: vlastní VAG-COM, TDI GRAF; 2014

21 Regulační systém motoru Snímač tlaku v sacím potrubí (MAP) Hodnota podtlaku (resp. absolutního tlaku) v sacím potrubí za škrticí klapkou je parametr pro posouzení okamžitého zatížení motoru. K tomuto účelu se snímač nachází v sacím potrubí, funkce je klíčová výstupní parametry jsou analyzovány pro stanovení optimální vstřikovací dávky paliva a správného předstihu, či předstřiku. Výstupní hodnoty mohou být ve formě analogového, či digitálního charakteru (napěťová, či proměnná frekvence). Měřícím elementem je membrána, která uzavírá komoru s konstantním tlakem. Podle velikosti tlaku v sacím potrubí, se mění velikost prohnutí membrány. Zde jsou umístěny piezorezistentní odpory, které mění svůj odpor v závislosti na mechanickém napětí. Tyto odpory jsou zapojeny do můstku, takže případné vychýlení membrány způsobí rozvážení můstku, napětí je pak úměrné velikosti tlaku v sacím potrubí. Obr. 12 Snímač tlaku v sacím potrubí 2.0 TDI 103kW (MAP) Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015 Obr. 13 Průběh signálu z MAP senzoru analogová verze Zdroj: webové stránky

22 Regulační systém motoru Snímač tlaku paliva Koncepčně velmi podobný snímači tlaku v sacím potrubí (MAP), jeho hlavním úkolem je monitorovat tlak v systému vstřikování paliva, velikosti snímaného tlaku přísluší napěťový signál, který se poskytuje řídicí jednotce k vyhodnocování. Správná hodnota je velmi důležitá pro korektní tvorbu směsi. Tento snímač, nebo jeho modifikace je užíván také pro sledování tlaku provozních kapalin, například tlaku motorového oleje. Na konci přívodního kanálu se nachází membrána, na kterou tlačí přiváděné palivo, zde je také polovodičový prvek. Vlivem deformace (průhyb 1 mm při tlaku 150 MPa) se mění napětí v obvodu ležící mezi 0 až 70 mv, zesilováno vyhodnocovacím obvodem na 0,5 V až 4,5 V. Obr. 14 Snímač tlaku paliva BOSCH, Common rail, Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015 Obr. 15 Diagnostika BOSCH KTS 540, změny tlaku v závislosti na otáčkách motoru Zdroj: webové stránky

23 Regulační systém motoru Snímač teploty paliva Tento snímač využívá řídicí jednotka ECU jako korekční veličinu při stanovení hmotnosti vstřikovaného paliva. Pro přesné stanovení hmotnosti paliva však potřebuje řídicí jednotka znát jeho hodnotu, která se mění v závislosti na teplotě. Protože závislost hustoty paliva na teplotě je řídicí jednotce známá a teplotu paliva si změří, snadno pak vypočítá přesnou hodnotu hmotnosti vstřikovaného paliva Odporový snímač teploty Jedná se o odporový snímač zapojený jako dělič napětí. Podle teploty se mění hodnota odporu (čím vyšší teplota, tím nižší odpor) a tím se mění i velikost proudu v děliči napětí a tím také úbytek napětí na měřícím odporu v řídicí jednotce. Velikost úbytku napětí na měřícím odporu v řídicí jednotce udává teplotu paliva Polovodičový NTC senzor teploty U polovodičových NTC senzorů teploty se také využívá změny odpory v závislosti na teplotě. Většinou je tvoří slinuté oxidy kovů jako například kobalt, měď, mangan, a ostatní kovy s odpovídajícím ohmickým odporem. Hodnota odporu při zvyšující teplotě klesá (negativní teplotní koeficient) viz. obr. 8. Jejich odpor klesá nelineárně s teplotou. Zvýšení teploty o například 20 C znamená snížení odporu snímače o polovinu. Běžný rozsah teplot je -50 C až 150 C, jsou velmi citlivé na změnu teploty, proto umožňují měřit i velmi rychlé teplotní změny. Rozmezí hodnot odporu (od 0,1 Ω až do hodnoty několik MΩ). Obr. 16 Teplotní závislost odporových senzorů (Pt, Ni, NTC) Zdroj: webové stránky

24 Regulační systém motoru Snímač polohy akcelerátoru Zásadní roli v reakci na aktuální potřebu spalovacího motoru je nutno znát přesnou polohu například plynového pedálu, tím dává řidič znát svůj požadavek např. na potřebu zrychlení, nebo udržení konstantní rychlosti vozidla. Ve většině případů se jedná o použití potenciometru, ten funguje na principu změny elektrického odporu v závislosti na změně polohy pohyblivého členu. U těchto snímačů je kladen velký důraz na spolehlivost a přesnost, protože je na nich do velmi značné míry závislá především ovladatelnost motoru. Obr. 17 Snímač polohy akcelerátoru BOSCH Zdroj: webový katalog TecDoc; Lambda sonda Lambda sondu používáme u systémů řízení motoru k průběžné analýze koncentraci kyslíku ve spalinách a tím, ke zjištění bohatosti směsi. První lambda sonda byla vyvinuta na konci šedesátých let firmou BOSCH. První použití pro osobní automobily přišlo v roce 1976 s vozem Volvo 240/260, první vyhřívaným typem se firmy BOSCH pochlubila roku V praxi se můžeme setkat nejčastěji se dvěma typy lambda sond pracujících na dvou různých principech. Na principu elektrického článku a druhou variantou je odporová lambda sonda, která v závislosti na přítomnosti kyslíku nemění svoje napětí, ale odpor. Obr. 18 Regulační lambda sonda BOSCH Zdroj: webový katalog TecDoc, 2015

25 Regulační systém motoru 25 Obr. 19 Průběh signálu zirkoniové lambda sondy měřeného na osciloskopu Zdroj: webové stránky mjauto.cz; 2015 Abychom účinně spalovali směs a produkovali co nejméně škodlivých emisí, je regulace lambda ve spojení s katalyzátorem velmi účinná. Motor musí spalovat stechiometrickou směs, kdy λ=1. K regulaci využíváme sondu umístěnou ve výfukovém systému, nejčastěji co nejblíže za spalovacím prostorem, aby byla ohřívána na provozní teplotu v co nejkratší době. Konstrukce lambda sondy je většinou vyhřívané těleso, keramika z oxidu zirkonia. Keramická destička s nanesenými vrstvami, které slouží jako elektrody, jedna je spojena s vnějším vzduchem a druhá s výfukovými plyny. Vlivem rozdílné koncentrace kyslíku vzniká mezi elektrodami napětí U. Vzniklé napětí, je vedeno do řídicí jednotky motoru, která vypočítává hodnotu λ. Průběh signálu je dobře viditelný na obr. 19. Lambda sondy jsou dnes již také využívány ve vznětových motorech, s její pomocí mohou být vznětové motory ještě úspornější a dosáhnout nižších exhalací. Lze lépe sladit řídicí systém vstřikování a vlastní motor a tím snížit spotřebu a emise. Měřením na voltmetru je možné pozorovat v případě zirkonové lambda sondy napětí 0,2 V až 0,8 V, titanové verze 2 V až 5 V Snímače klepání motoru Senzory klepání se používají pro rozpoznání spalování s klepáním, tzv. detonačním hořením. Pomocí těchto senzorů je možno dosáhnout velmi efektivního spalování směsi vzduchu s palivem pomocí snížení předstihu zážehu a opětovným přiblížením k hranici vzniku klepání. Takto lze optimalizovat výkon motoru a snížit spotřebu paliva i emise škodlivých látek ve výfuku. Důležitým aspektem je také, že pomáhají chránit díly motoru před poškozením, vlivem detonačního hoření, zejména klikový mechanismus.

26 Regulační systém motoru 26 Senzory pracují na principu piezoelementů, ty jsou stlačovány vestavěnou hmotností v závislosti na hluku přenášeném například v bloku motoru. Piezoelement v závislosti na tomto stlačení vytváří náboj a převádí ho na výstupní napětí, ten je pak dále zpracován v řídicí jednotce motoru ECU. Moderní motorizace používají snímač pro každý válec zvlášť, čímž se nadále vylepšuje regulace hoření směsi a dobu zážehu viz obr. 20 a 21. Obr pinový snímač klepání motoru Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015 Obr. 21 Signál ze snímače klepání (oblast A zobrazuje výskyt klepání v motoru) Zdroj: Autoelektronika, Štěrba, Čupera; Ostatní používané snímače S rozvojem elektroniky v automobilismu je nutno aplikovat stále větší množství jednotlivých snímačů, jejichž signál řídicí jednotka využívá. Jako například úzké propojení kontroly trakce

27 Regulační systém motoru 27 s řízením motoru, takže nejen kvůli optimalizaci spotřeby a výkonu, emisí apod. se chod motoru reguluje i na základě dalších kritérií. Typickým zástupcem je snímač otáček kol obr. 22, princip jeho funkce je většinou magnetický. Předává informace o počtu otáček jednotlivých kol a řídicí jednotka pomocí algoritmu vypočítává okamžitou rychlost vozidla. Ty jsou pak využívány pro systémy regulace prokluzu kol, kontroly trakce, omezování rychlosti, apod. U každého jednotlivého typu vozidla se setkáme kromě základních i na řadu dalších senzorů, s jejichž údaji řídicí algoritmus kalkuluje. Obr. 22 Schéma principu činnosti snímače otáček kola Zdroj: webové stránky Akční členy využívané při řízení motoru Veškeré akční členy jako součást regulační soustavy zasahují bezprostředně poté, co dostanou příslušné informace analyzované řídicí jednotkou. Musí reagovat rychle a přesně, dle aktuálních požadavků. Strukturu akčních členů můžeme rozdělit na: - systém vstřikování (vysokotlaké čerpadlo, dopravní čerpadlo, vstřikovací tryska), - systém regulace (regulace plnicího tlaku turbodmychadla, regulace předstihu zážehu) Systém vstřikování paliva Neustálý vývoj v systému vstřikování paliva do motoru jde ruku v ruce s regulací škodlivých emisí, výrobci se snaží vyvinout stále lepší systém, který bude co nejúčinnější. Doba ustoupila od mechanických rotačních čerpadel, kde bylo pouze minimum elektroniky, se dostala až po moderní technologie přímých vstřiků za velmi vysokého tlaku.

28 Regulační systém motoru 28 Ať už benzinové, či dieselové agregáty si prošly značnou modernizací, pracují velmi kvalitně a jejich systém velmi značně omezil škodlivé emise a výrazně zvýšil výkon spalovacího motoru. Nejdůležitější prvek je nepochybně vstřikovací tryska, na její bezvadné funkci závisí vznik kvalitní směsi a tím výsledné emisní a výkonové parametry motoru. Standartní vstřikovací trysky osazené v sériovém motoru jsou dimenzovány, aby plnily bezvadnou funkci za všech provozních podmínek daného motoru. Zejména rychlost otevírání a celkové reakce vstřikovacího ventilu je klíčová, jakmile rostou otáčky motoru, zkracuje se čas potřebný k otevření a provedení požadovaného vstřiku paliva. A k dosažení patřičného výkonu je nutno v tomto krátkém čas vstřikovat i větší dávku paliva. Na obr. 23 je vstřikovací ventil benzinového motoru, a na obr. 24 vstřikovač pro dieselový motor. Obr. 23 Vstřikovací ventil zážehový motor Obr. 24 Vstřikovač pro vznětový motor Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015 Zdroj: webový katalog TecDoc; Regulace plnícího tlaku vzduchu u přeplňovaných motorů Výkonové parametry přeplňovaného motoru, ať už benzínového, nebo vznětového v celém rozsahu otáček a zatížení významně ovlivňuje hodnota plnícího tlaku vzduchu. Aby například vznětový turbomotor dosahoval požadovaných výkonových parametrů v celém rozsahu pracovních otáček a zatížení, je nutno plnící tlak regulovat. V datových polích řídicí jednotky jsou uloženy ideální hodnoty plnícího tlaku vzduchu v závislosti na otáčkách motoru a jeho zatížení (hmotnosti nasávaného vzduchu). Jako korekční faktor slouží teplota nasávaného vzduchu. Aby motor nasával i při rozdílném atmosférickém tlaku vzduchu stejnou hmotnost vzduchu, je charakteristika předepsaného plnícího tlaku korigována podle hodnoty změřeného atmosférického tlaku. Přibližně od nadmořské výšky 1500 m se předepsaná hodnota plnícího tlaku vzduchu snižuje, aby se v řídkém vzduchu zabránilo přetočení a destrukci turbodmychadla.

29 Regulační systém motoru 29 Obr. 25 Řídicí ventil plnícího tlaku vzduchu N75 Zdroj: webové stránky Turbodmychadlo a jeho obtokový ventil jsou dimenzovány tak, aby měly dostatečný regulační zdvih. Taktováním řídicího ventilu obr. 25 je nastaven v obtokovém ventilu optimální zdvih (pro každý provozní stav automobilu) a tím také předepsaná hodnota plnícího tlaku. Zpětnou informaci o skutečném tlaku v sacím potrubí si řídicí jednotka bere ze snímače tlaku v sacím potrubí. Každá odchylka skutečné hodnoty plnícího tlaku vzduchu od hodnoty předepsané datovým polem, je řídicí jednotkou okamžitě vyregulována. Pokud dojde k překročení maximální hodnoty plnícího tlaku, i přes maximální otevření přepouštěcího ventilu, sníží řídicí jednotka dávku paliva a tím výrazně poklesne výkon motoru. Vedle optimalizace výkonu motoru je nutno plnící tlak regulovat také za účelem ochrany turbodmychadla, například přetočením vlivem vysokých otáček motoru a následnému poškození Palivové čerpadlo Další nezbytnou součástí je palivové čerpadlo, po kterém vyžadujeme neustálou a přesnou dodávku paliva v určitém objemu a tlaku. Čerpadla mohou být nízkotlaká, nebo vysokotlaká, mohou nám pouze dodávat palivo z palivové nádrže do vysokotlaké části, kde nám stlačuje čerpadlo vysokotlaké na požadovanou hodnotu, podobně je tomu dnes u moderních common-rail systémů. U běžných benzínových motorů se dodává čerpadlem benzín až do vstřikovací lišty, kde je regulovaný tlak ventilem umístěným ve většině případů na vstřikovací rampě.

30 Regulační systém motoru 30 Nebo lze taktéž použít pro dosažení vyššího tlaku (například 2.0 TFSI koncernu VW) vysokotlaké čerpadlo, zde je použito přímého vstřiku benzínu. Výkon palivové pumpy je závislý na napájecím napětí, proto je někdy regulace tlaku paliva řízena právě změnou napájecího napětí, velký důraz je také kladen na čistotu paliva. Na obr. 26 je zobrazeno tandemové čerpadlo renomované značky PIERBURG, které je používáno zejména u koncernových motorů se systémem PD (PUMPE DUSE), kde má funkci jak podtlakového čerpadla například pro posilovač brzd, tak palivového čerpadla pro dopravu paliva k vstřikovacím ventilům v palivovém vedení přímo v hlavě motoru. Palivové čerpadlo má vnitřní ozubené kolo, které koná otáčivý pohyb. Otáčením dochází ke zvětšování mezer mezi ozubeními (nasávání paliva), nebo k zmenšování (výtlak paliva). Maximální dodávaný tlak je 1,15 MPa při 4000 min (2.0 TDI PD). Samotná vstřikovací jednotka poté dokonce dosahuje vstřikovacího tlaku až 200 MPa. Obr. 26 Tandemové čerpadlo BOSCH 2.0 TDI PD 103kW Zdroj: webový katalog TecDoc; 2015

31 Data a software 31 4 Data a software 4.1 Systém zpracování dat Stejně jako běžný stolní počítač, tak i mikrokontroler v řídicí jednotce pracuje se strojovým kódem, pomocí tohoto kódu jsou poté vykonány jednotlivé instrukce řídicího programu. Obr. 27 Hexadecimální zobrazení EPROM dat v programu ECM TITANIUM Zdroj: webové stránky výrobce Za normálních podmínek se běžný uživatel s tímto formátem nesetká, ten je přístupný pouze pří hlubším zobrazením dat za pomocí speciálního software. Stejným způsobem jsou adresována i jednotlivá datová pole v paměťovém prvku. Veškerá vstupní data, jako například informace o předstihu, dálce vstřiku, teploty, apod., se při kvalitní úpravě dat zpracovává v běžném formátu a poté je nutné převedení do hexadecimálního tvaru. Patřičný specializovaný software nám samozřejmě umožňuje pohodlnější náhled, tak i editaci v desítkovém tvaru viz obr. 27.

32 Data a software Datová pole a jejich struktura Struktura dat není informací veřejnou, většina výrobců si jejich zpracování a lokalizaci dat drží v tajnosti. Není dosud ani žádný standard, dle kterého by se postupovalo při jejich výrobě. Jednotlivé informace uložené v datovém prostoru musí být vždy dobře adresovány, aby s nimi řídicí jednotka byla schopna okamžitě pracovat. Konkrétní adresa je v datové matici uložena jako číslo řádku a sloupce, ty jsou označeny i v hexadecimálním formátu. Data jsou uloženy přesně podle požadavků a potřeb daného výrobce. Zde je velmi důležitý fakt, že bez skutečně speciálního software se nelze obejít, ten nám v uživatelsky příjemném prostředí dokáže zobrazit a editovat vše potřebné. Souměrnost upravených dat, je nutno kontrolovat na tzv. checksum, neboli kontrolní součet pro stanovené správné integrity dat v paměti. ECU potřebuje vědět, že zpracovávaná data jsou v pořádku a že nedojde k problému v jakémkoliv režimu řízení motoru. Jde o vlastní algoritmus, který nejen, že kontroluje kvalitu dat, ale zároveň znemožňuje komukoliv zasáhnout do originálních dat výrobce, samozřejmě i tento krok nám dokáže potřebný software vyřešit a upravená data sladit tak, aby finální checksum přesně odpovídal požadavkům ECU. Zde je vidět, že jakýkoliv neodborný zásah může skončit minimálně nefunkčním určitým režimem v chodu motoru, nebo dokonce poškozením celého motoru. 4.3 Druhy polovodičových pamětí ECU Samotná úprava dat v ECU je realizována právě pomocí polovodičové paměti, na kterou je možno zapisovat. Samotná řídicí jednotka obsahuje několik druhů paměť ROM (Read Only Memory) Slouží ke čtení údajů, obsahuje uložená data, pouze ty, která se během provozu nemění, jsou to zejména paměťová pole, vlastní program řízení operací se kterými pracuje procesor paměť EPROM (Electronically Programable Read Only Memory) Typ paměti, která umožňuje jednorázový zápis dat, provádí se zejména těsně před sériovou výrobou daného motoru. Data se dají vymazat, ale pouze pomocí zdroje UV záření a to všechny najednou.

33 Data a software paměť EEPROM (Electronically Erasable Programble Read Only Memory) Jedná se o energeticky nezávislou paměť, kterou je možné naprogramovat a později také mazat. Výhodou oproti EPROM je, že výmaz dat se provádí elektronicky a nikoliv pomocí UV záření. Obsahuje zejména datová pole řízení motoru a charakteristiky o provozu. Doba přepisu je delší, než doba výmazu dat. Pro tento typ však platí, že zápis dat musí být proveden vždy v externím zařízení. Obr. 28 Polovodičová paměť EEPROM 5V 8Kx8 150ns DIP28 ATMEL Zdroj: oficiální stránky dealera Paměti Flash Jedná se o obdobu EEPROM, jde také o energeticky nezávislou, statickou paměť. Lze ji naprogramovat a mazat elektronickou cestou a to bez nutnosti vyjmutí paměti z ECU. Vše je možno realizovat pouze pomocí programového a hardwarového zařízení. Komunikační prostor vznikl nástupem OBD palubní diagnostiky, která je schopna komunikace s ECU pomocí externího zařízení připojeného k diagnostickému portu. Obr. 29 Programátor jednotek EDC17 Zdroj: oficiální stránky

34 Data a software Přístup k ECU pomocí OBD portu Aby bylo možné přepisovat a upravovat data v ECU bez nutnosti vyjmutí polovodičové paměti, musí být vozidlo vybaveno komunikačním portem OBD. Osobní automobily, vyrobené v Evropě nejpozději od května 2001, resp. V USA od roku 1996, musí být vybaveny systémem palubní diagnostiky OBD (On Board Diagnostic). Tímto systémem je možné provádět diagnostiku prakticky všech elektronických systémů vozidla, ale také přistupovat k signálům z jednotlivých snímačů, které se podílejí na řízení motoru, či bezpečnosti Standardizace OBD Vozidlo musí být vybaveno standardizovaným konektorem, odpovídajícím normě SAE J1962. Umístění konektoru není libovolné, musí být jednoduše dostupný z kabiny řidiče a to bez použití speciálního nářadí, či nástrojů. Druhou částí standardizace jsou komunikační protokoly. V praxi to znamená, že s jedním diagnostickým přístrojem můžeme komunikovat se všemi vozidly (řídicími systémy motorů), které vyhovují požadavkům OBD. Obr. 30 Schéma zapojení diagnostické zásuvky OBD-II Zdroj: Autoelektronika, Šterba, Čupera; 2010 Normy OBD: - SAE J1850 datový komunikační protokol. - SAE J1930 diagnostická terminologie. - SAE J1939 protokol výměny dat (CAN). - SAE J1962 diagnostická zásuvka.

35 Data a software 35 - SAE J1978 diagnostické přístroje. - SAE j1979 softwarová komunikace, testovací módy. - SAE J2012 doporučený formát a označení chybových kódů (DTC). - SAE J2190 softwarová komunikace, rozšířené testovací módy. - ISO požadavky na digitální výměnu informací. - ISO specifikace servisní diagnostiky. - ISO KWP 2000, protokol výměny dat. - ISO KWP 2000, protokol výměny dat ve vztahu k emisím škodlivin. - ISO požadavky na digitální výměnu informací (CAN). - ISO15031 požadavky na výměnu informací, diagnostická zásuvka, chybové kódy Komunikace s OBD Abychom mohli komunikovat s ECU a následně upravovat data v ní uložená, je nutno mít patřičné vybavení, které se skládá například z dotykového specializovaného přístroje s odnímatelným kabelem určeným pro komunikaci v rámci OBD, nebo notebook se softwarem a taktéž patřičným kabelem. V našem případě bylo použito druhé varianty: Profesionální zařízením KESS od renomované italské společnosti ALIENTECH, která se jako jedna z prvních začala zabývat možností programování ECU vozidel. Její historie se datuje k roku 1991, nyní má síť odborníků a inženýrů po celém světě. Nabízí kompletní sortiment hardwarového i softwarového vybavení, technickou podporu a individuální úpravy dat. Zařízení KESS viz obr. 31, reprezentuje poslední generaci nástroje pro sériové programování nejrůznějších řídicích jednotek systémů motorů. Celý systém je založen na inteligentním rozhraní podporující K-line, CAN-BUS, PWM, které je osazeno výkonným mikroprocesorem, který zajišťuje vysokou spolehlivost a možnost automatických aktualizací řídicího firmware. Propojovací kabel a ovládací software běžící na platformě Windows. Komunikační protokoly jsou modulárně sestaveny, a proto je lze samostatně aktivovat a kombinovat. Připojení k PC je řešeno pomocí USB portu. Softwarová část je také zastoupena společností Alientech a to systémem ECM2001 viz obr. 32, který umožňuje rychlou úpravu hodnot grafů (vstřikování, tlak turbodmychadla a další mezní hodnoty uchované v souborech EPROM). ECM2001 obsahuje všechny potřebné nástroje, které jsou nutné pro úpravu řídicí jednotky. Ovladače jsou vytvořeny pro ruční proces hledání uložených dat v paměti EPROM, ty jsou poté zobrazeny v grafech a tabulkách, kde je možná editace. Testování datových polí je možné v reálném čase v 2D a 3D grafice, jak v hexadecimálních, tak uživatelsky

36 Data a software 36 přívětivých decimálních tabulkách. Lze jednoduše zvyšovat a snižovat hodnoty vstřikování, zapalování, tlaku turbodmychadla, omezovače otáček, atd. Křížovým porovnáváním zobrazených hodnot zatížení a režimu jsou získány údaje, které používá mikroprocesor pro výpočty a následně stabilní chod motoru. Software kontroluje finální úpravu nástrojem CHECKSUM, tzv. kontrolní součet, aby nedošlo ke komplikacím a chybám v upravovaném souboru. Obr. 31 Zařízení KESS od společnosti Alientech Zdroj: oficiální stránky výrobce Alientech, Zařízení taktéž umožňuje ukládání původních dat z řídicí jednotky, tzv. továrního nastavení a kdykoliv tyto data nahrát zpět. Uložená data se uloží pod výrobním číslem VIN (angl. Vehicle identification number) nebo registrační značkou vozidla. Obr. 32 Pracovní prostředí softwaru ECM2001 od společnosti Alientech Zdroj: vlastní; 2015

37 Data a software Úpravce a dodavatel software Za účelem Bakalářské práce byla přizvána firma s nejlepšími referencemi na internetu a zároveň bych rád zdůraznil, že jako jediná z celkem osmi oslovených firem, byla schopna úpravu provést v prostorách Mendelovy univerzity. Jednoznačný požadavek z mojí strany byl, že bude provedeno měření výkonu i točivého momentu před i po úpravě. Úpravce firma nabízí tři varianty výkonové úpravy řídicí jednotky: ECO, STANDART a SPORT (jednotlivé verze jsou přizpůsobovány dle typu sériové verze dat ECU, i v našem případě technik dodatečně upravoval soubory ve svém notebooku, za pomocí softwaru ECM2001) Po konzultaci s technikem, změřením výkonu a točivého momentu v továrním stavu vozidla, jsme se rozhodli, i s přihlédnutím k udržení životnosti motoru pro variantu ECO, která nabízí následující hodnoty: Obr. 33 Tabulka s hodnotami výkonové úpravy ECO Zdroj: webové stránky úpravce Společnost vlastní certifikát ISO 9001, působí již 13 let na území České republiky a zaručuje 10 let záruky na software. Před vlastní úpravou zálohuje původní software do své databáze. V případě, že zákazník není spokojen, nahraje originální software zpět zdarma. Cena za úpravu je 6490,- Kč, po slevě za účelem studijního experimentu mi byla dokonce poskytnuta sleva na konečných 4490,- Kč, na kterou mi byl vystaven doklad.

38 Upravované vozidlo 38 5 Upravované vozidlo 5.1 Škoda Octavia Scout 2.0 TDI PD 4x4 K samotné úpravě dat v řídicí jednotce se přistavil vůz koncernového výrobce VW z Mladoboleslavské automobilky Škoda Octavia Scout s přeplňovaným dvoulitrovým čtyřválcem se systémem vstřikování PD (německy Pumpe Düse, anglicky Unit Injector System, česky sdružené vstřikovací jednotky) v kombinaci s šestistupňovou manuální převodovkou a pohonem 4x4, výkon je rozdělován pomocí mezinápravové spojky Haldex. Obr. 34 Škoda Octavia Scout 2.0 TDI PD 103 kw Zdroj: Motorizace 2.0 TDI PD nabízí v technické specifikaci vozu maximální hodnotu výkonu 103 kw při 4000 min, oblíbený nástupce prvních TDI montovaných do Octavií první generace. Původní systém rotačního čerpadla je zde nahrazeno elektronicky řízeným a mechanicky ovládaným, vysokotlakým vstřikováním nafty. Základní vlastnosti vozidla: Počet najetých km: Převodovka: 6ti rychlostní 4x4 Rok výroby: 2008 Pohotovostní hmotnost: 1530 kg Délka: 4581 mm Šířka: 1784 mm Výška: 1533 mm Rozchod kol vzadu: 1515 mm Rozvor náprav: 2578 mm Rozchod kol vpředu: 1534 mm

39 Upravované vozidlo Motor 2.0 TDI PD, kód BMM Druh motoru Umístění motoru Příprava směsi Přeplňování Poháněné nápravy Převodovka řadový vpředu napříč vznětový motor s přímým vstřikem turbodmychadlo s variabilní geometrií lopatek pohon obou náprav HALDEX Manuální Počet rychl. stupňů (man.) 6 Zdvihový objem 1968 ccm Počet válců 4 Počet ventilů 8 Točivý moment max. Výkon 320 Nm při 1750 ot./min. 103 kw při 4000 ot./min. Obr. 35 Motor koncernu VW 2.0 TDI PD 103 kw Zdroj: webové stránky

40 Upravované vozidlo Mechanická převodovka Mechanická 6ti stupňová převodovka s pohonem všech kol přes spojku HALDEX testovaného vozidla Škoda Octavia Scout nese kódové označení KNP viz obr. 35. Pro testování bylo nutné zadat následující hodnoty: Převodový stupeň Počet zubů hnací/hnané kola Převodový poměr 1 49/13 3, /23 2, /34 1, /43 0, /40 0, /43 0,814 Tab. 1 Převodové poměry převodovka KNP Zdroj: příručka Škoda auto a.s., 2015 Obr. 36 Manuální převodovka KNP se systémem Haldex Zdroj: oficiální webové stránky

41 Použité přístroje k měření 41 6 Použité přístroje k měření 6.1 Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D K měření výkonu spalovacího motoru vozidla bez nutnosti demontáže na zkušebnu motorů slouží válcový vozidlový dynamometr. Jeho činnost lze zjednodušeně popsat následovně. Spalovací motor přenáší výkon na hnací kola vozidla, ta třením roztáčí zkušební válce dynamometru (z konstrukčního hlediska se může jednat o monovlácové či duoválcové výkonové zkušebny). K válci je připojeno zařízení (z principu maření energie existují vířivé, hydraulické či elektrické brzdy), které klade otáčejícímu se kolu brzdný odpor a umožňuje regulaci jeho velikosti. Tento brzdný moment vyvolává reakční moment stejné velikosti, ale s opačným smyslem, a jelikož válce jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší se reakční moment přes stator na siloměrné zařízení - tenzometr. Měřením velikosti reakčního momentu lze určit obvodové hnací síly na kolech vozidla a při znalosti otáček, resp. rychlosti otáčení je možné vypočítat výkon. Obr. 37 Vozidlová zkušebna pro osobní automobily 4VDM E120-D Zdroj: utad.af.mendelu.cz

42 Použité přístroje k měření Základní vlastnosti dynamometru 4VDM E120-D Konstrukční řešení se skládá z ocelových základních rámů, zde jsou umístěny ložiska válců o průměru 120 mm, stojin a rámů vlastních stejnosměrných elektrických dynamometrů. Jednotlivé rámy se stojinami tvoří základ jednotlivých os. Usazení bloku pro přední nápravu je uloženo pevně, se zadní částí je možno manipulovat v závislosti na rozmezí požadovaného rozvoru nápravy. Obr. 38 Parametry vozidlového dynamometru 4VDM E120-D Zdroj: prezentace přednášky, doc. Čupera, 2014 Spojení mezi levým a pravým válcem je řešeno elektricky ovládanou frikční spojkou. Rozpojení levého a pravého válce umožňuje statické a dynamické měření brzdných sil, při výkonové zkoušce jsou oba válce spojeny. Samotné dynamometry typu SDS jsou spojeny s válcovými jednotkami pomocí ozubených řemenů. Každý válec je bezpečně ovládán pneumatickými brzdami a každá válcová jednotka taktéž pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odnímatelným krytem. Osy jsou součástí konstrukce z ocelových profilů, která je spojena se základním rámem a ten je na dně montážní jámy zalitý betonem. V podlaze kolem zkušebny jsou zality kotvící oka pro upevnění úvazků testovaného vozidla. Dále jsou zde drážky pro zasazení bezpečnostního krytí každého kola. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami v zapuštěném kanálu. V přední části, před testo-

43 Použité přístroje k měření 43 vaným vozidlem je postaven ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí s možností ovládání pomocí klávesnice z kabiny vozidla. Obr. 39 Schéma kompletní zkušebny Zdroj: přednášky, doc. Čupera; 2014 Součástí zkušebny je též velmi výkonná vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Lze dosáhnout výměny množství vzduchu až m3/h, podtlak lze regulovat od 5 do 300 Pa. V závislosti na odebíraném výkonu motoru je možné u výfukových plynů odebírat až m3/h. Regulace je také možná pomocí ručního ovládání. Zkušebna vedle měření otáčkových charakteristik motorů statickou a dynamickou metodou umožňuje i zkoušení brzd včetně ABS. Kalibrační testy k určení pasivních odporů pro vyhodnocení jednotlivých měření, doplňkové zkoušky jako např. testy palubích ukazatelů tachometr, otáčkoměr atd. Statická zkouška jedná se o měření za konstantních otáček motoru, ten je zatížen dynamometrem. Principiálně se odečítají otáčky válce dynamometru a odpovídající hodnota točivého momentu, ten je dán snímačem síly, z těchto dat se následně softwarově vypočítává výkon motoru. Tato metoda funguje na principu zjištění síly, která působí při brzdění válce na určitém rameni. Poté se určují hodnoty výkonu a točivého momentu v předem definovaných místech. Tato metoda je přesnější, protože dochází k dokonalejšímu ohřevu motoru. Dynamická zkouška zde je motor zatížen odporem setrvačných hmot během roztáčení, výsledná hodnota výkonu motoru je odvozena ze vztahu, kde točivý moment je součinem momentu setrvačnosti a úhlového zrychlení. Je nutné uvést přesně hodnotu momentu setrvačnosti, ta však není dostupná, proto je nutno ji zjistit laboratorně za pomocí doběhové zkoušky, nebo měřením ztrát v převodovém ústrojí.

44 Použité přístroje k měření Diagnostický tester Devcom TS Pro Během vlastního měření bylo využito diagnostického testeru Devcom TS Pro: Obr. 40 Diagnostický tester Devcom TS Pro Zdroj: webové stránky výrobce Samotný přístroj disponuje vlastním displejem a jednoduchou klávesnicí, můžeme tedy samostatně pracovat pouze propojením kabelu do diagnostické zásuvky OBD. Mezi přednosti patří: - sériová diagnostika vozidel od r.v. 1990, - EOBD/OBD Scantool, - podporuje standardy E-OBD, OBD-II, CAN, ISO, SAE, kanálový osciloskop, - paralelní diagnostika (sledování elektrických signálů), - zobrazení a identifikace řídicí jednotky, - test akčních členů, - čtení bloku naměřených hodnot. Obr. 41 Základní parametry diagnostického testeru Devcom TS Pro Zdroj: Vlastní; 2014