ŘÍZENÍ MOTORU Automobilový motor je provozován v širokém rozmezí otáček a zatížení, což klade vysoké nároky na regulaci palivové soustavy a u motorů zážehových i na regulaci zapalovací soustavy. Tato regulace musí zajistit nejen možnost dosažení nejvyššího výkonu motoru při optimální spotřebě paliva, ale i zaručit plnění legislativních hodnot obsahu škodlivých exhalací ve výfukových plynech motoru. Tyto vysoké nároky lze s požadovanou přesností plnit jen s využitím elektronických řídicích systémů. Požadavky na regulaci motoru tak vycházejí ze závislostí mezi zatížením (potřebným výkonem), otáčkami, množstvím a kvalitou směsi, předstihem zážehu nebo vznícení (předvstřikem), okamžitou spotřebou a složením výfukových plynů. Podle převládajících požadavků lze rozdělit pracovní oblast automobilového motoru podle jeho otáček a zatížení do čtyř skupin: 1. Běh naprázdno motor nevykonává žádnou užitečnou práci a energie přivedená v palivu pouze kryje mechanické a tepelné ztráty motoru a jeho příslušenství. Protože se jedná o základní, výchozí stav činnosti motoru, vyžaduje se zde dodržování stálých (konstantních) otáček běhu naprázdno a co nejmenší spotřeby paliva při dodržení limitů exhalací. 2. Částečné zatížení je nejčastější pracovní oblast vozidlových motorů a to při velkém rozsahu provozních otáček. Hlavními požadavky jsou zde dosažení co nejnižší provozní spotřeby při nízkých hodnotách emisí. Současná regulace přípravy směsi i jejího zážehu je velmi složitá a zaručují ji pouze systémy komplexního řízení chodu motoru, tzv. motormanagement". 3. Plné zatížení méně často využívaná oblast činnosti, ve které je rozhodujícím požadavkem dosažení nejvyššího výkonu motoru. I v tomto případě je optimalizace zajišťována řídicí jednotkou, pouze vstupní signály jsou vyhodnocovány podle jiného programu než při částečném zatížení. 4. Nestacionární stavy jsou přechodové stavy při změnách z jednoho ustáleného režimu pracovní charakteristiky do jiného ustáleného režimu. Běžnými přechodovými stavy jsou akcelerace a decelerace. Při akceleraci (zrychlení) je nutné krátkodobé zvýšení dodávky paliva, kompenzující ochuzení směsi v důsledku náhlého otevření škrticí klapky. Naopak při deceleraci (zpomalení), kdy je směr toku výkonu obrácený (brždění motorem), je vhodné, s ohledem na spotřebu i exhalace, dodávku paliva přerušit. Zvláštním nestacionárním režimem motoru je stav jeho spouštění a ohřevu na provozní teplotu, tj. přechod z klidového stavu na stav běhu naprázdno. Vzhledem k větším tepelným i mechanickým ztrátám studeného" motoru je vždy nutné podstatné zvýšení přívodu energie do pracovního oběhu motoru, což představuje u motorů zážehových obohacení směsi (sytič) a u motorů vznětových nastavení vyšší dávky paliva. Ve fázi ohřevu motoru je potom nutný plynulý nebo stupňovitý přechod na seřízení odpovídající běhu naprázdno a to na základě vyhodnocení teploty nasávaného vzduchu, teploty motoru (oleje) a otáček motoru. U motorů zážehových je pro spouštění obvykle vhodné i zmenšení předstihu. Karburátor s elektronickým řízením Moderní karburátor je poměrně složité mechanicko-pneumatické zařízení sloužící k přípravě zápalné směsi rozprášeného kapalného paliva se vzduchem a jeho ovládám elektronickým řídicím systémem může být úplné nebo pouze částečné. Postupně byly v praxi používány jednoduché systémy, počínaje skokovým ovládáním systému běhu naprázdno při deceleraci, až po plně elektronicky řízený systém, kdy jsou u karburátoru již veškeré mechanické vazby nahrazeny elektrickým přenosem signálů od snímačů a řídicích povelů ke všem akčním členům, včetně škrticí klapky. Jednoduchý, v sériové výrobě ještě používaný systém je řešení, kde polohu uzavřené škrticí klapky signalizuje kontaktové čidlo (mikrospínač) a okruh běhu naprázdno je uzavírán pneumaticky ovládaným ventilem. O stavu rozhoduje řídicí jednotka vyhodnocující signál snímače otáček (od zapalování) a signál o poloze škrticí klapky. Další vývojový systém, používaný u karburátorů Pierburg řady 2E, je nabízen i s elektromagnetickým ovládáním ventilu běhu naprázdno. Karburátory řady 2E se odlišují zejména provedením spouštěcího zařízení, které je u typu 2E1 manuální (ruční sytič), 2E2 samočinné, řízené elektronicky a u typu 2E3
polosamočinné, řízené mechanicky, ale okruh sytiče je elektricky vyhříván. Tento typ karburátoru byl v licenci (JIKOV LEKR) používán i u vozů Škoda 781 (Favorit). Nejvyšším vývojovým stupněm řady 2E je mechanicky unifikovaný a elektronicky plně řízený karburátor 2EE, známý pod obchodním označením ECOTRONIC. Zde je ovládání všech regulačních prvků, tj. škrticí klapky a přívěry vzduchu již elektromechanické, podle pokynů řídicí jednotky. Vzhledem k tomu, že je zde přerušena přímá mechanická vazba mezi pedálem plynu a regulačním členem, škrticí klapkou, zahrnuje řídící jednotka i funkci tzv. E-plynu". Proto se řídicí jednotka může využít v zařízení nazývaném tempomat nebo tempostat, které udržuje stálou, předem zvolenou rychlost vozidla bez ohledu na měnící se jízdní odpory. Elektronická řídicí jednotka zajišťuje u systému Ecotronic následující funkce: 1. Řízení bohatosti a množství směsi při spouštění, akceleraci a přehřátí motoru. 2. Udržování otáček běhu naprázdno s tolerancí 10 %. 3. Uzavírání přívodu paliva při deceleraci (brždění motorem). 4. Řízení směšovacího poměru na lambda = 1. 5. Korekci programově zadaných hodnot bohatosti a množství směsi. 6. Zastavování motoru uzavíráním přívodu paliva. Obr. 1 Elektronicky řízený karburátor Pierburg 2 EE ECOTRONIC (obrázek fy Bosch) 1 karburátor, 2 motor, 3 řídící jednotka, 4 lambda sonda, 5 Čidlo teploty, 6 - katalyzátor Tento typ karburátoru je posledním vývojovým stupněm karburátorů před vstřikovacími systémy. Jednobodové vstřikování Zkrácený název mono" tohoto typu vstřikovacího zařízení pro zážehový motor je odvozen od výrazu monopoint" pro jednobodové neboli centrální vstřikování. Jedná se o systém obdobný elektronicky řízenému karburátoru, kde je pneumatické rozprašování kapalného paliva v difuzoru nahrazeno nepřerušovaným, trvalým vstřikováním paliva jedinou elektromagneticky ovládanou tryskou, umístěnou na sacím potrubí motoru v místě karburátoru. Množství směsi je nadále řízeno škrticí klapkou pod vstřikovacím ventilem. U jednoduchých systémů může být ovládání klapky přímé, mechanické, na rozdíl od dokonalejších systémů s ovládáním nepřímým, elektromechanickým. Protože mechanismus rozprašování paliva v difuzoru je nahrazen vstřikováním, mohl by se měnit směšovací poměr ve velmi širokém rozmezí a tak je nutno, vzhledem k požadované regulaci na lambda = 1, systém doplnit o měření množství nasávaného vzduchu vhodným snímačem. Používají se snímače se žhaveným drátkem či vrstvou. Centrální vstřikování benzinu je vhodné pro motory do výkonu 80 kw, mající nejvýše čtyři válce.
Obr. 2 Centrální (bodové) vstřikování benzinu: 1 - palivo, 2 - vzduch, 3 - škrticí klapka, 4 - sací potrubí, 5 - vstřikovací ventil, 6-motor Vícebodové vstřikování (multipoint) Zde je pro každý válec použit samostatný vstřikovací ventil vstřikující palivo do sacího potrubí před sací ventil. Tato zařízení jsou vývojově starší než jednobodové systémy, protože původně byly čistě mechanické, odvozené od vstřikovacích systémů pro vznětové motory. Obr. 3 Vícebodové vstřikování benzinu: 1 -palivo, 2 - vzduch, 3 - škrticí klapka, 4 - sací potrubí, 5- vstřikovací ventily, 6 - motor Vícebodové vstřikovací systémy lze podle časového průběhu vstřikování rozdělit na kontinuální (nepřetržité) a přerušované. Starší jsou systémy kontinuální a pracují na mechanicko hydraulickém principu a elektronická řídicí jednotka ovládá pouze přídavné funkce. Nejstarší sériově vyráběné zařízení je K-Jetronic, z něhož se vyvinulo elektronicky řízené zařízení KE-Jetronic. Elektronicky řízené vstřikovací systémy vstřikují přerušovaně palivo elektromagnetickými vstřikovacími ventily. Příklady: L-Jetronic, LH-Jetronic. Tyto systémy pracují s konstantním tlakem paliva a množství vstříknutého paliva je regulováno výhradně dobou otevření vstřikovacího ventilu. Základní řídící signál pro určení doby vstřiku, tedy i vstřikované dávky paliva je zatížení motoru a
otáčky klikového hřídele. Zatížení motoru je stanoveno z okamžité hodnoty hmotnostního průtoku nasávaného vzduchu. Ta je určována buď z polohy škrticí klaky a výpočtem algoritmem uloženým v paměti řídícího počítače, nebo pomocí snímače hmotnosti protékajícího vzduchu s vyhřívaným drátem či filmem. Výsledné množství vstřikovaného paliva je určováno na základě korekcí údajů snímače teploty chladící kapaliny, napětí akumulátoru, případně λ - sondy. Přímé vstřikování benzínu Přímé vstřikování benzinu znamená, že je benzin vstřikován přímo do spalovacího prostoru, obr. 4. Systém přímého vstřikování benzinu (GDI) představila firma Mitsubishi v roce 1997. Prvním evropským výrobcem systému s přímým vystřikováním paliva, která v roce 2000 zavedla systém FSI (Fuel Stratified Injection) ve spolupráci s koncernem Volkswagen do sériové výroby ve voze Lupo FSI 1,4 1. Obr. 4 Přímé vstřikování benzinu : 1 -palivo, 2- vzduch, 3 - škrticí klapka (EGAS), 4 - sací potrubí, 5 - vstřikovací ventily, 6 - motor Ve srovnání s obvyklým vstřikováním paliva do sacího potrubí lze dosáhnout - v závislosti na otáčkách a zatížení snížení spotřeby paliva o 5 až 40 %. Ve spalovacím prostoru je mezi ventily umístěna zapalovací svíčka, po straně pak vstřikovací tryska. Tou se do spalovacího prostoru vstřikuje benzin pod tlakem až 100 barů přímo do vybrání v pístu. Zajímavě tvarovaný spalovací prostor vytváří spolu tvar hlavy válců a vrchní části pístu. Sací kanál je opatřen speciální klapkou (tumble) která ho vlastně dělí na dvě části -spodní a vrchní polovinu. Účelem této klapky je vytváření vrstveného plnění. V režimu částečného zatížení motoru pracuje motor s vysokým přebytkem vzduchu. Aby byla směs zapálitelná, je nutné vytvořit v oblasti zapalovací svíčky pomocí specificky válcového válcové proudění (víření směsi kolmé na osu válce, tzv. tumble-proudění), poněkud bohatší směs. Přitom v okrajových částech spalovacího prostoru je prakticky čistý vzduch. Při režimu vrstveného plnění je tumble-klapka uzavřena, a tak dovoluje zvláštní proudění pouze ve vrchní části kanálu. Tento režim se uplatňuje do poloviny zátěže a poloviny jmenovitých otáček. Vrstvené plnění znamená výraznou úsporu paliva. Když stoupne zatížení a otáčky motoru, klapka tumble se elektronickým řízením otevírá, až je nakonec sací kanál volný v plném průřezu, tj. režim s homogenní směsí. Tento režim vystačí i pro nejvyšší otáčky. Velké množství proměnlivých řídicích veličin klade ve všech provozních podmínkách na vstřikovací systém velmi vysoké nároky. Mez požadavky, které jsou na systém řízení motoru kladeny, patří zejména: - velmi přesné odměření potřebného množství paliva, - vyvinutí potřebného tlaku paliva, - určení potřebného vstřikovacího tlaku paliva, - určení správného okamžiku vstřiku paliva,
- doprava paliva přímo a přesně do spalovacích prostorů motoru. Kontrola složení směsi je zabezpečena pomocí dvou lambda sond umístěných před a za katalyzátorem. Ty slouží k regulaci provozu se součinitelem přebytku vzduchu λ = 1 (provoz s homogenní směsí), k provozu s velmi chudou směsí λ = 1,5 až 3,0 (provoz s vrstvenou směsí), k provozu s bohatou směsí λ = 0,8 a k přesnému řízení regenerace katalyzátoru. Poblíž motoru se nachází vyhřívaný třícestný (trojsložkový) katalyzátor a poněkud dále ve výfukovém traktuje tzv. zásobníkový katalyzátor NO X. V režimu, kdy motor pracuje s velkým přebytkem vzduchu (vrstvené plnění), se vytváří butně vetší množství oxidů dusíku. Tyto škodlivé emise se shromažďují v druhém katalyzátor, který je v podstatě zásobníkem NO X. V režimu homogenního plnění motoru se nashromážděné oxidy dusíků redukují na neškodný dusík. Klíčovou úlohu hraje snímač NO X, který byl firmou Bosch použit celosvětově vůbec poprvé (zásobníkový katalyzátor NO X měla patentována japonská Toyota). Snímač zaregistruje, že zásobníkový katalyzátor je plný oxidů dusíku a dá samočinně povel řídicí jednotce, aby změnila režim z chudého na homogenní plnění. To se odehrává v časových odstupech zhruba jedné minuty. Regenerace katalyzátoru, tedy ono přepnutí režimu, proběhne za asi dvě sekundy. Síra obsažená v palivu zanáší zásobníkový katalyzátor a snižuje jeho účinnost. K vyčištění katalyzátoru od síry je potřeba zahřát katalyzátor nad teplotu 650 C. Při krátkých jízdách, kdy se katalyzátor na takto vysokou teplotu nezahřeje musí zasáhnout snímač NO X a regenerace katalyzátoru proběhne změnou tvorby směsi na homogenní režim s hodnotou X menší než 1. Tím se zvýší teplota na potřebných 650 C a síra se spálí. Motormanagement Elektronické řídicí jednotky jsou schopny pracovat s takovým množstvím informací, že řízení jen jednoho procesu je pro ně neefektivní. Logickým spojením dvou základních procesů řízení a regulace zážehových motorů, přípravy směsi a zapalování, je systém komplexního řízení činnosti motoru, obvykle označovaný motormanagement. Prakticky to znamená, že pro každou polohu škrtící klapky odpovídající zatížení motoru a pro každé otáčky motoru odpovídající rychlosti vozidla jsou v paměti počítače uloženy údaje pro množství vstřikovaného paliva a předstih zážehu, případně i jiné. Řídicí počítač neustále porovnává digitalizované skutečné údaje příslušných snímačů s údaji v paměti a vhodnými regulačními zásahy se snaží jejich odchylku minimalizovat. Kromě toho řídicí jednotka využívá svých pomocných a korekčních obvodů tak, aby složení směsi i činnost zapalování byla za všech pracovních stavů i provozních režimů optimální. Protože kapacitní možnosti počítače nejsou i u komplexního řízení motoru zcela využity, je možné jeho použití i k diagnostice motoru a vozidla. V praxi nejrozšířenější systémy řízení činnosti motoru jsou zařízení Bosch označovaná obchodním názvem Motronic, složeným ze slov motor a Jetronic. Jednodušší systém řízení činnosti motoru Mono-Motronic je vlastně sloučením digitálně řízené zapalovací soustavy a vstřikování typu Mono-Jetronic. Paměti systémů Motronic obsahují několik polí dat, pro zapalování a pro přípravu směsi. V těchto polích jsou uloženy hodnoty předstihu zážehu v závislosti na otáčkách a zatížení, hodnoty úhlu sepnutí obvodu zapalování v závislosti na otáčkách motoru a na napětí elektrické soustavy. Tímto způsobem je za všech provozních podmínek zaručena stálá energie zapalovací jiskry na svíčkách. Systém zapalování je proto víceparametrický. Pro činnost vstřikování jsou rozhodující údaje pro součinitel přebytku vzduchu lambda (bohatost směsi), které jsou uloženy v závislosti na otáčkách a zatížení motoru v dalším poli. V pomocném poli jsou pak uložena data korekčního faktoru. Příklad datových polí je na obr. 5.
Obr. 5 Paměťová pole souborů dat pro víceparametrické zapalování (obrázek ty Bosch) a) data pro úhel předstihu zážehu b) data pro úhel sepnutí obvodu zapalování c) data pro součinitel přebytku vzduchu lambda