Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Řídící jednotky automobilů Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Brno 2007
Vypracoval: Adam Polcar
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy
Agronomická fakulta 2006/2007
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Řešitel: Studijní program: Obor:
Název tématu:
Adam Polcar Zemědělská specializace Provoz techniky
Řídící jednotky automobilů
Zásady pro vypracování: 1. Rozbor problematiky zadání 2. Funkce řídící jednotky 3. Směry v oblasti vývoje řídících jednotek Rozsah práce:
25 - 30 stran
Seznam odborné literatury: VLK, F. Koncepce motorových vozidel: Koncepce vozidel, Alternativní pohony, Komfortní 1. systémy, Řízení dynamiky, Informační systémy. 1. vyd. Brno: Nakl.Vlk, 2000. 367 s. ISBN 80238-5276-0. VLK, F. Koncepce motorových vozidel: Koncepce vozidel, alternativní pohony, komfortní 2. systémy, řízení dynamiky, informační systémy. 1. vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 367 s. ISBN 80-238-5276-0. VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel: Výkon vozidla, brzdové soustavy, motor, 3. převodové ústrojí, odpružení, řízení, ovladatelnost, elektronické systémy. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2001. 575 s. ISBN 80-238-6573-0. 4. Odborné časopisy 5. Sborníky s odborných konferencí 6. www stránky firem, zabývajících se danou problematikou Datum zadání bakalářské práce: Termín odevzdání bakalářské práce:
prosinec 2005 duben 2007 doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí bakalářské práce
Adam Polcar řešitel bakalářské práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí ústavu
prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. děkan AF MZLU v Brně
2
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY AUTOMOBILŮ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne…………….………………………. podpis …………..……….…………….
3
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji panu doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. Za metodické vedení a cenné rady, které mi během řešení této bakalářské práce vždy ochotně poskytoval.
4
ABSTRAKT
Tato bakalářská práce na téma „Řídící jednotky automobilů“ se zabývá problematikou konstrukce a využívání řídících jednotek v automobilech. Práce je členěna na 4 hlavní části. První část je zaměřena na objasnění úlohy řídící jednotky v motorovém vozidle. Druhá se věnuje popisu jednotlivých elementů řídící jednotky a hlavních částí celého řídícího systému. Třetí část vysvětluje funkci řídící jednotky v automobilu a v poslední je rozpracována problematika směrů v oblasti vývoje řídících jednotek a možnosti jejího využívání v budoucnu.
Klíčová slova: řídící jednotka, elektronický systém, automobil
ANNOTATION
This bachelor thesis themed “Control Units of Cars” deals with construction and use of the control units in cars. The thesis is divided into 4 main parts. The first part focuses on enlightening the role of the car control units. The second follows the description of particular control units and main parts of the whole operating system. The third part description the function of the control units in cars and in the last the dilemma of tendencies in development of the control units is embroidered.
Key words: control units, electronically system, car
5
OBSAH:
1) ÚVOD ...............................................................................................................................7 2) CÍL PRÁCE .....................................................................................................................9 3) AUTOMOBILOVÁ ŘÍDÍCÍ JEDNOTKA .................................................................10 4) KONSTRUKČNÍ ŘESENÍ ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY ....................................................11 4.1 Vstupně-výstupní systém I/O – Input/Output Systém................................................11 4.2 Mikrokontroler...........................................................................................................11 4.3 Napájení .....................................................................................................................13 4.4 Modul sledování a kontroly .......................................................................................13 4.5 Zdroj hodinových signálů ..........................................................................................13 4.6 Koncový stupeň .........................................................................................................14 4.7 Diagnostická přípojka ................................................................................................15 Výměna dat mezi řídícími jednotkami.............................................................................16 5) FUNKCE ŘÍDÍCÍCH JEDNOTEK............................................................................17 5.1 Řídící jednotka zapalování.........................................................................................17 5.2 Řídící jednotka vstřikování benzinu ..........................................................................20 5.3 Řídící jednotka vznětového motoru ...........................................................................22 5.4 Řídící jednotky převodovky.......................................................................................29 5.5 Ostatní řídící jednotky automobilu a jejich funkce....................................................31 6) SMĚRY V OBLASTI VÝVOJE ŘÍDÍCÍCH JEDNOTEK ......................................33 6.1 Adaptivní tempomat ACC .........................................................................................33 6.2 Systém CWS ..............................................................................................................35 6.3 Systém CAS...............................................................................................................35 6.4 Systém LDWS ...........................................................................................................35 6.5 Systém DSC a systém DAM......................................................................................36 7) ZÁVĚR ...........................................................................................................................37 8) SEZNAM ODBORNÉ LITERATURY .......................................................................38 9) SEZNAM OBRÁZKŮ...................................................................................................39
6
1) ÚVOD V dnešním moderním světě se na každém kroku setkáváme s věcmi, které jsou opatřeny elektronikou. Elektronika nikdy neměla za úkol komplikovat nám život, ale naopak nám ho měla zjednodušit. Když se ohlédneme do historie, první elektronickou součástkou byla elektronka se žhavenou katodou – pozdější tranzistor. Během krátké doby si elektronika našla své příznivce a s tím rostl i její výzkum. Začaly se objevovat nové teorie vedoucí k novým objevům a vynálezům. Elektronika se postupně utvářela a prohlubovala a dospěla do dnešní podoby, jak ji známe my. Dnes se naše moderní společnost již neobejde bez všech těch přístrojů, které jsou zásobeny elektřinou. Elektřina pohání stroje, vyrábí světlo a teplo. Elektronika využívá elektřinu k přenosu informací a ovládání různých zařízení. Televizor, DVD-přehrávač, telefon, počítač – to všechno jsou elektronická zařízení. Každé z nich má několik speciálně navržených složitých obvodů, které vykonávají určitou přesně stanovanou funkci. Takový obvod vzniká pospojováním množství drobných elektronických součástek podle předem daného schématu. Tyto součástky mají za úkol řídit tok elektrického proudu v obvodu tak, abychom ho mohli v jiných částech zařízení měnit. Základními elektronickou součástkou je tranzistor. S masovým rozvojem elektroniky rostl i zájem aplikovat elektronické systémy (mikropočítače) do nejrůznějších odvětví. Jedním z těchto odvětví byl i automobilový průmysl.
Moje práce nese název „Řídící jednotky automobilů“ , což již prozrazuje, na co jsem z oblasti elektroniky zaměřil svoji pozornost. Jak jsem se již zmínil bez elektroniky se dnes neobejde žádný moderní produkt a výjimkou nejsou ani automobily. Právě v nich se elektronika v posledních letech rozmáhá stále rychleji a vývoj zdaleka není u konce. Stává se důležitým pomocným prostředkem, který umožňuje splnit dnešní požadavky při vývoji vozidla: zvýšení bezpečnosti zvýšení hospodárnosti zvýšení jízdního pohodlí zlepšení životního prostředí
7
Většina současných řidičů začínala jezdit v automobilech, které v sobě neměly vůbec žádnou elektroniku, nanejvýš jen radia, a byly vybaveny pouze třemi regulačními obvody – regulátorem hladiny paliva v karburátoru (plovákem), regulátorem napětí v palubní síti a odstředivým regulátorem předstihu. Koncem 70. let se začaly objevovat první elektronické regulátory napětí v palubní síti a první elektronické regulátory předstihu. Celých dvacet let v mnoha laboratořích probíhaly výzkumy, které otevíraly nové možnosti a lepší výhledy do budoucnosti. Dnes vývoj elektronických prvků otevírá nové potenciály ve vývoji mechanických systémů. Význam elektroniky ve vozidle lze vidět ve zvláštní vlastnosti kterou je to, že z mechanického okolí mohou být pomocí senzorů zachyceny, zpracovány a ukládány do paměti informace a tyto přeměňovány akčními povely na mechanické prvky.
8
2) CÍL PRÁCE Cílem mé práce je vás seznámit s tím nejsložitějším a nejdůležitějším elektronickým systémem v automobilu - řídící jednotkou, která do určité míry přebírá kontrolu nad řízením – motoru, převodovky a podvozku.
9
3) AUTOMOBILOVÁ ŘÍDÍCÍ JEDNOTKA Veškeré řídící zásahy, kterými obsluha ovlivňovala v minulosti jízdu automobilu, byly založeny na omezených fyzických a duševních schopnostech člověka. Jinými slovy řečeno, člověk svojí podstatou nedovoloval plnému využití potenciálu snímačů a akčních členů. Aby došlo k plnému využití všech elektronických prvků, začaly výrobci jednotlivých značek automobilů přidávat do vozu řídící systémy řídící jednotky ECU ( Elektronic Control Unit). Jejich funkce a konstrukce dovoluje přijímat informace od soustavy snímačů, vyhodnocovat je a nastavovat akční členy podle určitého algoritmu nebo-li podle potřeby. To znamená, že několik vstupních veličin ovlivňuje nastavení jednoho výstupního parametru v reálném čase.
Obr. 1 Řídící jednotka ECU
Řídící jednotka provádí tři základní funkce: regulační – probíhá v uzavřeném regulačním obvodu, ve kterém je skutečná hodnota porovnávána s předepsanou, jakmile dojde k určité odchylce, jednotka ihned reaguje a nastaví pomocí akčního členu předepsanou hodnotu řídící – hodnotí a zpracovává informace o řízeném procesu nebo objektu i informace o děních vně tohoto procesu a podle nich se ovládají příslušná zařízení tak, aby se dosáhlo určitého zadaného cíle diagnostickou – kontroluje vybrané parametry, které mají vliv na provozní spolehlivost automobilu a rozhoduje o tom, zda vstupní signál leží mezi předepsanými hodnotami (Bauer, 2006)
10
4) KONSTRUKČNÍ ŘESENÍ ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY Řídící jednotka se dá charakterizovat jako mikropočítač resp. jako soustava tisíce elektronických součástek které, jsou mezi sebou navzájem propojeny tak, aby mohli vykonávat požadovanou funkci. Konstrukční řešení jednotky musí splňovat několik požadavků: 1) teplotní odolnost cca od –40 až do 125°C (záleží na druhu jednotky) 2) odolnost vůči otřesům 3) těsnot 4) ochrana před vnějšími napěťovými špičkami 5) elektromagnetická kompatibilita – odolnost vůči vnějšímu rušení (Bauer, 2006)
Základ řídící jednotky tvoří integrovaná základní deska uložená v kovovém pouzdru. V této základní desce je integrován:
4.1 Vstupně-výstupní systém I/O – Input/Output Systém 4.2 Mikrokontroler 4.3 Napájení 4.4 Modul sledování a kontroly 4.5 Zdroj hodinových signálů 4.6 Koncové stupně 4.7 Diagnostická přípojka
4.1 Vstupně-výstupní systém I/O – Input/Output Systém Umožňuje přesun dat z vnější paměti nebo z periferní jednotky do základní jednotky počítače a přesun dat ze základní jednotky počítače do vnější paměti nebo do periferní jednotky počítače. (Jan, 2001b)
4.2 Mikrokontroler Tvoří základ řídící jednotky je složen z mikroprocesoru , pamětí a A/D převodníku :
11
Mikroprocesor CPU ( Central Procesor Unit) Mikroprocesor je obecně definován jako integrovaný obvod provádějící na velmi malém prostoru matematicko-logické operace. Tato definice obdobně platí i pro mikroprocesor, který obsahuje řídící jednotka automobilu - programovatelný sekvenční automat vyrobený jako integrovaný obvod, který je obvykle řízen mikroprogramem. Nejčastěji je jako mikroprocesor označován monolitický integrovaný obvod v jednom dvouřadém pouzdru, obsahující aritmetickou jednotku, univerzální a jednoúčelové registry a další logické obvody, které ho umožňují připojit k jiným mikroprocesorovým obvodům. Aby mikroprocesor mohl zpracovávat vstupní a výstupní signály tj. vyhodnocovat naměřené hodnoty, např. teplotu nasávaného vzduchu, otáčky motoru, polohu plynového pedálu atd. a provádět nastavení výstupních parametrů (akčních členů), které se vypočítávají z měřených hodnot nebo vyhledávají v datových tabulkách, např. předstřik, potřebuje k tomu program (software) , který jeho činnost řídí. Tento program bývá uložen v pevné paměti ( zařízení pro dlouhodobé uchování dvojkově kódovaných dat) – ROM, EPROM nebo Flash EPROM. (Bauer, 2006)
paměť ROM (Read Only Memory) – tenhle druh paměti slouží pouze k přečtení údajů, obsahuje uložená všechna data, která se během provozu nemění, jako jsou např. paměťové pole, vlastní provádějící programy apod.
paměť EEPROM (Electronically Erasable Programable Read Only Memory) - elektronicky programovatelná mazatelná paměť ROM, obsahuje datová pole a charakteristiky o provozu
(vozidlová data,
nastavovací data a výrobní data). Můžeme občas její obsah vynulovat a změnit, přičemž změna se provádí elektricky nebo jiným způsobem. Doba potřebná k záznamu nových dat je obvykle delší než doba vybavovací.
paměť EPROM (Electronically Programable Read Only Memory) – elektronicky programovatelná paměť ROM, umožňuje uložit data paměťových polí, která jsou změněna těsně předtím , než je zařízení uvedeno do sériové výroby. Data zůstávají v paměti i po odpojení
12
napájejícího napětí a mohou být z paměti odstraněna, ale pouze všechna najednou.
Dalším druhem paměti kterou mikroprocesor využívá je paměť RAM (Redom Access Memory) – paměť s libovolným přístupem. Umožňuje čtení a zápis dat, jsou na ni průběžně ukládány údaje z různých snímačů a výsledků výpočtů. Pokud musí být data uchovávána v paměti delší dobu, musí být paměť trvale připojena na napájecí zařízení, poněvadž po jeho odpojení jsou data ztracena. (Jan, 2001b)
Analogově/digitální převodník Analogově-digitální převodník slouží k převedení analogových a impulsních vstupních signálů na digitální, který jako jediný umí jednotka zpracovat. Převodník je umístěn přímo v jednotce nebo přímo na snímači.
Většina těchto základních elektronických součástí je k základní desce připojena technologií SMD, tzn. povrchově montované. To umožňuje snížit její rozměry a hmotnost. (Bauer, 2006)
4.3 Napájení Napájení řídící jednotky je z alternátoru, nebo při vypnutém motoru a zastrčeném klíčku v zapalování z baterie. Hodnoty od alternátoru nebo z baterie jsou upravovány pomocí regulátorů proudu a napětí.
4.4 Modul sledování a kontroly Tento druh rozhraní slouží ke kontrole a sledování činnosti řídící jednotky. V případě poruchy jednotky nebo špatné funkce je závada hlášena řidiči.
4.5 Zdroj hodinových signálů Řídí celý chod systému. Frekvence hodinových signálů se pohybuje od 4 MHz do 150 MHz. Podle potřeby může být frekvence i vyšší.
13
4.6 Koncový stupeň Koncový stupeň je většinou polovodičová součástka jako je tranzistor typu NPN. Může být přímo součástí řídící jednotky , nebo může být umístěn mimo ni, nejčastěji v kombinaci se zapalovací cívkou. Koncový stupeň je řízen mikroprocesorem a tak je i posledním článkem v jednotce na který navazují akční členy, které po signálu vyslaného z řídící jednotky vykonají požadovanou funkci. (Jan, 2001a )
Obr. 2 Blokové schéma řídící jednotky ABS 1 - snímače otáček, 2 – diagnostická přípojka, 3 – akumulátor, 4 – vstupní obvod, 5 – digitální regulátor, 6 – digitální obvod, 7 – energeticky nezávislá paměť, 8 – stabilizátor napětí/paměť závad, 9 – výstupní obvody s koncovými stupni, 10 – akční členy (ventily, spínače…), 11 – relé, 12- stabilizované napětí akumulátoru, 13 – kontrolka
14
4.7 Diagnostická přípojka Pomocí této přípojky řídící jednotka pomáhá při diagnostice motoru v servisu. Díky množství čidel a zpracovávaných údajů je schopná při problémech poskytnout informace o chodu motoru odborné obsluze Pro tyto účely mají často auta servisní konektor, přes který mohou v servisu získat všechny potřebné informace a např. rychle najít závadu.
Propojení jednotlivých modulů a jednotek počítače je pomocí sběrnice. Je to skupina vodičů, která slouží k výměně dat. Sběrnice může spojovat pouze dva nebo všechny moduly počítače, záleží na jejím druhu. (Jan, 2001b)
Umístění řídící jednotky záleží na její konstrukci. Pokud je v blízkosti motoru musíme jednotku chladit, jeden způsob jak odvádět teplo z pouzdra je prostřednictvím integrované chladící desky do paliva, které proudí kolem řídící jednotky.
Jak jsem se už zmínil získává řídící jednotka vstupní informace pomocí snímačů (polohy, rychlosti, zrychlení, tlaku, průtoku, teploty aj.) ve formě signálu. Signály mohou mít různou formu – digitální , analogové nebo impulzní, podle druhu použitého snímače.
Vstupní signál analogový Je nejčastěji ve formě napětí nebo odporu. Používají se u snímačů teploty a polohy. Protože řídící jednotka
pracuje pouze s digitálními hodnotami, musí být
hodnoty napětí a odporu převedeny přes A/D převodník do digitální podoby.
Vstupní signál digitální Tento druh signálu má pouze dva stavy: logickou 1 a logickou 0. Příkladem digitálních vstupních signálů jsou stavy zapnuto (1) a vypnuto (2), např. termostat. U tohoto druhu signálu převodník použit není.
15
Vstupní signál impulsní Signály mají tvar impulzů získaných ze snímačů indukčních. Signály jsou upravovány do obdélníkové podoby, jde především o snímače otáček,
pojezdové
rychlosti atd.
Výměna dat mezi řídícími jednotkami Aby jednotlivé řídící jednotky v automobilu (řídící jednotka vstřikování, řídící jednotka zapalování) mohli mezi sebou komunikovat (vyměňovat si svoje data) a používat jediný snímač, bylo zapotřebí řídící jednotky mezi sebou propojit, ale pomocí systému, která by mnohonásobně nezvýšil počet vodičů a konektorů, jejichž počet byl už tak ve dost vysoký. Proto byla vynalezená speciální sběrnice označována jako Bussystém, pracující na principu telefonní linky - po vyslání informace řídící jednotkou do společné sítě pomocí indikátoru poznají řídící jednotky které je zpráva určená a ostatní ji ignorují. Dovoluje přenášet velký objem dat vysokou rychlostí, podstatně snížila náklady na elektronickou soustavu a zvýšila provozní spolehlivost. V současné době se vozidlech se objevuje sběrnice označována jako CAN-Bus. Vedení je tvořenou vodiči připojenými přímo k řídící jednotce, která přenášejí data v obou směrech. Označují se CAN-High a CAN-Low. Dalšími komponenty sběrnice je CAN-Controller a CAN-Transceiver. Příkazy z řídící jednotky jdou nejprve do CAN-Controller, který je převede na vysokofrekvenční pravoúhlé napětí a odtud do CAN-Transceiver. Ten přenese příkazy na High, Low a odešle je na vedení. Současně přijímá informace řídící jednotkou vyžadované. (Bauer, 2006)
16
5) FUNKCE ŘÍDÍCÍCH JEDNOTEK Jak je již zmíněno v první kapitole, má řídící jednotka tři základní funkce a to regulační, řídící a funkci diagnostickou. Přesněji co řídit a co regulovat určuje systém pro jaký je řídící jednotka použita. V dnešních automobilech funkčních míst, kde řídící jednotka nezasahuje je již velmi málo. Elektronické řízení je v dnešní době nesmírně důležité z několika důvodů, a to zejména vysokými a přísnějšími emisními normami, sensibilitou zákazníků z hlediska jízdního komfortu, bezpečnosti a především vysokými nároky na motory o vysokém výkonu a malou spotřebou paliva.
Jak je již uvedeno v předchozí kapitole bývají elektronické systémy mezi sebou navzájem propojeny, např. řídící jednotky motoru
bývají propojeny s řídícími
jednotkami automatické převodovky , což snížením točivého momentu při řazení šetří převodovku a společně s řídící jednotkou protiblokovacího systému umožňuje regulaci prokluzu hnacích kol. Druh řídící jednotky a tedy i její konstrukce záleží na funkci, kterou jednotka ve vozidle vykonává.
Mezi hlavní řídící jednotky automobilu patří zejména: 5.1 Řídící jednotka zapalování 5.2 Řídící jednotka vstřikování benzinu 5.3 Řídící jednotka vznětového motoru 5.4 Řídící jednotky převodovky 5.5 Ostatní řídící jednotky a jejich funkce
5.1 Řídící jednotka zapalování S rostoucími požadavky na výkon zážehových motorů došlo i k modernizaci zapalování. Od klasického cívkového zapalování vývoj došel až k elektronicky řízenému zapalování. Největší výhodou zapalování, která jsou řízena elektronicky je velmi přesná elektronická regulace předstihu ( elektronické přestavení okamžiku zapálení směsi v závislosti na poloze klikového hřídele a provozním stavu motoru) a vytvoření přesné „doby sepnutí“ ( včasné nabití zásobníku energie) .
17
Předstih má významný vliv na výfukové plyny, točivý moment a spotřebu paliva zážehového motoru. Další důležitý význam elektronicky řízeného zapalování je regulace klepání v souvislost s předstihem, neboť klepání je projevem dřívějšího zapálení směsi. Elektronický systém zapalování dokáže plně využít veškerých daných informací o motoru a z nich pomocí programu vypočítat nelépe možný předstih pro daný čas.
Obr. 3 Zpracování signálů v elektronické řídící jednotce zapalování 1 – otáčky motoru, 2 – signály spínače škrtící klapky, 3 – CAN-Bus, 4 – tlak v sání, 5 – teplota motoru, 6 – teplota nasávaného vzduchu, 7 – napětí akumulátoru, 8 – A/D převodník, 9 – mikropočítač, 10 – koncový stupeň zapalování
Mikropočítač řídící jednotky obsahuje veškerá data, včetně polí charakteristik (předstihu a úhlu sepnutí) a programů , pro zjištění vstupních veličin a pro výpočet výstupních
veličin.
Snímače
elektronického
zapalování
jsou
převážně
elektromagnetické. Koncový stupeň může být integrován přímo v řídící jednotce, pak je jednotka umístěna v motorovém prostoru a musí být tedy i dobře chlazená, nebo je umístěn externě,
většinou v kombinaci se zapalovací cívkou, pak je jednotka umístěna
v prostoru pro cestující. Vedle koncového stupně mohou existovat, v závislosti na druhu řídící jednotky, také akční členy pro další výstupní veličiny např. signály stavu pro další jednotky – vstřikování, diagnostické signály atd. 18
Hlavními řídícími veličinami pro stanovení předstihu jsou otáčky nebo-li poloha klikového hřídele, která je snímána pomocí induktivního snímače na specielním ozubeném kotouči na klikovém hřídeli, a tlak v sacím potrubí, který nám udává zatížení motoru. Spínač škrtící klapky vysílá spínací signály řídící jednotce o provozním stavu motoru – při volnoběhu a plném zatížení. Při těchto stavech (při uzavřené škrtící klapce) řídící jednotka vypočítává hodnoty předstihu podle speciálních charakteristik: pro volnoběh a pro plné zatížení. Snímač teploty motoru slouží (společně s otáčkami ) pro naprogramování úhlu předstihu zážehu při spouštění motoru. Vstupní signály, které nejsou v digitální podobě se převedou v A/D převodníku a jsou připravena ke zpracování mikropočítačem, pomocí paměti ROM, kde se nachází třírozměrná paměťová pole charakteristik předstihu a úhlu sepnutí, se vypočítává z otáček a zatížení motoru pro každé nové zapálení
hodnoty pro předstih a dobu
sepnutí. Po vyhodnocení všech vstupních signálů koncový stupeň sepne primární obvod zapalovací cívky. Doba sepnutí je řízena tak, aby sekundární napětí zůstávalo téměř konstantní, nezávisle na otáčkách a napětí akumulátoru. Datové pole charakteristiky úhlu sepnutí se nám postará o to , aby byla každému bodu otáček a napětí akumulátoru nově stanovena doba sepnutí. Použitím tohoto pole lze energii naakumulovanou v zapalovací cívce jemně dávkovat.
V moderních automobilech se dnes využívají dva systémy elektronického zapalování: elektronická zapalovací soustava a plně-elektronická zapalovací soustava. Plně-elektronický systém zapalování má stejnou konstrukci jako elektronický systém akorát je mechanický rozdělovač nahrazen elektronickým rozdělovačem vysokého napětí. Dochází tak ke snížení hlučnosti a množství vysokonapěťových spojů. (Vlk, 2002)
19
5.2 Řídící jednotka vstřikování benzinu Zážehový motor potřebuje ke svému provozu určitý poměr vzduchu a paliva (14,7kg:1kg). Tento poměr, označován jako stechiometrický, je variabilní v závislosti na provozním stavu motoru. Motory, které jsou většinu času provozovány v oblasti částečného zatížení , jsou konstrukčně dimenzovány tak, aby v této oblasti dosáhly nejnižší spotřeby →
poměr vzduch : benzín , 16:1. Pro ostatní oblasti provozu
(volnoběh a plné zatížení) je vhodnější směs bohatší na palivo. Také tvorba směsi u startu studeného a teplého motoru je rozdílná → u studeného startu potřebujeme bohatší směs. Složení směsi ovlivňuje nastavení škrtící klapky a doba otevření vstřikovacího ventilu. Aby se docílilo přesného odměřování paliva v závislosti na provozním stavu a zatížení motoru při zohlednění okolních vlivů, začali se do automobilů zavádět elektronicky řízené vstřikovací systémy, jejichž velikou výhodou je vstřikování paliva s požadavky na hospodárnost, výkonové schopnosti dokonalé jízdní vlastnosti a nízký obsah škodlivých látek ve výfukových plynech pomocí lambda regulace.
Existuje několik elektronicky řízených systémů vstřikování a jejich použití záleží na druhu vstřikování: vícebodové vstřikování – každému válci je přiřazen jeden elektromagneticky řízený vstřikovací ventil, který vstřikuje benzín před sací ventil příslušného válce, např. systém Motronic od firmy Bosch centrální vstřikování – palivo je vstřikováno přerušovaně do sacího potrubí z jednoho elektromagnetické ventilu na centrálním místě nad škrtící klapkou, např. systém Mono-Jetronic také od firmy Bosch přímé
vstřikování
–
benzín
je
přímo
vstřikován
elektromagneticky řízenými ventily do spalovacího prostoru, např. systém Motronic MED7 rovněž od firmy Bosch
Celé řídící systémy a tedy i funkce řídící jednotky ,různých druhů vstřikování, se od sebe liší pouze v rozsahu řízení a regulace.
Řídící jednotky elektronicky řízených vstřikovacích systémů jsou umístěny buď v kovovém nebo plastovém pouzdře. Snímače, akční členy a napájení jsou připojeny 20
k jednotkám přes mnohapólová konektorová spojení. Koncové stupně a stabilizátory napětí jsou z důvodu lepšího odvodu tepla připevněny na tělesa chladiče. Jednotky je konstruovány tak, aby za normálního provozu bezchybně zapracovávaly signály při napětí od 6 V do 15. Hlavními řídícími veličinami pro složení směsi vzduchu a benzínu je signál zatížení motoru a otáčky klikového hřídele. Zatížení motoru je určováno z okamžité hodnoty hmotnostního průtoku nasávaného vzduchu a ta je určována z polohy škrtící klapky. Vedle těchto analogových signálů přijímá jednotka ještě signály spínané - stav volnoběžného kontaktu, diagnostické vedení, signál o zapnutí klimatizace, poloha volící páky automatické převodovky aj., jsou do mikroprocesoru přiváděny přes signálový interface, který přizpůsobí velikost impulzů tak, aby je mohl mikroprocesor zpracovat. Spínané signály dávají řídící jednotce informace o možnostech poklesu otáček např. v důsledku zapnutí klimatizace, nebo přepnutí páky voliče do polohy „Drive“. Na základě těchto informací ovlivňuje elektronická řídící jednotka požadované hodnoty pro regulaci volnoběžných otáček. Dalšími vstupními signály se kterými jednotka pracuje jsou na Obr. č. 4. Po úpravě všech signálů začne signály zapracovávat, pomocí programů uložených v pevných
pamětích,
mikroprocesor.
V pevných pamětích
jsou
uloženy
také
programové kódy, jakož i data parametrů funkcí vstřikování, podle kterých se vypočítává délka vstřiku a nastavení škrtící klapky, nebo-li poměr vzduchu a benzínu. Přepisovatelná paměť, která je neustále připojená na akumulátor kvůli možnosti vymazání při vypnutí motoru, slouží k ukládání adaptačních hodnot. Základní stabilní taktovací frekvenci pro výpočetní informace dodává křemíkový oscilátor s frekvencí 6 MHz. Po vyhodnocení vstupních informací mikroprocesor řídí koncové stupně, které následně nastaví akční členy (vstřikovací ventily, nastavovač škrtící klapky aj.) podle potřeby. Nejmodernějším elektronicky řízeným vstřikovacím systémem
je systém
Motronic od firmy Bosch. Tento systém nezahrnuje pouze řízení vstřikování a tvorbu směsi, ale i systém elektronicky řízeného zapalování. Řídící jednotka tedy řídí zároveň vstřikování i zapalování a stává se tedy i řídící jednotkou zážehového motoru. V paměti této řídící jednotky jsou uloženy veškeré specifické charakteristiky a pole charakteristik řízení motoru. (Vlk, 2002)
21
Obr. 4 Blokové schéma systému řízení motoru Motronic
5.3 Řídící jednotka vznětového motoru Tak jako u zážehových motorů jsou kladeny čím dál tím větší požadavky i na vstřikovací systémy vznětových motorů. Užitečný výkon benzínových motorů je řízen kvantitativně, tedy přes přivedené množství palivo-vzduch (k tomu je zapotřebí škrtící klapka), u naftového motoru je užitečný výkon řízen kvalitativně, tedy přes obsah paliva ve směsi palivo vzduch - to se děje řízením vstřikované dávky paliva ve vstřikovacím zařízením do spalovacího prostoru, proto není škrtící klapky zapotřebí. Také u vznětových motorů příprava směsi výrazně ovlivňuje užitečný výkon, spotřebu paliva, emise výfukových plynů a hluk spalování naftového motoru. Tvoření směsi a průběh spalování nejvíce ovlivňuje začátek dodávky paliva a začátek vstřiku, doba vstřiku a průběh vstřiku, vstřikovací tlak, předstřik, směr vstřikování , přebytek vzduchu a rozvíření vzduchu. Aby tyto požadavky byly co nejlépe splněny začínají se
22
dříve vyráběné mechanicky řízené vstřikovací systémy nahrazovat plně elektronicky řízenými systémy. U plně elektronického řízení vznětového motoru nemá řidič přímý vliv na vstřikovanou dávku, protože akcelerační pedál není mechanicky spojen se vstřikovacím čerpadlem. Vstřikovaná dávka je určována podle různých činitelů:
poloha akceleračního pedálu provozní stav motoru teplota motoru emise škodlivin ve výfukových plynech poruchy v systému Plně elektronické řízení je tvořeno většinou dvěmi řídícími jednotkami – řídící jednotkou motoru PCM, která má v motoru prioritní postavení a reguluje a řídí: vstřikovanou dávku a začátek dodávky paliva, systém recirkulace výfukových plynů, řízení žhavení, regulaci chodu naprázdno (udržuje konstantní otáčky při všech podmínkách – při zatížení elektrické sítě vozidla, při zapnuté klimatizaci atd.), předvstřikovanou dávku, která ovlivňuje spalovací tlak a tím i hluk spalování, imobilizér PATS, větrák chladiče, klimatizace, plnící tlak, alternátor, diagnostiku, strategii nahrazení poruch, komunikaci s jinými vozidlovými systémy a řídící jednotkou vstřikovacích ventilů nebo řídící jednotkou čerpadla, záleží na použitém druhu vstřikovacího systému, která ovládá, na základě informací z modulu PCM a snímačů, činnost čerpadla nebo ventilů. Jednotky jsou propojené sběrnicí CAN, aby si mohly navzájem vyměňovat informace.
Aby motor pracoval v každém provozním stavu s optimálním spalováním, vypočítává se v řídící jednotce motoru vždy tomu odpovídající vstřikovaná dávka, přitom je nutné zohlednit různé veličiny viz. Obr. č 5
23
Obr. 5 Určení vstřikované dávky v řídící jednotce motoru (Bosch)
Protože složitost systémů řízení motoru neustále vzrůstá, nedostačuje kapacita mikroprocesoru ke splnění všech úloh. Proto je v řídící jednotce motoru vestavěn aplikační integrovaný okruh (ASIC). Tento integrovaný okruh obsahuje například přídavnou paměť RAM, vstupy a výstupy.
Jak jsem již uvedl pracují vznětové motory bez škrtící klapky, tedy s přebytkem vzduchu → točivý moment se mění pouze podle dávky paliva. Odměřování paliva probíhá pomocí
elektromagnetických
ventilů , které jsou rovněž řízeny řídící
jednotkou.
Druhy plně elektronických vstřikovacích systémů :
systém s rozdělovacím vstřikovacím čerpadlem VP 30/VP 44 – tento systém používá řídící jednotku motoru a řídící jednotku použitého čerpadla.
Výpočet dávky paliva a okamžik vstřiku provádí u tohoto systému řídící jednotka motoru PCM. Pro výpočet dávky se používají dvě rozdílné strategie – startování motoru a motor běží. Při startování motoru je vstřikovaná dávka ovlivňována teplotou a otáčkami motoru, při jízdě je vstřikovaná dávka určena polohou akceleračního pedálu a
24
otáčkami motoru a navíc je ještě ovlivněna korekčními veličinami jako je např. teplota motoru a plnící tlak. Po výpočtu
vstřikované dávky a okamžiku vstřiku pošle modul PCM řídící
jednotce čerpadla signál, který řídící jednotka čerpadla rozdělí na předvstřikovanou dávku (závislou na otáčkách a zatížení motoru) a hlavní dávku,
dále aktivuje
vysokotlaký elektromagnetický ventil, jehož doba otevření a uzavření určuje velikost vstřikované dávky paliva a elektromagnetický ventil přesuvníku vstřiku, jehož funkcí je nastavení, pomocí přesuvníku vstřiku, okamžiku vstřiku v závislosti na otáčkách, zatížení, emisích hluku a výfukových plynů jakož i na teplotě motoru a okolí, ve směru „dříve“ nebo „později“ Pro řízení polohy přesuvníku vstřiku a řízení otevření a uzavření elektromagnetického ventilu potřebuje
řídící jednotka čerpadla ještě snímač úhlu
natočení klikového hřídele jako referenční značku.
Některé snímače, které jsou zapotřebí řídící jednotce motoru k vykonávání hlavních funkcí: Snímač hmotnosti vzduchu je umístěn v sacím potrubí a slouží pouze k řízení recirkulace spalin (EGR), pomocí něj řídící jednotka řídí elektromagnetický ventil recirkulace. Snímač absolutního tlaku v sacím potrubí je umístěn v systému nasávání vzduchu za turbodmychadlem a měří plnící tlak v sacím potrubí. Ovlivňuje vstřikovanou dávku, systém recirkulace a řízení turbodmychadla. Snímač teploty nasávaného vzduchu je umístěn v systému nasávání vzduchu a jeho signál slouží jako korekční veličina pro zohlednění vlivu teploty na hustotu plnícího vzduchu. Snímač teploty hlavy válců měří teplotu materiálu motoru, ovlivňuje začátek vstřiku, vstřikovanou dávku, otáčky chodu naprázdno, řízení žhavení, řízení teploměru a kontrolní svítilna žhavení. Snímač polohy klikového hřídele- slouží k určení otáček motoru a k výpočtu okamžiku vstřiku, jakož i vstřikovanou dávku . Snímač tlaku okolního vzduchu ovlivňuje množství předvstřikované dávky paliva. Signál ze spínače brzdového světla ovlivňuje odměřování paliva při brždění a zařazeném rychlostním stupni při otáčkách chodu naprázdno.
25
Spínač polohy spojkového pedálu CPP informuje jednotku PCM o zapnutí nebo vypnutí spojky , kvůli snížení vstřikované dávky při ovládání spojky, aby nedocházelo pří škubání motoru při řazení.
vstřikovací systém Common-Rail – u tohoto vstřikovacího systému je použita kombinace řídící jednotky motoru s řídící jednotkou vstřikovacích ventilů IDM, která
ovládá
vstřikovače,
napojeny
na
vysokotlaký
zásobník,
řízené
elektromagnetickými ventily, a tím i tedy odměřování paliva. Z hlediska dílů a funkce je tento systém velmi podobný vstřikovacímu systému s rozdělovacím vstřikovacím čerpadlem.
Jako u vstřikovacího systému s rozdělovacím vstřikovacím čerpadlem vypočítává modul PCM celkovou vstřikovanou dávku, předvstřikovanou dávku a okamžik vstřiku, poté je signál odeslán do modulu IDM, který ještě musí vyhodnotit informace z následujících snímačů: Snímač CPK , který snímá polohu klikového hřídele, signál slouží k určení vstřikované dávky, začátku dodávky paliva a množství spalin pro recirkulace. Snímač klepání registruje zvýšené vibrace, signál slouží modulu IDM jako korekční veličina pro výpočet předvstřikované dávky, jejíž množství má výrazný vliv na chod motoru. Snímač tlaku paliva, který měří okamžitý tlak paliva v rozdělovacím potrubí paliva, signál slouží zejména pro ovládání společně s otáčkami dávkovacího ventilu paliva na vysokotlakém čerpadle, dále pak určuje začátek vstřiku a vstřikovanou dávku. Snímač polohy vačkového hřídele slouží modulu IDM pro ovládání jednotlivých vstřikovacích ventilů podle pořadí vstřikování. Snímač teploty paliva.
Po vyhodnocení signálů z těchto snímačů a modulu PCM ovládá modul IDM vstřikovače pomocí elektromagnetických ventilů. Vstřikovaná dávka je určena dobou otevření a tlakem v rozdělovacím potrubí paliva. Vstřikování se ukončí , když elektromagnetický ventil přestane být napájen a jehla trysky poté zavírá.
26
Obr. 6 Vstřikovací systém Common -Rail 1 - snímač teploty válce CHT, 2 – snímač absolutního tlaku v sacím potrubí s vestavěným snímačem teploty nasávaného vzduchu, 3 – snímač hmotnosti vzduchu MAF, 4 – snímač polohy akceleračního pedálu APP, 5 – spínač brzdového světla a brzdového pedálu BPP, 6 – spínač polohy spojkového pedálu CPP, 7 – snímač polohy klikového hřídele, 8 – snímač polohy vačkového hřídele, 9 – snímač vibrací, 10 snímač vysokého tlaku, 11 – modul vstřikovacích ventilů IDM, 12 – vysokotlaké čerpadlo, 13 – zámek zapalování, 14 – řídící jednotka PCM, 15 – diagnostická přípojka, 16 – elektromagnetický ventil recirkulace výfukových plynů EGR, 17 - elektromagnetický ventil plnícího vzduchu, 18 – kontrolka předžhavení, 19 – žhavící svíčky, 20 – elektromotory větráku chladiče, 21 elektrické přídavné topení, 22 – vypínací relé klimatizačního zařízení, 23 – spojka kompresoru klimatizace
Další funkcí elektronicky řízeného vstřikovacího systému Common-Rail je regulace škubání motoru po odstavení pomocí elektromagnetického ventilu klapky v sacím potrubí, který krátkodobě uzavře škrtící klapku pomocí podtlaku při odstavení motoru.
27
vstřikovací systém se sdruženými vstřikovači – tento systém je tvořen pouze jednotkou PCM, která je dále pomocí sběrnice CAN propojen s řídící jednotkou automatické převodovky a řídící jednotkou ABS.
Vstřikovací systém se sdruženými vstřikovači má pro každý válec individuální vstřikovací čerpadlo s elektromagnetickým ventilem. Z modulu PCM se mimo výpočtu odměřování paliva a určení doby vstřiku také řídí vstřikovače, zejména pomocí: snímače polohy vačkového hřídele, indukčního snímače , který nám snímá přesnou polohu klikového hřídele pro určení otáček motoru a k výpočtu okamžiku vstřiku , jakož i vstřikované dávky. Dalšími snímači pro výpočet vstřikované dávky je snímač měřící teplotu chladící kapaliny a snímač teploty paliva, který potřebuje PCM k výpočtu začátku dodávky paliva a vstřikované dávky, aby bylo možno zohlednit hustotu při různých teplotách. Po
výpočtu
dávky
paliva
a
okamžiku
vstřiku
aktivuje
PCM
přes
elektromagnetický ventil sdružené vstřikovače – jehla elektromagnetického ventilu je tlačena od elektromagnetické cívky do sedla, přitom se uzavře dráha přívodu paliva do vysokotlakého prostoru sdruženého vstřikovače. Vstřikovaná dávka je určena dobou aktivování elektromagnetického ventilu.
Další funkce, řídící jednotky vznětového motoru, společné a pracující na stejném principu pro všechny tři vstřikovací systémy:
Řízení plnícího tlaku: Řízení plnícího tlaku probíhá pomocí přestavování vodících lopatek. Tím je možno pro každý provozní stav nastavit optimální plnící tlak . Skutečná hodnota plnícího tlaku se měří snímačem absolutního tlaku v potrubí, ale požadovaná hodnota závisí na otáčkách a vstřikované dávce. Vodící lopatky se nastavují u variabilního turbodmychadla pomocí elektromagnetického ventilu plnícího tlaku.
Řízení žhavení: Do řídící jednotky motoru je také integrován systém řízení žhavení, které je rozděleno na předžhavení a dožhavení.
PCM řídí dobu předžhavení a dožhavení
v závislosti na teplotě chladící kapaliny a otáčkách motoru. Úlohou žhavení je zahřátí spalovacího prostoru před startem motoru a během jeho chodu při nízkých teplotách. 28
Systém řízení recirkulace spalin: Při recirkulaci se část spalin přivádí do sacího traktu. V závislosti na provozním režimu sestává nasávaná směs vzduchu/plynů až ze 40% výfukových plynů, zejména pro zmenšení podílů NOx ve výfukových plynech a zmenšení koncentrace kyslíku v nasávaném vzduchu. V řídící jednotce se měří skutečné množství čerstvého vzduchu a porovnává se s požadovanou hodnotou pro množství vzduchu v daném provozním režimu. Pomocí regulací vytvořených signálů se otvírá ventil recirkulace spalin EGR tak, aby spaliny proudili do sacího traktu . Řídící jednotka dále musí mít k dispozici zpětné hlášení o množství zpět přiváděných plynů , aby nedošlo k nadměrnému množství přiváděných plynů to by mělo za následek nárůstu emisí sazí, CO a HC. K tomuto účelu používá jednotka buď snímač polohy v EGR-ventilu nebo snímač hmotnosti vzduchu MAF. Pomocí těchto snímačů jednotka dokáže vracené množství výfukových plynů regulovat. (Vlk, 2002)
5.4 Řídící jednotky převodovky Namáhavé a komplikované mechanické přímé ovládání převodového ústrojí je stále více nahrazováno elektronicky řízeným ovládáním hlavních skupin jako je spojka, převodovka a rozvodovka. Elektronické řízení automatických převodovek je kombinací elektronického řízení spojky a převodovky. Řídící jednotka přebírá především volbu nejvhodnějšího převodu (podle předem zvoleného programu řazení) a řízení průběhu řazení. Tato volba je závislá na nejrůznějších veličinách především na točivém momentu motoru (zatížení motoru) a na výstupních otáčkách převodovky , další snímané veličiny jsou znázorněny na Obr.6
Výhody elektronického řízení převodovky: možnost volby mezi několika řadícími programy lepší komfort řazení – dvoupedálový systém pružné přizpůsobení se na různé typy vozidel, zjednodušené řízení hydrauliky a učící se přizpůsobení volby převodových stupňů, jízdním stylu a dopravní situaci
29
Obr. 7 Blokové schéma elektronického řízení převodovky
Řídící jednotka zpracovává signály ze snímačů a podle programu, uloženého v paměti, určí akční veličiny pro akční členy převodovky: A) Vypínání a zapínání spojky v příslušném čase B) Volbu vhodného rychlostního stupně C) K tomu příslušný čas pro zavedení tlaku
Akčním členem jsou pak elektrohydraulické ventily, které převádějí elektrické impulzy na realizované nastavovací příkazy: A) spojky v převodovce se rozepínají nebo spínají B) tlakové regulátory se nasazují pro přesné nastavení hydraulického tlaku pro příčný tlak na spojkách (Vlk, 2002)
30
5.5 Ostatní řídící jednotky automobilu a jejich funkce Vedle řídících jednotek motorů a převodovek jsou ještě v automobilech použity řídící jednotky sloužící k regulaci a řízení podvozku – především řídící jednotky protiblokovacího systému ABS, protiprokluzové regulace ASR,
elektronické
stabilizace jízdy ESP aj.
Řídící jednotka systému ABS - hlavní funkcí této řídící jednotky je zabezpečení stability automobilu a zabránění zablokování kol při brždění a to při jakékoliv velikosti ovládací síly na brzdný pedál. Řídící jednotka snímá otáčky každého kola a kolo, které se vlivem zabrzdění netočí, jednotka odbrzdí pomocí hydraulické jednotky, ve které jsou sloučeny ovládací šoupátka (ventily) a poté opět zabrzdí, tento proces jednotka opakuje 10 x až 20x opakuje a tak zabrání trvalému zablokování kol.
Řídící jednotka systému ASR - řídící jednotka tohoto systému nám reguluje hnací moment
přiváděný na kolo podle jeho okamžitých adhezních podmínek,
řídící
jednotka soustavně sleduje otáčky všech kol automobilu, jejichž rozdíl je způsoben buď zablokováním, nebo prokluzem některého z nich. Při použití systému ABS a zároveň systému ASR ve vozidle je použita jedna řídící jednotka pro oba dva systémy, která komunikuje s řídícími jednotkami motoru. Zjistí-li řídící jednotka, že některé z kol začíná prokluzovat, zasáhne regulace ASR, která je možná několika způsoby: motorová regulace – snížení hnacího momentu pomocí systému vstřikování nebo zapalování, brzdová regulace – přibržděním prokluzovaného kola, regulace uzavírání diferenciálu a nebo zásahem do spojení motoru s hnacími koly.
Řídící jednotka systému ESP – systém ESP, nebo-li elektronická stabilizace jízdy nám slouží ke zvyšování stability vozidla ve stopě při průjezdu zatáčkou a zároveň snižuje nebezpečí smyku při brždění či zrychlení. ESP je určitým rozšířením systémů ABS a ASR, ty umožňují ovládat skluz nebo prokluz pneumatiky pouze v podélném směru vozidla, systém ESP dokáže regulovat skluz pneumatiky také v příčném směru. Zjistí-li řídící jednotka pomocí snímačů příčného nebo-li bočního zrychlení a natáčení vozidla kolem osy otáčení aj. příčně dynamický kritický stav vozidla , zasáhne pomocí akčních členů do brzd jednotlivých kol a pomocí komunikace s řídící jednotkou
31
motoru do hnacího momentu motoru a podle dané situace dochází k přibrzdění příslušných kol, tím řídící jednotka vytvoří točivý moment kolem svislé osy vozidla, který kompenzuje nežádoucí nedotáčivý, popř. přetáčivý pohyb vozidla. (Vlk, 2000)
Obr. 8 Regulační soustava ESP 1 – snímač stáčivé rychlosti se snímačem bočního zrychlení, 2 – snímač úhlu natočení volantu, 3 – snímač neregulovatelného brzdného tlaku, 4 – snímače otáček, 5 – řídící jednotka ESP, 6 – hydraulická jednotka, 7 – brzdy, 8 – řídící jednotka managementu motoru, 9 – úhel zážehu, 10 – vstřikování paliva, 11 – škrtící klapka
Další řídící jednotky používané ve vozidle jsou např. řídící jednotky bezpečnostních systémů, jejich funkcí je např. řízení aktivace bezpečnostních vaků nebo řízení předpínače bezpečnostních pásu, řídící jednotky komfortních systémů (např. regulátory rychlosti jízdy - adaptivní tempomaty ACC) a řídící jednotky informačních systémů (palubní počítače, které informující řidiče např. o okamžité spotřebě paliva).
32
6) SMĚRY V OBLASTI VÝVOJE ŘÍDÍCÍCH JEDNOTEK Jak jsem se již v úvodu zmínil s rostoucím rozmachem elektroniky se stále zdokonalují a vynalézají nové systémy pro řízení a regulaci systémů. Nové elektronické systémy otevírají stále větší možnosti konstruktérům ať už mobilním prostředkům či jiných stacionárních zařízení. Směry v oblasti vývoje řídících jednotek automobilů vedou k postupnému rozšiřování jejich funkcí a tedy i k rozšiřování jejich možnosti rozsahu regulace a řízení. To má za následek snižování počtu řídících jednotek v automobilu a to vede ke snížení nákladů na elektronické vybavení, tedy i cenu vozidla.
Největší oblastí, ve které dochází v posledních letech k největšímu zdokonalování řídících systémů vedle řízení motorů jsou asistenční systémy, jejichž vývoj směřuje k postupnému nahrazování člověka – řidiče počítačem, nebo-li k automatickému řízení vozidla autopilotem. Řídící jednotky těchto systémů, získávají ve vozidle prioritní postavení v řízení automobilu a pomocí řídících jednotek motoru zasahují i do řízení motoru. (Janda, 2006)
6.1 Adaptivní tempomat ACC Stále se zdokonalujícím elektronicky řízeným asistenčním systémem je např. adaptivní tempomat ACC, který v dřívější době sloužil pouze k regulaci rychlosti vozidla, je v dnešní době neustále vybavován řadou moderních snímačů, které sledují situaci před vozidlem, ale také na bocích a vzadu. Jedná se především o radar pracující v pásmu 77 GHz, infračervené kamery, kamery pracující ve viditelné oblasti, lidar (infračervený laserový dálkoměr) a akustické sonary. Primárním úkolem řídící jednotky tempomatu je identifikovat překážku na silnici, ať již jde o pomalejší automobil nebo o nepohybující se překážku. Dokáže pracovat v rychlostech od 0km/h až do 200km/h. Řídící jednotka musí být dále vybavena efektivním softwarem pro rozpoznávání a analýzu scény. Jakmile je objekt rozpoznán, musí řídicí jednotka ACC prostřednictvím sběrnice CAN spolupracovat s řídicími jednotkami pro motor a pro brzdy. Pro popojíždění při dopravních na přeplněných silnicích se velmi dobře uplatňuje adaptivní tempomat pracující v režimu stop-and-go, který udržuje malou konstantní vzdálenost od vpředu jedoucího vozidla a rozjíždí se i zastavuje současně s ním.
33
Při snížené viditelnosti řídící jednotka dopravní situaci, snímanou kamerou či lidarem, promítá na poloprůhledný displej HUD umístěný na předním skle a pomocí infračerveného světla „vidí“ více než 150 metrů před auto a upozorní na přítomnost osob či překážek.
Obr. 9 Tempomat Distronic Plus od Mercedesu pracuje od 0 do 200 km/h a zvládá i městský provoz
Obr. 10 Systémy nočního vidění
34
6.2 Systém CWS Dalším novým, stále se zdokonalujícím elektronicky řízeným systémem je systémy varující před kolizí CWS, využívající snímačů adaptivního tempomatu, které sledují situaci vedle vozidla a za vozidlem, k ochraně před kolizí s jinými účastníky provozu. Radar zaměřený dozadu může fungovat v první řadě jako inteligentní zpětné zrcátko, které varuje řidiče, zda je někdo za ním příliš blízko nebo zda se blíží příliš velkou rychlostí, příp. že je nějaké vozidlo v „mrtvém“ úhlu, když se řidič chystá předjíždět.
6.3 Systém CAS Nová vyvinutá řídící jednotka systém CAS umožňuje velmi přesně změřit polohu a rychlost vozidel před případnou kolizí a rychle vypočítat, zda bude výhodnější snažit se překážce vyhnout či se snažit zabrzdit, případně nasměrovat vozidlo tak, aby se minimalizovaly následky kolize. Použité sonarové snímače, pracující na vzdálenost řádově metrů, umožňují připravit se na kolizi, je-li nevyhnutelná – těsně před nárazem dotáhnout bezpečnostní pásy a aktivovat včas správné airbagy. Systém může zaznamenat všechna potřebná data před kolizí a bezprostředně po kolizi může přivolat pomocí telekomunikačních prostředků pomoc.
6.4 Systém LDWS Dalším novým typem asistenčního systému je elektronicky řízený systém LDWS, hlídající zda se řidič drží v dopravním pruhu nebo zda se kvůli nepozornosti či mikrospánku nechystá opustit silnici. Řídící jednotka získává informace o okamžité poloze automobilu kombinací optického snímání vodorovného dopravního značení a analýzy scény snímané kamerou hledící dopředu. Tendence vývoje směřují k nahrazení optického snímaní vodorovného pruhu navigačním systémem GPS.
35
6.5 Systém DSC a systém DAM Nejmodernějším systémem, který je zatím na začátku svého vývoje je systém pro monitorování stavu DSC
a systém pro monitorování pozornosti řidiče DAM.
K vytvoření těchto systémů vedla ta skutečnost, že většina dopravních nehod je způsobená alkoholem a únavou nebo-li nepozorností řidiče. U systémů, monitorující pozornost řidiče, využívá řídící jednotka informací z infračervené kamery, která snímá tvář řidiče, zejména jeho oči. Jednotka pak pomocí analýzy pohybu oka a očního víčka je schopna nalézt řadu veličin silně korelovaných s únavou řidiče. Řídit pod vlivem alkoholu zabraňují různé alkoholové imobilizéry nebo-li elektronické zámky. U kterého řídící jednotka pomocí rozložení vlásečnic na pupile odhalí intoxikaci alkoholem. Při intoxikaci alkoholem se cévy poněkud roztáhnou, takže porovnáním s obrazem pupily ve střízlivém stavu lze odhalit intoxikaci. (Vysoký, 2006)
Dalším velkým prostorem pro další rozvoj řídících jednotek v automobilech je vzájemné propojení automobilů do velké počítačové sítě. Auta budou schopna se vzájemně spojit v mobilní pojízdnou bezdrátovou síť a dopředu se upozorňovat na hrozící dopravní problémy. Již dnes se uvažuje o využití sítě mobilních telefonů – v podstatě každý řidič má u sebe mobilní telefon, a tak stačí v rámci mobilní sítě monitorovat hustotu mobilních telefonů na silnicích a jejich rychlost. Z těchto informací lze pak velmi rychle zjistit, kde vznikají zácpy a problémové dopravní úseky. (Holčík, 2005)
36
7) ZÁVĚR Ve své práci jsem chtěl poukázat na velký pokrok, který lidstvo udělalo během krátké doby v řízení automobilů. Dlouholetý vývoj automobilového průmyslu měl za následek úplnou změnu koncepce motorových vozidel, jinými slovy dnešní automobily se od prvních změnily téměř k nepoznání. Někomu by se mohlo zdát, že současná koncepce automobilů už neposkytuje prostor pro další elektroniku, ale výzkum přináší stále nové objevy a možnosti jejího využití, a tak nemůžeme přesně říct, co ještě bude automobil pomocí elektronických systémů v budoucnu umět. Současným trendem je jednoznačně přesun kontroly nad vozem od řidiče směrem k více či méně „chytrým“ systémům a to nejen pro zvýšení hospodárnosti provozu vozidla, ale také pro usnadnění ovládání vozidla a hlavně pro zvýšení bezpečnosti nejen pasažérů, ale i provozu. Přes veškerý pokrok a nové systémy, je však zatím lidský faktor nejdůležitějším činitelem a ani ty nejlepší systémy nedokáží zázraky, nebo-li ani nejmoderněji elektronicky vybavený automobil není zárukou 100% bezpečnosti a to hlavně v případech, kdy jeho řidič nemá dostatek zkušeností, nebo soudnosti. Moje práce může posloužit těm, kteří by se chtěli více seznámit s problematikou řídících jednotek automobilů, lze ji také využít jako přehled základních funkcí řídících jednotek při studiu některého automobilového odvětví.
37
8) SEZNAM ODBORNÉ LITERATURY BAUER, F. a kol. Traktory. 1. vydání Praha: Nakladatelství Profi Press, s.r.o., 2006. 192 s. ISBN: 80-86726-15-0 HOLČÍK, T. Jak se daří počítačům v automobilech. Živě [online]. 2005, květen [cit. 7.května 2005 ]. Dostupné na WWW: http://www.zive.cz/h/Uzivatel/Ar.asp?ARI=123522 JAN, Z.; KUBÁT, J.; ŽDÁŇSKÝ, B. Elektrotechnika motorových vozidel 1. 1. vydání Brno: Nakladatelství Avid, s.r.o., 2001a. 199 s. ISBN: Schvalovací doložka MŠMT ČR. JAN, Z.; KUBÁT, J.; ŽDÁŇSKÝ, B. Elektrotechnika motorových vozidel 2. 1. vydání Brno: Nakladatelství Avid, s.r.o., 2001b. 155 s. ISBN: Schvalovací doložka MŠMT ČR. JANDA, P. Možnosti využití počítačů v automobilech. Živě [online]. 2006, duben [cit. 22. dubna 2006 ]. Dostupné na WWW: http://www.zive.cz/h/Uzivatel/AR.asp?ARI=129122 VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel 1 ,2. 1. vydání Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2002. 592 s. ISBN: 80-238-7282-6. VLK, F. Koncepce motorových vozidel. 1. vydání Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2000. 367 s. ISBN: 80-238-7282-0. VYSOKÝ, P. Současné trendy v řízení automobilových systémů. Automatizace [online]. 2006, duben [cit. 15.dubna 2006]. Dostupné na WWW: http://www.automatizace.cz/article.php?a=1183
38
9) SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Řídící jednotka ECU............................................................................................ 10 Obr. 2 Blokové schéma řídící jednotky ABS ................................................................. 14 Obr. 3 Zpracování signálů v elektronické řídící jednotce zapalování ............................ 18 Obr. 4 Blokové schéma systému řízení motoru Motronic .............................................. 22 Obr. 5 Určení vstřikované dávky v řídící jednotce motoru (Bosch)............................... 24 Obr. 6 Vstřikovací systém Common -Rail...................................................................... 27 Obr. 7 Blokové schéma elektronického řízení převodovky............................................ 30 Obr. 8 Regulační soustava ESP ...................................................................................... 32 Obr. 9 Tempomat Distronic Plus od Mercedesu pracuje od 0 do 200 km/h a zvládá i městský provoz ....................................................................................................... 34 Obr. 10 Systémy nočního vidění..................................................................................... 34
39
