Labuda1Súčasné vozidlá s elektronickým riadením procesov sú predurčené na vysoký stupeň spolupráce medzi spaľovacím motorom, prevodovým a pojazdovým ústrojenstvom. Tak, ako prudko napreduje rozmach „výpočtovej techniky“, proporcionálne sa tento fakt prejavuje aj v jej aplikácii vo vozidlách a vo všetkých strojoch používajúcich spaľovací motor ako zdroj mechanického pohybu.

 

Zladenie optimálnej spolupráce jednotlivých časti hnacieho agregátu je úlohou riadiaceho systému. Rozhodujúce riadiace a regulačné obvody v súčasných vozidlách sú väčšinou realizované pomocou digitálnej techniky, teda snímačov, výkonových členov prepojených s elektronickými riadiacimi jednotkami a konkrétnym programom pre danú verziu vozidla. Typickým znakom tejto skupiny vozidiel je to, že obsluha riadi proces nepriamo, pomocou volených (žiadaných) hodnôt a skutočné akčné hodnoty sú nastavované prostredníctvom riadiaceho systému a jeho výstupných výkonových členov.

Počítač v riadení systémov vozidla má mnohostranné využitie. V uzavretých regulačných obvodoch preberá funkciu regulátora, v obvodoch s otvorenou riadiacou slučkou je to hlavne schopnosť koncentrovať v pamätiach množstvo údajov a závislostí potrebných na priame riadenie hnacieho agregátu. V neposlednom rade slúži počítač na zhromažďovanie informácií pre obsluhu, servis, opravovne, ale aj projektantov a výrobcov vozidiel, atď.

Riadenie spaľovacích motorov

Riadiaci systém spaľovacieho motora je veľmi komplikovaný, skladajúci sa z množstva funkcií. Z nich medzi najdôležitejšie možno zaradiť riadenie vstrekovania, t. j. veľkosti dávky a predstihu začiatku dávky, respektíve predstihu zápalu. Na priblíženie problematiky vstrekovania sú v ďalšom uvedené niektoré premenlivé činitele, vplývajúce na prípravu zmesi a priebeh spaľovania vznetového motora.

Tlak a teplota vzduchu – ovplyvňuje prieťah vznietenia paliva. S rastúcou teplotou a tlakom sa zlepšuje tvorba zmesi. Skracuje sa prieťah vznietenia, ale súčasne sa zväčšuje odpor v satí a zhoršuje sa objemová účinnosť ηobj, čo vyvoláva opačný účinok – zníženie tlaku a teploty. Teda existuje optimum, ktoré je však tiež premenlivé pre rôzne režimy motora.

Priebeh a doba vstrekovania – má vplyv na tvrdosť chodu motora, teda zvýšené mechanické namáhanie sprevádzané zvýšenou hlučnosťou. Na tvorbu zmesí a prieťah vznietenia je vhodná doba vstrekovania, keď energia vírenia vzduchu je najvyššia. Priebeh spaľovania a teda priebeh tlaku v závislosti na pootočení kľukového hriadeľa a riadení nárastu dávky je naznačený v dvoch priebehoch na obr. 1. Ak Va>Vb dochádza k vstreku dávky v kratšom čase, prudšiemu nárastu tlaku (priebeh a) – výsledkom je tvrdý, hlučný chod motora. Priebeh b predstavuje pomalší nábeh tlaku, menej tvrdý a tichší chod motora.

 

Vplyv uhla predstihu začiatku dávky θ (theta)


Labuda2

Pri rovnakej dobe vstrekovania a rovnakej dávke paliva, je možné riadením uhla začiatku dodávky θ dosiahnuť rôzne prie­behy tlaku (obr. 2) a v konečnom dôsledku veľkosti indikátorového diagramu a teda aj výkonu motora. Najvýhodnejší uhol θ je závislý od mnohých činiteľov (druhu paliva, kompresného pomeru ε, teploty vzduchu tv a tlaku vzduchu pv v sacom trakte, otáčok n, spôsobu tvorby zmesi,...).

Labuda3Nerovnomernosť zloženia zmesi – mení sa s časom, následkom postupného vstrekovania.

Stredná hodnota súčiniteľa prebytku vzduchu – jeho zvyšovanie spôsobuje skracovanie doby spaľovania.

Otáčky SM – majú vplyv na objemovú účinnosť ηobj a tým aj na teplotu tv a tlak pv na konci kompresie. Majú vplyv na rozprášenie paliva, rýchlosť prúdenia náplne a tepelný stav spaľovacieho priestoru. So zvyšovaním otáčok n sa prieťah vznietenia α1 časovo skracuje, ale v stupňoch otočenie kľukového hriadeľa sa zväčšuje, lebo horenie má ko­nečnú rýchlosť, ktorá môže vzrastať pomalšie, než otáčky SM.

Kompresný pomer ε – jeho zvyšovanie sa prejaví zvýšením tlaku pv a teploty vzduchu tv na konci kompresie a teda v okamžiku vstreku znížením uhla α1 (prieťah vznietenia). Jeho zvyšovanie má priamy vplyv na klopanie motora, zvýšené tepelné namáhanie a emisie NOx, ale zároveň zvýšenie tepelnej účinnosti a teda zníženie spotreby. Elektronické riadenie procesu v reálnom čase dokáže zohľadniť tieto protichodné závislosti a využívať vyššie hodnoty ε (riadenie predstihu zapálenia, respektíve predvstreku), pri kontrole klopania a tepelného preťaženia motora (regulácia plniaceho tlaku).

Otvárací tlak v dýze – vplýva na stredný priemer kvapiek. Správne spaľovanie prebieha pri priemere 5 – 40 μm. Malé kvapky sú nepriebojné, nedostanú sa na vzdialenejšie miesta spaľovacieho priestoru s dostatkom kyslíka potrebného na spálenie. Veľké kvapky spôsobujú predĺženie horenia až nedohorenie časti uhlíka, čo sa prejaví v zvýšenej dymivosti.

Priebojnosť vstrekovaného lúča – závisí na kinetickej energii paliva pri výtoku. Je daná hmotnostným tokom (zdvihom ihly vstrekovača) a rýchlosťou výtoku (vstrekovací tlak p).

Podobne, ako vo vznetových, aj na prípravu zmesi zážihových motorov vplýva celý rad činiteľov, ktoré musí riadiaci program zohľadniť. Vstrekovanie benzínu a jeho riadenie prešlo viacerými vývojovými stupňami. Najskôr to bolo vstrekovanie paliva do spoločného sacieho potrubia, neskôr pred sací ventil, v súčasných motoroch už aj priamo do valca. Vývojom sa menili podmienky vstrekovania a tým aj požiadavky na technické prostriedky pre ich riadenie.

Dôležitý medzník v zážihových motoroch nastal v r. 1979, keď firma Bosch uviedla do užívania systém Motronic, kde sa prvý krát riadenie vstrekovania a zapaľovania realizovalo z jedného centra digitálnym spracovaním mnohých funkcií motora (prvý mikroprocesor v automobile).

Uvedené vplyvy a ďalšie činitele, ale aj tzv. externé zásahy a vstupy do riadenia spaľovacieho motora zo strany pohonu a pojazdu vozidla, tvoria širokú škálu signálov s rozdielnymi parametrami, frekvenciou, dôležitosťou, nárokmi na presnosť a pod. Sú podľa vopred danej hierarchie usporiadané do algoritmu riadenia, ktorým sú generované optimálne hodnoty riadiacich veličín pre spaľovací motor a vozidlo.

Aj nezainteresovanému čitateľovi je z tohto popisu jasné, že splnenie kritérií a často protichodných podmienok si žiada od riadenia neustále tvorenie kompromisných riešení. Pritom treba brať do úvahy, že podmienky v motore sa neustále menia jednak pre jeho premenlivý prevádzkový režim (zaťaženie, otáčky), ale aj v závislosti od vonkajších podmienok (tlak, teplota, vlhkosť), ďalej od kvality paliva, veku, technického stavu, atď.

Len samotné prúdenie a horenie je predmetom rozsiahlych experimentov a simulačných výpočtov vo výskumných centrách, s cieľom maximálne precizovať jeho priebeh v každom pracovnom režime motora. Keďže spaľovací motor je viacparametrický systém, zmena jediného vstupného parametra okamžite vyvolá zmeny aj v ostatných závislostiach. O to je zložitejšia úloha naladiť činnosť motora v celom pracovnom rozsahu tak, aby plnil na jednej strane požiadavky obsluhy (dynamika jazdy, komfort), na druhej strane podmienky emisné, bezpečnostné, životnosť, atď.

Labuda4 Na obr. je ukážka vybraných prvkov vozidla, ktoré priamo či nepriamo súvisia s riadením spaľovacieho motora. 1 – snímač otáčok kolesa, 2 – protiblokovaci systém (ABS), 3 – snímače polohy brzdového a akceleračného pedála, 4 – brzdový asistent, 5 – riadiaca jednotka systému ABS, 6 – samozverný diferenciál, 7 – snímač natočenia volantu, 8 – snímač pozdlžného a priečneho zrýchlenia.

 

Riadenie trakcie vozidiel

Elektronika našla svoje stabilné miesto i v riadení procesov v automobilov. Kontroluje a riadi chod hnacieho ústrojenstva , chráni vozidlo pred odcudzením, ovláda klimatizáciu a vykurovanie, zvyšuje efektívnosť brzdenia a riadenia, kontroluje trakciu a stabilitu automobilu, riadi komunikáciu a prenos dát medzi vozidlom a okolím.

Neustále zdokonalenie a rozširovanie možností elektronických zariadení podporuje vývoj systémov riadenia trakcie a bezpečnostné systémy vozidiel, ktoré ochraňujú vodiča a posádku pri jazde, ale najmä v kritických situáciách. Podľa štatistík, viac ako 90 percent všetkých nehôd vzniká v dôsledku predchádzajúcich jazdných chýb.

Podľa úloh, ktoré podporné systémy vozidla plnia, ich môžeme rozdeliť na:

– systémy, ktoré kontrolujú a zlepšujú prenos točivého momentu medzi kolesom a podložkou (ABS, ASR, MSR, EDS – elektronická uzávierka diferenciálu,...), zlepšujú dynamiku jazdy a komfort posádky,

– systémy, ktoré zabezpečujú stabilitu a aktívnu bezpečnosť vozidla (ABS, ASR, ESP, ABD (automatický brzdový diferenciál), FDR – Fahrdynamik Regelung,...),

– asistenčné systémy, ktoré sú zamerané na pomoc vodičovi vo forme varovania, prípravy a v kritickom okamihu aj vykonania akčného zásahu samočinne (Predictive Collision Warning), predvídavá výstraha pred kolíziou.

Je to široká škála zariadení, ktoré môžu pracovať samostatne, alebo sú rôzne navzájom zosieťované a poprepájané. V ďalšom sú uvedené len tie, ktoré priamo súvisia s riadením hnacieho spaľovacieho motora.

Regulácia proti prekĺzaniu (ASR)

Kým protiblokovací systém bŕzd nachádza svoje uplatnenie pri brzdení, čas kontroly trakcie nastáva najmä pri rozbehu a akcelerácii. Jej úlohou je zlepšiť prenos krútiaceho momentu z hnacej nápravy na vozovku. Regulácia proti preklzávaniu zisťuje za pomoci kolesových senzorov systému ABS, či sa hnacie kolesá prešmykujú. Ak riadiaci algoritmus zistí, že obvodová rýchlosť hnacieho kolesa je vyššia než rýchlosť vozidla (koleso preklzuje), môže ho za pomoci solenoidového valca protiblokovacieho systému pribrzdiť. Súčasne automaticky redukuje aj krútiaci moment motora (zníži predstih zápalu, alebo vstreku, zníži dávku paliva motoru, vypne činnosť jedného, alebo viac valcov,...) na mieru prenositeľnú na vozovku. Tu je rozhodujúca rýchlosť a plynulosť jednotlivých akčných zásahov.

Elektronický stabilizačný program (ESP)

Poskytuje komplexné údaje o aktuálnom pohybe vozidla. ESP je plne automatický, aktívny dynamický systém bezpečnosti jazdy, ktorý interaktívne spolupracuje s ABS, ASR, BAS (brzdový asistent), a minimalizuje riziko šmyku a prevrátenia.

Tempomat

Odľahčuje obsluhu od sledovania a udržiavania požadovanej rýchlosti vozidla regulačným obvodom s akčným pôsobením na dávkovanie paliva hnacieho motora.

Radarové systémy

Poskytujú informácie o doprave pred vozidlom. Toho času sú využívané pri adaptívnom riadení rýchlosti jazdy ACC (Adaptive Cruise Control) ovládaním točivého momentu motora, brzdovej sústavy, ako aj na preventívnu výstrahu pred kolíziou.

Regulácia sklzu (MSR)

Uplatňuje sa napríklad pri prudkom uvoľnení akceleračného pedála pri jazde na povrchu s nízkym súčiniteľom priľnavosti (ľad). MSR má stabilizujúci účinok na trakciu vozidla tým, že zabráni sklzu, (keď rýchlosť vozidla je vyššia ako obvodová rýchlosť kolesa) úmerným zvýšením momentu motora zväčšením dávky paliva.

Okrem uvedených, existujú aj iné typy kontroly trakcie, napríklad TCS (systém kontroly trakcie), ETC (elektronická kontrola trakcie) ETS (elektronický trakčný systém) a ďalšie [1].

Princíp všetkých stabilizačných systémov je podobný. Niektoré z nich sa obmedzujú len na pribrzďovanie preklzujúcich kolies, bez korekcie chodu motora, iné, naopak, v prípade potreby uberajú dávku paliva bez pribrzďovania kolies. Takmer všetky však využívajú podstatnú časť systému ABS – snímanie otáčok kolies a preto s ním bývajú integrované do jedného celku. Riadiaci systém okrem už spomenutých údajov zo snímačov otáčok kolies spracúva údaje zo snímačov rotácie vozidla okolo zvislej osi, priečneho zrýchlenia a uhla vychýlenia volantu. Snímač rotácie býva niekedy nahradený sledovaním rozdielu otáčok kolies prednej nápravy. Riadiaci systém má tiež informáciu o otáčkach motora, miere a spôsobe manipulácie s akceleračným a brzdovým pedálom. Pomocou všetkých týchto údajov dokáže systém rozpoznať vodičov zámer a skutočný stav, v ktorom sa vozidlo nachádza. V pamäti riadiacej jednotky sú polia hodnôt („dátové mapy“), z ktorých možno pre aktuálnu rýchlosť a uhol vychýlenia kolies vyčítať optimálnu mieru rotácie okolo zvislej osi. Riadiaci algoritmus sa snaží k tejto optimálnej hodnote priblížiť selektívnym pribrzďovaním jednotlivých kolies, ovládaním momentu motora a zásahmi do smerového riadenia. Dátové mapy boli vygenerované počas rozsiahlych skúšok vozidla v hraničných situáciách na rôznych povrchoch vozovky a tiež pri počítačových simuláciách a tvoria základ riadenia väčšiny procesov.

Literatúra:

[1] Strutha, W.: Bezpečnosť, komfort a agilita – asistenčné systémy pre vodiča od firmy Bosch, prednáška na 59. medzinárodnej tlačovej konferencii o automobilovej technike, jún 2009 v Boxbergu.

[2] Hlavňa, V., Toporcer, E.: Smartcar – inteligentný automobil, MOT 5/2001, str. 52-54, ISSN 1210-2083.

[3] Hlavňa, V., Toporcer, E.: Trendy vývoja automobilových motorov 2009, In: Ai magazine: časopis o autopriemysle, strojárstve a ekonomike = magazine about the automotive industry, mechanical engineering and economics. – ISSN 1337-7612. – Roč. 2, č. 2/2008.

 

TEXT/FOTO: Ing. Róbert Labuda, PhD., a kol.