Copyright © 1999-2000, Petr Va & Panda internet studio Jakkoliv vatek i petisk obsahu serveru koda TechWeb me bt pouit jinde pouze s psemnm svolenm provozovatel serveru, je jsou uvedeni ve. |
Regulace předstihu (chcete stavět vlastní zapalování ?)
Rubrika: Motor
Publikovn: 14. ledna 2003
Nejdříve je zapotřebí se seznámit s teorií spalování a jeho vlivu na výkon motoru. Teprve potom můžeme vytvářet algoritmy řízení. Původně jsem chtěl napsat článek, který by se zabýval spalovacím procesem kompletně včetně tvorby emisí. Ale jak vidím podle komentářů na Techwebu, je nutné rychle napsat článek jen o řízení předstihu. Doporučuji nejdříve přečíst první část Teorie motorů, jsou tam uvedeny některé důležité informace, které zde nebudu znovu uvádět. Tento článek je určen hlavně těm, kdo umějí programovat a není pro ně problémem při dostatku vstupních informací vytvořit odpovídající program. Pro laiky v programování se pracuje na jednom univerzálnějším systému, který bude po odzkoušení k dispozici jako polostavebnice – všechno potřebné bude připraveno, jemu zbude jen vše podle návodu namontovat. Nebude se kromě přesného umístění čidla polohy klikového hřídele nic nastavovat. Ovšem zařízení nebude zadarmo, ale zase bude cenově natolik dostupné, že se pro fandu vyplatí si ho pořídit.
Základní poučka – nejlepší předstih zážehu je takový, při kterém
se dosáhne největšího výkonu a nejmenší měrné spotřeby paliva.
(Zpravidla bývá jeho hodnota těsně pod hranicí detonací. Z pohledu
tvorby emisí ale tento předstih není nejvhodnější, při tomto způsobu řízení
předstihu zážehu vznikají vysoké spalovací tlaky a teploty, které negativně
ovlivňují dokonalé spálení směsi. Protože však většina škodováckých motorů
není vybavena katalyzátorem a platí pro ně emisní limity platné v době
jejich vzniku, nebude jejich splnění velkým problémem. Provoz těsně pod
hranicí klepání nastává při odběru většího výkonu, který se na STK nedá
změřit, proto i dodržení emisních limitů při zákonné kontrole bude bez
problémů.)
Jak jsem již částečně popsal v první části Teorie motorů, rychlost hoření není konstantní a to nejen vlivem změny otáček motoru, ale i během jednoho spalovacího cyklu. Proto výpočty typu „prohoření směsi nastane při rychlosti postupu plamene xy m/s za xy milisekund“ jsou vhodné jen na seznámení laiků s funkcí předstihu, ale pro vlastní regulaci mají jen malou vypovídací hodnotu. Rychlost hoření směsi ve válci je dána několika faktory, a to složením (bohatostí) směsi, teplotou, tlakem, vířením, vlhkostí vzduchu ve směsi, kvalitou výměny obsahu válce, tvarem spalovacího prostoru a umístěním svíčky, kompresním poměrem a použitým palivem. (Navíc se rychlost hoření mění i během jednoho spalovacího cyklu, ale nás zajímá jen celkový čas hoření.) Odpovídající hodnoty předstihu se zjišťují měřením na motorové brzdě. Regulační křivka předstihu se vypočítat nedá, aspoň jsem nikde nenalezl žádné odpovídající vzorce a ani zmínky o nich.
Tvar spalovacího prostoru, umístění svíčky, kompresní poměr, výměna
obsahu válce – to je většinou dáno konstrukcí motoru, palivo máme většinou
jen jedno (automobilový benzín). Takže jako proměnné nám zůstávají složení,
teplota, tlak, vlhkost a víření směsi. Aby toho bylo ještě méně, snažíme
se udržovat teplotu nasávané směsi konstantní pomocí termostatu někde na
hodnotě 35? C. Sice se teplota směsi průchodem sacím traktem ještě zvýší
(průměrně na 45? C), ale je důležité mít teplotu co nejméně rozdílnou bez
ohledu na mráz nebo letní vedra. Požadavek na konstantní teplotu vznikl
po zpřísnění emisních limitů, palivo se lépe odpařuje a dosáhne se větší
homogenity směsi. Nepříznivým jevem tohoto řešení je určitý pokles výkonu
motoru, protože teplý vzduch zvýší svůj objem a hmotnostně ho do válce
dostaneme méně. Vlhkost vzduchu asi také moc neovlivníme, tlaky při spalování
jsou dány sešlápnutím akcelerátoru a tak nám zůstane k řešení jen bohatost
směsi, protože víření směsi je výslednice uspořádání motoru a otáček.
K základnímu parametrům při stanovení křivky regulace předstihu
slouží v podstatě dvě veličiny, otáčky motoru a složení směsi. O otáčkách
motoru se není třeba nějak zvlášť rozepisovat, každý ví o co jde a dokáže
vypočítat dobu mezi zážehy. Složení směsi se upravuje podle požadavků na
výkon a hospodárnost a nedá se jednoduše měřit přímo. Nepřímá metoda využívá
podtlaku v sacím potrubí, jeho velikost udává hodnotu ochuzení s dobrou
opakovatelností. Směs bohatá hoří rychleji než směs stechiometrická, chudá
směs naopak hoří pomaleji a to proti bohaté směsi výrazněji. Proto se vždy
při částečném výkonu musí předstih zvětšit a to až o 300 - 500%, hlavně
v otáčkách pod 2000 min-1.
Křivka regulace předstihu podle otáček je křivkou základní a platí pro plný výkon (plně otevřenou škrtící klapku). Všechny ostatní hodnoty jsou hodnotami pomocnými a pouze tuto křivku korigují. Důležitost těchto korekcí je dána konstrukcí motoru a provozními podmínkami, v kterých nejčastěji pracuje. Pokud budeme mít malý motor, který je z důvodu malého přebytku výkonu provozován neustále blízko maximálního výkonu, korekční křivky budou mít význam velmi malý (v praxi se pro zjednodušení a cenu nepoužívají). Naopak motor s velkým přebytkem výkonu bude provozován na plný výkon jen velmi zřídka a tak korekční hodnoty budou mít význam zcela zásadní. Také u stacionárních motorů, kde se požadují konstantní otáčky (generátor musí dávat předepsaných 50 Hz), nebude mít otáčková regulace význam a použije se jen regulace podle podtlaku.
Z důvodu správné funkce zážehového motoru musíme dosáhnout toho, že vrchol spalovacího tlaku bude mezi 10 - 15? za HÚ. Při vrcholu tlaku mezi HÚ a 10? za HÚ má motor snahu detonovat, za hranicí 15? klesá využitelná energie, palivo dohořívá během expanzního zdvihu a zvyšuje se teplota výfukových plynů (podpalují se ventily). Teoretická rozvaha, že vrchol tlaku by měl nastat v HÚ byla měřením vyvrácena, nepřípustně se zvýšil tlak na konci kompresního zdvihu s následným zvýšením mechanických ztrát (pro využití vrcholu tlaku v HÚ by musela být změněna křivka pohybu pístu, což je technicky značně komplikovaná záležitost). Při konstantní rychlosti hoření by regulace byla tvořena přímkou procházejícím počátkem (0 ot/min = 0?). (Většinou tomu tak není, protože v spouštěcích otáčkách a otáčkách volnoběhu je směs značně nehomogenní a hoří pomaleji, bod zážehu se pohybuje mezi 3 - 10? před HÚ. Nulový předstih nebo malý pozápal se nastavuje pro spouštění jen u jednoválcových čtyřdobých motocyklových motorů větších obsahů, zamezí se tím zpětný ráz při spouštění nožní pákou (takový ráz dokázal sousedovi na čtyřdobé třistapadesátce zlomit kotník).) Jenže rychlost hoření se značně urychluje se zvyšujícím se vířením směsi, které podporují zvyšující se otáčky. K tomu přibude zvýšená teplota směsi těsně před zážehem, způsobená rychlosti stlačení, kdy kompresí vzniklé teplo nemá dostatek času se přes stěny válce a spalovacího prostoru hlavy vyzářit. (Můžete namítat, že rozdíl teplot je malý, což je jistě pravda, ale každý působící i když malý vliv stejného znaménka se sčítá a výsledkem může být hodnota v řádu desítek procent.) Proto i když se stane, že vyjde křivka jako přímka (Š 105 a Favorit), má vždy jiný sklon a rozsah, než by odpovídalo konstantní době hoření. Dále je známá skutečnost, že od určitých otáček se již požadovaný předstih zážehu nemění a zůstává na konstantní úrovni bez ohledu na další zvyšování otáček (případně se zvyšuje jen velmi pozvolně). Od této hranice se vyrovná změna rychlosti hoření změně otáček. Hranice pro ukončení regulace je u běžných sériových motorů od otáček asi 3 500 min-1 do 5 000 min-1. Všimněte si grafů charakteristik rozdělovačů různých typů motorů, vždy někde okolo těchto otáček regulace končí, odstředivá regulace se zablokuje mechanickým dorazem.
Regulaci předstihu můžeme rozdělit do pěti pásem. První pásmo
– jestli se dá nazvat pásmem – je oblast spouštění motoru. druhým pásmem
je oblast volnoběžných otáček, třetím oblast částečného výkonu, čtvrtým
pásmem je oblast plného výkonu. Posledním pásmem je oblast akcelerace a
decelerace.
První pásmo – předstih zážehu při spouštění motoru by neměl překročit
hranici 10?, při vyšší hodnotě se začne nepřiměřeně zvyšovat tlak před
HÚ a potřebná energie pro spouštění se zvýší. Nejčastěji používaná hodnota
předstihu je asi 5?. Jiné hodnoty u mechanických regulátorů jsou nastaveny
proto, že ZP slouží zároveň jako předstih pro volnoběžné otáčky. Pokud
se podíváte na ZP u vozidel „socialistické produkce“ (zde jsou totiž hodnoty
ZP dobře dostupné), všechny se pohybují v pásmu 0? (Škoda 110 L na Speciál)
až 10? (Volha, Moskvič).
Druhé pásmo – volnoběh motoru. Zde je důležité dosáhnout stability
otáček bez ohledu na vnější vlivy, např. zvýšené zátěže od alternátoru.
Třetí pásmo – oblast částečného výkonu. Zde je zapotřebí udržet
předstih na takové úrovni, aby dosažená spotřeba paliva a emise byly co
nejnižší. Protože u motorů bez katalyzátorů jsou limity dost volné a dají
se splnit hlavně složením směsi, otázka emisí není přímo aktuální. Na druhé
straně pokud mám menší spotřebu paliva, bude i celkové množství emisí nižší,
i když procentuální podíl sledovaných škodlivin se může zvětšit.
Čtvrté pásmo – plný výkon. Při plném výkonu je nejdůležitější
požadavek dosáhnout jeho maximální hodnoty bez detonačního chodu, vše ostatní
je podružné. Protože jde o krátkodobý provozní režim (trvalým provozem
na maximální výkon se výrazně zkrátí životnost motoru, zvlášť u motorů
„před Favoritem“). Po dosažení určitých otáček již zůstává hodnota předstihu
konstantní, rychlost spalování se vyrovnává se zvyšujícími se otáčkami.
Páté pásmo – akcelerace a decelerace. Decelerace nás zajímá jen
potud, pokud nevypínáme volnoběžnou trysku pro zamezení přívodu paliva.
Protože se směs výrazně při deceleraci ochudí, je vhodné předstih zvýšit,
což by mělo zvládnout řízení podle podtlaku (jeho hodnota dosahuje maxima).
Zapálit směs ve válci musíme, protože jinak se neshořelé palivo bude hromadit
v tlumiči výfuku a později se detonačně zapálí od horkých spalin. Akcelerační
režim je trochu složitější. Jde o to, že akcelerace zavádí do měření úhlové
rychlosti určitou chybu, kterou musíme nějak výpočtově korigovat. Co jsme
změřili teď, není již v momentě zážehu pravda. Čím větší změna úhlové rychlosti,
tím větší korekce se musí provést. Pokud se s akcelerací nechceme příliš
párat, změříme si tzv. střední hodnotu akcelerace, což je hodnota někde
okolo 70% maximální hodnoty (max. hodnota nastane při akceleraci na I.
rychlostní stupeň). Na tuto akcelerační hodnotu zkusíme nějakou hodnotu
předstihu a až nějakou vhodnou najdeme, vložíme ji jako konstantu, kterou
vždy k připočítáme k poli hodnot podle otáček (a případně podtlaku). Ovšem
výsledky s přesně spočítanou akcelerační korekcí podle momentálního stavu
jsou lepší.
Vliv otáček je patrný i na spalování ochuzené směsi. Nárůst otáček podporuje víření směsi, které urychluje postup plamene a změna rychlosti hoření je vyšší, než odpovídá změně otáček. Proto korekce předstihu se procentuálně výrazně zmenšuje a většinou ve vyšších otáčkách nepřesáhne 30% hodnoty podle otáčkové regulace, někdy i méně.
Ve vysokých otáčkách blízko maximálnímu výkonu (posledních asi 15 –
20% rozsahu provozních otáček) je motor provozován téměř vždy na plný plyn,
jen o trochu větší seškrcení sacího průřezu v těchto otáčkách znamená většinou
téměř brzdění motorem. Seškrcení sacího potrubí ve vysokých otáčkách nedovolí
dobré plnění válců a výkon poklesne (lze vyzkoušet i prakticky). Ochuzení
směsi je tedy minimální, směs je spíše bohatší. Z tohoto důvodu se u karburátorových
motorů bez katalyzátoru korekce otáčkové regulace v oblasti otáček konstantního
předstihu neprovádí, nepředpokládá se provoz v takovém režimu. Zjednoduší
se tím řešení mechanického regulátoru, regulační prvek se konstruuje na
menší rozsah podtlaku, většinou stačí do 30 – 35 kPa. (Maximální podtlak
naměřený pod škrtící klapkou v praxi nepřesahuje 80 kPa.) Odběr podtlaku
v tomto případě je v oblasti přechodových otvorů těsně nad škrtící klapkou
(myšleno v zavřené poloze), kdy se při otevírání klapky vlivem rychlosti
proudícího vzduchu kolem otvoru pro odběr podtlaku vytváří podtlak nějak
úměrný otevření škrtící klapky. Při větším otevření klapky již rychlost
proudění kolem otvoru není tak velká a podtlak prakticky zanikne. Rozdíl
mezi snímání podtlaku pod a nad klapkou je kromě dosažitelného rozsahu
ten, že při volnoběhu podtlak nad klapkou zaniká, pod klapkou je značně
vysoký (jinak by nemohl fungovat posilovač brzd na podtlakovém principu).
Pro zjednodušení působení mechanického podtlakového regulátoru začíná až
hodnotou podtlaku okolo 10 kPa (v praxi se hodnota pod 10 kPa považuje
již za hranici, kde jde o plný výkon, není to sice absolutně přesné, ale
pro regulaci u starých konstrukcí motorů vyhovující), končí někde mezi
30 a 35 kPa a má přímkovou charakteristiku. Tento regulátor nedokáže v
nízkých otáčkách (asi do 1700 ot/min) a částečném výkonu předstih optimálně
regulovat, podtlak v oblasti nad škrtící klapkou je velmi malý a protože
podtlakový regulátor pracuje až asi od 10 kPa, je tato oblast nedostatečně
ošetřena korekcí otáčkové regulace. Toto řešení bylo zvoleno s ohledem
na skutečnost, že v tak nízkých otáčkách jsou motory většinou provozovány
velmi zřídka a tak se určitá nepřesnost výrazněji neprojeví. (Vždy při
otevření škrtící klapky nad 2/3 maxima podtlak výrazně poklesne i pod klapkou
a jeho vliv na regulaci je minimální a to je další z důvodů pro používání
jednoduchého mechanického podtlakového regulátoru u karburátorových motorů.)
Pokud ale řešíme regulaci pro motor s katalyzátorem a nebo je vybaven
vstřikováním, které pracuje na jiném principu než karburátor a má také
větší regulační možnosti ve složení směsi, taková regulace již není dostatečná.
Motor sice poběží také, ale nedosáhne se jeho maximálních výkonových parametrů,
o emisích a spotřebě nemluvě. (Nejde ani tak o velikost maximálního výkonu,
jako spíše o pružnost chodu a velikost měrné spotřeby při částečném výkonu.)
Zde je již téměř nezbytností snímat velikost podtlaku v sacím potrubí pod
škrtící klapkou. Rozsah regulace se výrazně zvýší a je možné udržet spalování
na hodnotách, při kterých se vytváří minimum emisí. Taková regulace je
vhodná i pro karburátorový motor, jen výsledky budou ve srovnání se stejným
vstřikovým motorem o něco horší. (Ovšem za to nemůže regulace, za to může
karburátor.)
Důležité pravidlo – pro regulaci předstihu jsou nutné vždy minimálně dva parametry, otáčky a podtlak v sacím potrubí, jestli se podtlak snímá nad nebo pod klapkou, je důležité jen z hlediska potřeby technické dokonalosti a ceny výsledného řešení. (Mechanická podtlaková komora má omezený rozsah a možnosti funkce a pro regulaci je vhodná jen při odběru podtlaku nad škrtící klapkou.) Tyto dva parametry postačují k regulaci předstihu zážehu natolik, že umožňují dlouhodobý provoz motoru bez možnosti poškození mechanických částí ve spalovacím prostoru (ventilu, svíčky, dno pístu atd.).
Pokud chceme regulaci dále zpřesnit, začneme korekcemi podle teploty
motoru. Jde o nejjednodušší přídavnou regulaci, působí jen po dobu do ohřátí
motoru na provozní teplotu a dále již není potřebná. Zvýšení předstihu
zážehu se provádí z důvodu ochuzení směsi při neprohřátém motoru, mnoho
paliva kondenzuje na stěnách sacího potrubí a do válců se nedostává včas,
pokud ano, tak jen naředí olejový film na stěnách válců. Není zapotřebí
další snímač teploty, můžeme využít již použitého termistorového čidla.
Pokud použijeme přídavný termostat s kontaktním výstupem (prodávají se
levné snímače pro chladiče polovodičů, spínací nebo rozpínací teplota je
asi 71? C), můžeme použít jednoduchý dvoustavový systém, kde se při teplotě
pod cca 70? C předstih o konstantní hodnotu (většinou 5?) zvýší. Toto řešení
je možné realizovat bez elektroniky, stačí úprava upevnění rozdělovače,
kde elektromagnet vždy při poklesu teploty s ním o požadovanou hodnotu
pootočí (pozor, vždy o polovinu požadované hodnoty, rozdělovač se točí
polovičními otáčkami). Další variantou je systém analogový, kdy zhruba
od teploty 35? C se maximální hodnota zvýšení lineárně do teploty motoru
75? C snižuje (na nulu). Skutečný průběh není sice přesně lineární, ale
protože se správná křivka od lineární příliš neliší, lze to považovat za
vyhovující. Skutečně přesné křivky lze získat jen zdlouhavým měřením na
brzdě a pro karburátorové motory bez katalyzátoru se běžně neměří a tedy
nejsou dostupné. Pro celkově krátkou dobu provozu v přechodných teplotních
režimech není určitá malá nepřesnost na závadu.
Dalším regulačním faktorem může být stabilizace volnoběžných otáček.
Při provozu motoru na volnoběh není k dispozici přílišná rezerva výkonu
na vyrovnání zvýšeného odběru (hlavně zvýšená potřeba proudu pro osvětlení
vozidla a pro různé motorky) a otáčky motoru proto poklesnou. Do určité
velikosti odběru výkonu si lze pomoci zvýšením předstihu i o dost velkou
hodnotu. Pokud i tato korekce nestačí, nezbývá než výkon vyrovnat pootevřením
škrtící klapky. Zde již všechny mechanické systémy selhávají, i ten nejlepší
regulátor nezabrání poklesu otáček, i když jen relativně malému. Jde totiž
o to, že nová hodnota předstihu musí zůstat nastavena i po korekci hodnoty
volnoběžných otáček, což mechanický regulátor není schopný dodržet. Tuto
regulaci pomocí zvýšení předstihu je vhodné kombinovat s mechanickým ovládáním
škrtící klapky, pokud je správně systém nastaven, velmi dobře udržuje hodnotu
volnoběhu a navíc pomáhá motor udržet v chodu při nesprávném ovládání vozidla
méně zkušeným řidičem (různé „přískoky“ atd.). Většina dnešních systémů
se vstřikováním již ovladač škrtící klapky se zpětnou vazbou pomocí dvoustupňového
odporového snímače má a jeho pomocí se usnadní spouštění studeného motoru,
regulace volnoběhu atd. Odporový snímač je rozdělen do dvou úseků, nejčastěji
0? - 25? a 18? - 90?. První rozsah je určen na regulaci volnoběhu a nastavení
škrtící klapky při studeném startu, protože 0? = 0% a 25? = 100%, je snímání
polohy citlivější, než když by se použilo pouze jednoho rozsahu. Překrytí
obou snímačů v poloze 18? - 25? slouží k plynulému přechodu do oblasti
vyššího výkonu. Pokud nám stačí jen udržení volnoběžných otáček v rozsahu
předepsaným výrobcem (většinou 50 – 100 ot/min), nastavíme normální volnoběh
na horní hranici a se zvyšujícím se odběrem výkonu by se pomocí korekce
předstihem mělo dosáhnout udržení v povoleném pásmu, třebaže na jeho spodní
hranici.
Výše uvedené přídavné korekce předstihu nepotřebovaly ke svému použití
další snímače než ty, které jsou pro provoz motoru nezbytné. Následující
korekce již potřebují ke svému použití další čidla, která nejsou nejlevnější.
Jako příklad uvádím korekci podle čidla detonací. Detonační chod má nepříznivý
vliv na životnost motoru, způsobuje pokles výkonu a prudké zhoršení emisí
výfukových plynů. Toto čidlo je vlastně piezoelement naladěný na kmitočet
okolo 4 kHz a doladěný pro ten který typ motoru. Pokud se nic neděje, piezo
sice nějaké impulzy může vysílat protože se motor různě chvěje, ale protože
kmity nejsou v rezonanci s nastavením pieza, amplituda kmitů je zanedbatelná
a dobře nastavený filtr je v přijímači řídícího systému odfiltruje. Při
detonačním spalování se piezoelement dostane do rezonance a vyšle amplitudově
výrazný signál s kmitočtem detonace (již zmiňované asi 4 kHz). Na tvaru
tohoto signálu nezáleží, jde o to jen jestli je a nebo není přítomen. Na
základě této informace elektronické obvody musí okamžitě předstih snížit.
V praxi se to dělá následovně – po první detonaci se předstih sníží o 2?,
po další o totéž a po každé další se míra snížení zmenší. Po zániku detonací
se tato hodnota ponechá jako nově stanovená. Rozsah takové regulace bývá
asi ±15?. Přesné hodnoty velikosti poklesu předstihu na jednu detonaci
pro daný typ motoru se změří na brzdě, jde o to, aby se předstih zkorigoval
co nejrychleji a tak se výše uvedené hodnoty u různých motorů liší. Ovšem
může jít o jev přechodný vyvolaný krátkodobými vlivy a tak nově nastavená
hodnota předstihu nebude pro motor dlouhodobě vhodná. Proto se takové řešení
korekce rozšiřuje o opětné nastavení původní hodnoty. V praxi se tento
systém řízení realizuje neustálým hledáním hranice klepání, protože těsně
pod ní se dosahuje nejvyššího výkonu a tedy i nejnižší měrné spotřeby paliva.
Proto regulátor neustále pozvolna předstih zvětšuje až dosáhne slabé detonace,
okamžitě předstih sníží o určitou hodnotu (ta je změřena na brzdě a většinou
stačí na zánik detonačního chodu), na této hodnotě nějakou dobu setrvá
(řádově 5 – 20 s) a poté opět zopakuje celý měřící cyklus. Celá tato operace
se provozuje nezávisle na ostatních korektorech, vždy k celému poli předstihu
se nějaká hodnota přičte nebo odečte. Pokud máte nové auto se vstřikováním
a čidlem klepání (od Felicie 1,6 a 1,3 MPI výše), toto je tam nějakým způsobem
aplikováno a umožňuje provoz na paliva s různou oktanovou kvalitou, ovšem
platí, že se s palivem s nižším oktanovým číslem nedosáhne udávaného maximálního
výkonu. Při použití paliva s oktanovým číslem vyšším se díky nastavení
pole předstihu výše palivo lépe využije, výkon se zvýší a spotřeba poklesne.
Ovšem neočekávejte zázraky, pokud se přiměřeně nezvýší i kompresní poměr,
nebude to žádná sláva (já jsem na Felicii 1,6 rozdíl mezi 95 a 98 oktanovým
benzínem nijak zvlášť nepozoroval a mám takový nepříjemný dojem, že v tomto
konkrétním případě čidlo klepání slouží jen a pouze na hlídání detonací
a o nějakém vyhledávání hranice klepání čip vůbec nic neví, velký předstih
zhoršuje emise i u katalyzátorových motorů – ovšem je to jen můj dojem).
Každopádně se ale řízení pomocí čidla detonací odmění stabilními výkonovými
parametry, protože se vlastně všechny hodnoty, které ovlivňují proces spalování,
nakonec projeví na době hoření a čidlo klepání je jako celek vyhodnotí.
Ovšem upozorňuji, že jde o korekci přídavnou s dlouhou časovou konstantou,
regulace podle otáček a podtlaku v sacím potrubí musí být nastavena co
nejpřesněji bez ohledu na další faktory. V případě poruchy čidla detonací
musí mít motor nějaké základní hodnoty předstihu nastaveny, jinak není
schopen uspokojivé funkce.
V režimu volnoběžných otáček a otevření škrtící klapky pod 45? (podtlak
asi 12 – 15 kPa) se regulace podle čidla klepání nepoužívá, jen v případě
náhodných detonací (prakticky nevznikají, tlaky jsou příliš malé a detonace
signalizuje nějakou chybu buď v regulačním algoritmu řízení předstihu,
nebo nějakou zradu ve spalovacím prostoru (rozžhavené talířky ventilů atd.)).
Pokud by se hledala hranice detonací vždy a všude, předstih by často vyšel
až za hranicí optimální účinnosti (vrchol tlaku by se dostal před HÚ) a
silně by poklesl výkon motoru. V tomto je použití čidla klepání omezeno,
protože dokáže rozeznat pouze detonaci, ale nedokáže určit místo vrcholu
spalovacího tlaku.
Ještě poznámka – každý motor má vlivem rozptylu výrobních tolerancí
rozdíly v parametrech jednotlivých válců, čím větší sériovost, tím větší
rozdíly. Proto je náchylnost jednoho z válců k detonacím vždy větší a detonační
hoření v něm vzniká vždy jako první. Protože ostatní válce mohou mít (a
také většinou mají) větší antidetonační odolnost, není regulace celého
pole předstihu optimálním řešením, předstih je pro ostatní válce po korekci
příliš malý. Lepší by bylo regulovat každý válec zvlášť, ovšem to záleží
na možnostech a očekáváních každého, kdo potřebnou regulaci uvádí v život.
Dalším korekčním faktorem jsou teplota vzduchu, vlhkost vzduchu, teplota
paliva a akcelerace (decelerace nás nezajímá, po tuto dobu je vhodné zabránit
nasávání paliva do válců a pokud tam nic není, není co zapálit). První
tři faktory se měří hlavně z důvodu nastavení správného směšovacího poměru
při vstřikování paliva. Protože se při použití karburátoru tyto snímače
nepoužívají, implementace do již existujících karburátorových motorů je
obtížná a pro korekci předstihu má jen malý význam, při použití čidla klepání
je zbytečná. Korekční hodnoty pro teplotu a vlhkost se dají zdlouhavě zjistit
na brzdě, jejich velikosti zase nejsou tak velké aby zásadně ovlivňovaly
chod motoru. Většinou se vzduch a palivo v motorovém prostoru a samotném
sacím traktu ohřejí na zhruba konstantní hodnoty, že korekce ztrácí na
významu. Hodnota akcelerace význam má v případě, že se otáčky neměří tzv.
kontinuálně, kdy máme možnost změřit otáčky těsně před bodem zážehu. Pokud
provádíme měření pouze 2x za otáčku, přesnou hodnotu momentální úhlové
rychlosti dostaneme jen při ustálení otáček. Poslední změřená hodnota již
nemusí být pravda, předstih je upravován se zpožděním a proto je korekce
podle velikosti akcelerace nutná, zvlášť při velkých hodnotách zrychlení
na nižší převodové stupně. Při menších hodnotách je zpoždění již přijatelné
a korekce se tolik neprojeví.
Tohle vše má jednu velkou nevýhodu – vzhledem ke skutečnosti, že nasávání
směsi se nikdy i při ustálených vstupních hodnotách přesně nezopakuje v
následujícím cyklu co to homogennosti směsi a průběhu pohybu směsi v jednom
válci včetně víření, není výsledná hodnota předstihu zážehu optimální a
jen se optimu více či méně přibližuje. Skutečnou hodnotu předstihu získáme
až zpětně podle průběhu spalování v daném cyklu hoření a to už je pozdě.
Zatím se nikomu nepodařilo vymyslet způsob řešení, i při velice pečlivém
řešení geometrických tvarů jednotlivých částí sacího traktu a jejich malém
rozptylu parametrů se tento problém nepodařilo eliminovat. Proto jsou všechny
i sebesložitější řídící systémy nedokonalé již z principu řízení (pokud
budeme chtít dosáhnout absolutní přesnosti). Jako všechno okolo provozu
spalovacích motorů je jen více či méně přibližné, tak je na tom stejně
i regulace předstihu.
Elektronická regulace předstihu:
Tak jsme si rozebrali všechny vlivy, které mají na regulaci předstihu zážehu vliv. Teď tedy zkusíme dát dohromady funkční návod jak na to. Neočekávejte popis řídícího algoritmu pro mikroprocesor „ke stažení na www….“, opět opakuji že programovat neumím a ani tak brzy umět nebudu, o činnosti mikroprocesoru mám jen mlhavé představy. Zde je popis všeho, co musíme k zvládnutí algoritmu řízení vědět.
Při konstrukci takových zařízení, a nemusí jít zrovna o regulaci předstihu,
si musíme uvědomit, že největším problémem jak konstrukčním, tak finančním
jsou snímače neelektrických veličin, které převádějí cokoliv na elektrický
signál, který se dá dále zpracovat v nějakém elektronickém zařízení (nemusí
jít zrovna o mikroprocesor).
Nejdříve jako základ musíme vytvořit nějaký snímač polohy klikového
hřídele. Snímač by měl snímat přímo hřídel (což je technický problém),
nebo součásti s ním pevně spojené (řemenice, setrvačník apod.). Jakmile
budeme snímat polohu součásti připojené ke klikovému hřídeli přes nějaký
převod (pohon vačkového hřídele, rozdělovač), nepříznivě se projeví různé
vůle a polohu klikového hřídele nesejmeme přesně, navíc pokaždé se tento
bod různě posune na obě strany (škodovečky zářným příkladem). Snímač musí
i přesně určit hranu zubu bez ohledu na rychlost otáčení motoru (nemusí
– ale jeho chyba musí být přesně definovatelná a opakovatelná, pokud možno
s otáčkami vzrůstající lineárně). Proto by měl být rychlý, spínací rychlost
v řádech desítek kHz. Optické snímače typu infradioda – fototranzistor
jsou vhodné, ale pro možnost špinění se a menší teplotní odolnost se profesionálně
nepoužívají. Snímače na jiném principu se používají častěji, všeobecně
se dnes rozšířil Hallův generátor integrovaný se zesilovačem a klopným
obvodem. Součástka sama o sobě je velmi malá a umožňuje sestavit snímač
minimálních rozměrů. Z hlediska velikosti jsou na tom nejlépe snímače umístěné
v rozdělovačích, kde již z principu nemohou být velké. (Takové rozdělovače
jsou pevně spojeny s vačkovým hřídelem a pohon je ozubeným řemenem s napínákem,
vůle nevznikají – viz Felicia 1,6.) Takový snímač můžeme umístit téměř
na libovolně zvolené místo. Snímače umístěné na skříni převodovky a snímající
polohu setrvačníku (speciálně vytvořené zářezy na obvodu setrvačníku) jsou
rozměrově několikrát větší a s jejich umístěním bývá větší problém. Doporučuji
neplýtvat časem s vývojem snímače a použít nějaký z profesionálně vyráběných
automobilových snímačů, které kromě patřičných elektrických parametrů jsou
i teplotně odolné. Napájení je převážně 5 V. Ovšem doporučuji se podívat
do „chytré knížky“ na zapojení vývodů, označování barvami podle normy se
zase tak moc v automobilové technice nedodržuje (příliš mnoho vodičů a
celková nepřehlednost elektroinstalace nutí výrobce používat mnoho barev
izolací k rozlišení jednotlivých vedení).
Pokud jsme si již nějaký snímač vybrali, musíme zvolit systém snímání
polohy klikového hřídele. Protože každý řídící systém je založen na určitém
„vstupním kódu“ který se později jednoduše nedá změnit (znamená to vytvoření
úplně nového programu a případně i přebudování celého hardwaru), dobře
si počet a umístění referenčních bodů (zubů) rozmyslete. Málo bodů je vhodné
pro určitý typ algoritmu, ale znesnadňuje rychlé zjištění velikosti akcelerace.
Dva body na jednu otáčku pro čtyřválec dobře stanovují polohu HÚ pro všechny
válce, ale na zjištění zrychlení je potřeba minimálně jednoho zdvihu. Určitým
vylepšením je použít velké šířky zubu, nejlépe 90? a použít obě hrany zubu
na měření. Dostaneme tak 4 body, aniž by se ztratila výhoda jednoduchého
stanovení HÚ. Horní úvrať ale není nejlepším referenčním bodem, lépe je
použít bod základního předstihu (ZP). Z hlediska zjištění rychlosti otáčení
motoru a jeho akcelerace je lepší použít referenčních bodů více včetně
využití šíře zubů. Zde se ale ztratí výhoda jednoduchého stanovení HÚ (ZP).
V případě použití čipu k řízení předstihu lze rozdílnou šířkou příslušného
zubu a ošetřením v programu tento bod stanovit. Použití velmi velkého počtu
zubů zase tak velké výhody nepřináší, je problémem je ve vysokých otáčkách
sejmout a k určení HÚ (ZP) je většinou zapotřebí další snímač a referenční
značka. Pokud chceme z nějakého důvodu použít vysokého počtu zubů (360,
720), můžeme si je vytvořit elektronicky násobičkou kmitočtu s fázovým
závěsem. Felicia MPI používá systém dvou výřezů vždy 60? - 6? před HÚ a
výřez určující HÚ 1. a 4. válce má přídavný krátký zub k rozlišení. Felicia
1,6 má v rozdělovači „misku“ se čtyřmi výřezy, jeden z nich je o 6? širší
než ostatní a označuje první válec. Snímač polohy je důležité mít prověřený
na zpoždění, o kolik se časově (spíše o jaký úhel) posunou hrany výstupního
signálu proti skutečné poloze hran snímaného zubu při určitých otáčkách
a tuto hodnotu zohlednit v programu. Proto doporučuji Hall, který je velmi
rychlý a posun hodnot lze zanedbat.
Dalším krokem je snímání podtlaku. Protože čip umožňuje mnohem širší
možnosti řízení, je vhodné snímat podtlak pod škrtící klapkou. Zde dosahuje
podtlak hodnoty až 80 kPa (brzdění motorem), ovšem v praxi se většinou
neřeší hodnota vyšší než 60 kPa. Jako snímače podtlaku lze použít různá
tenzometrická čidla, nejlépe už zapouzdřená a snímající absolutní hodnotu
podtlaku. Ovšem dostupnost a cena takových snímačů nejsou zrovna nejlepší.
Druhou variantou je využití faktu, že vždy určitá poloha škrtící klapky
a určité otáčky motoru dávají jistou hodnotu podtlaku. Závislost je asi
od 5? do 50 - 55? otevření klapky lineární a při tomto otevření klesne
podtlak na hodnoty asi 5 kPa a potom jen pozvolna klesá k nule (jak jsem
se již zmínil výše při popisu mechanického podtlakového regulátoru). Od
0? do 5? se podtlak (je na maximu) prakticky nemění a považuje se za konstantní.
Sklon křivky se mění v závislosti na otáčkách a rozsah podtlaku se zmenšuje.
Závislost sklonu křivky na otáčkách a postavení škrtící klapky má vysokou
opakovatelnost, ale je nutné si ji změřit. Většina zveřejněných křivek
znázorňujících cokoli platí pro plný výkon (úplné otevření škrtící klapky).
Ovšem tato varianta se vyznačuje obtížně kontrolovatelnou velikostí rozdílu
mezi skutečným a teoretickým podtlakem, kterou způsobuje postupné znečišťování
filtrační vložky vzduchu. S postupujícím znečištěním vložky se podtlak
zvětšuje, aniž na to cokoliv jiného (než čidlo klepání) upozorní. Proto
je lepší varianta třetí, kdy se měří skutečné množství nasávaného vzduchu
v závislosti na poloze škrtící klapky. Každé modernější vícebodové vstřikovací
zařízení takový snímač – navíc kombinovaný s měřičem teploty nasávaného
vzduchu – má. Jedním z principů je žhavený platinový drátek (o síle vlasu)
konstantním výkonem, který se v proudu vzduchu ochlazuje a rozdíl teploty
(nebo velikost dodaného výkonu na udržení konstantní teploty drátku) udává
hmotnost vzduchu. Dnes se již pro malou mechanickou odolnost nepoužívá
platinový drátek, ale keramická destička s napařenou vrstvou platiny umístěná
souběžně se směrem proudění vzduchu, která je citlivější než drátek. Umisťuje
se v místě sacího potrubí, kde převládá statická složka proudění vzduchu
nad dynamickou. Všechny tyto systémy byly vyvinuty za účelem zpřesnění
složení směsi pro dodržení stále se zpřísňujících emisních limitů. Snímač
slouží hlavně pro řízení složení směsi, pro řízení předstihu zážehu samostatně
(např. u systémů s elektronicky řízeným karburátorem nebo mechanických
systémů vstřikování) se nepoužíval (také tehdy ještě neexistoval). Dnes
se již k řízení využívá, protože když už tam musí být, tak proč ho nevyužít.
Měření teploty vzduchu slouží k doladění měřícího systému, protože podle
teploty vzduchu se více či méně ochlazuje snímač a na teplotě je závislý
i objem (hmotnost) vzduchu.
Poloha zavřené škrtící klapky by měla být nějak signalizována, stačí
mikrospínač. To proto, aby bylo jasně definováno, zda máme korigovat volnoběh,
brzdíme motorem atd. Žádnou vědu ze snímání bych nedělal, mikrospínač používají
všichni světoví výrobci.
Čidlo klepání pro škodovky je dobré použít ze Felicie 1,3 MPI, jde
vlastně o jeden typ motoru se stejnými charakteristikami detonací a toto
čidlo je na to vyladěno (cena nového asi 1350,- Kč). MPI mají uprostřed
bloku předlitý držák se závitem (pro šroub M8 x 28), ke kterému se momentem
20 Nm čidlo připevní. U starších typů je ze strany výfukového potrubí na
bloku závit pro upevnění motoru na montážní stojan, pokud si vyrobíte redukční
závitovou vložku, je možné připevnit čidlo tam. Doporučuji čidlo odstínit
plechem od výfukového potrubí.
Tak a teď to hlavní – jaké použít hodnoty předstihu pro naprogramování.
Pokud nemáme oficiálně naměřené hodnoty z brzdy, můžeme si pomoci charakteristikou
odstředivé regulace v rozdělovači. Charakteristika bývá přímková a nebo
1x lomená, přechody křivky zakulatíme zhruba tak, aby se nové hodnoty nějak
vešly do tolerančního pásma odstředivého regulátoru. Není to sice úplně
přesné, ale hodně se to blíží skutečnosti. Pokud křivky odstředivé regulace
nemáme, nezbývá nám nic jiného než krok po kroku stroboskopem měřit předstih
podle otáček a tak si hodnoty sejmout přímo na motoru. S podtlakovou regulací
je to složitější, křivka mechanického podtlakového regulátoru platí jen
pro snímání nad škrtící klapkou a moc nám toho o podtlaku pod škrtící klapkou
neřekne. Podle toho, co jsem kdy viděl za oficiální charakteristiky, většinou
se předstih v nízkých otáčkách zvyšoval se zvyšujícím se podtlakem velmi
výrazně (od 1 000 do 1 500 ot/min asi 4 – 6 x ZP), později se nárůst předstihu
plynule snižuje a zhruba od 4 000 ot/min se korekce pohybuje asi o +3 až
+5?. Datové pole ukazovalo, že zhruba od 40 kPa výše se výsledný předstih
v celém regulovaném rozsahu otáček pohyboval od 70 do 110% maximální hodnoty
odstředivé regulace. Pokud máte škrtící klapku otevřenou více než 60?,
můžete podtlakovou regulaci vyřadit z činnosti. Pokud použijeme čidlo klepání,
na přesných hodnotách zase tak moc nezáleží, pomocí čidla se předstih doladí.
Ovšem chce to vytvořit samoučící program, který čidlem naměřené hodnoty
zpětně po korekci zapíše do datového pole a tak se postupně za provozu
celé datové pole přizpůsobuje momentálním podmínkám (česky řečeno – za
nějaký ten tisíc km bude v paměti něco úplně jiného, než co bylo původně
vloženo, i když zase nějaký výrazný rozdíl to nebude). Takto vytvořený
samoučící systém přizpůsobuje předstih zážehu kromě provozním stavům také
opotřebení motoru.
Dále je zapotřebí si určit co všechno budeme regulovat. Kromě předstihu
lze ještě stabilizovat volnoběžné otáčky, vypínat přívod paliva při brzdění
motorem a co nejdůležitější – mít v poli dat přednastavené hodnoty pro
měření emisí. Velký předstih získaný „samoučením“ není pro emise optimální,
sledované veličiny se špatně dostávají do limitů. Pro volnoběh ponechte
hodnotu ZP a pro zvýšené otáčky v rozsahu 2 300 – 2 700 ot/min si ještě
podle starého rozdělovače zjistěte hodnoty předstihu a tyto někam do paměti
vložte. Potom stačí pomocí nějakého přepínače na řídící jednotce přepnout
na „emisní“ provoz a v klidu projít kontrolou. Stabilizaci volnoběžných
otáček jsem popsal výše, důležité je mít signál o poloze škrtící klapky
(kontakt) a hodnotu podtlaku, tu si při předepsaných volnoběžných otáčkách
co nejpřesněji změříme přímo na motoru (při poklesu volnoběžných otáček
podtlak klesá také, na to nezapomenout). Algoritmus regulace vypadá následovně
– pokud otáčky klesají pod nastavenou hodnotu, zvyšujeme předstih tak dlouho
(max. asi 15?), dokud se otáčky nevrátí na požadovanou hodnotu a tuto hodnotu
předstihu ponecháme nastavenou, při zrušení volnoběžného režimu po 5 s
vrátíme předstih na původní hodnotu. Časová konstanta 5 s je z důvodu krátkodobého
přechodu do výkonového režimu, např. při různém popojíždění v koloně atd.
Ovšem korekci provádíme jen pro volnoběh, posun celým datovým polem je
chybný! Zavírání volnoběžné trysky při brzdění motorem používat až nad
otáčkami 1 600 min-1, jinak nastává problém s přechody, dolní hranice pro
otevření elektromagnetické trysky je asi 1 200 ot/min, pod touto hranicí
má motor snahu zhasnout. Ovšem rozhodovací hodnoty je možné za provozu
doladit.
Jak jsem již řekl, hodnoty předstihu se vypočítat nedají, protože nemáme vstupní veličiny (pokud chci vypočítat předstih, musím znát rychlost hoření směsi a toho dosáhnu pouze velmi složitým měřením a jsem tam, kde jsem nechtěl být – to už mohu rovnou měřit hodnoty předstihu). Takže použijeme datové pole sejmuté z motoru na brzdě a toto vložíme do paměti čipu. Podle systému řízení můžeme buď použít hrubě sejmuté hodnoty a hodnoty „mezi“ aproximovat, nebo vložit jemně rozdělená data a dopočítávání pro zjednodušení vynechat. Upozorňuji, že dosažení rozlišení předstihu 0,5 - 1? na klice po 10 – 15 ot/min je více než dostačující, jemnější regulace nemá význam, hodnoty výkonu a spotřeby se nezmění (spočítejte si třeba křivku Favorita). Základem řídícího algoritmu by tedy mělo být změření otáček a podtlaku a na základě těchto vstupních hodnot přiřadit výstupní hodnotu předstihu. Tuto hodnotu můžeme podle dalších veličin korigovat oběma směry, ale musí zůstat jako základ. V případě poruchy čidla klepání atd. musí být nějaké základní hodnoty, aby to jelo a dojelo domů aspoň jako normální auto bez elektroniky. Každopádně je vhodné pomocí kontrolky na přístrojové desce informovat o problémech s čidlem klepání, případně snímače podtlaku.
Heslovitě co se musí a co by se mělo:
č. 1
vstup TTL pro 1. + 4. válec
č. 2
napájení +14 V ±0,1 V
č. 3
vstup TTL pro 2. + 3. válec
č. 4
napájení 0 V (kostra)
Myslím si, že jsem popsal vše, co je k vývoji elektronického řízení předstihu potřeba znát. Zbytek záleží na schopnosti konstruktéra vyvinout funkční zařízení. Ještě bych chtěl podotknout, že pokud můžeme použít nějaký prvek již ve vozidlech používaný, tak ho použijme. Tyto součástky byly pro provoz ve vozidlech a motorovém prostoru zvlášť navrženy a odzkoušeny (teploty, vibrace, ropné látky, vlhkost). Bastlit ze součástek zakoupených v maloobchodě pro tzv. stolní přístroje nedoporučuji, týká se hlavně různých piezoelementů a obvodů s teplotním rozsahem 0 - 70? C. Teploty mimo tuto toleranci sice nezpůsobí nefunkčnost, ale nejsou pro ně zaručovány katalogové parametry, zmenší se spínací rychlost atd.
Přeji mnoho zdaru při vývoji elektronické regulace předstihu a na závěr popis analogově digitálního systému, který jsem dal dohromady asi před 10 lety.
Moje původní řešení s logickými obvody vypadalo následovně:
Regulace byla velmi přesná a protože jsem otáčky měřil co nejblíže
to šlo k bodu zážehu, akcelerační korekci jsem nepoužil a i přesto motor
běhal velmi dobře, zdál se živější a lépe držel volnoběh. Jelikož byl celý
systém neustále resetován v HÚ, systém se nikdy nezbortil, jak to s oblibou
dělá 89C51. Nevýhodou celého systému bylo, že jakákoliv úprava řídícího
algoritmu znamenala vývoj nového zařízení včetně výroby PS.
Škodovkářům zdar!
Autor lnku: CJ (Jiří Čech)
E-mail: jicech@quick.cz