مقاله بررسی کنترل الکترونیکی موتور دیزل (EDC) در 37 صفحه ورد قابل ویرایش

شرایط فنی

امروزه، در ورای پیشرفت‌هائی که در زمینه‌ی تزریق سوخت موتور دیزل صورت گرفته، کاهش مصرف سوخت و افزایش در توان و گشتاور، فاکتورهای بسیار مهمی به شمار می‌آیند. در گذشته، اهمیت این فاکتورها موجب استفاده‌ی بیشتر از موتورهای دیزل با تزریق مستقیم (DI) بوده است. در مقام مقایسه با موتورهای دیزل با پیش محفظه و یا مجهز به محفظه‌ی گردابی، که به نام موتورهای با تزریق غیر مستقیم (IDI) معروفند، موتورهای با تزریق مستقیم دارای فشار تزریق بیشتری هستند. این امر منجر به اختلاط بهتر سوخت- هوا گشته و احتراق در ان کاملتر صورت می‌گیرد. در موتورهای با تزریق مستقیم، با توجه به این واقعیت که اختلاط بهتر انجام می‌شود و به علت عدم وجود پیش محفظه و یا محفظه گردابی، هیچ گونه تلفات ناشی از سریز سوخت وجود ندارد و نسبت به موتورهای با تزریق غیر مستقیم، مصرف سوخت 15-10 درصد کاهش می‌یابد.

علاوه بر این، موتورهای مدرن امروزی بیشتر در معرض مقررات سخت مربوط به گاز اگزوز و صدا هستند. این امر باعث شده است که از سیستم تزریق سوخت موتور دیزل، انتظارات بیشتری مطرح شود، از جمله:

- فشارهای بالا در تزریق سوخت،

- منحنی بنیادی‌تری از آهنگ سوخت‌دهی،

- شروع تزریق متغیر،

- تزریق پیلوتی،

- سازگاری مقدار سوخت تزریقی، فشار تقویت یافته، و کمیت سوخت تزریقی در یک مرحله‌ی کاری معین،

- کمیت سوخت راه‌انداز وابسته به درجه‌ی حرارت،

- کنترل دور آرام مستقل از بار وارده بر موتور،

- تنظیم سرعت مطلوب با توجه به مصرف سوخت و بازده،

- به کارگیری چرخش دوباره‌ی گاز اگزوز، EGR با کنترل خودکار،

- کاهش در تولرانس‌ها و افزایش در دقت، در تمام طول عمر مفید وسیله‌ی نقلیه.

گاورنرهای مکانیکی متداول (وزنه‌های گریز از مرکز) با به کارگیری چندین وسیله‌ی اضافه‌شده، شرایط متنوع در حین کار را ثبت می‌کنند تا تشکیل مخلوط با کیفیت بالا تضمین شود. بنابراین، این نوع گاورنرها به یک کنترل ساده‌ی دستی در موتور محدود می‌شوند، در صورتی که عمل کننده‌های مهم و متنوعی وجود دارند که امکان ثبت آن‌ها توسط این وسائل وجود ندارد و یا اگر هم ثبت شوند، سرعت کار مطلوب نخواهد بود.

مرور کلی سیستم

در سال‌های گذشته، به علت افزایش، چشم‌گیر در توان محاسبه‌ای میکروکنترلرهای موجود در بازار، تبعیت کنترل الکترونیکی دیزل (EDC) از مقررات و شرایطی را که پیشتر یادآور شدیم را ممکن ساخته است.

برخلاف خودروهای دیزلی مجهز به پمپ‌های انژکتور ردیفی یا آسیابی متداول، راننده‌ی یک وسیله‌ی نقلیه کنترل شده توسط EDC نمی‌تواند هیچ گونه اثر مستقیم روی پمپ انژکتور داشته باشد، به عنوان مثال کنترل مقدار سوخت تزریقی که به طور متداول به وسیله‌ی پدال گاز و یا سیم گاز انجام می‌شود، در اینجا حاصل متغیرهای عمل کننده‌ی متنوعی از جمله وضعیت کاری، داده‌های توسط راننده، آلاینده‌های گاز اگزوز و نظائر آن است.

بدین معنی که یک سیستم ایمنی پیشرفته‌ای باید به کار برده شود تا خطاها و ایرادات را تشخیص دهد و به نسبت شدت و حدت، راه‌کارهای مناسب برای رفع آن‌ها را ارائه دهد (به عنوان مثال: محدودیت گشتاور، یا راندن اظطراری خودرو در گستره‌ی دور آرام (رساندن خودرو به کارگاه). سیستم EDC هم چنین امکان تبادل بین مقادیر به دست آمده در این سیستم با مقادیر حاصل از سایر سیستم‌های الکترونیکی در خودرو به وجود آید (به عنوان مثال با سیستم کنترل کشش (TCS) و کنترل الکترونیکی تعویض دنده.) بدین ترتیب، این سیستم می‌تواند با کل سیستم خودرو ادغام شود.

پردازش داده‌های EDC

سیگنال‌های ورودی

حس‌گرها همراه با عمل کننده‌ها، وسیله ارتباطی بین خودرو و واحد پردازش داده‌های آن هستند. سیگنال‌های حاصل از حس گرها، از طریق مدار الکتریکی محافظ و اگر لازم باشد از طریق مبدل‌های سیگنال و آمپلی‌فایرها، وارد یک واحد و یا واحدهای متعدد کنترل الکترونیکی (ECU) می‌شوند.

- سیگنال‌های ورودی پیوسته (مثال: اطلاعات حاصل از حس‌گرهای پیوسته مربوط به مقدار هوای مکیده شده توسط موتور، درجه حرارت هوای ورودی و حرارت خود موتور، ولتاژ باطری و نظائر آن‌ها) به وسیله مبدل پیوسته/ گسسته در ریز پردازنده ECU، به مقادیر گسسته تبدیل می‌شوند.

- سیگنال‌های ورودی گسسته (مثال: سیگنال‌های کلید قطع و وصل، یا سیگنال حس‌گر گسسته از قبیل پالس‌های سرعت دورانی از حس‌گر Hall می‌توانند به طور مستقیم توسط ریزپردازنده‌ها پردازش می‌شوند.

- به منظور از بین بردن پالس‌های تداخل کننده، سیگنال‌های پالسی شکل که از حس‌گرهای القائی دریافت می‌شوند و حاوی اطلاعاتی مانند دور موتور و علامت تنظیم موتور هستند، توسط مدار ویژه‌ای در ECU بهبود یافته و به موج مربعی تبدیل می‌شوند.

اصلاح سیگنال، بسته به میزان پیچیدگی داخلی حس‌گر، به طور کامل و یا نسبی در داخل حس‌گر می تواند انجام شود. شرایط کاری که در نقطه‌ی نصب پیش می‌آید تعیین کننده‌ی میزان بارگذاری حس‌گر است.

اصلاح سیگنال

مدار محافظ برای محدود ساختن سیگنال‌های ورودی در حد حداکثر ولتاژ از پیش تعیین شده به کار می‌رود. سیگنال اصلی با استفاده از صافی، تقریباً به طور کامل از وجود سیگنال‌های تداخلی آزاد شده و سپس تقویت می‌یابد تا بتواند با ولتاژ ورودی واحد ECU متناسب باشد.

پردازش سیگنال در ECU

ریزپردازنده‌های ECU غالباً سیگنال‌های ورودی را به صورت گسسته (Digital) پردازش می‌نمایند و به همین جهت نیاز به یک برنامه‌ی خاصی است. این برنامه در حافظه ROM و یا Flash- EPROM ذخیره می‌شود.

علاوه بر این، منحنی‌های مشخصه موتور و اطلاعات مربوط به مدیریت موتور نیز در حافظه‌ی Flash- EPROM ذخیره می‌شوند. داده‌های تثبیت کننده، اطلاعات مربوط به کالیبراسیون و ساخت، هم‌چنین داده‌های مربوط به خطاها ایرادات که در حین کار ممکن است پیش آیند، همگی در یک حافظه‌ی غیر فرار خواندن/ نوشتن EEPROM ذخیره می‌شوند.

با وجود تنوع بسیار وسیع در انواع موتورها و ادوات، انواع ECU دارای یک کد «نوع» هستند. با استفاده از این کد، نقشه‌هائی که برای یک کار خاص در یک کارخانه و یا تعمیرگاه لازم است، از میان نقشه‌های ذخیره شده در EEPROM انتخاب می‌شوند.

سایر متغیرهای ECU طوری طراحی می‌شوند که در پایان تولید وسیله‌ی نقلیه، سری کامل داده‌ها بتوانند در داخل Flash- EPROM برنامه‌ریزی شوند. این کار موجب کاهش تنوع در ECU مورد احتیاج کارخانجات وسائط نقلیه می‌شود.

یک RAM فرار جهت ذخیره‌ی داده‌های متغیر (مثل داده‌های محاسبه‌ای و مقادیر سیگنال)، مورد نیاز است. و برای درست عمل کردن این RAM نیاز به یک انرژی دائمی می‌باشد. به عبارت دیگر، در صورتی که سویچ برق خودرو قطع شود و یا اتصال باطری از خودرو جدا گردد، ECU خاموش شده، تمامی اطلاعات ذخیره شده از بین می‌رود. در این حالت کمیت‌های سازگاری (مقادیری که در رابطه با شرایط عمومی موتور و وسیله‌ی نقلیه شناخته شده‌اند) پس از روشن شدن ECU باید دوباره نصب شوند. برای جلوگیری از این امر، مقادیر سازگاری به جای RAM در یک EEPROM ذخیره می‌شوند.

سیگنال‌های خروجی

ریزپردازنده‌ها با سیگنال‌های خروجی خود بخش‌های خروجی را به کار می‌اندازند. به طور معمول این بخش‌ها برای ارتباط مستقیم با عمل کننده‌ها دارای قدرت کافی هستند. به کار افتادن هر کدام از عمل کننده‌ها در رابطه با تعریف یک سیستم خاصی می‌باشد. این بخش‌های خروجی در مقابل هر گونه اتصال کوتاه به زمین یا به ولتاژ باطری و یا در مقابل صدمات ناشی از اضافه بار محافظت شده‌اند. اشکالات نخست توسط بخش‌های خروجی تشخیص داده شده، پس از آن، به ریز پردازنده گزارش می‌شود وضعیت مشابه در مدارات باز خازن نیز تعبیه شده است.

علاوه بر این، تعدادی از سیگنال‌های خروجی از طریق وسیله ارتباطی به سایر سیستم‌های موجود در وسیله‌ی نقلیه منتقل می‌شوند.

عمل کننده سولنوئیدی

همان‌طور که در پمپ انژکتور ردیفی مجهز به گاورنر مکانیکی ملاحظه شد، مقدار سوخت تزریقی متناسب با وضعیت قرار گرفتن شانه‌ی کنترل و دور موتور می‌باشد. عمل‌کننده‌ی سولنوئیدی به طور مستقیم به پمپ وصل است و حرکت خطی آن‌ می‌تواند شانه را تغییر دهد. وقتی جریان برق از سولنوئید قطع می‌شود، یک فنر به شانه‌ی کنترل در جهت «خاموش» نیرو وارد می‌کند که موجب قطع شدن جریان سوخت به موتور می‌شود. ولی وقتی سولنوئید انرژی‌دار شد، نیروئی در جهت مخالف نیروی فنر شانه وارد می‌سازد. با افزایش این نیرو که همراه با افزایش جریان برق در سولنوئید است، مقدار سوخت تزریقی در موتور بیشتر می‌شود. بدین معنی که حرکت شانه، به نسبت جریان برق، بطور پیوسته تغییر می‌یابد، و مقدار سوخت تزریقی را بین مقادیر صفر و حداکثر تنظیم می‌کند.

مقدار سوخت تزریقی

مقدار سوخت تزریقی، بر روی مشخصات راه‌اندازی موتور، دور آرام، توان موتور، قابلیت رانندگی و نیز روی ذرات خروجی از اگزوز تاثیر زیادی دارد. در راستای همین اثرات می‌باشد که در ECU نقشه‌هائی به صورت نقشه‌های رایانه‌ای برای راه‌اندازی موتور،دور آرام، وضعیت تمام- بار، مشخصه پدال گاز، محدودیت دود، و مشخصه‌ی پمپ انژکتور آماده می‌شود.



وضعیتی که شانه در آن قرار گرفته در واقع تعیین کننده مقدار سوخت تزریقی است. روش‌های استاندارد تنظیم که در گاورنرهای مکانیکی RQ و RQV متداول است، می‌تواند برای بهبود هدایت خودرو به کار برده شود. راننده گشتاور و یا دور مورد لزوم موتور را به وسیله‌ی یک پتانسیومتر تعیین می‌کند و با استفاده از آن، وضعیت پدال گاز تعیین می‌شود. با استفاده از اطلاعات نقشه‌های ذخیره شده و نیز کمیت‌های حقیقی که از حس‌گرها دریافت می‌شود، ECU مقدار سوخت لازم، و یا به عبارت دیگر موقعیت لازم در حرکت شانه را محاسبه می‌کند. این موقعیت محاسبه شده‌ی شانه، به عنوان یک متغیر مرجع برای انجام کنترل خودکار به کار می‌رود. ECU به عنوان یک کنترل کننده‌ی وضعیت عمل می‌کند و وضعیت واقعی شانه، در نتیجه، تغییرات سیستم کنترل را ثبت می‌کند. کنترل کننده‌ی وضعیت (ECU) این اطمینان را ایجاد می‌کند که شانه به سرعت و به طور صحیح در وضعیت جدید خود قرار گرفته است.

دور آرام

دور آرام موتور برای یک مقدار از پیش تعیین شده، جدای از مقدار بار وارده، تنظیم می‌گردد. اگر لازم باشد، این تنظیم می‌تواند از طریق دستگاه کنترل سرعت خودرو (وسیله‌ای برای انتخاب سرعت دلخواه و تثبیت آن) واقع در روی پانل انجام شود.

دور متوسط

با فعال ساختن یک وسیله‌ی کنترل دور میانه، می‌توان قدرت اضافی لازم برای کاراندازی ماشین‌هائی مثل بالابرها را تامین کرد. این کنترل کننده، دور موتور را بدون توجه به بار وارده در حد معینی حفظ می‌کند. وسیله مزبور، وقتی موتور در جا کار می‌کند، توسط تنظیم کننده‌ی سرعت خودرو در پانل کنترل به کار می‌افتد. با به کارگیری یک کلید در پانل خودرو و با استفاده از اطلاعات ذخیره شده، می‌توان دور موتور را در یک حدی به طور ثابت نگاه داشت. علاوه بر این، با استفاده از تنظیم کننده سرعت پیش‌روی خودرو، می‌توان سرعت‌های دلخواه را از پیش انتخاب کرد.

سرعت پیش‌روی خودرو

به منظور کنترل سرعت پیش‌روی، تنظیم کننده سرعت پیش‌روی خودرو سیگنال دریافتی از مسافت سنج و یا از حس‌گر سرعت را ارزیابی می‌کند. این سیگنال با سرعت از پیش تعیین شده مقایسه گشته، و برای محدود کردن دور موتور به کار می‌رود.

یک مجموعه چهار کلیدی در پانل کنترل جهت راه‌اندازی و یا از کار انداختن تنظیم کننده و ثبت کننده سرعت پیش‌روی خودرو به کار می‌رود:

1- افزایش سرعت و انتخاب (ذخیره)؛ وقتی کلید مربوطه زده می‌شود، خودرو شتاب بر می‌دارد. سرعت خودرو در لحظه‌ای که کلید خاموش می‌شود به عنوان یک سرعت مرجع برای خودرو ذخیره می‌شود (سرعت انتخاب شده).

2- کاهش سرعت و انتخاب (ذخیره)؛ وقتی دکمه مربوطه زده شود، شتاب خودرو گرفته می‌شود. در این‌جا نیز سرعت خودرو در لحظه‌ای که دکمه رها می‌شود به عنوان سرعت تعیین شده برای خودرو ذخیره می‌شود (سرعت انتخاب شده).

3- فعال نمودن دوباره؛ وقتی این دکمه رده می‌شود، سرعت خودرو با آخرین سرعتی که انتخاب شده و در حافظه ذخیره گشته است مطابقت پیدا می‌کند.

4- دکمه خاموش؛ با زدن این دکمه دستگاه کنترل سرعت خودرو به طور کلی از کار می‌افتد.

دیگر وظایف

وظایف ترمز موتور (اگزوز)

وقتی ترمز موتور (یا ترمز اگزوز) به کار می‌افتد، مقدار سوخت تحویلی در حد صفر و یا در حد دور آرام می‌رسد. برای این کار ECU سیگنال دریافتی از دکمه مربوط به ترمز موتور را پردازش می کند.

حفاظت در مقابل داغ شدن

به محض آن‌که درجه‌ی حرارت خنک کننده از حد تعیین شده تجاوز کند، حداکثر گشتاور موتور کاهش می‌یابد.

ممانعت از روشن شدن موتور در سرازیری.

هنگامی که EDC خاموش است، یک فنر برگشتی، شانه را در وضعیت خاموش قرار می‌دهد. این عمل مانع از روشن شدن ناخواسته‌ی موتور می‌گردد. به عنوان مثال، خودروی که در جاده شیب‌دار متوقف شده و خود به خود حرکت می‌کند.

خاموش کن کلیدی موتور

امروزه خاموش کردن موتور به وسیله کلید راه‌انداز، جایگزین خاموش کن مکانیکی که قبلاً متداول بود، گشته است. کلید راه‌انداز جریان برق را از خاموش کن الکتریکی (ELAB) و نیز از عمل کننده سولنوئیدی شانه قطع کرده و با این عمل جریان سوخت را به موتور می‌بندد.

وسیله‌ ارتباطی

می‌توان به وسیله‌ی یک خط سیگنال مقادیر مربوط به EDC را (به عنوان مثال: مقدار سوخت تزریقی، موقعیت پدال گاز) به سایر سیستم‌های موجود در خودرو مثل تعویض دنده منتقل نمود. این سیستم‌ها می‌توانند به وسیله‌ی یک مدار جداگانه مقدار سوخت تزریقی را بین دور آرام و وضعیت تمام- بار تعیین کنند. سازگاری با TCS (کنترل کشش) امکان‌پذیر است.