ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ ECU

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ ECU

«…oι ηλεκτρονικές μονάδες οι οποίες διαχειρίζονται αποκλειστικά τον κινητήρα ονομάζονται ECU ή ΕMS και τα αρκτικόλεξα τους βασίζονται στους πλήρης ορισμούς «Engine Control Unit» και «Engine Management System».
Αναμφισβήτητα, ένα από τα πιο αντιπροσωπευτικά δείγματα της ραγδαίας τεχνολογικής εξέλιξης των τελευταίων δεκαετιών είναι και το αυτοκίνητο. Ωστόσο, σε σχέση με τις ξεπερασμένες πλέον κατασκευές περασμένων ετών η εφαρμογή της ηλεκτρονικής έχει αλλάξει ριζικά την αρχιτεκτονική των σύγχρονων
μοντέλων. Σχεδόν όλες οι λειτουργίες του σύγχρονου αυτοκινήτου ελέγχονται πλέον από πλειάδα ηλεκτρονικών συστημάτων τα οποία έχουν εκτοπίσει αείμνηστα εξαρτήματα όπως π.χ. το καρμπυρατέρ. Έτσι λοιπόν όλες οι λειτουργίες του αυτοκινήτου ελέγχονται από ηλεκτρονικές μονάδες επεξεργασίας δεδομένων. Καμία όμως από αυτές όμως δεν είναι τόσο ζωτική όσο αυτή που διαχειρίζεται την λειτουργία του κινητήρα…

ECU: Ο εγκέφαλος του κινητήρα

Οι ηλεκτρονικές μονάδες οι οποίες διαχειρίζονται αποκλειστικά τον κινητήρα ονομάζονται ECU ή ΕMS και τα αρκτικόλεξα τους βασίζονται στους πλήρης ορισμούς «Engine Control Unit» και «Engine Management System». Ο ανθρώπινος εγκέφαλος θα ήταν πρακτικά άχρηστος αν δεν υπήρχαν τα αισθητήρια όργανα του σώματος για να τον τροφοδοτούν συνεχώς με διάφορα ερεθίσματα από το περιβάλλον. Κάπως έτσι λειτουργεί και η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του κινητήρα η οποία κυριολεκτικά βομβαρδίζεται συνεχώς με δεδομένα τα οποία καταφθάνουν από διάφορους αισθητήρες στην μορφή ηλεκτρικής τάσης. Την κατάσταση του κινητήρα αντιλαμβάνονται περισσότεροι από πενήντα σένσορες οι οποίοι ενημερώνουν τον εγκέφαλο με διάφορες βασικές παραμέτρους όπως η περιστροφική ταχύτητα του μοτέρ -συγκεκριμένα του στροφαλοφόρου άξονα- και το φορτίο. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλα αισθητήρια όργανα τα οποία «διαβάζουν» την θέση της «πεταλούδας», την παροχή και την θερμοκρασία του αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής (ώστε να υπολογισθεί η πυκνότητα του), την θερμοκρασία του σώματος του κινητήρα, την περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο και την τάση της μπαταρίας.

Η δομή της ΕCU

Το βασικό μέρος ενός εγκέφαλου (ECU) αποτελεί ένας κεντρικός μικροεπεξεργαστής (CPU) ο οποίος στις περισσότερες περιπτώσεις είναι τεχνολογίας 32-bit και «τρέχει» στα 20ΜΗz. Τα ηλεκτρικά σήματα από τους αισθητήρες μετατρέπονται στην είσοδο τους σε ψηφιακά ώστε η CPU να έχει την δυνατότητα να τα επεξεργασθεί. Αφού τελικά ο εγκέφαλος επεξεργασθεί τα δεδομένα η τελική του εντολή μετατρέπεται κατά την έξοδο από ψηφιακή και πάλι σε αναλογική μορφή, δηλαδή σε σήματα τάσης- ώστε να ενεργοποιηθούν για παράδειγμα οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες του συστήματος ψεκασμού. Οι αριθμητικοί υπολογισμοί εκτελούνται σε συνδυασμό με πολύπλοκα αλγοριθμικά προγράμματα τα οποία υπάρχουν στην μνήμη. Η τελευταία αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία, τις μνήμες RAM, ROM και PROM. Η RAM αποθηκεύει προσωρινά τα δεδομένα εισόδου -από τους αισθητήρες- και εξόδου πριν αρχίσει το πρόγραμμα ελέγχου. Στην ROM έχουν αποθηκευθεί μόνιμα πληροφορίες ενώ η συγκεκριμένη μνήμη επικοινωνεί απευθείας με το πρόγραμμα ελέγχου. Η μνήμη PROM περιέχει σε μορφή αλγοριθμικού προγράμματος όλα τα κατασκευαστικά στοιχεία λειτουργίας του κινητήρα και υπάρχει δυνατότητα επαναπρογραμματισμού. Επιπλέον υπάρχει και μία ακόμα μνήμη η ΚΑΜ η οποία αποτελεί ουσιαστικά παραλλαγή της RAM και σε αυτή η CPU μπορεί να διαβάσει και να αποθηκεύσει νέα δεδομένα λειτουργίας.

Η ηλεκτρονική στην υπηρεσία του κινητήρα

Η ανάγκη για μειωμένη κατανάλωση καυσίμου και η αυστηρή νομοθεσία περί των εκπομπών ρύπων επέβαλλε κατά κάποιο τρόπο την εφαρμογή της ηλεκτρονικής η οποία χαρακτηρίζεται από δύο βασικά στοιχεία: ακρίβεια και ταχύτητα. Η συλλογή όλων αυτών των πληροφοριών η ECU της χρειάζεται προκειμένου να ρυθμίσει με απόλυτη ακρίβεια την λειτουργία των συστημάτων ψεκασμού και ανάφλεξης. Όταν η ECU δίνει εντολή στο σύστημα ψεκασμού στην πράξη ορίζει την στιγμή που θα ενεργοποιηθεί η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα του εγχυτήρα (μπεκ) και την διάρκεια που θα μείνει ανοιχτή ρυθμίζοντας έτσι την ποσότητα του μίγματος στον θάλαμο καύσης. Όσον αφορά στο σύστημα ανάφλεξης η ECU ρυθμίζει την στιγμή της ανάφλεξης του σπινθηριστή (μπουζί) καθώς και την προπορεία ανάφλεξης (αβάνς). Για να κατανοήσουμε καλύτερα όλα τα παραπάνω ας πάρουμε ένα παράδειγμα. Σε έναν τετρακύλινδρο τετράχρονο κινητήρα, σε κάθε πλήρη περιστροφή του στροφαλοφόρου του άξονα εκτελούνται δύο ψεκασμοί με ακρίβεια χιλιοστών του δευτερολέπτου. Για παράδειγμα, στο αυτοκίνητο μας την στιγμή που ο δείκτης του στροφόμετρου βρίσκεται στις 6.000 σ.α.λ. τότε στους κυλίνδρους του κινητήρα πραγματοποιούνται 12.000 ψεκασμοί το λεπτό, δηλαδή 200  το δευτερόλεπτο! Παράλληλα, η ECU λαμβάνει υπόψη της και της πληροφορίες που δίνει ο καταλύτης ρυθμίζοντας έτσι την αναλογία του στοιχειομετρική αναλογία (αέρας-καύσιμο) ανάλογα ώστε οι εκπομπές ρύπων να μην ξεπερνούν τις προδιαγραφές που ολοένα και γίνονται αυστηρότερες. Στα ξεπερασμένα συστήματα με καρμπυρατέρ που δεν υπήρχε ηλεκτρονικός εγκέφαλος για να διεκπεραιωθεί ομαλά η καύση του μίγματος δίνονταν μεγάλη προπορεία ανάφλεξης ενώ η αναλογία του μίγματος ήταν πλουσιότερη από ότι θα έπρεπε επιβαρύνοντας τον τομέα της κατανάλωσης αλλά και την μόλυνση του περιβάλλοντος. Επιπλέον, η ECU επικοινωνεί και με τις υπόλοιπες μονάδες όπως για παράδειγμα αυτή του traction control που στην ουσία είναι παρόμοια με αυτή του ESP και χρησιμοποιούν τους αισθητήρες του ABS. Όταν το σύστημα αντιληφθεί σπινάρισμα των κινητήριων τροχών τότε η εν λόγω κατάσταση μεταφέρεται στην ECU και αυτή ανάλογα επεμβαίνει στην ισχύ του κινητήρα μειώνοντας την ροπή του. Ένας άλλος αισθητήρας ελέγχει την κατάσταση της μπαταρίας. Αν αυτή είναι μειωμένη ενημερώνει την ECU και τότε αυτή ανεβάζει τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα προκειμένου το δυναμό να την φορτίσει.

Safe mode (κατάσταση ασφαλείας)
Αν κάποιος κάποιος αισθητήρας εμφανίσει βλάβη, στο software του BIOS υπάρχει ένα βοηθητικό πρόγραμμα ανάγκης που ανιχνεύει την δυσλειτουργία κάποιου βασικού σένσορα και θέτει τον κινητήρα σε λειτουργία «safe mode». Σε ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας -τις περισσότερες φορές μέχρι τις 3.500σ.α.λ.- το αυτοκίνητο μπορεί να φτάσει μέχρι το πλησιέστερο συνεργείο. Αν η βλάβη δεν επιτρέπει την κατάσταση safe mode το αυτοκίνητο ακινητοποιείται και το κόστος αντικατάστασης του εγκεφάλου ξεκινά από περίπου 1.000 ευρώ ενώ σε πολυτελή μοντέλα συνήθως ξεπερνά τα 3.000 ευρώ. Προσοχή, λοιπόν στις πολυετής εγγυήσεις των εταιριών που παρέχουν για μηχανικά μέρη γιατί όταν βρεθείτε σε ανάλογη δυσάρεστη περίπτωση μπορεί να διαπιστώσετε ότι η ECU δεν περιλαμβάνεται στην εγγύηση. Οι περισσότερες αυτοκινητοβιομηχανίες προμηθεύονται εγκεφάλους από την Bosch, την Siemens, την Magneti Marelli, την Denso και την Delphi.

Ο τρόπος λειτουργίας της ECU

Οι εντολές του εγκέφαλου διαμορφώνονται βάση περίπλοκου αλγοριθμικού προγράμματος εξαιτίας των πολλών παραμέτρων δεδομένων. Το software θα πρέπει ταυτόχρονα να ικανοποιήσει διάφορες απαιτήσεις όπως οι εκπομπές ρύπων και η  μειωμένη κατανάλωση ενώ ταυτόχρονα θα πρέπει να προστατεύει τον κινητήρα σε περίπτωση δυσλειτουργίας. Ο αλγόριθμος της βασίζεται σε μια αλληλουχία ορίζουσων πινάκων οι οποίοι καθορίζουν το μήκος κύματος, το οποίο στην πραγματικότητα είναι τα δεδομένα τα οποία η ECU επεξεργάζεται. Οι πίνακες αυτοί αντιστοιχούν σε διαφορετικές παραμέτρους οι οποίες αντιστοιχούν σε τιμές. Ας επιχειρήσουμε να αναλύσουμε στην απλούστερη μορφή του ένα υποθετικό πίνακα ο οποίος στο σύστημα ψεκασμού λαμβάνοντας υπόψη τρεις από τους δεκάδες παραμέτρους που μπορούν να επηρεάσουν την όλη κατάσταση. Ας υποθέσουμε ότι ο κινητήρας μας λειτουργεί στις 2.000σ.α.λ. με φορτίο σε επίπεδο 4. Αν διασταυρώσουμε αυτά τα νούμερα τότε διαπιστώνουμε ότι οι τιμές αυτές αντιστοιχούν σε 8 milliseconds το οποίο είναι το θεωρητικό μήκος κύματος.

 Στην μνήμη του εγκέφαλου είναι καταχωρημένες διάφορες εξισώσεις όπως αυτή που συνδέει τα παραπάνω στοιχεία και μας δίνει το πραγματικό μήκος κύματος (το διάστημα δηλαδή που θα μείνει ανοιχτό το μπεκ) το οποίο ισούται με το θεωρητικό μήκος κύματος επί τους παράγοντες Α και Β. Με λίγα λόγια ισχύει ότι: Πραγματικό μήκος κύματος = Θεωρητικό μήκος κύματος (σ.α.λ., φορτίο) x (A) x (B). “Άρα: 8 x 0,8 x 1,0 = 6,4 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Προς αποφυγήν οποιασδήποτε παρεξηγήσεως το εν λόγω παράδειγμα διαμορφώθηκε κατάλληλα ώστε να γίνει κατανοητός ο τρόπος σκέψης της ECU. Στην πράξη τα πράγματα είναι πολύ δυσκολότερα όταν διασταυρώνονται σε κλάσματα του δευτερολέπτου περισσότερες από 100 τέτοιες παραμέτρους με χιλιάδες πληροφορίες να φτάνουν κάθε λεπτό.



Τσιπάκια… ντοπαρίσματος ή αύξησης ιπποδύναμης

Ουσιαστικά τα «τσιπάκια» βελτίωσης του κινητήρα δεν είναι παρά μνήμες PROM και στις περισσότερες των περιπτώσεων διατίθενται στην αγορά ως aftermarket προϊόντα. Η προσθήκη ή η αντικατάσταση με ένα τέτοιο τσιπ αλλάζει τον προγραμματισμό του εγκέφαλου και κατ΄ επέκταση την χαρτογράφηση του κινητήρα (συστήματα ψεκασμού και ανάφλεξης). Ωστόσο, η εν λόγω επεμβάσεις σε μη εξουσιοδοτημένα συνεργεία αλλοιώνουν την εγγύηση που δίνει ο κατασκευαστής για τα μηχανικά μέρη του αυτοκινήτου. Τι κάνει όμως αυτό το τσιπάκι; Στην μνήμη του υπάρχουν διαφορετικοί αλγοριθμικοί πίνακες από αυτούς του κατασκευαστή αλλάζοντας τον τρόπο σκέψης του εγκεφάλου ο οποίος πλέον περνά σε δεύτερη μοίρα τον έλεγχο των ρύπων δίνοντας προτεραιότητα στην αύξηση της απόδοσης του κινητήρα. Τι διαφορά έχουν τα τσιπάκια του κατασκευαστή με αυτά που κυκλοφορούν ως aftermarket; Τα πρώτα μπορεί να κοστίζουν κάτι παραπάνω είναι όμως περισσότερο αξιόπιστα και ευαισθητοποιημένα στον τομέα της κατανάλωσης.

(πηγή automotosecrets.pblogs.gr)