Došao je trenutak za sve ljubitelje elektronike, ili možda zadrte protivnike mehaničkog načina upravljanja pojedinim sustavima vozila. Novo poglavlje Škole upoznat će nas s prvim dijelom priče o nadzornim računalima, onima koja kontroliraju rad motora današnjih automobila

U novom poglavlju, ili aktualnom satu Škole, došlo je vrijeme da se iz svijeta teških komada metala preselimo u svijet mikroskopskih poluvodičkih elemenata. Naši su se nastavnici, stoga, potrudili sastaviti jednostavan i svakome razumljiv prikaz rada automobilske elektronike. U ovom će poglavlju biti riječi prvenstveno o nadzornim elektroničkim jedinicama koje kontroliraju rad automobilskog motora, dok ćemo kasnije spomenuti i poneki drugi kompjuter skriven ispod karoserije našeg limenog ljubimca.

Kakva sve računala sa sobom svakodnevno vozimo?

Za početak, bitno je spomenuti kako je elektronička nadzorna jedinica koja upravlja radom automobilskog motora tek jedno od niza računala što ih zatječemo u današnjim automobilima. Pored nje, uobičajeni su i moduli za nadzor nad sustavom zračnih jastuka, tzv. Body Control računala brinu se za središnje zaključavanje, elektropodizače prozora i sl, tu je i računalo koje nadzire rad (električnog) servoojačivača upravljača, za kočnički sustav (ABS, ESP i ostalo) brine se posebno računalo, automatski i poluautomatski mjenjači imaju svoj zasebni kompjuter za upravljanje pojedinim funkcijama, tu je i upravljačka jedinica tempomata, a ne treba zaboraviti niti naoko "nevažne" računalne nadzorne jedinice koje se brinu za upravljanje elektropokretačima sjedala, klima-uređajem, telefonom, audio-sustavom itd.

Mnoga od navedenih računala međusobno su povezana, poput npr. nadzorne jedinice tempomata (uređaja za održavanje stalne brzine vozila) i nadzorne upravljačke jedinice motora jer tempomat određuje koliko ćemo se brzo kretati, a to pak, izravno utječe na upravljanje motorom (količina ubrizganog goriva i sl.). U svakom slučaju, svaki puta kada okrenete ključ za pokretanje motora (ili pritisnete prekidač), već i u prosječnom automobilu oživjet će nekoliko desetaka zasebnih računala. Odlučite li, npr. izdvojiti nešto više od 700.000 Eura za dolazeći Porsche 918 Spyder, pod karoserijom ćete svakodnevno "voditi u šetnju" čak 55 posebnih kontrolnih modula ili nadzornih računala.

Recimo i to da su neka nadzorna računala katkada povezana, tj. nalaze se u istom kučištu (to bi, npr, bilo logično za upravljačku jedinicu tempomata i motora). No, sada bi smo previše zakomplicirali ovu temu da krenemo u raspravu koliko nadzornih jedinica radi samostalno, a koliko ih je integrirano s nekim drugim sustavima. Uostalom, to se i razlikuje od proizvođača do proizvođača. Načelno, možemo reći da jedna matična ploča - predstavlja jedno nadzorno računalo (pa sada vi rastavite automobil i prebrojite sve Motherboarde :-) i pri tome potamanite sve insekte koji su se tamo zavukli, poput ovog s naše otvorne slike, koji se udobno smjestio na jednom mikromehaničkom senzoru čija je struktura vidljiva tek pod mikroskopom).

Elektronička nadzorna jedinica motora, ECU, ECM, Centralina ili kako vam već drago...

Elektronički upravljački modul (ECU - Electronic Control Unit ili ECM - Electronic Control Module) u stvari je bezlična metalna ili plastična kutija s čije se vanjske strane nalazi niz nekakvih električnih konektora i nastavci za montiranje same kutije u automobil, dok joj je unutrašnjost ispunjena kojekakvim čipovima, tiskanim pločicama i drugim elektroničkim divotama. Unutrašnjost ECU-a u stvari izgleda poput malog računala, što on zapravo i jest. Ipak, radi se o poprilično primitivnim uređajima čije su performanse još kilometrima daleko od npr. onih računala na kojem trenutno čitate novi nastavak Škole.

Usporedbe radi, recimo tek kako današnja elektronička nadzorna jedinica automobilskog motora (ECU) može imati 32-bitni 40-MHz procesor. To se, naizgled, doima gotovo smiješnim spram prosječnog PC-ja ili prijenosnika, no potrebno je uzeti u obzir kako automobilski ECU "ima posla" sa specijaliziranim i kudikamo učinkovitijim kodom (softverom). Tako kod prosječnog automobilskog ECU-a zauzima manje od 1 MB memorije, dok se u memoriji računala na kojem naša profesorica trenutno piše ovaj tekst, nalazi nekoliko GB programskog koda svih mogućih vrsta.

Osnova rada ECU-a temelji se na obrađivanju ulaznih parametara koji dolaze s određenih dijelova motora te slanju podataka nekim drugim komponentama istog, a ovisno o trenutnom zahtjevu vozača (pritisak na papučicu gasa, stupanj prijenosa...). Najveći dio posla što ga ECU obavlja jest kontrola trenutka paljenja i količine goriva koje se isporučuje motoru, nadzor nad radom motora u praznom hodu, upravljanje VVT sustavima (sustavi promjenjivog rada bregastih vratila) i sl.

Značajniji ulazni parametri

Do podataka potrebnih za "razmišljanje" naš Elektronički kontrolni modul (ECU) dolazi uz pomoć niza senzora. Prisjetimo li se nastavka Škole u kojem je bilo opisano koljenasto vratilo, znat ćemo kako je na jednom njegovom kraju bio pričvršćen nekakav kotač koji podsjeća na zupčanik. O čemu se radi? Optički, ili magnetski, senzor postavljen uz taj kotač šalje ECU-u signal svaki puta kad ispred njega projuri oznaka pričvršćena na tom kotaču. Ona je najčešće izvedena u vidu utora, rupice ili zupca na njegovom obodu. Kako se koljenasto vratilo okreće, ta oznaka prolazi ispred senzora koji trenutno o tome obavještava ECU. U ECU-u se potom mjeri vrijeme koje je proteklo između dva prolaza oznake i na taj se način izračunava brzina okretanja koljenastog vratila (broj okretaja motora u minuti - o/min).

Brzina rada motora je, kao što smo već svojedobno naučili, osnovni parametar za proračunavanje trenutka paljenja. Ovako obrađen podatak, ECU šalje sustavu za paljenje koji potom točno zna kada treba dati struju svjećici. U teoriji, naš bi kotač na radilici mogao imati tek jedan zubac, dok se u praksi pokazalo dovoljnim postavljanje tek 2 takve oznake. Ipak, to vrijedi samo kod motora koji se vrte velikom brzinom i gdje su promjene broja o/min relativno male (tipično je za motore motocikala da nerijetko koriste samo dva očitanja po jednom okretu koljenastog vratila, no to su pogonski strojevi koji se vrte brzinama višim od 10.000 o/min).

Problem se, kod automobilskih motora, javlja prvenstveno pri pokretanju. Kada okrenete ključ u kontakt-bravi motor se zavrti s nekih 250 o/min, no taj broj skače na 800 ili više u trenutku paljenja prvog cilindra. Stoga je u praksi potrebno postaviti daleko više oznaka na taj kotač koji onda doista nalikuje nekakvom zupčaniku. Tako, npr. neki opelovi motori iz serije ECOTEC koriste 58 zubaca, dok se na nekim drugim, ovoga puta fordovim pogonskim strojevima sličnih karakteristika nalazi njih 36. U ova dva slučaja rezultat je taj da ECU dobiva update brzine okretanja motora 58 odnosno 36 puta za jedan okret (360°) koljenastog vratila, što je sasvim dovoljno. Ovdje treba još napomenuti kako ćete, gledajući ove zupčanike, primijetiti da neki zupci nedostaju (kod Opela 2, a kod Forda 1). To je postavljeno kao referentna točka kako bi ECU "znao" točno u kojem se položaju u nekom trenutku nalazi koljenasto vratilo.

Drugi značajni ulazni parametar Elektroničkog nadzornog računala (ili "modula") je položaj leptira na usisnom sustavu. Kako je položaj leptira izravno vezan uz to koliko je pritisnuta papučica akceleratora (gasa), o njemu ovisi koliko će ECU goriva "odobriti" motoru. I tu je, na leptiru, smješten jedan senzor koji svoje podatke šalje u ECU odakle oni, obrađeni, idu k sustavu za ubrizgavanje. Ovaj, pak, prema dobivenim parametrima određuje koliko će trajati puls ubrizgavanja, tj. koliko će vremena mlaznice biti otvorene (sjetite se priče o ubrizgavanju goriva).

Treći ulazni parametar ilustriran na našoj shemi je podatak koji dolazi s lambda sonde. O ovom će senzoru (lambda je senzor koji mjeri postotak kisika u ispušnim plinovima) biti više riječi u jednom od budućih nastavaka Škole, u kojem ćemo opisivati ispušni sustav. No, recimo tek da je i taj podatak od presudne važnosti za točan proračun koji se radi u ECU-u, s ciljem održavanja pravilnog rada motora, tj. podešavanja pravilnog omjera goriva i zraka u smjesi.

Iz do sada izrečenog, vidljivo je kako se struktura elektroničkog upravljanja motorom (eng. Engine Management) sastoji iz tri osnovne grupacije, a t o su: senzori ulaznih parametara, sam elektronički kontrolni modul (ECU) te sustavi koji upravljaju motorom, a koji informacije potrebne za pravilan rad dobivaju od ECU-a. Dakako, tu je i napajanje svih komponenti električnom energijom.

U kučištu ECU-a

Zavirimo li malo u unutrašnjost elektroničke nadzorne jedinice automobilskg motora vidjeti ćemo tri osnovna dijela. To su CPU, ROM i RAM. Vjerujemo da nikome nije posebno potrebno objašnjavati što ove, u svijetu računala uvriježene, skraćenice znače, no... CPU (Central Processing Unit) je glavni procesor koji preračunava dobivene ulazne parametre pomoću programa koji se nalazi u njemu.

ROM (Read Only Memory) je memorija sastavljena od jednog ili više čipova u kojoj se nalaze podaci prema kojima CPU usklađuje proračun podataka. Drugim riječima, ROM je poput neke vrste knjige u kojoj će liječnik naći opis bolesti tipične za neke simptome (ulazni parametri), a u njoj će naći i preporučeni lijek za istu. Značajno je da CPU ne može mijenjati parametre zapisane u ROM memoriji. Stoga neki ECU-i imaju ugrađen izmjenjivi čip nazvan PROM (Programmable Read Only Memory) u kojem također nije moguće mijenjati podatke, ali ga se može zamijeniti čipom s pohranjenim drukčijim podacima. Tako možemo utjecati na "odluke" koje donosi CPU, a time i na rad motora.

Treća izvedba ove memorije zove se EEPROM (Electrically Erasable PROM) i predstavlja memorijski čip koji možemo priključiti na računalo te tako mijenjati unesene parametre ("mapu" paljenja i ubrizgavanja i sl.). RAM (Random Access Memory) je memorijski čip koji je aktivan samo dok je motor uključen. Drugim riječima, njegovi se podaci počinju upisivati paljenjem motora, a brišu se gašenjem. RAM čipovi služe kako bi CPU u njih mogao upisati podatke dobivene od senzora s ulaza, trenutne kalkulacije i slične informacije koje se stalno mijenjaju. CPU u radu stalno pristupa RAM memoriji, briše stare i unosi nove podatke.

Posljednji memorijski čip koji treba opisati je KAM (Keep Alive Memory) i jedna je vrsta RAM-a. U ovaj čip CPU također može unositi podatke, brisati ih i zamjenjivati novima, a poseban je prema tome što "pamti" upisano dok god je priključen na izvor napona. KAM memorije služe prvenstveno za pohranu "kodova poteškoća u radu motora" (Trouble ili Failure Codes), a to su informacije koje je (u servisu) moguće očitati pomoći kontrolnog računala i tako doznati kakav su problem u radu motora zabilježili senzori. Dakako, KAM memorija se briše isključivanjem napona, tj. odspajanjem akumulatora.

Želim znati više!

Recimo i to da su automobilu u pravilu opremljeni OBD (danas OBD II) priključkom. Taj konektor (OBD - On-board diagnostics) služi za priključivanje dijagnostičkih uređaja u servisnim radionicama, putem kojih se provjeravaju greške pohranjene u KAM memoriji. A, ako vas baš zanima koliko je "zdrav" motor automobila u kojem sjedite, uvijek se možete poigrati i nekom od OBD aplikacija za pametne telefone i tablete koje se, najčešće, priključuju na OBD II konektor putem Bluetooth veze.

Ove su aplikacije u stanju prikazati prijavljene kodove grešaka (što koji kod nekog proizvođača znači, lako ćete detektirati putem popisa Trouble kodova dostupnih na Internetu), podatke s raznoraznih senzora (temperatura i pritisak ulja, temp. rashladne tekućine, brzina vrtnje turbopunjača, pritisak turbopunjača itd.) ili rezultate izračuna ECU-a (ili nekog od povezanih računala) poput trenutne ili prosječne potrošnje goriva. Dakako, vjerojatno vam ne moramo napominjati da ćete ovakve "igre" izvoditi na vlastitu odgovornost jer, ako "spalite" integrirani krug neke nadzorne jedinice vašeg automobila, mi za to nećemo biti krivi! :-)