[Home| Kontakty| Služby TK| Galerie| Články a letáky| Technika| Download| Katalog| Odkazy]

Elektronické vyhodnocení charakteristik motoru

   Z potřeby realizovat složité průběhy předstihových charakteristik vyplývá nutnost co nejpřesnějšího určení hodnot vstupních veličin, zejména polohy klikové hřídele, otáček a zatížení motoru. Ke snímání hodnot těchto veličin je používáno snímačů, umísťovaných většinou u klikové a někdy i u vačkové hřídele.

   Jsou-li snímače umístěny v rozdělovači vn, nebo je-li snímání prováděno u vačkové hřídele, lze použít pouze těch snímačů, které zajišťují dostatečnou přesnost měření, např. Hallův, optoelektronický nebo jednozubový induktivní.

Snímače otáček a polohy klikové hřídele

umísťované u jejího setrvačníku, jsou nejčastěji indukčního typu. Jejich indukčnost je navinuta kolem tyčinkového jádra z měkké oceli, které je pólovým nástavcem permanentního magnetu. Magnetický obvod se uzavírá přes těleso klikové skříně a ozubení věnce setrvačníku, nebo u novějších typů motorů častěji přes nástavce ve tvaru kotouče s ozubením, případně s jinou formou mezer. Při otáčení klikové hřídele se proti magnetu střídají zuby s mezerami a tím se mění magnetický tok. Následkem jeho změn se ve vinutí indukčnosti indukuje střídavé napětí.

   Aby se mohla snímat jedním snímačem jak poloha klikové hřídele odpovídající např. horní úvrati 1. válce, tak otáčky motoru, musí být na věnci odpovídající referenční značka. Může to být mezera mezi zuby ozubení.

Písty všech válců jsou přes ojnici spojeny s klikovou hřídelí, takže jeden snímač na této hřídeli udává informaci o poloze pístů ve všech válcích. Otáčky motoru jsou pak odvozovány z otáčení klikové hřídele.

   Protože se amplituda signálu snímače mění s otáčkami motoru, je signál s velmi rozdílnou amplitudou v řídící jednotce zpracováván na pravoúhlé napětí s konstantní velikostí. Když je odstup hran pravoúhlého signálu více než dvakrát větší než předchozí a následný je rozpoznána zubová mezera, která je definována jako přesná poloha HÚ prvního válce. S tímto okamžikem synchronizuje řídící elektronika polohu klikové hřídele. S každou následující kladnou nebo zápornou (náběžnou nebo závěrnou) hranou pravoúhlého signálu počítá řídící jednotka s natočením o další úhel, jehož velikost je závislá na počtu zubů ozubeného kotouče. Např. u systému Motronic fy Bosch, který má 60 zubů, je to úhel 3 stupně. Čas měřený mezi dvěma hranami signálu se obvykle dále rozdělí v řídící jednotce, čímž se přesnost odečtu zvyšuje.

   U čtyřdobého motoru jsou válce vzájemně přesazeny tak, že pracovní cyklus 1. válce se obnoví vždy po dvou otáčkách klikové hřídele (720 stupňů). Z tohoto přesazení vyplývá střední odstup zapalování mezi jednotlivými válci a z něj vypočteny okamžiky zážehů.

   U starších typů zapalovacích soustav je používáno dvou snímačů u klikové hřídele. Jak vyplývá z obr. bývá jeden ze snímačů umístěn proti zubům věnce setrvačníku, druhý pak tak, aby kolem něj procházela referenční značka tvořená např. kolíkem vsazeným do setrvačníku. Existují i jiné varianty, jako otvor vyvrtaný do tělesa setrvačníku nebo přídavný kotouč značky na řemenici klikové hřídele apod.

   Funkce tohoto provedení je v podstatě stejná jako u předchozího. Snímač referenční značky poskytuje informaci o poloze klikové hřídele v horní úvrati jednoho nebo i více válců a snímač proti ozubení informuje o natočení hřídele proti referenčnímu bodu.

   Informace ze snímače nebo snímačů u klikové hřídele je využíváno především pro tvarování předstihových charakteristik, u novějších soustav i pro řízení plnění zapalovací cívky v závislosti na otáčkách motoru.

   Pohybuje-li se píst ve válci směrem k horní úvrati nelze ze snímačů u klikové hřídele získat informaci, zda se nachází ve fázi komprese nebo výfuku. Informace tohoto druhu se získá pouze z vačkové hřídele, která ovládá polohy sacích a výfukových ventilů. Pokud je zapalovací souprava vybavena mechanickým rozdělovačem vysokého napětí, pak řídící jednotka informaci o poloze vačkové hřídele k zapálení nepotřebuje. Palec rozdělovače vždy směřuje ke správnému válci. Nové typy zapalování pracují většinou s bezrozdělovačovým rozdělením vysokého napětí. Některé z těchto typů potřebují přídavnou informaci, podle které musí řídící jednotka rozhodnout, ke které zapalovací svíčce přivést vysoké napětí, aby se zažehla stlačená směs. Takovou informaci poskytují snímače polohy vačkové hřídele.

   Tento problém řeší mnozí výrobci automobilů různými způsoby. V Evropě je nejrozšířenější použití jednoho snímače u klikové hřídele a jednoho u vačkové. Nejčastějšími jsou dvě rozdílné kombinace. U obou je obvykle u klikové hřídele použito snímačů obdobného typu, jaký byl výše popsán. U německých, francouzkých a britských vozů (systémy Bosch Motronic. Fénix fy Allied Electronics a systémy fy Lucas) je proti snímači disk s větším počtem zubů a s referenční značkou např. ve formě mezizubové mezery. Jako snímače polohy vačkové hřídele je použito Hallova prvku s clonkou s jediným výřezem (obdobné provedení jaké bylo popsáno u rozdělovačů). Během otáčení clonky se přerušováním magnetického pole vytváří značka (pouze jedna za každou otáčku vačkové hřídele), která má časově souhlasit s referenční značkou z disku u klikové hřídele. Přitom má být píst 1. válce u horní úvrati v kompresním zdvihu. Ostatní výpočet probíhá obdobně jako u jednoho snímače u klikové hřídele.

   Druhý typ této kombinace je používán u vozů italských výrobců a u některých vozů Ford. Značky proti snímači u klikové hřídele jsou provedeny na řemenici této hřídele a to čtyři s rozmístěním po 90 stupních. Signál, který vzniká ve snímači při průchodu zubu v jeho blízkosti poskytuje svým kmitočtem informaci o otáčkách klikové hřídele motoru. Společně se signálem snímače na vačkové hřídeli, nazývaným snímačem fáze, pak vytvářejí informaci o horní úvrati pístu prvního válce. Snímač u vačkové hřídele je tvořen indukčností navinutou na permanentním magnetu, proti kterému se na hřídelce snímače, spojené s vačkovou hřídelí, otáčejí dva nesouměrně rozložené zuby rotoru z magneticky vodivého materiálu. Zuby jsou po obvodu úhlově rozmístěny o 90 a 270 stupňů. Při otáčení rotoru se v indukčnosti snímače indukují impulsy, vzájemně posunuté o uvedené úhly obvodu vačkové hřídele. Tyto signály spolu se signály od snímače u klikové hřídele slouží jako informace řídící jednotce o otáčkách motoru a o horní úvrati 1. válce, ale i k určení polohy vačkové hřídele.

   U starších provedení soustavy I.A.W. fy Weber je ve snímači použito dvou indukčností, vzájemně posunutých o 180 stupňů. Tímto provedením jsou menší nároky na elektroniku řídící jednotky, jejíž parametry nebyly v době vzniku zmíněných souprav na potřebné úrovni.

   Japonští výrobci používají většinou dvou snímačů na vačkové hřídeli. Např. Honda používá dvou indukčních snímačů, nazývaných snímačem horní úvrati a snímačem válce. Každý z nich má vlastní rotor. Tyto rotory jsou z magneticky vodivého materiálu a nacházejí se na společné hřídeli. Každý z rotorů má jiný počet výstupků. Rotor má dva protilehlé a druhý pak 24 výstupků, s rozestupem 15 stupňů. Proti každému rotoru je indukčnost s magnetickým jádrem. Při otáčení hřídele s nasazenými rotory se ve vinutí indukují dva, resp. 24 impulsů během jedné otáčky vačkového hřídele.

   Signál ze snímače G odpovídá referenční značce na klikové hřídeli, tedy obvykle horní úvrati 1. válce. Signál ze snímače Ne pak slouží jako informace o úhlu jejího natočení.

   U systémů ECCS fy Nissan je použito optoelektronických snímačů.

   Sestávají z fototranzistorů a světloemitujících diod (LED). Mezi nimi se při otáčení hřídele pohybuje disk s výřezy, který je na hřídeli nasazen. Na disku jsou při okraji výřezy pro snímání úhlu natočení klikové hřídele, blíže středu výřezy pro referenční značky horní úvrati válců.

   Vozy Mazda s přímočarým pohybem pístu mívají snímače s Hallovými prvky. Na společné hřídelce jsou umístěny dvě různé clonky. Každá z nich prochází při otáčení hřídelky mezerou ve svém Hallově prvku. Clonka signálu Ne (novější označení SGT) má po obvodu osm rovnoměrně rozložených, stejně širokých výřezů, clonka signálu G (novější označení SGC) má výřezy čtyři, dva z nich jsou širší, dva užší. Za každým širším výřezem následuje užší. Mezery mezi širším a užším jsou poněkud kratší, než mezi užším a následujícím širším výřezem. Určení signálů je obdobné, jako bylo výše popsáno.

   Mimo uvedené případy existují i další možnosti. Poměrně rozšířené je použití snímačů s Hallovým prvkem i u klikové hřídele, místo indukčního typu. Mimo vozy Škoda je to např. počítačem řízená zapalovací souprava CCC fy General Motors, která používá bezrozdělovačového rozdělení vn. Snímač u klikové hřídele používá přerušovacího prstence upevněného na řemenici této hřídele. Signály ze snímače informují řídící jednotku o horní úvrati pístů každého z válců motoru a jsou používány pro opravu časování zážehu a řízení předstihu. Snímač u vačkové hřídele je montován místo rozdělovače.

   U některých novějších vozidel jsou oba snímače, tj. pro klikovou a vačkovou hřídel, spojeny do jednoho dílu a montovány u přední strany klikové hřídele.

   Zajímavé řešení snímače otáček a polohy klikové hřídele je u soustavy Trionic fy SAAB. Je použito jediného snímače u klikové hřídele. Je to snímač s Hallovým prvkem, clonka snímače má tři vybrání. Dvě z nich jsou stejně velké, třetí je poněkud menší. Obě větší vybrání ukazují, kdy se písty jedné dvojice válců (čtyřválcového motoru) nacházejí v horní úvrati. Menší vybrání pak informuje o kterou dvojici jde.

   Snímače umístěné u klikové hřídele mívají nejčastěji pevně určenou polohu. V případě potřeby se nastavuje pouze mezera mezi jejich jádrem a zuby setrvačníku nebo řemenice klikové hřídele, či zvláštního disku upevněného na této hřídeli.

   Snímače spojené s vačkovou hřídelí vyžadují obvykle seřízení jak orientace rotoru, tak polohy statoru, na kterém je snímací člen uložen.

Zatížení motoru

je nejčastěji vyhodnocováno podle podtlaku v sacím potrubí. Snímače, které převádějí tuto neelektrickou veličinu na elektrický signál lze rozdělit do dvou skupin. První z nich jsou polovodičové snímače, využívající piezorezistivního jevu. Na obr. 30 je jedna z možných konstrukcí. V pouzdře snímače je uložen křemíkový krystal, na jehož povrchu je vytvořen odporový můstek. Vlivem deformací způsobených tlakem přiváděným ke krystalu potrubím se mění proud protékající můstkem. Proud se zesílí a zavede se teplotní kompenzace.

   Druhou skupinu tvoří snímače, jejichž princip je zřejmý z obr. V podstatě jde o membránu, která je uložena v uzavřené komoře, do níž se přivádí tlak obdobně jako u předchozího typu snímačů. Působením tlaku se membrána deformuje a zasouvá nebo vysouvá jádro indukčnosti, které je s ní mechanicky spojeno. Indukčnost je součástí oscilačního obvodu a její změny vlivem různé hloubky zasunutí jádra se projeví změnou kmitočtu generovaného obvodem. Výstupní signál snímače tedy bude střídavé napětí, jehož kmitočet se mění podle velikosti tlaku působícího na membránu.

   Do této skupiny lze zařadit i snímače s Hallovým prvkem. U nich je na membráně upevněn magnet a jeho magnetické pole, působící na Hallův prvek se mění vychýlením membrány, která magnetem posouvá. V důsledku změn magnetického pole se mění napětí odebírané z Hallova prvku, které je tak přímo úměrné podtlaku v sacím potrubí.

   Snímače podtlaku jsou většinou uloženy v elektronické jednotce a s vývodem podtlaku ze sacího potrubí (nebo karburátoru) jsou spojovány pryžovou nebo umělohmotnou hadičkou.

   Další veličinou ovlivňující okamžik zážehu je teplota motoru. Je měřena teplotně závislým odporem, který je vsazen do chladící kapaliny a sdílí její teplotu. Odpor má záporný teplotní součinitel, což znamená, že jeho hodnota se s rostoucí teplotou zmenšuje. Je součástí napěťového děliče, jehož výstupní napětí je pak úměrné teplotě chladící kapaliny. Toto napětí je vhodným způsobem linearizováno, aby se kompenzovala nelineární závislost odporového snímače. Odporové tělísko bývá uloženo ve vhodném pouzdře, kterým je chráněno proti vlivům prostředí. Jedno z mnohých provedení je např. výrobek fy Bosch.

   Kromě uvedených snímačů otáček a polohy klikové či vačkové hřídele, zatížení a teploty motoru, používají některé typy zapalování i spínače škrtící klapky. Tento spínač předává elektronické jednotce signál o polohách škrtící klapky odpovídající volnoběhu a plnému zatížení. Spínač bývá upevněn na sacím potrubí v místě škrtící klapky a je ovládán její hřídelkou. Kulisa spínače se při natáčení škrtící klapky pohybuje kolem jeho kontaktů. V koncových polohách volnoběhu nebo plného zatížení je sepnut vždy jeden z těchto kontaktů. Informace ze spínače je používáno k řízení předstihu v těchto režimech chodu motoru. Jedno z možných provedení (výrobek fy Bosch) je na obr.

   U novějších zapalování je používáno řízení úhlu sepnutí, tj. doby plnění zapalovací cívky. K tomu účelu je do řídící jednotky přiváděna informace o velikosti napětí baterie, což je jeden z parametrů podle kterého se řídí okamžik zapnutí primárního proudu cívky. Podle signálů ze snímačů se nastavuje úhel předstihu zážehu podle průběhu předstihové charakteristiky, která je pro příslušný motor naprogramována v řídící jednotce. Její odezva je závislá na zapojení tvarovacích obvodů a hodnotách jejich součástí. Vhodnou volbou se dosáhne požadovaného průběhu charakteristik předstihu a to dvěma způsoby.

   První z nich realizuje funkční vztah mezi předstihem a parametry motoru (otáčkami, pod tlakem a teplotou). Přitom se předpokládá vyjádření jako součet funkcí , z nichž každá je závislá na jednom parametru, tj.

(14)

   Druhý způsob, který postihuje průběh shoření směsi realističtěji, předpokládá, že hodnota předstihu je dána jednou funkcí více proměnných

(15)

   Podle rovnice(14) mohou být použity obvody s analogovým (lineárním) zpracováním signálů ze snímačů. Požadovaného průběhu se dosáhne změnami hodnot součástí obvodu. Z celé řady důvodů se taková řešení nerozšířila. Mnohem výhodnější je číslicové zpracování signálů. Funkci je možno realizovat odečítáním počtu impulsů od časového okamžiku daného např. určitou polohou klikové hřídele, např. 30 stupňů před HÚ 1. válce. Po dosažení stanoveného počtu je generován spouštěcí impuls. Čím jsou otáčky motoru vyšší, tím dříve bude potřebného počtu impulsů dosaženo, takže předstih zážehu se s rostoucími otáčkami zvyšuje.

   Zatížení motoru, tj. funkce , může být realizována posouváním začátku odečítání podle signálu ze snímače podtlaku. Funkci teploty motoru pak změnou celkového počtu N načítaných impulsů, tentokrát podle signálu ze snímače teploty chladící kapaliny. Tím se posouvá průběh otáčkové charakteristiky a výsledný předstih se zvětšuje nebo zmenšuje. Blokové schéma zapalování tohoto typu je na obr. Obdobný systém, nazývaný čítačový, je použit u zapalování Bendix na starších vozech Renault, Volvo a některých dalších značek.

   Je zřejmé, že tímto způsobem lze realizovat průběhy velmi podobné těm, které se dosahují mechanickými regulátory. Mají však proti nim řadu výhod. Nemají hysterezi, což znamená, že průběh je stejný pro zvyšování i snižování otáček. Neuplatňuje se stárnutí a opotřebení materiálu, průběh zadaný v řídící jednotce se tedy s časem nemění a předstih nemusí být pravidelně kontrolován a seřizován. Významné je i to, že zadání průběhu lze jednoduše měnit změnami hodnot součástí nebo zapojení obvodů řídící jednotky.

   Pole charakteristik realizovatelné tímto způsobem odpovídá přibližně pravé části. V levé části tohoto obrázku je pole charakteristik, jaké by tentýž motor skutečně potřeboval. Podobných, a nebo alespoň blízkých tvarů, lze dosáhnout funkcí podle rovnice (15). K uskutečnění takových průběhů musí být použito výhradně číslicového zpracování dat, tj. signálů ze snímačů příslušných parametrů. Zjednodušené blokové schéma takové soustavy je na obr..

   Dvoustavové (digitální) signály ze snímačů jsou přiváděny přímo k počítači, spojité signály (analogové), jsou nejprve převedeny na digitální, buď v A/D převodnících, nebo jinak zpracovány (signály ze snímačů detonačního hoření -- viz dále). Poté jsou přivedeny k počítači, který vypočítá hodnotu předstihu pro konkrétní provozní podmínky motoru. Počítač může být řešen dvěma způsoby. Jeden je tzv. hardwarový, u kterého je ústřední částí počítače polovodičová paměť typu PROM. Proto bývají takové soustavy také nazývány paměťovými. Na jednotlivých paměťových místech jsou uloženy příslušné hodnoty předstihu , obvykle v závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Adresy paměti jsou pak vybírány podle signálů ze snímačů těchto parametrů. Vliv dalších parametrů se pak může vyjádřit korekcí zadaných hodnot předstihu prováděnou buď skokově nebo spojitě.

   Jako příklad pro osvětlení je možno uvést zapalování Digiplex fy Magneti Marelli, používané u vozů Fiat Uno a dalších. V polovodičové paměti řídící jednotky je naprogramováno 512 hodnot předstihu. Otáčky motoru jsou snímány snímačem proti ozubenému věnci setrvačníku na klikové hřídeli. Celý rozsah otáček je rozdělen do 64 kanálů. Šířka 1. až 63. kanálu je 70 ot/min, 64. kanál má rozsah od 5040 ot/min až po maximální.

   Zatížení motoru je snímáno podtlakovým snímačem umístěným v řídící jednotce a připojeným hadičkou k otvoru v sacím potrubí. Podtlak je rozdělen do 8-mi hladin po 10 kPa, takže je naprogramováno 64x8=512 okamžiků zážehu. Každou půlotáčku se vybere podle signálů ze snímačů otáček a podtlaku jedna z 512 naprogramovaných hodnot předstihu. Děj je synchronizován signálem horní úvrati ze snímače umístěného proti řemenici klikové hřídele. K řídící jednotce je možno připojit ještě dva dvoustavové spínače, např. teplý -- studený motor a spínač polohu škrtící klapky. Součástí řídící jednotky je i koncový stupeň zapalování, který pracuje s řízením úhlu sepnutí. Výstup koncového stupně je připojen k zapalovací cívce a od ní k rozdělovači vn.

   Druhý způsob, programové zabezpečení (software) používá počítače řízeného mikroprocesorem. Je to integrovaný obvod jehož funkci lze měnit zadáním vhodného programu. V tomto případě je to postup výpočtu předstihu, tj. funkce (15) s pořadím dle závažnosti vstupních parametrů. Je to součástka více méně univerzální a její funkce není určena výhradně vnějším zapojením jako u technického (hardwarového) řešení, ale je rozhodujícím způsobem závislá na řídícím programu, ve kterém jsou zadány povely pro mikroprocesor. Tento program je zapsán ve vnější součástce -- paměti ROM -- ze které mikroprocesor "čte"; postupně jednotlivé povely, které má vykonat. Program je určován provedením a zamýšlenou funkcí soustavy. Může tedy sloužit pro více obdobných zařízení.

   V druhé vnější paměti, obvykle typu PROM, kterou si může výrobce motoru naprogramovat, nebo přeprogramovat podle typu i s přihlédnutím k výrobním změnám, jsou uloženy hodnoty předstihu v závislosti na jednotlivých proměnných, nejčastěji otáčkách a zatížení motoru. K nim často přistupují opravy podle teploty motoru, polohy škrtící klapky a další. Tyto paměti bývají mnohdy provedeny jako výměnný díl, aby se daly snadno nahradit jinou s odlišným obsahem.

   Skutečné hodnoty v reálných podmínkách jsou snímány příslušnými snímači a přiváděny k mikroprocesoru jako vstupní informace pro výpočet, většinou po předběžných úpravách v obvodech počítače.

   Mimo tyto součásti jsou v mikropočítači další. Patří k nim paměť typu RAM do které mikroprocesor ukládá dílčí výpočty a pak je používá dle instrukcí programu. Dále jsou to obvody vstup/výstup, ve kterých se převádí vstupní a výstupní signály na formu vhodnou pro zpracování a provedení příslušných operací. Protože celá činnost musí být synchronizována, aby regulační proces správně proběhl, je obvyklou součástí počítače i časovač.

   Naznačený proces objasní následující obrázky. Na obr. je uvedeno pole předstihových charakteristik uložených v paměti PROM mikropočítače, závislých na otáčkách a zatížení motoru. Na dalším obr. je zjednodušený funkční postupový diagram programu uloženého v ROM paměti. Ten naznačuje postup výpočtu hodnoty předstihu s využitím pole charakteristik z PROM paměti.

   Program výpočtu vychází z předpokladu, že je zapalování zapnuto. Prvním krokem je zjištění, zda je motor v chodu či nikoliv. Není-li, provádí se start. Pro startování se použije jiné předstihové charakteristiky - , která je funkcí otáček (startovacích) a teploty motoru. Je tedy uložena mimo pole charakteristik z obr., které obsahuje předstihové charakteristiky podle provozních otáček a zatížení motoru. Průběh startovních charakteristik, tj. funkce , je naprogramován na vysoký kroutící moment motoru, bez vzniku zpětných rázů při startu. Startovní optimální předstih je poměrně značně závislý jak na teplotě motoru, tak na jeho startovních otáčkách. Hodnoty při studeném motoru a nízkých otáčkách jsou dosti odlišné od hodnot při teplém startu, zejména u motorů s vyšším kompresním poměrem.

   Druhým krokem programu je zjištění, zda je motor ve volnoběhu. Zdrojem informace je spínač škrtící klapky, sepnutý při její volnoběžné poloze. Je-li sepnut, použije se pro výpočet předstihu nejspodnější křivka 1 pole charakteristik ( ), která slouží současně i pro výpočet předstihu při deceleracích.

   Při jmenovitých volnoběžných otáčkách je předstih nejnižší. Pro otáčky nižší než jmenovité volnoběžné, je předstih zvyšován, což přispívá ke stabilizaci volnoběžného chodu zvyšováním kroutícího momentu motoru. Pro oblast decelerace jsou hodnoty předstihu naprogramovány na nejpříznivější hodnoty emisí.

   Z hodnoty vypočtené otáčkové charakteristiky se provádí korekce podle teploty motoru, což je v obr. vyjádřeno svislicemi nad křivkou 1. Tato korekce je kvůli nejrychlejšímu zahřátí motoru na provozní teplotu.

   Je-li škrtící klapka otevřena a spínač volnoběžné polohy rozepnut, je dalším krokem programu stanovení, zda klapka není otevřena maximálně (plný plyn). Informace se získává z druhého spínače u škrtící klapky, tentokráte pro její maximální otevření. Při něm je spínač sepnut a protože to odpovídá maximálnímu zatížení motoru, provádí se výpočet podle nejhorší křivky 2 pole charakteristik ( ). Zde jsou naprogramovány předstihy pro nejvyšší kroutící moment, s přihlédnutím k mezi klepání. U vypočtené hodnoty předstihu se opět provádí korekce podle teploty motoru. Jak je ale zřejmé z obr. (svislice jsou pod křivkou 2) předstih je korigován negativně, tj. s rostoucí teplotou motoru se zmenšuje. Tím se snižuje nadměrné přehřívání motoru jeho přílišným zatěžováním.

   Není-li škrtící klapka v žádné ze svých krajních poloh, pracuje motor s částečným zatížením a předstih se vypočítá z pole charakteristik v závislosti na otáčkách a zatížení motoru - . U vypočtené hodnoty se opět provádí korekce podle teploty. Průběh korekce může být poněkud jiný, než u předchozích provozních režimů.

   Výsledná vypočtená hodnota předstihu se vztahuje k úhlu natočení klikové hřídele. Její poloha je nepřetržitě snímána příslušným snímačem a jakmile je shodná s polohou vypočtenou mikropočítačem, dojde k zážehu. Ten je vyvolán činností dalších obvodů elektronické části. Ze snímače polohy klikové hřídele přichází tolik značek, kolik zážehů má během jedné otáčky nastat. Počet je roven polovině válců motoru. Každá změna spouští výpočet optimálního předstihu i úhlu natočení hřídele.

   Programový způsob má proti technickému několik výhod. K nejpodstatnějším patří možnost zahrnout do výpočtu i interpolaci mezi body uloženými v paměti pole charakteristik. To umožňuje zvýšit přesnost výpočtu předstihu, zejména v kritických oblastech, kde se průběhy značně rychle mění, většinou různou rychlostí změny a často i s jejím směrem.

   K dalším výhodám patří možnost jednodušších rozšíření o další parametry regulace. U technické (hardwarové) cesty přidání dalších parametrů obvykle znamená změnu zapojení systému a odpovídající zvětšení kapacity pamětí.

   U nových složitých systémů se podle vnějších podmínek mění někdy i program výpočtu parametrů zážehu. Tak např. systém Trionic, používaný u vozů SAAB, vytváří při studeném startu s teplotami motoru pod místo jednotlivých jisker jejich celý trs, a to v rozmezí od před horní úvratí, do za ní. Zapalování má bezrozdělovačové rozdělení vn k jednotlivým válcům (bude později popsáno), takže není-li startovací pokus úspěšný, je taková řada jisker vyslána do všech válců současně, a tak jsou spáleny saze a usazeniny zbytků paliva na elektrodách zapalovacích svíček.

   Při běžném startu je vysoké napětí přiváděno po dobu deseti za sebou následujících zážehů ke dvěma válcům současně. Společně jsou napájeny válce 1 a 4, poté 2 a 3. Po proběhnutí těchto deseti spalování přechází systém k synchronizaci zážehů ve správném pořadí válců motoru. Ovšem za předpokladu, že řídící jednotka obdržela informaci o vyhovujícím spalování ve všech válcích. Tuto informaci poskytuje ionizační proud, protékající přes zapalovací svíčky, je-li na ně po skončení výboje přivedeno nízké elektrické měrné napětí. Při spalování směsi vznikly ve spalovacím prostoru elektricky nabité molekuly -- ionty -- jejichž množství podává informaci o kvalitě spalování. Stupeň ionizace se stanoví podle zmíněného ionizačního proudu, který bude tím větší, čím více iontů vznikne. Doplňující informaci, určující jednotlivé válce, dostává řídící jednotka signálem snímače u klikové hřídele motoru.

Korekce při detonačním hoření

   Detonační hoření vzniká od samozápalů částečných objemů směsi stlačované ve válci. Toto vznícení nepochází od zážehu směsi, ale od nadměrného růstu teploty v místech samovznícení, vlivem stlačování objemu kompresí. K jeho vzniku ale přispívá i vzrůst teploty ve válci vlivem zážehu, avšak samovznícení vznikají v místech, kam se čelo plamene pocházejícího od zážehu ještě nerozšířilo. Vznícení tedy není zážehem řízeno. Vznik samozápalů je usnadňován příliš velkým předstihem, vysokým kompresním poměrem a nízkým oktanovým číslem benzinu.

   Zvyšování předstihu a kompresního poměru vedou, jak známo, k lepší termodynamické účinnosti motoru, což se při stejném výkonu projeví snížením spotřeby. S jejich zvyšováním ale současně roste i sklon k detonačnímu hoření, při kterém může dojít k vážnému poškození motoru. Aby takový stav nenastal, byl u mechanických regulátorů předstihu podle otáček motoru nastavován průběh s dostatečným odstupem od meze klepání. Tím bylo zabezpečeno, aby v důsledku zvětšování různých vůlí mechanické regulace a opotřebení některých dílů motoru nedocházelo s přibývající dobou provozu motoru k detonačnímu hoření.

   Elektronická regulace předstihu, která je v čase neměnná a umožňuje realizovat složité průběhy v závislosti na parametrech motoru, dovoluje realizovat předstih pro maximální kroutící moment v oblasti, kde je pod mezí klepání a v ostatních případech na této mezi. Tak se dosáhne optimální spotřeby bez snížení životnosti motoru, nebo bez nebezpečí jeho poškození.

   Mez klepání není žádná pevná hranice, ale je závislá na různých provozních podmínkách. Zatím není obvyklá možnost, jak zjistit mez bez vzniku klepání. Při regulaci podél meze tedy k ojedinělému klepání dochází. Při správné funkci regulace není klepání slyšitelné a k poškození motoru nedojde. Jako snímače se zpravidla používá piezoelektrického měřiče zrychlení, nejčastěji širokopásmového, u některých výrobců (např. Toyota) ale i rezonančního. Druh snímače je většinou závislý na šířce pásma kmitočtů detonačního hoření konkrétního typu motoru.

   Snímač klepání se umísťuje na vhodném místě motorového bloku tak, aby bylo bezpečně zjištěno klepání v každém válci. Je to většinou na širší straně bloku. U šesti a víceválcových motorů však jeden snímač ke zjištění klepání ve všech válcích obvykle nepostačí. V takových případech se na motoru používá dvou snímačů, které se přepínají podle sledu zážehů ve válcích.

   Signály se snímačů se v řídící jednotce filtrují, aby se odstranilo zvukové spektrum parazitních signálů (např. klepání ventilů) a poté se porovnává výstupní úroveň během otáček klikové hřídele. Překročí-li referenční hodnotu, je to vyhodnoceno jako klepání. U jednodušších systémů se vyhodnocují signály ze všech válců společně, dokonalejší provádějí vyhodnocení signálů každého válce zvlášť.

   Jakmile je klepání zjištěno, provede regulační systém korekci hodnoty předstihu, a to jeho zmenšením o určitou hodnotu. Ta je závislá na použitém způsobu provedení korekce. Na příklad u systémů fy Bosch je používán širokopásmový snímač (obr.), který přeměňuje akustické hlukové signály, které jsou projevem detonačního hoření, na elektrický signál. Ten je přiváděn ke zpracování k řídící jednotce. Zde je nejprve filtrován, aby byl zbaven parazitních složek pocházejících např. od dosedávání ventilů na svá sedla a dalších. Toto odfiltrování se provádí nejprve kmitočtově, pásmovou propustí, za ní signál prochází "bránou", která jej propouští pouze v úzké úhlové oblasti otáčky klikové hřídele, např. mezi deseti a devadesáti stupni za horní úvratí každého válce. Takto "očistěný" signál se integruje a výsledek je porovnáván s referenční úrovní, která je pro každý válec individuální a mění se automaticky, v závislosti na zatížení a otáčkách motoru. Překročí-li signál některého (případně i více, nebo všech) z válců referenční hodnotu, je to vyhodnoceno jako klepání.

   Jakmile je klepání zjištěno, provede regulační systém korekci předstihu jeho zmenšením v následujícím zážehu o malou hodnotu, na příklad klikové hřídele. Jestliže klepání i při dalším zážehu potrvá, je předstih znovu snížen o stejnou hodnotu. To se může opakovat vícekrát až do doby, kdy klepání ustane. Po zmizení klepání regulace chvíli vyčká a poté začne předstih po malých krocích (asi na každých 20 až 100 otáček) zvyšovat až k hodnotě u meze klepání. Vyskytne-li se klepání dříve, proces se znovu opakuje. Uvedený děj je zjednodušeně zakreslen na obr. a to pro čtyřválcový motor, v jehož jednotlivých válcích dochází k různorodému klepání (4. válec je bez něj).

   Systém může být rozšířen o adaptivní regulaci tak, že v paměti počítače jsou uloženy předstihové charakteristiky pro bezolovnaté benziny se dvěma různými oktanovými čísly, každá samostatně (viz obr.). Motor je po nastartování provozován s polem charakteristik pro benzin s vyšším oktanovým číslem (super) a pokud četnost detekovaného klepání překročí přednastavený práh, je systém přepnut na pole charakteristik benzinu s nižším oktanovým číslem (speciál). Řidič toto přepnutí nepozoruje, pouze výkon a spotřeba se nepatrně zhorší. Tak je na libovůli řidiče, aby se rozhodl mezi kvalitnějším palivem s větším dosahovaným výkonem, nebo levnějším benzinem s omezeními ve výkonu a s vyšší spotřebou. U některých typů vozidel je takové přepínání prováděno ručně přepínačem, nebo podle přání zákazníka, přepojením vodiče na konektoru řídící jednotky.

   Renault použil u svých modelů adaptivního řízení předstihu s detekcí klepání, které využívá odlišného algoritmu. Systém používá opět širokopásmového snímače klepání a zpracování signálu před detekcí, obdobného řešení, jaké bylo popsáno u předchozího.

   Korekce předstihu je ale koncipován odlišně. Je založen na existenci dvou typů korekcí, jejichž princip je zřejmý z obr.. Rychlá spočívá v okamžitém snížení předstihu o určitý počet stupňů (typicky mezi 3 až 10); návrat k jmenovité hodnotě pak probíhá po jednostupňových přírůstcích za každých 5 až 20 otáček motoru. Rychlá korekce zajistí, aby doba klepání motoru byla minimální. Má jistou hysterezi, spočívající v tom, že dojde-li při "jednostupňovém" zvyšování předstihu ke vzniku klepání, je ihned provedena korekce větší než , která klepání odstraní.

   Druhá pomalá korekce je spíše adaptivní než ochranná. Jejím účelem je kompenzovat buď dlouhodobé změny motoru, rozdíly mezi jednotlivými motory vyplývající z výrobních tolerancí, nebo vliv měnících se provozních podmínek (nižší oktanové číslo benzinu, horký a suchý vzduch apod.). Při této korekci se používá jednostupňového (ale i většího) zpoždění navíc vždy, kdykoliv je provedena rychlá korekce. Návrat k naprogramované mezi klepání je však prováděn v jednostupňových přírůstcích na velmi pomalém základě. Po krátké době se však adaptivní korekce ustaví na hodnotě, která odpovídá skutečné mezi klepání.

   Oba typy korekcí bývají různě kombinovány a modifikovány podle použití na různých motorech a podle cílů, které jsou použitím sledovány. Rychlá korekce může být prováděna jak pro jednotlivé válce, tak pro všechny válce téhož motoru společně. Korekce podle jednotlivých válců je výhodnější, protože je časté, že jeden válec začne klepat dříve než ostatní a pokles kroutícího momentu motoru v důsledku zpoždění předstihu jednoho válce o je sotva postřehnutelný.

    Pomalá korekce zase může být uplatněna pouze v těch oblastech provozních podmínek, kde lze očekávat vznik klepání s vyšší pravděpodobností. Tyto "kritické" oblasti se snadno stanoví z otáčkových a zátěžových charakteristik předstihu a ze znalosti průběhu meze klepání, vše při standardních podmínkách.

   Snímač rezonančního typu používá Toyota ve svém systému TCCS pro řízení chodu motoru a převodovky. Provedení snímače je zřejmé z jeho řezu na obr. Piezoelektrický výbrus je uložen v tuhém pouzdře, umístěném na bloku válců. Při vzniku detonačního hoření se blíží akustický kmitočet rázových vln k rezonančnímu kmitočtu diskovitého piezoprvku a na jeho elektrodách se objeví elektrické napětí. Kmitočtová charakteristika snímače je na obr.. Při detonačním hoření se objeví ve spektru signálu snímače složka s neobyčejně velkou amplitudou (viz obr.). Tato kmitočtová oblast se vybere pásmovým filtrem a výsledný signál slouží pro detekci klepání. Detekce se provádí srovnáním okamžité hodnoty signálu se střední hodnotou amplitudy signálu bez detonačního hoření. Stupeň klepání se stanoví sčítáním počtu amplitud ze signálu snímače, jejichž velikost převyšuje standardní hodnotu charakterizující mez jeho vzniku. Celý děj probíhá v obdobném časovém intervalu jako předešle popsané, tj. v určitém rozmezí úhlů natočení klikové hřídele za horní úvratí každého z válců. Průběh osvětlují diagramy v obr. 

   Ihned po zjištění klepání provádí řídící jednotka snížení předstihu o hodnotu, která je závislá na stanoveném stupni. Jestliže potom klepání ustane, je předstih po malých krocích pozvolna zvyšován až do blízkosti meze klepání.

   Zcela odlišný způsob detekce klepání používá SAAB u svého systému Trionic, určeného pro řízení chodu přeplňovaných zážehových motorů. Problém odstranění parazitních signálů z ultrazvukového snímače je řešen volbou jiného principu zjišťování detonačního hoření, a to měření ionizačního proudu protékajícího zapalovací svíčkou válce, v jehož spalovacím prostoru proběhlo shoření směsi. Po každém shoření směsi vzniknou ve spalovacím prostoru elektricky nabité molekuly -- ionty -- jejichž množství je závislé na poměrech při spalování. Tento stupeň ionizace je možno změřit tak, že po zapálení směsi se na zapalovací svíčku připojí malé elektrické napětí. Čím více iontů vzniklo, tím větší bude proud protékající mezi elektrodami svíčky vlivem zmíněného napětí. Jestliže nastane detonační hoření, vytvoří se v ionizačním proudu protékajícím zapalovací svíčkou příslušného válce jedna nebo několik špiček. Systém vychází ze dvou indukčních elektrických obvodů, které snímají společně vždy dva válce, tj. válce 1 a 2 a válce 3 a 4. Pro stanovení válce, ve kterém k detonačnímu hoření došlo je informace pro řídící jednotku doplněna signálem se snímače polohy klikové hřídele. Podle těchto signálů pak řídící jednotka nastavuje nejen předstih, ale i dobu vstřikování paliva, a protože jde o přeplňované motory, reguluje i plnicí tlak.

   U přeplňovaných motorů se může mimo korekci předstihu také řídit plnicí tlak (viz obr.). Nasávaný vzduch prochází dmychadlem, které je spřaženo s turbínou poháněnou výfukovými plyny. Plnicí tlak je závislý na hnacím výkonu turbíny, jejíž záběr je určován průtokovým průřezem obtokového ventilu. Ten je ovládán elektromagnetickým taktovacím ventilem, řízeným z elektronické jednotky, podle signálu ze snímače klepání a signálů z dalších snímačů. Jsou to snímače polohy škrtící klapky, tlaku v sacím potrubí, otáček motoru a teploty chladící kapaliny.

   V poli charakteristik v paměti elektronické jednotky jsou uloženy řídící hodnoty elektromagnetického ventilu ovlivňujícího plnicí tlak. Na plnicím tlaku závisí hmotnost náplně směsi, která je v kompresním zdvihu stlačována na objem kompresního prostoru.

   Při atmosférickém plnění je příslušnou hmotností směsi zaplněn pracovní prostor

(16)

   Zvýšením plnicího tlaku se do tohoto objemu od stane větší množství směsi a to úměrně zvýšení plnicího tlaku. Stlačení zvětšené hmotnosti do objemu kompresního prostoru se projeví obdobně, jako kdyby byl touto hmotností směsi zaplněn větší zdvihový objem za atmosférického tlaku.

   Protože kompresní poměr motoru je definován vztahem

(17)

vyplývá se vztahů 16 a 17, že změna plnicího tlaku vyvolává stejný efekt jako změna kompresního poměru motoru.

   Z obr. vyplývá, že čím je kompresní poměr vyšší, tím je vyšší termodynamická účinnost motoru. Při stejném množství paliva tedy bude výkon motoru vyšší. Zvyšováním plnicího tlaku roste množství spalovacího vzduchu dopravovaného do objemu válce. Většina soudobých automobilů se zážehovými motory používá stechiometrické směsi. Má-li být její složení zachováno, musí se měnit se změnou plnicího tlaku i vstřikované množství paliva. Při změně kompresního tlaku se mění průběh předstihu pro optimální kroutící moment a průběh meze klepání, obé v závislosti na otáčkách motoru, například jak je uvedeno v obr.  Regulací plnicího tlaku je tedy možno optimalizovat výkon a spotřebu. Plnicí tlak se mění podle polohy škrtící klapky, nejnižší je ve volnoběhu, nejvyšší při maximálním zatížení. Jeho skutečnou hodnotu měří snímač tlaku v sacím potrubí a v případě odchylky je tlak upraven taktovacím ventilem. Při použití snímače absolutního tlaku se dosáhne plnicího tlaku nezávislého v širokém rozsahu na velikosti vnějšího tlaku (výšková korekce).

   Signálem snímače klepání je prováděna korekce předstihu. Při vzniku klepání je prováděna korekce u právě klepajícího válce. Kromě toho se provádí snížení plnicího tlaku, jestliže zpoždění od provedené korekce překročilo alespoň u jednoho válce stanovenou hodnotu. Tato hodnota je uložena v paměti řídící jednotky jako charakteristika nezávislá na otáčkách. Její velikost je stanovena podle maximálně přípustné teploty výfukových plynů na výstupu turbíny. Regulační algoritmus s rychlým poklesem tlaku a jeho pomalým krokovým zvyšováním ke jmenovité hodnotě je podobný korekci předstihu, avšak s výrazně vyšší časovou prodlevou.

   Při působení obou regulačních algoritmů se vychází z četnosti klepání, časové odezvy motoru, obtokového ventilu a turbodmychadla, dále z teploty výfukových plynů, jízdních vlastností vozidla a stability regulace.

   Při regulaci plnicího tlaku je v částečném zatížení motoru turbodmychadlo méně namáháno, je nižší protitlak výfukových plynů, zůstává méně zbytků spálené směsi ve válcích, teplota plnicího vzduchu je nižší, což snižuje pravděpodobnost klepání a úroveň emisí NOx. Při plném zatížení se lépe přizpůsobuje průběh plnicího tlaku otáčkám motoru.

   Kombinace regulace plnicího tlaku s korekcí předstihu při klepání přináší proti pouhé korekci zlepšení účinnosti motoru, snížení teplotního namáhání motoru a turbodmychadla a omezení teploty plnicího vzduchu.

   Přednostmi proti samotné regulaci plnicího tlaku jsou rychlejší odezvy regulace při výskytu klepání, dobré dynamické vlastnosti motoru a stabilita regulace.