Systémy řízení motoru a převodů

Důležitými aspekty vývoje systémů řízení motoru je snížení emisí z důvodu zavedení přísnějších norem na ochranu životního prostředí, ale i nároky na výkonnější motory s nižší spotřebou paliva a tichým chodem. K tomu je důležité využití elektroniky v motoru.

Řízení benzínových motorů

Systém řízení benzínových (jinak také zážehových) motorů sdružuje více subsystémů do jedné řídící jednotky. Jedná se zejména o systém vstřikování a zapalování benzínu. Pro efektivní řízení běhu motoru jsou zapotřebí různé snímače, například snímač otáček a teploty motoru či nasávaného vzduchu, rychlosti jízdy, napětí akumulátoru, zařazeného rychlostního stupně apod. Podle těchto dat se v mikroprocesoru rozpozná provozní stav motoru a vypočítjí nezbytné ovládací signály. Díky tomu je docíleno efektivní přípravy směsi včetně vstřikování a optimálního okamžiku zážehu. Optimálnějším zacházením s palivem dochází nejen ke snížení spotřeby paliva, ale také škodlivých emisí. To je možné díky sledování vlivů na složení výfukových plynů, jako je lambda regulace, regulace chodu otáček naprázdno, regulace klepání, recirkulace spalin za účelem snížení NOx, řízení turbodmychadla či vačkových hřídelí, odvětrávání palivové nádrže.

Typy vstřikování benzínu

A – vícebodové ,B – centrální , C – přímé ,
1 – palivo, 2 – vzduch, 3 – škrticí klapka,
4 – sací potrubí, 5 – vstřikovací ventil, 6 - válce

Dnes využívané elektronicky řízené vstřikování benzínu nahradily původně využívané karburátory. Jedním z nejvýznamnějších dodavatelů vstřikovacích systémů je firma Bosch. Prvním elektronickým systémem byl D-Jetronic použitý v roce 1967. Způsoby vstřikovaní se můžou rozdělit do třech typů:

• Vícebodové vstřikování
• Centrální (bodové) vstřikování
• Přímé vstřikování

Vícebodové systémy vstřikování jsou realizovány umístěním jednoho vstřikovacího ventilu před sací ventil každého válce. Benzín tak rovnoměrně naplní jednotlivé válce a zamezí se kondenzaci paliva na stěnách sacího potrubí při nízkých teplotách. Způsob vstřikování může být kontinuální nebo přerušovaný. Mezi systémy vícebodového vstřikovaní patří například K-Jetronic či KE-Jetronic.

U centrálního systému vstřikování je do sacího potrubí pro všechny válce palivo vstřikováno z jednoho ventilu umístěného před škrticí klapkou. Hodí se pro motory s maximálně čtyřmi válci s objemem do 80 kW. Mezi systémy jednobodového vstřikování patří například Mono-Jetronic.

Přímé vstřikování benzínu umožňuje vstřik paliva přímo do prostoru válce. V závislosti na jízdních vlastnostech tím lze dosáhnout snížení spotřeby až o 40%, proto je přímé vstřikování využíváno stále více. K prvnímu využití došlo v roce 1997 u automobilů Mitsubishi. Přímé vstřikování současně se speciálně tvarovanou hlavou pístu a prostoru válce umožňuje ovlivnit proudění směsi vzduchu a směr vstřiku paliva v různých provozních podmínkách. V tzv. úsporném režimu při částečném zatížení motoru je připravena chudší směs, díky šroubovitému proudění se ve válci vytvoří odlišné vrstvy smíchání směsi, kdy je v oblasti zapalovací svíčky směs natolik bohatá, že dojde k bezproblémovému zažehnutí směsi a pomůže zapálit zbývající chudší směs. Ve výkonném režimu se vytvoří homogenní směs paliva a je umožněno zvýšení kompresního poměru, což zvyšuje výkon motoru a jeho účinnost. Mezi systémy přímého vstřikování patří například MED Motronic.

Vstřikování benzínu může dále být:

• Simultánní, kdy dochází ke vstřiku v jeden okamžik, tj. dvakrát za cyklus.
• Skupinové, kde jsou vytvořeny dvě skupiny ventilů a každá skupina vstřikuje jednou za cyklus. Takto lze již dosáhnout načasování okamžiku vstřiku podle potřeby.
• Sekvenční, které umožňuje nastavení okamžiku vstřiku pro každý ventil zvlášť.

Další důležitou součástí řízení zážehových motorů je systém zapalování. Okamžik zážehu se odvozuje zejména od hodnoty otáček a zatížení motoru. Díky tomu se optimalizuje točivý moment a výkon při současné minimalizaci škodlivých látek a spotřeby benzínu. Základem zapalovacího systému je elektrická jiskra, kterou dodává zapalovací svíčka.

Systém vstřikování Common Rail

Lambda sonda měří zbytkový obsah kyslíku ve výfukových plynech, který porovnává s obsahem kyslíku v okolním vzduchu. Princip je v regulaci optimálního složení směsi (Λ =1). Pokud je směs příliš bohatá (Λ < 1) je potřeba snížit množství vstřikovaného paliva a naopak zvýšit, pokud je směs chudá. Zpravidla bývá umístěná regulační sonda před katalyzátorem, ale také diagnostická sonda za katalyzátorem, aby kontrolovala správnou funkci první sondy.

Řízení dieselových motorů

Vznětové motory jsou využívané zejména v užitkových automobilech, ale jejich použití je časté i u osobních automobilů. Stále přísnější ekologické limity na provoz motorů nutí výrobce k vývoji nových strategií vstřikování a spalování paliva, přeplňování a následného čistění výfukových plynů. U vstřikování paliva je trendem růstu tlaku, který má pozitivní vliv na množství emisí.[x29]

Vstřikovací soustava Common Rail patří mezi nejznámější systémy vstřikování u vznětových motorů. Českým ekvivalentem je „společné potrubí“, které funguje jako tlakový zásobník. Do zásobníku je přivedeno množství paliva pod určitým tlakem a dojde k přípravě směsi se vzduchem, která je potom vstříknuta přímo do válce.

První generace fungovala na principu hlavního vstřiku pod tlakem až 160 MPa. Před hlavním vstřikem ale docházelo k předstřiku malého množství paliva, tím se snížil nárůst spalovacího tlaku a charakteristický hluk. Druhá generace přinesla růst vstřikovacího tlaku až na 200 MPa a zavedení třetí fáze, tzv. dovstřiku, který je přínosný pro funkci filtru pevných částic. Ve třetí generaci byly zachovány vstřikovací tlaky, ale zvýšil se počet dílčích vstřiků za cyklus. To bylo možné díky nahrazení elektromagnetického ventilu piezoelektrickým ovladačem, který je až 4x rychlejší. Rozdělení vstřikovaného paliva do různě velkých dávek přineslo další snížení hluku a emisí. Změna doby mezi jednotlivými vstřiky se využívá při recirkulaci výfukových plynů. Čtvrtá generace pracuje se vstřikovacími tlaky až 250 MPa a tvarování průběhů jednotlivých vstřiků je vysoce flexibilní.

Elektronické řízení spojky

Využití elektronicky řízené spojky je kombinováno s mechanickou převodovkou, díky čemuž zejména na vícestupňových převodovkách odpadá nutnost sešlápnutí pedálu při přeřazení. Spojka je řízena signály řídící jednotky a na sběrnici CAN komunikuje s řídícími jednotkami motoru a systému ABS/ASR. Řídící jednotka elektronicky řízené spojky pracuje s veličinami, jako je rychlost jízdy, otáčky motoru, zařazený rychlostní stupeň, záměr řazení, řízení pedálu plynu či signály brzdových systémů.

Díky elektronickým spojkám není potřeba instalovat spojkový pedál a je ušetřena námaha řidiče, dále dochází k menšímu opotřebení spojkového obložení. Mimo jiné také zabraňuje škrcení motoru při rozjezdech a brzdění nebo rušivých reakcích při řazení.

Příkladem automatického spojkového systému je AKS (Automatisches Kupplungbetätigungssystem), který využívá firma Mercedes-Benz, elektronický spojkový systém EKS (Elektromechanisches Kupplungs-Steuerung) nebo elektronické řízení spojky EKM automobilky Audi.

Elektronické řízení převodovky

Elektronické řízení se stále více stává samozřejmostí i v oblasti řazení. To je možné díky tomu, že původní hydraulické převodovky nahradily elektrohydraulické a v kooperaci s elektronicky řízenou spojkou obstarávají přeřazení rychlostních stupňů. Další variantou jsou plně samočinné převodovky, u kterých je však ponechána i možnost řazení na řidiči, pokud to vyžadují určité provozní podmínky.

Sekvenční (postupné) řazení se začalo využívat na konci osmdesátých let ve vozech Formule 1, odkud se postupně rozšířily i do osobních vozů. První využití v sériové výrobě bylo v roce 1997 například ve vozech Ferrari. Převodovka je tvořena klasickým přímým řazením. Rychlostní stupně se nemění klasickým „H“ schématem, ale v řadě za sebou pohybem řadicí páky nebo spínači na volantu.

Ukázka řadicí páky sekvenční převodovky

Elektrohydraulické řazení využívá řídící jednotku, která pomocí nastavených provozních podmínek a elektronického ovládání spojky provede přeřazení. Dále je k docílení řazení bez škubání upravován úhel předstihu. Mezi výhody tohoto druhu řazení patří například vysoký komfort a kratší časy řazení, snížení hlučnosti, spotřeby paliva a emisí, možnost výběru mezi jednotlivými charakteristikami řazení.

Samočinné převodovky mění převodový stupeň automaticky, avšak i tak musí mít řidič možnost zasáhnout. Většina automatických převodovek umožňuje řazení v různých programech například ekonomický, sportovní nebo pro zimní období. Řídicí jednotka využívá informace snímačů otáček motoru, vstupního hřídele převodovky, dále sleduje zatížení motoru, zvolený jízdní program a polohu pedálu plynu. Na základě těchto údajů je provedeno přeřazení rychlostního stupně tak, aby byl vždy zvolen optimální bod výkonu motoru. Mezi obvyklé polohy volící páky patří:

• P – parkování
• R – reverse (zpětný chod)
• N – neutrál (spouštění motoru)
• D – drive (normální jízda)
• L – low (jízda do stoupání)

U automatické převodovky se využívá funkce Kick-down, která při plném sešlápnutí pedálu plynu přeřadí na co možný nejnižší rychlostní stupeň. Ten je zapotřebí pro co nejvyšší akceleraci například při předjíždění apod. Řídicí jednotka hlídá, aby nedošlo k překročení maximální hranice otáček motoru a k jeho případnému poškození.

Mezi příklady elektronicky řízených převodovek patří například DSG (Direct Shift Gear), kterou využívají vozy koncernu Volkswagen. Díky použití dvojité spojky je vždy alespoň jedno soukolí v záběru, což umožňuje řazení bez přerušení tahu motoru. Například při rozjezdu se zařadí zároveň 1. a 2. rychlostní stupeň. Při sešlápnutí plynu se aktivuje spojka pro první stupeň, ve chvíli kdy je dosaženo optimálních otáček, dochází současně k vypínání první spojky a zapínání druhé spojky. Poté se opět jedna větev připraví na zařazení třetího stupně. Obdobně převodovka funguje při podřazování. Například operaci přeřazení ze šestky na dvojku rozdělí do dvou částí a zrealizuje ji za 0,9 s. Převodovku PowerShift s obdobnou funkcí využívají například automobily Ford, Volvo a Mitsubishi nebo Porsche pod označením PDK (Porsche Doppelkupplung).

Převodovka DSG

>

Dalším typem samočinné převodovky je CVT (Coutinuously Variable Transmission), což v překladu znamená průběžně měnitelný převod. Základem je variátor složený z hnací a hnané klínové řemenice, každá je tvořena dvěma ocelovými kuželovými kotouči, z nichž je vždy jeden nepohyblivý a druhý umožňuje axiální posuv. U řazení jsou sice k dispozici volby P, R, N, D, ale po rozjezdu dochází k vytočení do optimálních otáček a přes zrychlování vozidla jsou otáčky konstantní. To je dosaženo umožněním plynulé změny převodového poměru. Po zrychlení vozidla otáčky klesnou, elektronika nalezne efektivní převodový poměr a dál převodovka funguje jako klasický automat. Tuto převodovku využívají automobilky Ford, Volvo či Honda, převodovku na podobném principu pod názvem Multitronik využívá automobilka Audi. Celkový přínos těchto převodovek spočívá v provozu za optimálních otáček motoru a tím možnosti úspory paliva.

Systémy řízení podvozku

Odpružení jako takové pod sebou skrývá dva základní systémy a to pružící a tlumící zařízení. Adaptivní systémy odpružení jsou takové, u kterých je regulována pružina nebo tlumič. Oproti tomu aktivní systémy odpružení regulují jak tlumič, tak pružiny podvozku navzájem.

Pružící soustavy vozidel by měly splňovat následující požadavky:

• Dobré jízdní pohodlí (malé zrychlení a frekvence nástavby, tlumení v závislosti na zatížení a jízdním stavu).
• Vysoká jízdní bezpečnost (malé kolísání zatížení kol, konstantní poloha světlometů, dostatečné pružící dráhy a tlumení, úrovňová regulace).
• Malý prostor pro pružící a tlumící elementy (malé vnější průměry a krátké konstrukční délky).
• Přizpůsobení výškové polohy (snížení úrovně při vysokých rychlostech, zvýšení úrovně při jízdě v terénu).

Zpravidla se rozeznávají dvě pružící a tlumící charakteristiky – měkká a tvrdá. Měkká charakteristika je přínosná pro jízdní pohodlí a ochranu přepravovaného nákladu. Oproti tomu tvrdá charakteristika sebou přináší sice špatné jízdní pohodlí, ale dochází zde k menšímu kolísání zatížení kola a tím zvyšuje bezpečnost jízdy. Mezi těmito charakteristikami může řidič libovolně přepínat a přizpůsobovat tak odpružení jízdním podmínkám.

Adaptivní pružící soustavy

U adaptivních pružících soustav je charakteristická kombinace přepínání pružení a tlumení. Jízda na jednotlivé charakteristiky při jejich přepínání trvá relativně dlouho. Frekvence přepínání u adaptivních systémů je nižší, než charakteristická frekvence kmitání, na druhou stranu je rychlejší přepínání z jedné charakteristiky na druhou. Adaptivní pružící soustavy mají variabilní tlumení svislého kmitání, které je nastavováno buď manuálně, nebo elektronicky. Po nastavení charakteristiky se tlumiče chovají konvenčně.

Semiaktivní pružící soustavy

I tyto systémy jsou omezeny na funkci tlumiče, proto je stejný dynamický model kmitání, jako u adaptivních systémů. Na rozdíl od adaptivních systémů ale existuje prakticky neomezené množství charakteristik a není omezeno na několik málo stupňů. Rozhodující je, aby se jakéhokoli bodu v poli charakteristik dosáhlo co nejrychleji. Díky tomu je možné pracovat jak v oblasti frekvence nástavby, tak v oblasti frekvence nápravy. Semiaktivní systémy jsou vlastně adaptivní systémy, ale se značně rychlejším přepínáním mezi tlumením a pružením.

Aktivní pružící soustavy

Adaptivní pružící soustavy pracují pouze v prvním a třetím kvadrantu, tzn. síla je ve fázi s relativní rychlostí. Aby byly síly akčního prvku vyvozovány podle relativní drány, musí být provozován ve čtyřech kvadrantech. Mezi nástavbou a nápravou není síla závislá jen na relativní dráze a rychlosti, ale také například na svislých výchylkách odpružených a neodpružených částech, jejich derivacích, vazbách či frekvenčních funkcích. To je možné díky hydraulickým systémům složených z čerpadla, nádrže, pracovních válců a regulačních ventilů.

Příklady používaných systémů

Systém ABC (Active Body Control) je aktivní zavěšení kol, které používá především automobilka Mercedes-Benz. Nezávisle na zatížení vozu, sklonu karosérie akceleraci či deceleraci a při jízdě v zatáčkách udržují elektronicky řízené hydraulické válce umístěné na každém kole konstantní světlou výšku. Díky tomuto systému je možné vyřešit protichůdné potřeby pro komfortní a bezpečnou jízdu. Aktivní podvozek dokáže velmi rychle přizpůsobit odpružení karoserie současným jízdním podmínkám. Dokáže snížit pohyby karoserie až o 68%. Řidič může volit mezi programy „komfort“ a „sport“.

Jízda s ABC (vlevo) a bez ABC

Systém ACS (Active Curve Systém) kombinuje systémy ADS (Adaptive Damping Systém) a Airmatic. ADS je systém adaptivního tlumení, který podle aktuálních podmínek vozovky přizpůsobuje charakteristiky tlumičů. Airmatic označuje vzduchové pérování automobilů, který má za cíl na vozovce s různým povrchem zvýšit stabilitu jízdy. Při vysokých rychlostech sníží světlou výšku, při průjezdu zatáčkou, akceleraci a deceleraci vyrovnává náklony karoserie. Tyto systémy se vyskytují zejména ve vozech Mercedes-Benz.

Zkratku CCD (Continuously Controlled Damping) pro aktivní tlumiče automobilu s plynule měnící se charakteristikou používá například automobilka Ford. Řidič si může vybrat mezi třemi různými nastaveními podvozku – Comfort, Normal a Sport. Automaticky bez postřehnutí řidiče systém volí měkčí charakteristiku na rovné vozovce, na zvlněném povrchu naopak přitvrdí.

DCC (Dynamic Chassis Control) označuje systém adaptivního podvozku. Díky tomuto systému může řidič stisknutím tlačítka na přístrojové desce lehce změnit charakteristiku podle potřeby. Mimo to elektronika automaticky sleduje náklon karoserie či natočení kol a podle toho upravuje charakteristiku povozku. S tímto systémem se lze setkat ve vozech Volkswagen nebo Audi.

Systém EAS (Electronic Air Suspension) byl vyvinut firmou Continental. Stejně jako jiné systémy přizpůsobuje pružící a tlumící charakteristiky na základě okamžitých podmínek či požadavků. Zásadní rozdíl se ale nachází v tom, že soustava využívá vzduchové měchy místo klasických vinutých pružin.

V různých modifikacích se lze setkat mimo jiné se systémy Adaptive Drive a Dynamic Drive, či se zkratkami ECS (Electronic Control Suspension), AST (Adaptive Stability Technology), DRC (Dynamic Rolling Control) nebo IDS Plus (Interactive Driving System).

<< Zpět na systémy       Asistenční systémy >>