Primjena 2015

UNIVERZITET U ISTOČNOM SARAJEVU

SAOBRAĆAJNI FAKULTET DOBOJ

Kenan Čeliković

PRIMJENA MIKROPROCESORA U

AUTOMOBILIMA

DIPLOMSKI RAD

Doboj, Juli 2015. godine

Primjena 2015

Tema: Primjena mikroprocesora u automobilima

Komisija: Prof. dr Perica Gojković, predsjednik

Prof. dr Zlatko Bundalo, mentor

Prof. dr Dušanka Bundalo, član

Kandidat:

Kenan Čeliković

UNIVERZITET U ISTOČNOM SARAJEVU

Primjena 2015

SAOBRAĆAJNI FAKULTET DOBOJ

Predmet: MIKROPROCESORSKI SISTEMI

Tema: PRIMJENA MIKROPROCESORA U AUTOMOBILIMA

Zadatak: Primjena mikroprocesora u podsistemima za upravljanje motorom, za zaštitu i praćenje.Razvoj savremenih kontrolerskih sistema u automobilskoj industriji.Pregled sistema koji se danas koriste u automobilima. Osnovne funkcionalnosti.

Mentor: Prof. dr Zlatko Bundalo

Kandidat: Kenan Čeliković (10/10)

Doboj,Juli 2015. godine

SADRŽAJ

Primjena 2015

UVOD.................................................................................................................................6

1. KARAKTERISTIKE MIKROKONTROLERA KOJE SE KORISTE U AUTOMOBILIMA......................................................................................................7

1.1. Brzina obrade podataka........................................................................................7

1.2. Komunikacija.........................................................................................................7

1.3. Potrošnja električne energije................................................................................7

1.4.Elektromagnetna emisija........................................................................................7

1.5.Dijagnostika i samodijagnostika............................................................................8

2. ECU JEDINICA...........................................................................................................9

2.1. Unutrašnjost ECU jedinice.................................................................................11

2.2. Osnovni dijelovi ECU-a.......................................................................................11

3. SENZORI U AUTOMOBILIMA..............................................................................13

3.1. Senzor broja obrtaja radilice..............................................................................15

3.2. Senzor ugaone pozicije radilice..........................................................................16

3.3. Senzor temperature motora................................................................................16

3.4. Senzor protoka u napojnoj liniji goriva.............................................................17

3.5. Senzor mjerenja količine vazduha koju uzima motor......................................17

3.6. Senzor za mjerenje momenta vratila motora...................................................18

3.7. Senzor brzine automobila...................................................................................18

4. CAN PROTOKOL.....................................................................................................19

4.1. Razvoj CAN protokola........................................................................................20

5. PODSISTEMI AUTOMOBILA U KOJIMA SE KORISTE MIKROKONTROLERI............................................................................................21

5.1. Sistem za sprečavanje blokiranja točkova........................................................21

5.2. Elektronski program stabilnosti.........................................................................22

5.3. Sistem za sprečavanje pogonskog proklizavanja..............................................24

5.4. Adaptivna kontrola kretanja vozila...................................................................24

5.5. Sistem za informisanje u mrtvom uglu..............................................................26

5.6. Sistem za upozoravanje pri prelasku pune linije..............................................27

5.7. Vazdušni jastuci...................................................................................................29

5.8. Multimedijalni sistemi – AutoPC.......................................................................30

6. SISTEMI ZA UPRAVLJANJE RADOM MOTORA.............................................32

6.1. Sistemi za upravljanje emisijom izduvnih gasova............................................32

6.2. Zatvorena petlja lambda upravljanja................................................................32

6.3. Upravljanje emisijom kod dizel motora............................................................33

6.4. Sistem za upravljanje ubrizgavanjem goriva....................................................33

6.5. Komponente sistema za upravljanje ubrizgavanjem goriva...........................34

6.6. Sistemi za upravljanje paljenjem.......................................................................35

6.7. Komponente sistema programiranog paljenja.................................................36

7. SISTEMI ZA UPRAVLJANJE KLIMATIZACIJOM...........................................38

7.1. Komponente sistema za upravljanje klimatizacijom.......................................38

7.2. Princip rada sistema za klimatizaciju................................................................39

Primjena 2015

7.3. Ostali sistemi za zagrijavanje.............................................................................40

7.4. Zagrijavanje prozora...........................................................................................41

8. ZAKLJUČAK.............................................................................................................42

LITERATURA:...............................................................................................................43

Primjena 2015

UVOD

Od kada je prije više od sto godina konstruisan prvi moderni automobil i autoindustrija postala jedna od najunosnijih grana industrije, automobil se u suštini nije mnogo promjenio. I dalje automobile pokreću Oto ili Dizel motori, još uvijek su to vozila na četri točka. Zbog stalnih zahtjeva za zaštitu okoline razvijeni su automobili na električni i hibridni pogon, ali je broj takvih automobila zanemarljiv u odnosu na klasične automobile.

Dosta se promijenuo izgled automobila, kao posljedica velikog razvoja aerodinamike.Međutim, najveća promjena je posljedica naglog razvoja elektronike. Analitičari procjenjuju da je više od 80% inovacija u automobilskoj industriji zasnovano na elektronskim sistemima. Poslednjih godina mikrokontroleri preuzimaju upravljanje mnogih sistema u automobilima, pa i samog motora automobila. Postignut je dobar spoj elektronskih i kompjuterskih tehnologija, koje se zajedno primjenjuju u mnogim podsistemima automobila. U savremeni automobil je ugrađena velika količina složenih elektronskih uređaja, preko 70 elektronskih upravljačkih jedinica, nekoliko stotina senzora itd.Udio elektronike u današnjim automobilima čini čak 23% ukupne proizvodne cijene.

Velika većina vozača nije ni svjesna da tokom njihove svakodnevne vožnje elektronski sistemi njihovog vozila neprekidno nadziru više od stotinjak različitih tehničkih parametra. Svakih nekoliko desetina milisekundi očitavaju se brojni senzori razmješteni širomvozila, na prednjem dijelu poput broja okretaja motora, temeperature i količine usisanog vazduha, do temperature raznih tačaka u podsistemu emisije, na zadnjemdijelu vozila.

Namjena ovih elektronskih elemenata nije da automobil učine složenim i naprave ga osjetljivijim na kvarove, ili skupljim za popravak, nego da povećaju ukupne perfomanse vozila. Bez tehnološkog napredka u izradi motora,radilice, šasije, sistema prenosa i drugih, danas ne bi bilo moguće ostvariti zahtjeve u vezi potrošnje goriva, snage motora, okretnog momenta, maksimalne brzine, akeceleracije i međuakceleracije.

Elektronske komponente razmještene u automobilu su međusobno povezani elektronski podsistemi, sa vlastitom centralnom procesorskom jedinicom, radnom i trajnom memorijom, koji razmjenjuju podatke komunikacijskim protokolima specijalno razvijenim za tu vrstu radne okoline. Takođe, koristeći drugi skup protokola moguće je očitati stanje senzora automobila i sadržaj radne i trajne memorije navedenih elektronskih podsistema.

Sa porastom broja elektronskih sistema u automobilima rastu i zahtjevi na strukturnu izgradnju jer u prosječnom automobilu se nalazi više od četiri kilometara raznih vodova dok je taj broj prije 50 godina iznosio samo 45 metara.

6

Primjena 2015

1. KARAKTERISTIKE MIKROKONTROLERA KOJE SE KORISTE U AUTOMOBILIMA

1.1. Brzina obrade podataka

Automobilske aplikacije postaju veoma složene, obrađuje više senzorskih ulaza paralelno, obrađuju se informacije drugih elektronskih sistema i pobuđuje se niz aktuatora u realnom vremenu. Uglavnom se koriste mikrokontroleri sa RISC procesorima. Zbog korištanja navigacionih i video sistema potrebno je koristiti 32-bitne kontrolere visoke taktne frekvencije, preko 80 MHz, dok u drugim podsistemima preovladavaju 16-bitni mikrokontroleri.Postoji veliki broj mikrokontrolera koji zadovoljavaju ove uslove, ARM, Intel, Motorola.

1.2. Komunikacija

Zbog velikog broja mikrokontrolera ugrađenih u automobile potrebna je brza komunikacijska mreža za povezivanje. Komunikacijske mreže će biti obrađene u narednom poglavlju.

1.3. Potrošnja električne energije

Postoji veliki broja sistema koji moraju ostati uključeni čak i kada motor nije operativan, takav je ,na primjer, sistem za električno otključavanje vrata da bi mogao registrovati signal daljinskog otključavanja. Vrlo važan sistem koji ne smije ostati bez napajanja jesu i vazdušni jastuci.Ovi sistemi bi značajno smanjili radni vijek akumulatora, pa se zbog toga koriste kondenzatori velikog kapaciteta, smješteni izvan čipa, koji akumuliraju dovoljno energije da bi pokrenuli ove kritične sisteme.

1.4.Elektromagnetna emisija

Smanjenje elektromagnetne emisije je važan zadatak, jer ona može biti uzrok nepouzdanog rada aplikacija. Jedno od efikasnih rješenja za ovaj problem je modulacija takta mikrokontrolera, koja se sastoji u slučajnom variranju frekvencije takta za mali pomak pri svakom taktu u određenom opsegu. Međutim, neki moduli, kao što je CAN, zahtjevaju stabilan operativni takt.

Automobil je vrlo zahtjevna sredina za elektronske komponente. Temperaturne promjene su vrlo velike i potrebno je da se obezbjedi pouzdan rad upravljačkih komponenti na temperaturama od -40°C do +140°C. Pored toga što su izloženi ekstremnim temperaturama, mikrokontroleri u automobilima su izloženi i različitim mehaničkim vibracijama, kao i agresivnim hemijskim materijama, kao što je gorivo.

7

Primjena 2015

1.5.Dijagnostika i samodijagnostika

Većina upravljačkih komponenti mora biti u stanju da vrši samodijagnozu i da može da obradi informaciju u slučaju greške.Obim ugrađene samodijagnostike je najočigledniji kada se posmatraju memorijski zahtjevi. Naime, najveći dio memorije zauzimaju upravo samodijagnostičke funkcije .Nadgledanje priključenih komponenti se vrši za vrijeme pogona. Ova funkcija ima direktan uticaj na neophodne resurse mikrokontrolera, pa se koristi samo tamo gdje otkaz neke komponente utiče na sigurnost ili gdje se može realizovati uz manje troškove. Nadgledanje senzora se vrši najčešće kroz poređenje vrijednosti, ako postoji veliko odstupanje od graničnih vrijednosti za određeni senzor uređaj konstatuje grešku na tom senzoru. Neke aplikacije koje su neposredno vezane za sigurnost, kao što su kočioni sistem, zahtjevaju ne samo prepoznavanje otkaza već i produžavanje operativnosti sistema.U tu svrhu se koristi dodatni mikrokontroler. Kod aktuatora nadgledanje se vrši na osnovu vremenske promjene struje kroz njega. Ako struja više ne protiče to ukazuje na otkaz aktuatora.

8

Primjena 2015

2. ECU JEDINICA

Pod izrazom “kompjuter” misli se na ECU, odnosno “Electronic Control Unit”, koji predstavlja centralni kompjuter vozila. Današnji automobili u mnogome zavise od ECU-a, jer on omogućava pravilan rad svih sistema na automobilu, kako onih koji svoj rad baziraju na električnoj energiji, tako i većini ostalih sistema. Moderni automobili danas imaju pedesetak pa i vise mikroprocesora u svom sistemu. Dakle, ECU nije jedini mikroprocesor – zapravo, svaki sistem na automobilu posjeduje barem jedan! Kako se u posljednje vrijeme broj sve komplikovanijih i ultra-modernih sistema na kolima povećava, tako i čitav “elektronski sistem” automobila postaje izuzetno složen. Za razliku od nekadašnjih modela, koji istina i nisu neka daleka historija, današnje je bukvalno nemoguće samostalno održavati, odnosno servisirati. To bi za prosječne vozače bilo zaista nemoguće, ali, sa druge strane, posao servisera je zapravo olakšan. Kako savremeni automobili, svi do jednog, posjeduju ECU i čitav njegov razgranati sistem kontrolnih uređaja, vrlo je lako ustanoviti kvar na vozilu i isti otkloniti. Svi ste ili videli ili čuli za one spravice koje svi, nesto opremljeniji, servisi posjeduju – spravice čiji se port priključi odgovarajućem na automobilu i tako se čitaju određeni podaci sa kompjutera vozila i ustanovljava kvar.

Slika 1. ECU jedinica

Historija ECU-a i nije baš toliko kratka. Prvi kompjuteri su počeli da se ugrađuju još sedamdesetih godina prošlog vijeka. Njihov razvojni put je bio veoma brz, tako da danas nemamo baš mnogo dodirnih tačaka sa prvim modelima. Na slici je prikazan glavni kompjuter koji se ugrađivao u Opel-ove modele Ascona 1,8/Kadett GSI još davne 1984. Najveće prednosti modela sa ECU-om jeste skoro savršena kontrola ubrizgavanja goriva u cilindre, tajming paljenja smješe i kontrola izduvnih gasova, što je vrlo bitno sa ekološkog aspekta. Ipak, to su samo neke od osnovnih funkcija. ECU reguliše sve – od prethodno spomenutog, pa sve do npr. električnih prozora, odnosno retrovizora vozila!

9

Primjena 2015

U automobilu postoji više od 50 mikroprocesora, ali ECU je uvijek najjači od svih. To je i logično s obzirom da on ustvari kontroliše sve ostale mikroprocesore, putem njihovih modula. Taj glavni procesor se nalazi na dobro zaštićenoj ploči, veličine otprilike 15 sa 15 centimetara. Ta ploča sadrži i jos neke bitne dijelove osim procesora – tu su razni konvertori, čipovi, inputi, autputi… Od ostalih, treba recimo izdvojiti analogno-digitalni, odnosno digitalno-analogni konvertor. Analogno-digitalni konvertor se brine da procesor uvijek dobije eksternu informaciju u digitalnom formatu. Recimo da neki od eksternih uređaja sa kojim je ECU povezan treba da u djeliću sekunde pošalje informaciju o, na primjer, količini kiseonika koji će biti iskorišten u smješi goriva i vazduha. Taj senzor (oxygen sensor) će poslati “analognu” informaciju – dakle, “signal” u rasponu od recimo 0 do 1,1 volta. Naravno, razumijemo da određena voltaža koju senzor šalje odgovara određenoj vrijednosti količine kiseonika, koju je senzor zabilježio. Takva informacija zatim dolazi do A-D konvertora, koji tu određenu voltažu (informaciju) prebacuje u digitalnu informaciju – u vidu određenog broja, odnosno niza brojeva. Dakle, ovaj konvertor mijenja signal u vidu određene voltaže u 10-bitni digitalni signal. Isto tako, ECU ponekad treba da pošalje odredjenu informaciju da bi recimo aktivirao određeni uređaj i ta informacija mora da bude analognog tipa, u njenom finalnom obliku. Kako se ECU bazira na radu mikroprocesora, tako taj procesor može da emituje samo digitalnu informaciju (u vidu niza brojeva). Međutim, takva digitalna informacija dolazi do digitalno-analognog konvertora, koji ustanovljava potrebu da istu prebaci u analognu i da je, kao takvu, dalje “isporuci” do određenog uređaja, odnosno njegovog modula.Ovdje, dakle, treba razlikovati da postoje dva različita konvertora – analogno-digitalni i digitalno-analogni. Pored njih, na samoj ploči glavnog kompjutera se nalaze i autputi, pomoću kojih ECU dopire do svih eksternih uređaja sa kojima ima vezu. Autputima procesor šalje “signal” da neki od uređaja treba da se uključi/isključi, kao na primjer električni ventilator u sistemu za hlađenje motora. Takođe, kroz autpute prolaze i informacije o sastavu smješe, koje se šalju ka motoru radi pravilnog ubrizgavanja, i koje su nešto složenijeg tipa. Naravno, pored autputa postoje i inputi, putem kojih ECU dobija razne vrste informacija od brojnih senzora i na osnovu kojih stvara određenu informaciju za isti, ili neki drugi eksterni uređaj. Jedan od najvažnijih dijelova cijelog sklopa glavnog kompjutera jesu i tzv. “komunikacioni čipovi”. Oni postavljaju određene standarde komunikacija čitavog sistema za ECU-om, što je vrlo bitno jer čitav sistem mora da bude usaglašen i sinhronizovan.

Danas imamo više komunikacionih standarda koji se primjenjuju u automobilu, a najčešći je CAN, što je skraćenica za “Controller-Area Networking”. CAN omogućava brzinu prenosa podataka i preko 500 Kb u sekundi, što je vrlo važno za savremene modele, koji koriste sve više i više elektronike u svom sastavu.

10

Primjena 2015

Slika 2. ECU jedinica u automobilima poslije 2000-te godine

2.1. Unutrašnjost ECU jedinice

Unutrašnjost ECU jedinice je jako složena. Štampana ploča na kojoj su smješteni

elementi je troslojnog tipa. Elementi koji su na nju postavljeni su mješavina SMD i

klasičnih komponenti. Eventualna intervencija podrazumjeva jako precizan rad i

upotrebu niskonaponskih lemilica. Sve mjere opreza koje se preporučuju prilikom rada

sa poluprovodničkim komponentama važe i ovde. Jedna od najvažnijih je da komponente

ne diramo ako postoji opasnost od električnog pražnjenja. Zamjena SMD komponenti

takođe može biti problematična ako su komponente prije automatskog lemljenja

zalijepljene za štampanu ploču

2.2.Osnovni dijelovi ECU-a CPU, ROM i RAM

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. CPU ne može mijenjati parametre zapisane u ROM

memoriji ali postoji izmjenjivi čip nazvan PROM (Programmable Read Only Memory) u

kojem također nije moguće mijenjati podatke, ali ga se može zamijeniti čipom s

pohranjenim drugačijim podacima.Tako možemo utjecati 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. RAM (Random

11

Primjena 2015

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. 

Slika: ROM i RAM memorija u ECU jedinici

12

Primjena 2015

3. SENZORI U AUTOMOBILIMA

Moderni automobili su pravi umreženi računari u kojima senzori obezbjeđuju vezu sa realnim svijetom. Ovi senzori moraju da ispune nekoliko veoma složenih zahtjeva sa elektronske tačke gledišta. Bez senzora ne bi postojala ni potreba za računarima u automobilima. Senzori su u suštini čula automobila koji prikupljaju informacije iz spoljašnjeg svijeta, koje se proslijeđuju mikrokontrolerima i računarima u kojima se donose odluke o eventualnoj potrebi djelovanja pojedinih funkcija automobila[3].

Kako konkurencija, tako i zahtjevi potrošača primorava proizvođače motornih vozila da prave sve više sofisticiranih inovacija. One se primjenjuju ne samo na putnička vozila, nego i na komercijalna vozila kao što su kamioni i autobusi.

Najznačajnija poboljšanja načinjena posljednjih godina su:- povećanje sigurnosti vožnje;- smanjenje potrošnje goriva;- smanjenje zagađenja okoline;- povećanje komfora i udobnosti;- poboljšanje dijagnostičkih funkcija.-

Da bi sve ovo bilo moguće, moraju se na brojnim lokacijama u automobilu, mjeriti mnoge fizičke karakteristike kao što su mehaničke, termičke i druge, a potom ih slati mikrokontroleru. Mikrokontroler nadgleda izmjerene vrijednosti i trigeruje, ako je potrebno, odgovarajuće upravljačke funkcije. U današnjim vrhunskim vozilima, broj senzora prelazi nekoliko stotina, tako da se motorna vozila postepeno pretvaraju u mobilne elektronske tvrđave.

Pošto od rada ovih senzora zavise prije svega ljudski životi, a zatim i materijalne vrijednosti kao i reputacija cjelokupne kompanije koja proizvodi te senzore, oni se moraju podvrgavati veoma strogim zahtjevima po pitanju pouzdanosti. Ambijentalni uslovi u kojima rade ovi senzori predstavljaju pravi izazov sa temperaturnog stanovišta. Radna temperatura se kreće od -400C pa do 1600C, a u slučaju izuzetno pregrijanog motora i do 2000C. Takođe, ovi senzori su i pod uticajem kiše, leda, soli, kočione tečnosti i jakih elektromagnetnih polja u neposrednoj blizini. Osim što moraju da budu sigurni od totalne greške ovi senzori moraju održavati tačnost mjerenja u okviru specifciranih tolerancija pod svim uslovima i tokom mnogo godina. Kao rezultat, samo mali dio od praktično vrlo velikog broja varijacija komercijalno dostupnih senzora, može da zadovolji izabrane kriterijume. Na slici 3. je prikazan jedan primjer automobila sa senzorima koji se koriste u njemu:

13

Primjena 2015

Slika 3.Senzori u automobilskoj industriji

Vidimo da je broj senzora veliki i da su raznovrsni. Sada ćemo navesti najčešće korišćene senzore u automobilu

14

Primjena 2015

3.1. Senzor broja obrtaja radilice

Jedna od najvažnijih karakteristika koje treba mjeriti je broj obrtaja radilice (koljenastog vratila). Klasični način da se to uradi je da se koristi induktivni senzor koji se sastoji od kalema i permanentnog magneta. Metalni brijeg je lociran na vratilu. Pri njegovom prolasku ispred senzora, magnetni fluks kroz kalem se mijenja. Pri svakoj rotaciji vratila, indukuje se jedan naponski impuls koji se dalje obrađuje elektronskim kolom.

Sljedeća opcija uključuje magnet postavljen na vratilo. Ako je ovaj tip senzora postavljen blizu zupčanika ili namagnetisanog točka sa nekoliko polova (višepolni prsten), odgovarajući broj impulsa će se dobiti za svaku rotaciju vratila. Princip je jednostavan i ekonomičan. Učestanost generisanog signala je mjera broja obrtaja radilice. Ipak, loša strana ovog pristupa je ta da je napon koji se generiše takođe proporcionalan broju obrtaja, zbog čega je veoma teško registrovati male brzine rotacije.

Ovaj problem se može izbjeći upotrebom senzora koji odgovara na statičko magnetno polje, kao što je Hall efektni senzor ili magnetno-rezistivni senzor. Kod ovakvih senzora nema habanja i veoma su pouzdani, a uslijed svoje niske cijene su veoma rasprostranjeni u automobilskim sistemima. Na slici 2.2. je prikazan Bosch-ov aktivni senzor broja obrtaja radilice[4].

Slika3.1.Bosch-ov aktivni senzor broja obrtaja radilice [4]

15

Primjena 2015

3.2. Senzor ugaone pozicije radilice

Druga važna karakteristika je trenutna ugaona pozicija radilice ili bregastog vratila. Ova veličina je potrebna za elektronskoupravljanje paljenjem. Za ovu namjenu su ponovo pogodni induktivni ili magnetni senzori. Trend razvoja se kreće od tradicionalnog mehaničkogupravljanja ventilima ka elektronskomupravljanju ventilima. Jedan ovakav senzor je prikazan na slici 3.2.

Slika3.2. Ugaoni senzorpozicije radilice [21]

3.3. Senzor temperature motora

Još jedan parametar koji zahtjeva kontrolu je temperatura motora, pošto pregrijavanje uslijed greške u sistemu hlađenja predstavlja ozbiljnu prijetnju motoru. Poluprovodnički i metalni senzori, koji koriste platinu ili druge metale, su pogodni za korišćenje kao temperaturni senzori. Na slici 3.3. je prikazan jedan temperaturni senzor iz Bosch-ove fabrike.

Slika3.3. Temperaturni senzor [4]

16

Primjena 2015

3.4. Senzor protoka u napojnoj liniji goriva

On može da obezbijedi indikaciju trenutne potrošnje goriva. Ipak, on se može izostaviti upotrebom modernih motora sa ubrizgavanjem goriva, pošto se količina goriva koja se troši može precizno izračunati iz količine goriva koju isporučuje pumpa za ubrizgavanje. Ugrađeni računar na vozilu tako može izračunati i pokazati trenutnu potrošnju, prosječnu potrošnju na 100 kilometara i ,ako je količina goriva u rezervoaru takođe uključena u izračunavanje, očekivanu razdaljinu koja se može preći sa trenutno raspoloživim gorivom. Na slici 3.4. su prikazana dva senzora, prvi za mjerenje protoka vazduha, a drugi za mjerenje protoka goriva u usisnoj cijevi.

Slika3.4. Senzori mjerenja protoka vazduha i goriva u usisnoj cijevi

3.5. Senzor mjerenja količine vazduha koju uzima motor

Mjerenje količine vazduha koju uzima motor, ili još preciznije masu usisanog vazduha, je veoma važna za upravljanje radom motora. Kao što je dobro poznato, gustina vazduha zavisi od temperature vazduha i nadmorske visine. Sa senzorima koji u osnovi mjere volumen vazduha, izmjerena vrijednost se mora na odgovarajući način korigovati.

Mehanički senzori protoka vazduha koriste potenciometar da bi izmjerili koliko je dinamičkim pritiskom zakrenuta pokretna klapna (vazdušna lopatica) postavljena na tok vazduha. Pokretni dijelovi se mogu izostaviti upotrebom termalnih senzora protoka vazduha (toplo-žičani i toplo-filmni senzori vazduha). Ovakvi senzori koriste platinijumsku žicu ili malu keramičku ploču sa platinijumskim grejnim elementom i posebnim metal-film otpornikom kao senzorom. Efekat hlađenja vazdušnog toka koji protiče pored senzora se kompenzuje sistemom upravljanja u zatvorenoj petlji koji se koristi za održavanje konstantne temperature senzora. Struja hlađenja potrebna za održavanje senzora na konstantnoj temperaturi je proporcionalna protoku vazduha i na taj način obezbjeđuje mjeru mase protoka vazduha. Primjer ovakvog senzora je dat na slici 3.5.

17

Primjena 2015

Slika3.5. Mjerač vazdušne mase na bazi vrućeg filma XFM 7 [4]

3.6. Senzor za mjerenje momenta vratila motora

Moderni automobilski mjenjači su upravljani mikrokontrolerima. Da bi se odredila optimalna tačka za promjenu stepena prenosa, kontroleru treba informacija o momentu koji generiše motor kao i o brzini radilice. To predstavlja izuzetan izazov za dizajnere senzora, pošto se moment mora mjeriti na rotacionom vratilu. Jedna opcija je da se koristi magnetno-električni efekat, što predstavlja promjenu magnetne propustljivosti pod uticajem mehaničkog stresa. Druga opcija je da se mjeri torzija vratila uportebom dva inkrementalna ugaona senzora locirana na izvjesnoj udaljenosti.

3.7. Senzor brzine automobila

Svrha senzora brzine automobila je da se sa njega šalje informacija ka ECU(eng. Electronic Control Unit)o brzini kretanja automobila. Senzor se moze nalaziti na mjenjaču ili na točku. Ovaj senzor se u nekim automobilima koristi za ograničenje maksimalne brzine, a takođe i da se poboljša ekonomičnost i vozne karakteristike. Na slici 3.7. je prikazan senzor brzine automobila.

Slika 3.7. Senzor brzine automobila [21]

18

Primjena 2015

4. CAN PROTOKOL

Prije pojave CAN protokola (eng. Control Area Network) elektronske komponente u automobilima međusobno su se povezivale žicama kao na slici 5.1. Ovakav način povezivanja je komplikovan, a složenost mreže je rasla sa porastom broja komponenti. Osim složenosti ovakve mreže značajno smanjuju pouzdanost, kako u komunikaciji između samih komponenti, tako i pouzdanost samog automobila u cjelini. Takođe način ožičenja automobila utiče i na njegovu težinu, kao i zauzimanje korisnog prostora vozila.

Slika 4.Način umrežavanja elektronskih komponenti u automobilu [25]

4.1. Razvoj CAN protokola

CAN je serijski komunikacijski protokol koji je 1983. godine počeorazvijati Bosch, a zvanično je predstavljen 1986. godine na kongresu Udruženja automobilskih inžinjera (eng. Society of Automotive Engineers – SAE) u Detroitu. Nazvan je „Automotive Serial Controller Area Network“ jer je CAN sistem prvo razvijen za potrebe automobilske industrije, za spajanjeelektronskih sistema u automobilima. Kasnije je CAN protokol počeo da se primjenjuje u mnogim oblastima, pre svega u industrijskim pogonima, avio industriji i medicini. CAN magistrala se prvenstveno koristi u ugrađenim (eng. embedded) sistemima i to je mreža uspostavljena među mikrokontrolerima. CAN magistrala je dvožični mrežni sistem koji je pogodan za brze aplikacije koje koriste kratke poruke. CAN magistralom se povezuju svi čvorovi. Na slici 5.3.je prikazana tipična struktura CAN čvora.

19

Primjena 2015

Slika 4.2. Primjer CAN čvora

Čvor podrazumijeva postojanje procesora (mikrokontroler), koji zavisno od svoga moda rada koristi internu ili eksternu memoriju za skladištenje podataka i programa, i koji ostvaruje potrebnu digitalnu obradu podataka. Na prikazanoj slici CAN protokol je implementiran primjenom specijalizovanog CAN kontrolera, koji sa jedne strane predstavlja konekciju čvora na mrežu, a sa druge strane razmjenjuje primopredajne informacije sa procesorom. Ovakav CAN kontroler u stručnoj literaturije poznat kao stand alone.

CAN protokol nudi komunikaciju velike brzine do 1 Mbit/s čime omogućavaju upravljanje pri radu u realnom vremenu.

20

Primjena 2015

5. PODSISTEMI AUTOMOBILA U KOJIMA SE KORISTE MIKROKONTROLERI

U današnjim automobilima gotovo da nema podsistema u kojem se ne koristi mikrokontroler. Mikrokontroleri se koriste u vrlo važnim sistemima, kao što su sistemi za upravljanje radom motora, sistemima vezanim za sigurnost, ali i u sistemima vezanim za udobnost, kao što su elektronski podizači stakala, elektronsko namještanje sjedišta i multimedijalnim sistemima. U ovom poglavlju će biti ukratko opisani najvažniji sistemi vezani za sigurnost i multimedijalni sistemi.

5.1. Sistem za sprečavanje blokiranja točkova

Sistem za spriječavanje blokiranja točkova (engl. Anti-lock Brake System – ABS) je elektronsko-hidraulički mehanizam koji sprječava blokiranje točka prilikom kočenja i na taj način skraćuje zaustavni put i omogućuje potpunu upravljivost automobila prilikom kočenja. Mnogi misle da je ABS proizvod novijeg datuma, međutim ABS je serijski ugrađen u tadašnju klasu Mercedesa još 1978 godine. ABS nije osmišljen kako bi skratio put kočenja, već kako bi vozaču, ponovljenim stiskanjem i otpuštanjem kočnica omogućio nastavak upravljanja vozilom i izbjegavanja opasnosti u situacijama ekstremnog kočenja kada bi se automobili bez ABS-a, zbog blokiranih kočnica, kretali pravolinijski i za većinu vozača, bez kontrole. ABS ima svoju ECU jedinicu, senzore broja obrtaja točka sa impulsnim prstenovima i razvodnike. Tokom vožnje, upravljački sistem konstantno snima brzinu okretanja svakog točka, a izračunava je na osnovu impulsa sa senzora. Na svakom se točku nalazi po jedan senzor i impulsni prsten. Frekvencija naizmjeničnog napona, kojeg je prsten svojim okretanjem indukovao na senzoru, proporcionalna je brzini rotacije točka. Napone sa senzora obrađuje elektronski sklop i na osnovu tih vrijednosti određuje referentnu brzinu, koja odgovara brzini kretanja vozila. EMS upoređuje impulse sa točka sa referentnom brzinom i na taj način određuje ubrzanje i usporenje svakog od točkova. Na osnovu informacija od senzora za praćenje okretanja točka, ABS dozira moment kočenja na svakom točku posebno i sprječava blokiranje. U trenutku kad se određeni točak zaustavi, aktivira se senzor koji preko sklopa elektromagnetnih ventila snizuje pritisak ulja u kočionom cilindru, sve dok se kočioni moment toliko ne smanji da se točkovi počnu ponovo okretati. U tom trenutku senzor aktivira elektromagnetske ventile u suprotnom smjeru, pritisak ulja i intenzitet kočenja se povećava, pa se na granici blokiranja točka ciklus ponovo vraća na početak. Slikovito rečeno, uređaj obavlja kočenje 'na rate', sa frekvencijom od nekoliko desetina ciklusa u sekundi. Potrebno je još napomenuti da pored ovih podataka u programu ECU-a se moraju uzeti u obzir i podaci o tome da li je vozna površina suva ili klizava, jer je u ta dva slučaja različit pritisak ulja koji izaziva kočenje. Takvi podaci se omogućuju iz činjenice da je smanjivanje brzine točka na klizavoj površini brže i manji pritisak ulja dovodi do blokiranja točka dok je na suvoj površini obrnuto. Takođe, ECU prepoznaje nijansesporijeg okretanja unutrašnjih točkova prema centru kružnice koju vozilo opisuje ulazeći u zavoj. U nekim sistemima se pored ABS-a koristi i sistem podrške kočenju (engl. Brake Assist System - BAS) koji preuzima kontrolu nad kočionim sistemom u kritičnim situacijama. BAS je razvijen jer se ispitivanjem pokazalo da u kritičnim situacijama vozači pritisnu papučicu kočnice brzo, ali ne i dovoljno jako. U takvim

21

Primjena 2015

situacijama BAS proizvodi maksimalnu silu kočenja, čime se znatno skraćuje put kočenja, a pri tome ABS sprječava blokiranje točkova.

BAS čine:

• Upravljačka jedinica • Senzor pomaka papučice • Prekidač nultog položaja i • Uklopni magnet

BAS mora bez greške prepoznati kritične slučajeve kočenja. Ugrađeni senzor pomaka papučice (membranski senzor kretanja, potenciometar) registruje svaki pomak papučice kočnice i upravljačkoj jedinici prosljeđuje mjernu vrijednost.Tako se sistem informiše o vozačevu stilu kočenja. Neprestanim upoređivanjem podataka BAS trenutno prepoznaje kad se papučica koristi većom brzinom od normalne i zaključuje da je posrijedi kritična situacija. Čak i ako se papučica samo dijelić sekunde koristi brže od uobičajenih vrijednosti pohranjenih u memoriji, BAS kreće u akciju kako bi podržao vozačevu namjeru hitnog kočenja. Osim brzine pomicanja papučice, BAS u obradu uzima i brzinu vozila, te stepen istrošenosti kočnica. BAS aktivira uklopni magnet koji otvara radnu komoru pojačala sile kočenja, čime se postiže puna sila kočenja. ABS na sebe preuzima ulogu ograničenja klizanja točkova. Kad vozač makne nogu sa papučice kočnice, prekidač nultog položaja javlja upravljačkoj jedinici da isključi uklopni magnet i trenutno prekine automatski učinak kočenja.

5.2. Elektronski program stabilnosti

Elektronski program stabilnosti (engl. Electronic Stability Program - ESP ili engl. Electronic Stability Control - ESC) je elektronski sistem za poboljšanje dinamičke stabilnosti i upravljivosti, koji kočenjem pojedinim točkovima sprječava zanošenje i ispravlja putanju već zanesenog automobila. ESP je prva aktivna podrška upravljanju automobila, koja vozaču omogućuje da u slučaju gubitka kontrole lakše dođe na željenu putanju. Danas svi automobili, od kompaktne klase na više, barem u dodatnoj opremi imaju ESP. ESP je prvi put u automobile ugrađen 1995 godine, ali je ideja stara čitav vjek. Ideja je da se putanja ispravlja kočenjem pojedinih točkova, a na tom principu već gotovo čitav vijek funkcioniše upravljački sistem gusjeničara - kad se želi skrenuti desno zakoči se (blokira) desna gusjenica, i obrnuto. Kod automobila to se radi pomoću istovremenog automatskog smanjenja snage na pogonskim točkovima i kočenja točkova smještenih suprotno od smjera zavoja i zanošenja. Na slici je dat simbolički prikaz prednosti ESP-a kod uspostavljanja kontrole nad upravljanjem.

22

Primjena 2015

Slika 5.2.Prikaz prednosti ESP-a

Postoje dvije osnovne mogućnosti kada se ESP aktivira i to su: 1. preupravljivost (engl. oversteer) kad automobil proklizava zadnjim dijelom i okreće se prema unutrašnjoj ivici zavoja. Ova situacija se lako ispravlja, jer se s povećanjem poremećaja pojačava i mogućnost korektivnog djelovanja, odnosno povećava se opterećenje na prednjem vanjskom točku, pa on može efikasnije kočiti. 2. podupravljivost (engl. understeer), kad automobil proklizava prednjim dijelom i okreće se prema vanjskoj ivici zavoja i nastaje opasnost tangencijalnog izlijetanja iz zavoja. Mogućnost ispravljanja podupravljivosti je ograničena, jer sa povećanjem poremećaja smanjuje se mogućnost ispravaka, zbog toga što se zadnji unutrašnji točak rasterećuje (u ekstremnim slučajevima i podiže). ESC-om se upravlja na osnovu informacija dobijenih sa senzora: zakrenutost volana, brzina okretanja svakog točka, uzdužna i bočna brzina automobila, uzdužno i bočno ubrzanje automobila, a najvažnija je brzina kretanja automobila oko vertikalne ose (yaw rate). Na osnovu tih informacija precizno se računa položaj vozila u odnosu na željenu putanju, te se aktivira povremeno kočenje pojedinih točkova.

23

Primjena 2015

5.3. Sistem za sprečavanje pogonskog proklizavanja

Sistem za spriječavanje pogonskog proklizavanja (engl.Traction Control System – TSC) je elektronski sistem, koji u određenim uslovima osigurava najveću vučnu silu i spriječava nekontrolisano zanošenja automobila. Kad senzori registruju proklizavanje jednog od pogonskih točkova, ECU dozirano smanjuje snagu motora i kočnicama blokira diferencijal. Sprječavanjem pogonskog proklizavanja znatno su poboljšana vozne osobine i dinamička stabilnost automobila, pa je TSC postao dio obvezne opreme sportskih i skupljih automobila. Kad dođe do proklizavanja točkova, znatno se smanjuje vučna sila, uz potpuni gubitak bočnog vođenja (mogućnosti preuzimanja bočne sile). Automobili s prednjim pogonom tada tangencijalno izlijeću iz zavoja, a kod zadnjeg pogona dolazi do nekontrolisanog zanošenja repa i okretanja na putu. TSC nije samostalan sistem već se ugrađuje sa ABS-om. Osnovni mu je dio ABS, njegov senzorski sistem i isti ECU. Svaki je automobilski točak je opremljen senzorom obrtanja, a signali se obrađuju u ECU-u. Brzina obrtanja prednjeg desnog točka referentna je za zadnji desni točak, a isto je i na lijevoj strani. Kada se jedan pogonski točak počne okretati brže od slobodnog, elektronski se regulacijski sistem aktivira na dva načina: 1. dozirano smanjuje snagu motora (pogonski moment) i 2. aktivira kočnice s ABS-om. Tako svaki pogonski točak dobija pogonski moment najmanje jednak kočnom na suprotnom točku. Doziranim se kočenjem postiže efekt zatvarača diferencijala, te se sprječava gubitak vučne sile kad jedan pogonski točak izgubi kontakt s podlogom. Kao i većina sigurnosnih sistema i TCS ima mana.Budući da uspješno sprječava proklizavanje, prestaje i mogućnost kontrolisanog zanošenja zadnjeg kraja pogonskim momentom motora (power slide). Mana je i na tzv. kohezijskim podlogama (snijeg, suho blato), kada TSC više smeta nego koristi. Zbog toga se kod skupljih i specijalnih vozila može isključiti u vožnji.

5.4. Adaptivna kontrola kretanja vozila

Adaptivna kontrola kretanja (engl. Adaptive Cruise Control – ACC) je automatski uređaj

za podešavanje udaljenosti od vozila ispred, koji konstantno mjeri udaljenost između

vozila i po potrebi ubrzava ili zaustavlja automobil. Odnosi koje reguliše ACC su

prikazani na slici 5.4. Sistem ACC se nadograđuje na sistem 'tempomat' koji

elektronskim nadzorom održava brzinu automobila. Podešena se brzina upoređuje sa

izmjerenom te se po potrebi smanjuje. Održavanje brzine je uz kosinu ograničeno

raspoloživim momentom motora, a niz kosinu kočionom sposobnošću motora.

24

Primjena 2015

Slika 5.4.Odnos kojeg reguliše ACC

ACC ima svoju upravljačku jedinicu sa radarom, kao senzorom udaljenosti. Radar je

smješten u prednjem dijelu vozila u masci ili prednjim svijetlima. Radar radi na principu

Doplerovog efekta, mjereći relativnu brzinu u odnosu na automobil ispred. ACC se

može nalaziti u tri stanja rada, što je prikazano na slici 5.4.1. off stanje – onemogućen je

pristup u stanje pripravnosti 2. standby stanje – sistem je spreman da ga korisnik aktivira

3. active stanje – sistem upravlja brzinom automobila i u okviru ovog stanja razlikujemo

dva stanja:

• stanje kontrole brzine – ispred vozila se ne nalazi drugo vozilo i ACC ne mjenja brzinu

već je održava konstantnom.

• stanje kontrole razmaka – ACC snima vozilo ispred sebe i prema njemu prilagođava

brzinu

Slika 5.4.1.Modovi rada ACC-a

25

Primjena 2015

Vozač upravlja ACC-om preko skupa prekidača smještenih na volanu. Blok šema ACC

sistema je prikazana na slici.

Slika 5.4.2.Blok šema ACC sistema

5.5. Sistem za informisanje u mrtvom uglu

Sistem za informisanje u mrtvom uglu (engl.Blind-Spot Information System – BLIS)

koristi dvije digitalne kamere i napredni kompjuterski softver za detekovanje vozila u

vozačevom 'mrtvom uglu'. Nalazi se u prodaji od 2005. godine u Volvu. BLIS kontroliše

zone oko automobila koje vozač ne vidi. Kada neko vozilo uđe u jednu od tih zona, koja

je 9.5 metara duga i tri metra široka BLIS aktivira žuto upozoravajuće svijetlo, koje se

nalazi na samom retrovizoru. Područje pokrivenosti BLIS-a je prikazano na slici 5.5.

Princip rada je sledeći dvije digitalne kamere, svaka na po jednom retrovizoru, snimaju

do 25 slika sekundi, a softver upoređujući susjedne slike donosi zaključak da li se nalazi

neko vozilo u zoni koju vozač ne vidi. BLIS radi danju i noću, a u uslovima vrlo slabe

vidljivosti ne radi, ali tada sistem obavjesti vozača. Na rad BLIS-a ne utiču parkirana

vozila, stubovi uz cestu ili neke druge prepreke. Aktivan je na brzinama većim od 10

km/h i reaguje na vozila koja se voze do 20 km/h sporije ili 70 km/h brže od vlastitog.

26

Primjena 2015

Slika 5.5.Područje pokrivenosti BLIS-a

5.6. Sistem za upozoravanje pri prelasku pune linije

Sistem za upozoravanje pri prelasku putne linije (engl. Lane-Departure Warning System

– LDWS) detektuje nepoželjne prelaske preko crta pri brzinama većim od 80 km/h.

Sistem se uključuje kada vozilo pređe crtu. Princip rada je sledeći. Ako vozač pređe

preko crte na cesti, a da pri tome nije uključio pokazivač smjera sistem automatski

obavještava vozača vibriranjem sjedala. Postoje dva vibrirajuća motora ugrađena u

vozačevo sjedalo, pri čemu se jedan nalazi na lijevoj, a drugi na desnoj strani. To

omogućuje paljenje odgovarajućeg motora u zavisnosti od toga sa koje je strane vozač

prešao crtu. Sistem se aktivira pritiskom na dugme smješteno na kontrolnoj tabli vozila i

ostaje uključen sve dok vozilo radi. Da bi detektovao prelaske preko linije LDWS koristi

šest infracrvenih senzora. Senzori su smješteni u prednji odbojnik vozila i to po tri

komada sa svake strane. Svaki od njih ima crvenu emitirajuću diodu i detektirajuću

ćeliju. Prelaz preko crte se detektuje promjenom između reflektovane i primljene zrake.

Infinity je razvio svoj sistem koji ne koristi infracrvene senzore već kameru smještenu u

putničkoj kabini koja gleda na cestu kroz prednje staklo vozila, kao što je prikazano na

slici

27

Primjena 2015

Slika5.6.Infinity LDWS

Senzor može detekovati kako bijele, tako i privremene žute, crvene i plave oznake

korištene u nekim Europskim zemljama. Takođe, LDWS identifikuje pune i isprekidane

linije i ostale oznake kao što su strjelice za pokazivanje smjera, ali ne i nestandardne

simbole.

28

Primjena 2015

5.7. Vazdušni jastuci

Vazdušni jastuci i sigurnosni pojasi su trenutno najefektivniji sistemi za sprječavanje

ozbiljnih povreda prilikom saobraćajnih nesreća.Istraživanja su pokazala da kod 68%

slučajeva saobraćajnih nesreća vazdušni jastuci omogućuju dobru zaštitu, što je

prestavljalo osnovu za povećanje broja vozila u koje se ugrađuju.Sistem vazdušnih

jastuka je postao popularan i zbog toga što su sve komponente u jednoj jedinici, čime je

znatno smanjena količina žica i konekcija.

Komponente ovog sistema su:

• vozačevi i putnički vazdušni jastuci

• lampica za upozoravanje

• pirotehnički uređaj za napirivanje jastuka

• uređaj za paljenje

• senzor udara

• ECU

Vazdušni jastuci se prave od najlona sa posebno dizajniranim rupama za brzo

izduvavanje. Zapremina vozačevog vazdušnog jastuka je 60l, a suvozačkog 160l.

Lampica za upozoravanje se pali kada je detektovana greška u radu sistema ili u radu

pojedinih kola u sistemu. Pirotehnički uređaj za naduvavanje sadrži gorive pastile u

komori za sagorjevanje i kondenzator, koji proizvodi varnicu za paljenje. Gorive pastile

sagorjevaju veoma brzo i pri tome proizvode azot, koji prolazi kroz filter i puni jastuke.

Senzor udara je akcelerometar, najčešće piezoelektričnog tipa, koji detektuje negativno

ubrzanje koje nastaje prilikom udara od prepreku.

ECU je glavna upravljačka i dijagnostička jedinica. Upravlja radom sistema na osnovu

programa smještenog u memoriju i javlja eventualne greške paljeći upozoravajuću

lampicu. Blok dijagram ovog sistema je dat na slici

Slika 5.7.Blok dijagrama sistema vazdušnih jastuka

29

Primjena 2015

Sekvenca događaja je sledeća:

1. da bi se aktivirao vazdušni jastuk vozilo se mora kretati oko 35km/h 2. oko 15ms nakon što je senzor detektovao udar uređaj za paljenje pali gorivu

pastilu u uređaju za napirivanje 3. nakon 30ms vazdušni jastuk se odmotava, a u tom trenutku se vozač pomjera

unaprjed i sigurnosni pojas se zaključava 4. poslije 40ms vazdušni jastuk je u potpunosti naduvan i apsorbuje vozačevo

kretanje unaprjed 5. poslije 120ms vozač je vraćen nazad u sjedište, a jastuci se izduvavaju kroz

ventile.

Važno je napomenuti da ovaj sistem radi samo jednom i nakon što se vazdušni jastuci

aktiviraju, potrebno je ponovo implementirati ovaj sistem.

5.8. Multimedijalni sistemi – AutoPC

Revolucija u upotrebi informacionih tehnologija u automobilima postaje sve

rasprostranjenija, tako da napredne kompjuterske i komunikacione sisteme susrećemo

čak i u osnovnim tipovima automobila.Na slici 5.8.je prikazan AutoPC/Car multimedia

sistem. U početku je ovaj sistem bio veoma komplikovan za instalaciju i upotrebu i ne

dovoljno otporan, a koštao je previše. Danas su te mane uglavnom prevaziđene, tako da

Auto/PC postaje sve manji, jeftiniji i pristupačniji.

Slika 5.8.Auto/PC multimedia system

30

Primjena 2015

Baš kao i desktop PC, Auto/PC podržava različite programe, tako da će Auto/PC davati

vozaču govorna upustva za vrijeme dok putnici koriste Internet ili gledaju televiziju.

Auto/PC još omogućava dijagnostičke programe i program servisnog asistenta u slučaju

kvara na putu. Ova jedinica je takođe spremna primati FM radio signal, a može preuzeti i

ulogu CD player-a. Dodatni komunikacijski interfejs će omogućiti da se mobilnim

telefonom upravlja govornim instrukcijama i preko mobilnih servisa primaju poruke o

npr stanju u saobraćaju.

31

Primjena 2015

6. SISTEMI ZA UPRAVLJANJE RADOM MOTORA

Sistem za upravljanje radom motora (engl. Engine Management System – EMS)

možemo posmatrati kao tri vrlo važna sistema upravljanja:

• Sistem za upravljanje ubrizgavanjem goriva• Sistem za upravljanje paljenjem i • Sistem za upravljanje emisijom izduvnih gasova Kako sistemi upravljanog paljenja i

ubrizgavanja sadrže iste senzore došlo se na ideju da se ova dva sistema ujedine.

EMS prestavlja kombinaciju sistema upravljanja paljenjem i sistema upravljanja

ubrizgavanjem goriva, kao i upravljanja emisijom gasova.

6.1. Sistemi za upravljanje emisijom izduvnih gasova

Kako se zahtjevi za sve nižom emisijom nastavljaju, ovaj sistem upravljanja postaje sve

važniji.Mnogi proizvođači mjenjaju dizajn motora i njegovih dijelova (sistema

ubrizgavanja, komora za sagorjevanje, katalizatora i sl.) kako bi zadovoljili ove zahtjeve

i postigli što bolje performance.Osim promjene dizajna primjenjuju se i tehnike lamda

upravljanje i recirkulacije ispusnih gasova.

6.2. Zatvorena petlja lambda upravljanja

Trenutna regulacija obavezuje zatvorenu petlju kontrole mješavine vazduh-gorivo u spoju sa trokomponentnim katalizatorom. Lambda upravljanje je sistem sa povratnom vezom u kojem signal sa lambda senzora može direktno uticati na količinu ubrizganog goriva. Slika 6.1.prikazuje blok dijagram lambda upravljanja

Slika 6.2.Blok dijagrama labda upravljanja

Princip rada je sledeći: lambda senzor proizvodi napon koji je proporcionalan sadržaju

kiseonika u izduvnim gasovima, koji je dalje proporcionalan odnosu vazduhgorivo.

Idealno je da ovaj napon bude oko 450mV.Ako je napon koji prima ECU ispodove

vrijednosti (slaba smješa) količina ubrizganog goriva se blago povećava. Ako je

naponski signal iznad praga (bogata smješa) količina goriva se smanjuje. Promjena

32

Primjena 2015

odnosa vazduh-gorivo ne smije biti brza, jer može prouzrokovati greške u radu

motora.Da bi se ovo sprječilo ECU sadrži integrator, koji mjenja mješavinu tokom

određenog vremenskog perioda.Kašnjenje, takođe, postoji između formiranja mješavine

u centralnom uređaju za snadbjevanje i mjerenja izduvnog kiseonika, što je posljedica

cikličnog rada motora i brzine ulaska mješavine, vremena za koje emisija dopre do

senzora i vremena odziva senzora. Ovo vrijeme kašnjenja se ponekad naziva “mrtvo

vrijeme” i može biti veliko, oko jedne sekunde, pri praznom hodu, ali može biti i samo

nekoliko stotina milisekundi pri većim brzinama motora.

Tokom “mrtvog vremena” mješavina nemože biti upravljana do tražene vrijednosti λ=1,

gdje je λ odnos ubrizgane i potrebne količine goriva. Ako je integrator tako podešen

moguće je, uzimajući u obzir brzinu motora, zadržati vrijednost λ oko 0.971.03, što je

područje u kojem je katalizator najefikasniji.

6.3. Upravljanje emisijom kod dizel motora

Emisija kod kod dizel motora je smanjena promjenama u dizajnu komore za sagorjevanje

i tehnika ubrizgavanja.Takođe, emisija se može kontrolisati i elektronski. Naredne

tehnike se koriste za kontrolu emisije kod dizel motora:

• Recirkulacija izduvnih gasova- slično kao kod benzinskih motora, smanjuje emisiju NOx smanjivanjem temperature u komori za sagorjevanje, ali pri velikom procentu recirkulacije povećava se proizvodnja hidrokarbona i čađi

• Smanjenje temperature vazduha- vazduh prolazi kroz interkuler i hlađenjem vazduha smanjuje se emisija Nox

• Katalizatori- smanjuju količinu hidrokarbona, ali nisu efikasni za Nox• Filteri- koriste se za redukciju sporednih pojava, kao što je čađ.

6.4. Sistem za upravljanje ubrizgavanjem goriva

Osnovna namjena bilo kojeg tipa sistema ubrizgavanja goriva je tačna kontrola količine

goriva koja se ubrizgava u motor. Osnovni princip ubrizgavanja goriva je da ako se

benzin dodaje u ubrizgavač ili injektor (el. kontrolisanu cijev), pri konstantnom

diferencijalnom pritisku, tada će količina ubrizganog goriva biti direktno proporcionalna

vremenu za koje je injektor otvoren.

Većina sistema su danas elektronski upravljani čak i ako sadrže neke mehaničke mjerne

komponente, što dozvoljava da operacija sistema ubrizgavanja bude vrlo prilagodljiva

zahtjevima motora.

Podaci, operativni uslovi motora, su smješteni u ROM-u u ECU-u.Zatvorena kontrola

količine ubrizganog goriva dozvoljava optimalna podešavanja za jačinu mješavine kada

su uzeti u obzir svi operativni faktori. Dalje koristi od el. kontrole ubrizgavanja goriva su

da presjecanje prekoračenja može biti lako implementirano.

33

Primjena 2015

Sistemi za ubrizgavanje goriva mogu biti klasifikovani u dvije glavne kategorije:

1. Ubrizgavanje u jednu tačku (engl. Single-point injection) 2. Ubrizgavanje u više tački (engl. Multi-point injection)

Kod single-point sistema postoji jedan injektor, koji ubrizgava gorivo, kontinuirano

tokom trajanja impulsa ubrizgavanja, u centralni uređaj za snadbjevanje odakle se gorivo

dalje raspršuje u sitne kapljice i dostavlja cilindrima.Kod multi-point sistema postoji po

jedan injektor za svaki cilindar.

Ovi sistemi koriste jednu od dvije sledeće tehnike:

1. ubrizgavanje polovine traženog goriva, svaki put kada je klip blizu TDC-a 2. sekvencijalno ubrizgavanje

Danas se koriste sekvencijalni sistemi ubrizgavanja goriva, kod kojih se gorivo

ubrizgava samo pri indukcionom hodu klipa svakog cilindra pri paljenju motora. Ovaj

sistem dozvoljava raslojavanju opterećenja cilindara da bude upravljano do nekog

stepena, dozvoljavajući sveobuhvatno slabije opterećenje.

6.5. Komponente sistema za upravljanje ubrizgavanjem goriva

Slika prikazuje blok dijagram ulaza i izlaza opštih za većinu sistema za ubrizgavanje

goriva. Dva najvažnija senzorska ulaza u sistem su brzina i opterećenje.

Slika 6.5.Blok dijagrama sistema za upravljanje ubrizgavanjem goriva

34

Primjena 2015

Komponente sistema za ubrizgavanje su:

• Izduvni tip senzora količine vazduha – pomjera dospjeli vazduh u motor. Omogućava ECU-u informaciju o količini vazduha i opterećenju motora

• Senzor brzine motora – omogućava podatke o brzini, ali takođe i o položaju motora u nekim opsezima. Često se koristi i otpornik u serijskoj vezi da bi se obezbjedlo da na ECU ne dođe visok napon.

• Senzor temperature – jednostavni termistor koji omogućava informaciju o temperaturi koja hladi motor

• Senzor pozicije ventila – senzor koji sadrži dva prekidača, koji omogućuju informaciju da je ventil besposlen, pri punom optrećenju ili bilo gdje između. Postoji i potencimetarski tip ovog senzora koji omogućava detaljnije informacije

• Lambda sensor – omogućuje ECU-u informaciju o sadržaju kiseonika u izduvnim gasovima.

• Injektori goriva – vrlo jednostavne el. cijevi kojima upravlja solenoid, dizajnirane su tako da djeluju vrlo brzo i proizvedu konačan uzorak raspršen u sitne kapljice • Injektorski otpornik – koristi se u sistemima gdje je otpornost injektorskog namotaja vrlo mala. Niska induktivna reaktansa u kolu omogućava brže djelovanje injektora.

• Pumpa za gorivo – obezbjeđuje konstantno dodavanje goriva i mora biti u mogućnosti da obezbjedi pritisak od oko 3 bara.

• Regulator pritiska goriva – obezbjeđuje konstantan diferencijalni pritisak duž injektora. To je mehanički uređaj priključen na ulazni centralni uređaj za snadbjevanje.

• “Hladni start” injektor i termo-vremenski prekidač – obogaćuju mješavinu povećavanjem broja injektorskih impulsa ili njihove dužine trajanja.

• ECU

6.6. Sistemi za upravljanje paljenjem

Osnovna namjena sistema za upravljanje paljenjem je da isporuči varnicu u cilindar, u trenutku koji je blizu završetka procesa sabijanja (kompresije) klipa, da bi varnica zapalila punjenje vazduh-gorivo.Napon potreban za varnicu produkuju dva namotaja, primarni i sekundarni, koji su namotani oko istog čeličnog jezgra. Ako se jedan od namotaja pobudi, tada će taj namotaj proizvesti napon na drugom namotaju i što je broj namotaja žice na drugom namotaju veći to će produkovani napon biti veći. Da bi paljenje bilo što efikasnije, pored napona varnice bitan je i ugao pomjeraja ili tajming paljenja. Za optimum uspješnosti paljenja ugao pomjeraja mora biti takav da prouzrokuje maksimalan pritisak sagorjevanja, što se uglavnom dešava pri 10° nakon mrtve tačke, koja je poznata kao TDC (engl. Top Dead Centre). Idealan tajming paljenja zavisi od dva faktora brzine i opterećenja motora. Pri većim brzinama motora vrijeme koje je potrebno klipu da pređe istu distance je smanjeno. Manje opterećenje motora zahtjeva slabiju smjesu vazduh-gorivo, koja se pali sporije, dok veće opterećenje zahtjeva bogatiju smješu koja se pali brže. Tabelom 6.1.je dat osnovni pregled različitih tipova paljenja.

35

Primjena 2015

Slika 6.6.Tipovi paljenja

“Programirano paljenje” ili ESA (engl. Electronic Spark Advance) se razlikuje od ranijih

sistema, jer se proces paljenja u ovom slučaju digitalizovan. Informacija o operativnim

potrebama motora je programirana u memoriju unutar ECU. Podaci pohranjeni u ROM-

u su napravljeni tokom rigoroznih testiranja motora i daljnjeg razvojnog rada na vozilu

pod različitim operativnim uslovima.

Sistem programiranog paljenja ima nekoliko prednosti:

• Mjerenje vremena paljenja (tajming) može biti precizno prilagođeno induvidualnim aplikacijama u rangu operativnih uslova.

• Ostali kontrolni ulazi, kao što su temperatura hlađenja ili temperatura ambijenta mogu biti korisno upotrebljeni.

• Startovanje je poboljšano, potrošnja goriva i emisija su smanjeni, a kontrola praznog hoda je bolja

• Broj komponenti u sistemu paljenja je značajno smanjen. ESA može biti odvojen sistem ili kao dio sistema za ubrizgavanje goriva.

6.7. Komponente sistema programiranog paljenja

Slika prikazuje komponente programiranog sistema paljenja.

Slika 6.7.Komponente ESA sistema

36

Primjena 2015

Ulazne informacije i senzori koji se koriste su:

• Brzina i pozicija motora – senzor radilice. Senzor radilice detektuje promjenu reluktanse. Senzor sadrži permanentni magnet, namotaj i jezgro od mekog čelika i montiran je blizu diska. Disk ima 34 zuba, smještena na 10° intervala oko periferije diska. Disku nedostaju dva zuba, što razdvaja zube na po 180°, što je poznato kao pozicija prije TDC-a. Kako zubi sa diska prolaze jezgro senzora, reluktansa magnetnog kola se mjenja, što proizvodi napon na namotaju. Frekvencija oblikovanog signala je proporcionalna brzini motora. Nedostajući zub uzrokuje nedostatak izlaznog signala na osnovu čega se može odrediti pozicija motora.

• Opterećenje motora – sensor apsolutnog pritiska centralnog uređaja za snadbjevanje ili MAP (engl. Manifold Absolute Pressure) senzor. Opterećenje motora je proporcionalno pritisku u centralnom uređaju za snadbjevanje. U uslovima velikog opterećenja nastaje visok pritisak, a nisko opterećenje uzrokuje nizak pritisak. Ovi senzori su montirani u ECU ili kao posebna jedinica, a priključni su u usisnu cijev.

• Temperatura motora – senzor hlađenja. Temperatura hlađenja se mjeri jednostavnim termistorom i u mnogo slučajeva isti senzor se koristi za mjerenje temperature i da omogući informaciju za sistem ubrizgavanja goriva.

• Detonacija – knock sensor. Detonaciju uzrokuje prkoračenje tajminga. Senzor detonacije je akcelerometar, često piezoelektričnog tipa. Ovaj senzor je smješten u motoru između cilindara 2 i 3 kod četverocilindarskih motora. ECU prihvata signale sa knock senzora, signal sa senzora se zatim filtrira da bi se odvojio signal od neželjene buke, što sprječava da buka iz mehanizma cijevi bude interpretirana kao detonacija. Ako je detektovana detonacija, tajming paljenja se odlaže na četvrti impuls paljenja poslije detonacije (za četverocilindarske motore), sve dok detonacija ne bude više detektovana.

• ECU

37

Primjena 2015

7. SISTEMI ZA UPRAVLJANJE KLIMATIZACIJOM

Elektronski upravljan sistem za klimatizaciju omogućava da temperatura u kabini bude

upravljana do idealne ili najugodnije vrijednosti određene ambijentalnim uslovima.

Sistem još uvjek sadrži standardne komponente, ventilatore i grijače, ali sa važnim

dodatkom isparivačem (engl. Evaporator), koji i hladi i smanjuje vlažnost vazduha.

Klima uređajem se može upravljati ručno ili, što je često slučaj, u kombinaciji sa nekim

oblikom elektronskog upravljanja.

7.1. Komponente sistema za upravljanje klimatizacijom

Kod sistema za upravljanje temperaturom putnici upravljaju ulazom, a ECU upravlja

brzinom propelera, distribucijom vazduha, temperaturom vazduha, recirkulacijom

vazduha i pumpom klima uređaja. Na slici je prikazan blok dijagram sistema za

upravljanje klimom.

Slika 7.1.Blok dijagram sistema za klimatizaciju

Senzori koji omogućuju ulaze ECU-u su:

• Senzor ambijentalne temperature, koji je montiran izvan vozila, obezbjeđuje kompenzaciju za ekstremne temperaturne razlike.

• Senzor sunčeve svjetlosti, koji je u principu fotodioda, koja omogućava mjerenje sunčeve svjetlosti iz koje ECU može odrediti da li da pojača ventiliranje vazduha.

• Senzor temperature u automobilu je jednostavni termistor, koji omogućava malom motoru i ventilatoru da uzmu uzorak unutrašnjeg vazduha i dovedu ga na odgovarajuće senzorske elemente.

• Senzor temperature hlađenja se koristi da kontroliše temperaturu hlađenja. Ovaj senzor se koristi da sprječi djelovanje sistema ispod temperature hlađenja koja je dovoljno visoka za unutrašnjost vozila.

• Ulazni kontrolni prekidači.

38

Primjena 2015

ECU uzima informacije iz svih izvora i podešava sistem na najpodesniji način kako je

određeno softverom. Upravljanje ventilatorima se može vršiti solenoidom kontrolisanim

vakuumskim aktuatorom ili malim motorom. Ovaj sistem obezbjeđuje ugodnu unutrašnju

temperature kada su spoljašnja temperature između -10 do +35°C.

7.2. Princip rada sistema za klimatizaciju

Da bi se razumio princip rada sistema za klimatizaciju važno je napomenuti da će nizak

pritisak tečnosti za hlađenje smanjiti temperaturu, a visok pritisak će povećati

temperaturu.

Operacija sistema je neprekidan krug. Kompresor pumpa tečnost za hlađenje pod niskim

pritiskom, izuzimajući toplotu skupljenu u pari iz isparivača, i pod visokim pritiskom je

dostavlja zgušnjivaču (engl. Consender) , gdje para mjenja stanje u tečno.

Ova tečnost pod visokim pritiskom tada prolazi kroz uređaj koji je isušuje, gdje se para

koja još nije vraćena u tečno stanje pohranjuje, zatim tečnost pod visokim pritiskom

prolazi kroz termostatičku ekspanzionu cijev i konvertuje se opet u tečnost niskog

pritiska kako prolazi kroz prigušni ventil u isparivaču. Kako tečnost mjenja stanje u

gasovito u isparivaču, ona uzima toplotu iz okruženja i na taj način hladi vazduh. Para

pod niskim pritiskom napušta isparivač, vraća se u pumpu i na taj način kompletira

ciklus.

Slika7.2.1. Princip rada sistema za klimatizaciju

39

Primjena 2015

Slika7.2.2. prikaz dijelovi klime uređaja u automobilu

7.3. Ostali sistemi za zagrijavanje

Zagrijavanje sjedišta

Koncept zagrijavanja sjedišta je vrlo jednostavan. Toplotni element, zajedno sa on – off

prekidačem i regulatorom toplote je smješten u sjedište. Dodati su i senzori temperature.

Toplotni element je kabl poznat kao Sine Cable i u principu je legura bakra. Slika

7.3.prikazuje ovaj kabl smješten unutar sjedišta.

Slika 7.3.Toplotni elemnti za zagrijavanje sjedišta

40

Primjena 2015

Regulacija se vrši termostat prekidačem u kombinaciji sa elektronskim upravljanjem uz pomoć termistora. Elektronsko upravljanje se vrši pomoću prekidača potenciometra i tajmerskih funkcija i omogućava da se izabere temperature sjedišta koja se u potpunosti reguliše u tri minuta.

7.4. Zagrijavanje prozora

Zagrijavanje prozora se vrši jednostavnim elektronskim kolom, koje se sastoji iz

toplotnog elementa, releja sa tajmerom i prekidača. Kada struja prođe kroz toplotni

element generiše se toplota koja odmrzava staklo. Ova struja je od 10 do 15A i zbog toga

kolo sadrži relej sa tajmerom da spriječi predugo zagrijavanje. Tajmer prekida

zagrijavanje nakon 10 – 15 min. Toplotni element je od vrlo tanke žice i smještan je kod

brisača tako da odmrzava glavno područje prednjeg stakla. Ova tehnologija je preuzeta

iz avio – industrije.

Slika 7.4.Zagrijavanje prozora u autu i cijele unutrašnjosti

41

Primjena 2015

8. ZAKLJUČAK

Današnji stepen razvoja i primjene savremenih tehnologija ne bi bio moguć bez dostignuća u elektronici. U posljednjih 50 godina napravljeni su veliki koraci kako u razvoju same elektronike, tako i posljedično u svim granama industrije u kojima je zastupljena. Napredak u automobilskoj industriji se dešava svakodnevno, svaki dan se povećava broj ugrađenih elektronskih komponenti, digitalnih računara te se razvijaju novi načini umrežavanja. Ugrađivanje velikog broja elektronskih komponenti je povećalo performanse, ali i sigurnost automobila. Pad cijene i porast pouzdanosti elektronskih komponenti, uticao je na razvoj najrazličitijih funkcija. Sve veći broj postojećih sistema u automobilu je unaprjeđen uvođenjem mikroprocesorskog upravljanja, a pojavljuju se i novi sistemi koji pružaju nove mogućnosti. Bez mikrokontrolera u automobilima danas nebi bilo moguće postići sve zahtjeve za performansama i sigurnosti automobila. Takođe, ne bi bilo moguće išpoštovati sve veće i strožije zahtjeve o smanjenju zagađivanja okoline.

Slo ž eni mikroelektroni č ki sklopovi doprinose implementaciji elektronike u sve funkcije u automobilu , tako da udio elektronike u dana š njim automobilima prema š uje 20% ukupne proizvodne cijene . Procjenjuje se da je vi š e od 80% inovacija u automobilskoj industriji bazirano na elektroni č kim sustavima .

42

Primjena 2015

LITERATURA:

1) http://www.pfri.uniri.hr/knjiznica/NG-dipl.TOP/155-2013.pdf 2) http://www.sk.co.rs/2005/01/skpr01.html 3) http://www.slideshare.net/marinko/automatska-dijagnostika-elektronskih-sistema 4) http://spvp.zesoi.fer.hr/seminari/2007/seminari/

VrbanekIvan_DaljinskiUpravljiviAutomobili.pdf5) http://www.ameerkabob.com/article/sto-elektronicki-upravljacki-modul-

uciniti.html6) www.can.bosh.com 7) Anti-lock braking system - Wikipedia, the free encyclopedia,

http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system8) Electronic Stability Control (ESC),

http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_Stability_Program9) Traction control - Wikipedia, the free encyclopedia,

http://en.wikipedia.org/wiki/Traction_control10) Blind-Spot Information Syste , http://www.mynrma.com.au/blis.asp11) http://www.citroen.com/cww/en-US/technologies/security/afil/ 12) http://www.onstar.com 13) http://en.wikipedia.org/wiki/Engine_Control_Unit

43