گزارش کارآموزی کنترل الکترونیکی موتور دیزل در شرکت زامیاد واحد خدمات پس از فروش

مقدمه

امروزه دیگر از خودروهای پر سر و صدا که دود می کنند خبری نیست. دیگر صحبت از شتاب گیری ضعیف نیست. اکنون اول آلایندگی بعد شتاب و توان قابل قبول، مطرح است. امروزه استفاده از موتور دیزل در خودروها بشدت افزایش یافته و دیگر کسی با دید قبلی به این خودروها نمی نگرد، بلکه نام دیزل یک موتور کم مصرف، پاک و کم هزینه را تداعی می کند.

همه این ها مرهون سیستم های کنترل الکترونیک است که موتورهای دیزل را بهبود بخشیده است. البته اگر طراحی بهینه ای انجام شود سیکل دیزل به گونه ای است که همیشه حجم هوای اضافه در سیلندر موجود است. با استفاده از این موضوع و ایجاد شرایط احتراق کامل موتور دیزل فوق العاده موتور پاکی است در ضمن این سیکل این اجازه را می دهد تا از سوخت های دیگر مانند سوخت های گیاهی و سوخت های ترکیبی نیز استفاده نمود.

با این همه الکترونیک کار را بسیار آسان نموده است. در سیستم های جدید کنترل بهتر و محسوس تری انجام می گیرد که با بالا بردن فشار سوخت به احتراق بهتر و شتاب بیشتر کمک می نماید. برای جلوگیری از کوبش و کاهش صدای موتور از پیش پاشش یا پاشش ترتیبی استفاده می شود. در بعضی سیستم ها نیز می توان از پس پاشش بعنوان یک عامل برای کاهش آلایندگی استفاده کرد.

در این پروژه با چگونگی عملکرد سیستم های کنترل سوخت رسانی موتورهای دیزل (EDC) ، واحد کنترل الکترونیکی (ECU) (در خودرو به هر واحد هوشمند الکترونیکیECU گفته می شود. اما این واژه بیشتر در مورد کنترلر موتور بکار برده می شود.) ، برخی سنسورها و عملگرهای موتور دیزل که در خودروها و وسایل نقلیه تجاری کاربرد دارند و پیرامون این سیستم ها و اجزای مرتبط با آنها آشنا می شویم. این سیستم ها انحصاری است و قوی ترین، قدیمی ترین و کامل ترین آنها متعلق به شرکت بوش می باشد. البته شرکت های دیگری نیز وارد این عرصه شده اند مانند دلفی و غیره، ولی در ابتدای راه می باشند. شرکت بوش با توسعه پمپ های قدیمی (مکانیکی) خود و استفاده از الکترونیک در پمپ های جدید در دنیای دیزل حرف اول را می زند.

بطور خلاصه روش کار در موتورهای دیزل مجهز به EDC بدین صورت است که: ابتدا برخی کمیتها مانند دما ، فشار ، ضربه ، دور موتور و وضعیت پدال گاز توسط سنسورها دریافت و به EDC گزارش می شوند. سپس EDC با استفاده از جداول و فرمول های از پیش تعیین شده موجود در حافظه خود ، یک سری سیگنال‌های الکتریکی تولید کرده و به عملگرها می فرستد. عملگرها نیز به نوبه خود سیگنالها را به کمیت‌های غیر الکتریکی مانند مکانیکی در شیر برقی ، دما در هیتر و غیره تبدیل می‌کنند و در نهایت عملکرد موتور به بهترین شکل ممکن کنترل می شود.   

اینجانب تلاش نمودم تا با جمع آوری و ترجمه متون شرکت بوش و اطلاعات سایت شرکت بوش مجموعه اطلاعات مفیدی را گردآوری نمایم، امیدوارم سودمند واقع گردد.

عرفان یادگاری

بهار 88     

فصل اول

کنترل الکترونیکی دیزل EDC (Electronic Diesel Control)

هدایت الکترونیکی مدرن موتور دیزل امکان تغییر و تنظیم دقیق و با اختلاف کم مقادیر تزریق را فراهم می‌کنند. فقط این چنین خواسته‌های فراوان موتور امروزی می‌توانند برآورده شوند. کنترل الکترونیکی دیزل EDC

 (Electronic Diesel control)در سه گروه سیستم سنسورها، مقایسه‌کننده‌ها با مقادیر ایده‌آل (پردازنده) و عملگرها تقسیم‌بندی می‌شوند.

الگوریتم 1-1 اجزای اصلی EDC.

نگاه اجمالی به سیستم

کنترل الکترونیکی دیزل مدرن EDC به واسطه توان محاسباتی شدیداً افزایش یافته میکروکنترل‌های امروزی در موقعیتی است که بتواند خواسته‌های فوق‌الذکر را برآورده سازد.

برخلاف خودروهای دیزلی با پمپ‌های انژکتور که رگلاتورهای سنتی مکانیکی داشتند، راننده در یک سیستم EDC تاثیر مستقیمی بر حجم سوخت تزریقی (مثلاً از طریق پدال گاز و یا سیم‌کشی) ندارد. حجم سوخت تزریقی بیشتر توسط کمیت‌های مؤثر گوناگون معین می‌شود. از جمله آنها عبارتند از:

- خواسته (واکنش) راننده (وضعیت پدال گاز)

- شرایط کارکرد

- دما موتور

- تاثیرات بر انتشار مواد آلاینده و غیره

مقدار سوخت تزریقی براساس این کمیت‌های تاثیرگذار در پردازنده محاسبه می‌گردد. همچنین لحظه تزریق نیز می‌تواند تغییر یابد و  این مستلزم یک برنامه اطمینان بخش است که تفاوت‌ها و تغییرات را تشخیص دهد و به تناسب تاثیرات، تدابیر متناسب را اجرا کند (مثلاً محدود کردن گشتاور و یا افزایش دور ضروری در دور آرام). در EDC به همین دلیل چند مدار تنظیم وجود دارد.

کنترل الکترونیکی دیزل همچنین تبادل اطلاعات و داده‌ها را با سیستم‌های الکترونیکی دیگر در خودرو مانند مثلاً کنترل لغزش خودرو (ASR)، کنترل الکترونیکی جعبه دنده (EGS) یا برنامه پایداری الکترونیکی (ESP) امکان‌پذیر می‌سازد. به این ترتیب کنترل موتور می‌تواند در سیستم کلی خودرو یکپارچه شود.

(مثلاً کاهش گشتاور موتور در هنگام تعویض اتوماتیک دنده، تطبیق گشتاور موتور با چرخ‌ها، آزاد کردن تزریق سوخت توسط سیستم ضد سرقت و غیره).

سیستم EDC کاملاً در سیستم عیب‌یابی خودرو یکپارچه شده است. آن همه خواسته‌های
(On-Board Diagnosis)، (European OBD) EOBD, OBD یا OBD اروپایی را برآورده می‌کند.

الزامات

کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌ها به همراه افزایش همزمان در توان و عملکرد و همچنین گشتاور چرخشی توسعه کنونی در حوزه تکنولوژی دیزل را طلب می‌کند. این موضوع در سال‌های اخیر منجر به کاربرد افزاینده سیستم‌های تزریق مستقیم (DI) در موتورهای دیزل شده است که در آنها فشار تزریق در برابر سیستم‌های تزریق غیرمستقیم (IDI) با اتاق چرخش هوا و روش اتاقک پیش احتراق به وضوح بیشتر است. از این طریق ساخت مخلوط سوخت و هوا بهتر انجام می‌شود.

قطرات ریز سوخت که به خوبی در هوا پخش شده‌اند آسان‌تر محترق می‌شوند. این چنین هیدروکربن‌های (HC) نسوخته کمتر در گاز خروجی به وجود می‌آیند. به علت تشکیل مخلوط بهتر و عدم از بین رفتن جریان بین اتاق پیش احتراق و اتاقک چرخش هوا با اتاق احتراق اصلی، مصرف سوخت موتورهای تزریق مستقیم نسبت به موتورهای با تزریق غیرمستقیم حدود10 تا 20% کاهش یافته است.

علاوه بر آن توقعات در مورد راحتی و آسایش رانندگی نیز بر خواسته‌های ما از موتور دیزل تاثیر می‌گذارند. در مساله کاهش سروصدا و انتشار مواد مضر (NOX، CO، HC, ذرات معلق) نیز خواسته‌های بالاتری مطرح می‌شوند. این موضوع منجر به توقعات بیشتر از سیستم انژکتور و تنظیمات آن در مورد

- فشارهای تزریق بالا

- فرم مسیر پاشش

- شروع تزریق متغیر

- پیش پاشش و در صورت نیاز پس پاشش

- در هر شرایط کارکرد، مقدار مناسب تزریق سوخت، فشار هوای ورودی و شروع تزریق

- مقدار سوخت حالت استارت بسته به دما

- تنظیم دور آرام مستقل از بار

- تنظیم سرعت حرکت خودرو

- باز خوراندن گاز خروجی تنظیم شده

- تلرانس‌های کوچک لحظه تزریق و مقدار تزریق سوخت و دقت بالا در مدت طول عمر خودرو (رفتار طولانی مدت)

سیستم‌های کنترل دور سنتی به وسیله ابزارهای تطابق گوناگون شرایط کارکرد موتور را دریافت کرده و کیفیت بالای ساختن مخلوط احتراق را تضمین می‌کنند. آنها البته در یک مدار تنظیم ساده روی موتور محدود می‌شوند و نمی‌توانند کمیت‌های مؤثر مهم مختلف را به سرعت دریافت کنند و یا اصلاً نمی‌توانند دریافت کنند.EDC با خواسته‌های در حال افزایش از یک سیستم ساده با مقادیر تنظیم الکتریکی به یک سیستم کنترل موتور پیچیده که تعداد زیاد از داده‌ها را در زمان واقعی می‌تواند پردازش کند توسعه یافته است.

1-3 بخش‌های سیستم

کنترل الکترونیکی دیزل EDC به سه قسمت تقسیم می‌شود.

1_پردازنده اطلاعات، سنسورها و نشانگرهای مقادیر درخواستی را طبق الگوهای محاسباتی ریاضی مشخص (الگوریتم‌های کنترل) پردازش می‌کند. آن سپس به عملگرها با سیگنال‌های خروجی الکتریکی فرمان می‌دهد. ضمنآً پردازنده، رابطه با سیستم‌های دیگر و نیز با رابط عیب‌یابی (Diagnostic) برقرار می‌سازد.

2_ حسگرها و نشانگرهای مقدار خواسته راننده، شرایط کاری (مثلاً دور موتور) و مقادیر خواسته راننده (مانند وضعیت پدال گاز) دریافت می‌کنند. آنها کمیت‌های فیزیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.

3_عملگرها سیگنال‌های الکتریکی خروجی از پردازنده را به کمیت‌های مکانیکی مبدل می‌کنند. (برای نمونه شیر برقی سیستم تزریق سوخت).

شکل 1-1 نگاه اجمالی اجزای EDC برای پمپ های تزریق سوخت ردیفی (خطی).

شکل1-2 نگاه اجمالی اجزای EDC برای پمپ های توزیع کننده VE..EDC مارپیچ (هلیکس) و کنترل دریچه (مجرا).

شکل1-3 نگاه اجمالی اجزای EDC برای پمپ های توزیع کننده کنترل شیر برقی VE..MV,VR.

شکل1-4 نگاه اجمالی اجزای EDC برای سیستم های یونیت انژکتور در خودروهای سواری.

شکل1-5 نگاه اجمالی اجزای EDC برای سیستم های یونیت انژکتور (UIS) و سیستم های یونیت پمپ (UPS) در وسایل نقلیه تجاری.

شکل1-6 نگاه اجمالی اجزای EDC برای سیستم های ریل مشترک (CRS) در خودروهای سواری.

شکل1-7 نگاه اجمالی اجزای EDC برای سیستم های ریل مشترک (CRS) در وسایل نقلیه تجاری.

فصل دوم

واحد کنترل الکترونیکی ECU (Electronic Control Unit)

با فن‌آوری دیجیتال مدرن امکانات متنوعی برای هدایت خودرو به وجود آمده‌اند. بسیاری از کمیت‌های فیزیکی مؤثر، می‌توانند همزمان تاثیر خود را بگذارند، طوری که سیستم‌ها به صورت بهینه کار کنند. پردازنده مرکزی سیگنال‌های الکتریکی سنسورها و نشان‌دهنده کمیت‌های درخواستی راننده را دریافت می‌کند. آن را ارزیابی می‌کند و سیگنال های کنترلی را برای هدایت عملگرها محاسبه می کند. برنامه پردازشگر در یک حافظه ذخیره شده است اجرای برنامه به عهده یک میکروکنترلر است.

2-1 وضعیت عملکرد

خواسته‌های زیاد و سطح بالایی از یک پردازنده وجود دارد و البته در ارتباط با:

- دمای محیط (در حرکت معمولی خودرو بین40- تا 85+ درجه سانتیگراد برای خودروهای سنگین و40- تا 70+ درجه سانتیگراد برای سواری)

- توانایی مقاومت در برابر مواد موجود در موتور (روغن، سوخت و غیره)

- رطوبت موجود در محیط

- تحریک مکانیکی مانند ارتعاشات ناشی از موتور

2-2 طرح و ساختار

پردازنده در یک محفظه فلزی قرار دارد. سنسورها، عملگرها و تغذیه جریان از طریق یک رابط دارای پین‌های بسیار زیاد به پردازنده متصل می‌گردند. اجزای ساختاری عملکرد جهت هدایت مستقیم عملگرها چنان در محفظه پردازنده یکپارچه شده‌اند که یک عایق حرارتی بسیار خوب نسبت به محفظه تضمین شود.

در هنگام نصب پردازنده روی موتور گرمای محفظه می‌تواند از طریق صفحه خنک تعبیه شده، به سوخت که دور پردازنده جریان دارد، منتقل شود (خنک‌کننده پردازنده، فقط خودروهای سنگین).

اغلب اجزای تشکیل‌دهنده الکترونیکی به صورت فن‌آوری SMD (اجزای مونتاژ شده روی سطح) ساخته می‌شوند. فقط بعضی اجزای عملکردی و سوکت ها سیم‌کشی شده‌اند. این موضوع یک ساختار دارای وزن کم ولی با فضای زیاد را ممکن می‌سازد.

شکل 2-1 طرحی از یک ECU برای سیستم ریل مشترک با انژکتور درون پیزو.

1- کلید مد تغذیه برق قدرت با تثبیت کننده ولتاژ        7- ASIC برای راه اندازی طبقه محرک

2- حافظه EPROM                                         8- ذخیره ولتاژ بالا (حامل شارژ ولتاژ بالا)

3- خازن پشتیبان باتری (برای تولید ولتاژ بالا)            9- اتصال

4- حسگر فشار جو                                           10- اتصال طبقه محرک

5- تغذیه برق قدرت ولتاژ بالا                                11- کلید چندگانه (چندفاز) طبقه محرک

6- طبقات محرک قدرت بالا

3 پردازش داده‌ها

سیگنال‌های ورودی

سنسورها به همراه عملگرها، رابطه بین خودرو و پردازنده را به عنوان واحد پردازش برقرار می‌سازند.

سیگنال‌های ورودی آنالوگ

سیگنال‌های ورودی آنالوگ می‌توانند هر مقدار ولتاژ را بدون محدودیت در یک محدوده مشخص بپذیرند مثال‌هایی از کمیت‌های فیزیکی که به عنوان مقادیر آنالوگ آماده می شوند، مقدار دبی هوای ورودی، ولتاژ باتری، فشار داخل مانیفولد هوا و فشار هوای ورودی به موتور، دمای هوای مکیده شده و مایع خنک‌کن موتور هستند. آنها توسط یک مبدل آنالوگ دیجیتال (مبدل A/D) در میکروکنترلر پردازنده به مقادیر دیجیتال تبدیل می‌شوند که میکروپروسسور با آنها می‌تواند محاسبات را انجام دهد. مقدار تفکیک سیگنال وابسته به تعداد مرحله‌های تبدیل است.

سیگنال‌های ورودی دیجیتال

سیگنال‌های ورودی دیجیتال فقط دو حالت دارند: بالا و پایین. مثال‌هایی از سیگنال‌های ورودی دیجیتال سیگنال‌های کلید (خاموش / روشن) و یا سیگنال سنسورهای دیجیتال مثل پالس‌های دور موتور در سنسور هال هستند. آنها

می‌توانند مستقیماً توسط پردازنده پردازش شوند.

سیگنال‌های ورودی به شکل پالس

سیگنال‌های ورودی به شکل پالس از سنسورهای القایی با اطلاعاتی درباره دور موتور و علامت مربوط در یک بخش مداری در پردازنده آماده‌سازی می‌شوند. در این حال پالس‌های نویز از بین می‌روند و سیگنال‌های پالسی شکل به سیگنال‌های مستطیلی مبدل می‌شوند.

آماده‌سازی سیگنال

سیگنال‌های ورودی با یک مدار محافظ به حداکثر ولتا مجاز محدود می‌شوند. سیگنال مفید توسط فیلتر کردن تا حد زیادی از سیگنال‌های مزاحم همراه خود رها می‌شوند و در صورت نیاز توسط تقویت‌کننده به حد ولتاژ ورودی مجاز پردازنده تطبیق می‌یابند. بسته به درجه یکپارچه بودن سنسور، آماده‌سازی سیگنال می‌تواند بخشی از آن یا کل آن در سنسور اتفاق بیفتد.

پردازش سیگنال

پردازنده، مرکز کنترل جریان عملکرد است. در میکروکنترلر، الگوریتم‌های کنترل و تنظیم اجرا می‌شوند. سیگنال‌های ورودی که توسط سنسورها و نشان‌دهنده‌های مقدارهای خواسته راننده و رابط‌ها برای سایر سیستم‌ها آماده شده‌اند، به عنوان کمیت‌های ورودی هستند. آنها در پردازشگر یک بار دیگر تغییر می‌یابند و به کمک برنامه و خط مشخصه و میدان مشخصه، سیگنال‌های خروجی محاسبه می‌شوند. یک کوارتز میکروکنترلر را زمان‌بندی می‌کند.

حافظه برنامه

میکروکنترلر یک برنامه احتیاج دارد که در یک حافظه نوع سخت (ROM یا EPROM) قرار دارد، به علاوه داده‌های خاص (داده‌های منفرد، خطوط مشخصه و میدان‌های مشخصه) در این حافظه موجود هستند. در این جا اطلاعات غیرقابل تغییر هستند، که در زمان کار خودرو نیز نمی‌توانند تغییر کنند.

تعداد زیاد مدل‌های خودرو، که مجموعه‌های داده‌های مختلفی را طلب می‌کنند، یک سیستم و شیوه را جهت کاهش انواع مدل‌های پردازنده موردنیاز برای سازندگان خودرو را طلب می‌کند. در این مورد محدوده حافظه جهت کاهش انواع مدل‌های پردازنده‌های موردنیاز برای سازندگان خودرو را طلب می‌کند. در این مورد محدوده حافظه کامل (FEPROM) Flash EPROM با برنامه و مجموعه‌های داده مختص مدل مربوط در پایان تولید خودرو برنامه ریزی می‌شوند (برنامه‌سازی پایان خط تولید EOL: End Of Line) یک امکان دیگر نیز این است

که در حافظه، چندین مدل گوناگون از داده‌ها (مثلاً داده‌های کشورهای مختلف) داده شوند که سپس از طریق برنامه‌نویسی در انتهای خط تولید انتخاب شوند.

حافظه داده‌ها

یک حافظه قابل نوشتن و خواندن (RAM) لازم است تا داده‌هایی قابل تغییر مانند مقادیر محاسبه‌ای و مقدارهای سیگنال‌ها را ذخیره کند. RAM برای عملکرد خود احتیاج به تغذیه دائم برق دارد. در صورت خاموش شدن پردازنده با بستن سوییچ این حافظه، کلیه موجودی داده‌های خود را از دست می‌دهد (حافظه فرار). مقادیر تطبیقی (مقادیر دریافت شده از طریق شرایط موتور و شرایط کارکرد خودرو) باید در این حالت پس از روشن شدن دوباره پردازنده مجدداً دریافت شوند. داده‌هایی که نباید از دست بروند (مثلاً کدهای دزدگیر یا ذخیره‌کننده عیوب خودرو) باید همواره در یک EEPROM ذخیره شوند، موجودی اطلاعات در این حافظه حتی در صورت جدا کردن سر باتری نیز از بین نمی‌روند.

الگوریتم 2-1 پردازش سیگنال در ECU .

ASIC

به خاطر پیچیدگی در حال افزایش عملکردهای پردازنده، توان محاسباتی میکروکنترلر کفایت نمی‌کند. در اینجا ASIC (مدار یکپارچه ویژه کاربرد Application Specified Integrated Circuit) کمک می‌کند این ICها طبق الگوی توسعه پردازنده طراحی و ساخته شوند. آنها مثلاً شامل یک RAM اضافی، ورودی‌ها و خروجی‌ها هستند و می‌توانند سیگنال‌های PWM تولید کنند و به بیرون دهند.

مدول کنترل

پردازنده از یک مدول کنترل برخوردار است که در ASIC یکپارچه شده است. میکروکنترلر و مدول کنترل یکدیگر را کنترل می‌کنند. در صورتی که یک خطا تشخیص داده شود، آنها هر دو مستقل از یکدیگر سیستم تزریق را خاموش کنند.

سیگنال‌های خروجی

میکروکنترلر با سیگنا‌ل‌های خروجی مرحله پایانی را کنترل می‌کند، این مراحل پایانی در برابر اتصال کوتاه به بدنه و یا ولتاژ باتری و همچنین در برابر خراب شدن در اثر اضافه بار الکتریکی حفاظت شده است. این خطاها و نیز سیم‌های پاره شده و یا اشکالات سنسور توسط کنترلر تشخیص داده شده و به میکروکنترلر اعلام می‌شوند.

سیگنال‌های کلیدزنی

با سیگنال‌های کلیدزنی عملگرها می‌توانند روشن و خاموش شوند. (مثلاً فن موتور)

سیگنال‌های PWM

سیگنال‌های خروجی دیجیتال می‌توانند به عنوان سیگنال‌های PWM بیرون داده شوند. این سیگنال‌های مدوله پالس گسترده سیگنال‌های مستطیلی شکل با فرکانس ثابت ولی زمان خاموش و روشن شدن متغیر هستند. با این سیگنال‌ها مبدل‌های الکترونیوماتیکی در هر موقعیتی می‌توانند کنترل و فرماندهی شوند. (مثل شیر بازخوراندن دود خروجی).