Lachgas installeren is serieuze zaak
Geen angst voor motorschade bij juist
gebruik
Motormanagement makkelijk gemaakt (1)
Grondbeginselen van injectie en ontsteking uitgelegd
8 Oktober 2004
Het 'brein' in (vrijwel) alle moderne auto's doet
normaal gesproken onopvallend zijn werk: zorgdragen voor een
schone en efficiënte verbranding in de motor onder een breed
scala aan bedrijfsomstandigheden. Motormanagementsystemen
zijn over het algemeen betrouwbaar en vragen zelden of nooit
onderhoud. Maar als het dan een keer misgaat, dan zijn er -
tot ergernis van de betrokken automobilist - vaak meerdere
garagebezoeken nodig om het probleem te traceren en op te
lossen. Als het wordt opgelost. Voor een buitenstaander
lijkt het motormanagement dan ook een hopeloos ingewikkelde
'toverdoos' die alle pogingen de werking ervan te
doorgronden met succes weerstaat.
Bij alle - al dan niet reële - complexiteit wordt vaak
vergeten dat zelfs het meest uitgebreide
motormanagementsysteem van een benzinemotor uiteindelijk
twee basale functies vervult:
- Het toedienen van de juiste hoeveelheid brandstof
aan de motor
- Het op het juiste tijdstip genereren van een vonk
Afgezien daarvan kan een motormanagementsysteem nog een
aantal nevenfuncties vervullen zoals het regelen van het
stationair draaien van de motor, laaddrukregeling van een
eventueel aanwezige turbo- of mechanische compressor, et
cetera.
We zullen hier
later op terugkomen. Een volledig motormanagementsysteem
bestaat dientengevolge uit (minstens) twee subsystemen; het
brandstofinjectiesysteem en het ontstekingssysteem. Het is
ook mogelijk om slechts één van de twee toe te passen:
elektronische brandstofinjectie in combinatie met een
conventionele ontstekingsverdeler of computergestuurde
regeling van het ontstekingstijdstip in combinatie met
carburateurs voor het brandstofmengsel. Het eerste zien we
vaak bij 'oudere' toepassingen van motormanagement, terwijl
het laatste veel voorkomt bij motorfietsen en
aftermarkettoepassingen (klassiekers, kit cars, autosport
e.d.).
Eisen
Het door een verbrandingsmotor geleverde vermogen wordt
bepaald door het beschikbare draaimoment en het
motortoerental. Het draai- of koppelingsmoment (in het
dagelijks taalgebruik veelal aangeduid met 'koppel')
ontstaat uit de door de verbranding gegenereerde kracht (het
verbrandingsmoment) verminderd met de wrijvingsverliezen in
de motor en de kracht die nodig is nevenaggregaten als
dynamo, stuurbekrachtigingspomp en dergelijke te laten
draaien. Het verbrandingsmoment wordt in een Ottomotor
bepaald door drie grootheden:
- De luchtmassa die na het sluiten van de
inlaatkleppen voor de verbranding ter beschikking staat
- De hoeveelheid brandstof die op datzelfde moment
beschikbaar is
- Het tijdstip waarop de ontstekingsvonk de
verbranding van het lucht-brandstofmengsel inleidt
(ervan uitgaand dat de vonk krachtig genoeg is om in
theorie een volledige verbranding te bewerkstellingen)
De hoeveelheid lucht die door de motor wordt aangezogen is
afhankelijk van de constructie ervan (inclusief in- en
uitlaatsysteem); omgevingsfactoren (luchttemperatuur en
-vochtigheid); de staat van onderhoud van de motor en de
stand van de gasklep; die laatste kan door het
motormanagement worden geregeld (throttle by-wire), terwijl
de controle over de andere factoren altijd de taak van de
motorsturing is. In feite kan men zeggen dat een
motormanagementsysteem verantwoordelijk is voor het
realiseren van het door de motor te genereren draaimoment.
Om te weten hoeveel brandstof er ingespoten moet worden en
wanneer de ontsteking plaats moet vinden, heeft het
motormanagement gegevens nodig over het motortoerental en de
vullingsgraad van de motor, en over de motortemperatuur
(voor een juiste verbranding heeft een koude motor een
rijker mengsel nodig). Het motortoerental kan worden
afgeleid uit de ontstekingspuls aan de negatieve pool van de
bobine of worden 'afgelezen' van een krukas- of
nokkenaspositiesensor; de vullingsgraad van de motor wordt
door het motormanagement geëxtrapoleerd aan de hand van de
aangezogen luchthoeveelheid, de stand van de gasklep, de
absolute druk in het inlaatspruitstuk (MAP = Manifold
Absolute Pressure) of een combinatie hiervan.
Tabellen
Motormanagementsystemen zijn programmeerbaar, dat wil zeggen
dat het ontstekingstijdstip en/of de hoeveelheid ingespoten
brandstof op basis van de input van voornoemde sensoren door
de in het geheugen van het systeem opgeslagen data wordt
bepaald. Die data bestaan uit zogenoemde 'maps' voor
ontstekingstijdstip, brandstofinjectie en eventueel
(bijvoorbeeld) turbolaaddruk.
| De allermodernste
benzinemotoren werken met directe brandstofinjectie,
waarbij de injectors in de verbrandingskamer
inspuiten. Het principe is overigens erg oud: de
Mercedes 300 SL uit de jaren vijftig had het ook.
|
Deze 'maps' zijn niets anders dan tabellen, waarbij voor
een bepaald motortoerental en een bepaalde waarde die de
vullingsgraad van de motor aangeeft (gaspedaalstand,
aangezogen luchthoeveelheid of druk in het inlaatspruitstuk)
een getal staat die de openingsduur van de
brandstofinjector, of het ontstekingstijdstip bepaalt. Een
'map' kan ook weergegeven worden in een driedimensionale
grafiek, waarop de eerste as het motortoerental aangeeft, de
tweede de luchthoeveelheid en de derde hoe lang de
brandstofinjectoren open staan (oftewel: hoeveel benzine er
wordt ingespoten). Deze waarden worden bepaald voor
bijvoorbeeld zestien motortoerentallen en zestien
verschillende belastingsgraden, waardoor een 'map' van 256
door de ontwikkelaar gedefinieerde punten ontstaat. Alle
waarden voor motortoerental en belasting die niet in de
'map' staan worden in het systeem berekend door interpolatie
tussen de twee dichtstbijzijnde punten. Op deze 'map' kan
nog een correctiefactor worden losgelaten voor bijvoorbeeld
de koelvloeistoftemperatuur (temperatuur beneden een
bepaalde waarde = meer brandstof). Een dergelijke 'map'
wordt ook geschreven voor de ontsteking: bij hogere
toerentallen wordt het ontstekingstijdstip vervroegd,
terwijl bij hoge belastingen het tijdstip later wordt
ingesteld dan bij lage belastingen - bij een hoge
vullingsgraad ontbrandt het mengsel immers sneller en is er
dus minder vóórontsteking nodig.
| 0 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
5000 |
6000 |
7000 |
| 1 |
10 |
20 |
18 |
30 |
35 |
38 |
40 |
| 2 |
10 |
15 |
18 |
27 |
32 |
35 |
38 |
| 3 |
10 |
12 |
18 |
22 |
26 |
32 |
36 |
| 4 |
10 |
12 |
17 |
22 |
26 |
32 |
34 |
| 5 |
10 |
12 |
16 |
21 |
25 |
32 |
32 |
| 6 |
10 |
12 |
16 |
21 |
25 |
30 |
31 |
| 7 |
10 |
12 |
16 |
21 |
25 |
30 |
31 |
Hierboven een voorbeeld van een ontstekingstabel met acht
keer acht velden; de rijen 0-7.000 geven het motortoerental
aan, de kolommen 0-7 staan voor de motorbelasting. De
motorbelasting (de hoeveelheid lucht die door de
luchthoeveelheids- of luchtmassameter stroomt, de input van
de gaskleppositiesensor of de MAP-sensor) neemt toe met de
hoogte van het cijfer (0=onbelast, 7=vollast). Wanneer de
motor 4000 toeren draait, en de mate van belasting
overeenkomt met 3 in de tabel, zal de voorontsteking 22
graden bedragen. Bij belastingindex 3 en een toerental van
4.500 zal het motormanagement het gemiddelde nemen van de
waarden die bij 4.000 en 5.000 toeren per minuut horen, in
dit geval 32,5 graden. Het is duidelijk dat hoe meer punten
in de tabel door de programmeur gedefinieerd kunnen worden,
hoe nauwkeuriger het managementsysteem aan de omstandigheden
kan worden aangepast. Zo kan de motor in dit geval bij 4.500
toeren per minuut juist op het punt zijn, dat hij op zich
zijn maximale koppel kan ontwikkelen en daarom om een andere
waarde voor het ontstekingstijdstip 'vraagt' dan je op basis
van de twee naastgelegen velden zou verwachten.
Programmering
De motormanagementsystemen die worden toegepast in
productievoertuigen zijn vrijwel zonder uitzondering
'gesloten' , dat wil zeggen dat de programmering van
ontsteking en brandstofinjectie 'vast' staat en in principe
niet door de gebruiker kan worden veranderd. Om te voorkomen
dat er door derden met het systeem wordt 'gerommeld'
ontwikkelen autofabrikanten steeds geavanceerdere
beveiligingssystemen, die vervolgens dan weer door
'chiptuners' worden 'gekraakt'. Tot voor enkele jaren werd
deze programmering altijd opgeslagen in een eprom (de
'chip'); bij chiptuning werd deze eprom losgehaald en
vervangen door eentje met nieuwe programmatuur. Tegenwoordig
verloopt de programmering vaak via de OBD-aansluiting. Zo
kan in het geval van motormanagementproblemen door de dealer
snel nieuwe software worden gedownload.
Op de aftermarket vinden we het
vrij programmeerbare
systeem (Emerald, Motec, Dastek, Weber Alpha, SDS, et
cetera) dat géén programmatuur bevat en door de gebruiker
met behulp van een laptop op een specifieke motor kan worden
ingesteld. Dit wordt op basis van parameters als de
brandstof/luchtverhouding, de koelvloeistof- en
inlaatluchttemperatuur, de uitlaatgastemperatuur e.d. gedaan
op de rollentestbank en/of tijdens tests op de weg. Een vrij
programmeerbaar systeem wordt in de autosport of bij tuning
gebruikt wanneer de specificaties van een motor of de
gebruiksomstandigheden teveel afwijken van de toleranties
waarin door het bij de motor horende 'standaard'
motormanagementsysteem in is voorzien, en dit ook niet door
middel van 'chiptuning' (=aanpassing van het van
fabriekswege gebruikte systeem) kan worden opgelost.
Brandstofinjectie
Een typisch elektronisch multi-point
brandstofinjectiesysteem bestaat in de basis uit een
brandstoftank met elektrische brandstofpomp, een
brandstoffilter, brandstofleidingen voor aanvoer en een
retourleiding, een brandstofdrukregelaar en een
brandstofrail met injectors.
| Het multipoint
injectiesysteem (Bosch Motronic). Een
luchtmassameter zorgt hier vor het signaal dat de
belastingsgraad representeert (afbeelding Bosch). |
De brandstofpomp levert een druk van ongeveer 6 bar; de
druk in de brandstofrail (een klein reservoir waaraan de
injectors zijn gemonteerd) wordt door de
brandstofdrukregelaar op een meestal vaste waarde boven de
druk die in het inlaatspruitstuk heerst (meestal 2,5-3,5
bar) wordt gehouden. Dat wil zeggen dat bijvoorbeeld een 3,0
bar brandstofdrukregelaar bij vol geopende gasklep (waarbij
de druk vrijwel atmosferisch is) een druk van 3,0 + 1,0
(atmosferische druk) = 4.0 bar is. Bij een motor met
drukvulling kan de druk in het inlaatsysteem hoger dan
atmosferisch zijn: bij een 2.5 bar brandstofdrukregelaar en
een maximale turbodruk van 0,8 bar kan de brandstofdruk
oplopen tot 2,5 + 1,0 + 0,8 = 4,3 bar. Het teveel aan door
de brandstofpomp aangevoerde benzine loopt via de
retourleiding weer terug in de brandstoftank. Injectors zijn
elektromagnetische kleppen die doorgaans voor de inlaatpoort
van elke cilinder zijn geïnstalleerd (een uitzondering is
bijvoorbeeld de Rover A-series in de 'oude' Mini, waar de
inlaatpoorten voor cilinders 1+2 en 3+4 'siamese tweelingen'
zijn en die dientengevolge voor vier cilinders slechts twee
injectoren heeft) door middel van pulsbreedtemodulatie
worden aangestuurd, waarbij de ingespoten hoeveelheid
brandstof wordt bepaald door de openingsduur (pulse
width) oftewel de duty cycle, en de capaciteit
van de injectoren (aangeduid in ml per minuut). Vuistregel
voor het vaststellen van de juiste brandstofcapaciteit is
dat de 'duty cycle niet boven de 80-85% mag uitstijgen
(oftewel de injector staat 80-85% van de tijd open) wanneer
de motor zijn maximale vermogen levert (en dus ook zijn
grootste 'brandstofbehoefte' heeft). De injectors kunnen op
twee manieren worden aangestuurd door het motormanagement:
batch fired (waarbij alle injectoren tegelijkertijd
open staan en het mengsel net als bij carburateurs of het
mechanische Bosch K-Jetronic injectiesysteem) continu wordt
gevormd, of sequentieel waarbij de injectors één voor
één worden aangestuurd en de brandstof wordt ingespoten op
het optimale tijdstip vóór de verbranding. Dit kan alleen
wanneer het motormanagement 'weet' waar de zuigers 'staan'
door middel van een nokkenas- of krukaspositiesensor. Voor
wat betreft het maximaal bereikbare motorvermogen zijn beide
systemen gelijkwaardig; het sequentiële systeem is alleen
licht in het voordeel voor wat betreft emissiewaarden en de
motorresponse bij gaswisselingen.
Single
Het multipoint injectiesysteem is tegenwoordig de standaard.
Een jaar of tien geleden, toen veel merken en modellen
omschakelden van (enkele) carburateurs naar elektronische
brandstofinjectie, kwamen we als 'overgangsfase' heel vaak
single- of monopoint injectiesystemen tegen, waar één enkele
injector in de buurt van de gasklep (waar de luchtsnelheid
het hoogste is) was gemonteerd, en de mengselvorming in de
plenum (een 'luchtreservoir') van het inlaatspruitstuk
plaatsvond.
| Het mnopoint injectiesysteem
werkt in principe gelijk aan het multipointsysteem
hierboven, alleen is er slechts een injector, die
boven de gasklep is geplaatst. Voor het vaststellen
van de motorbelasting wordt hier een gasklepsensor
gebruikt (afbeelding Bosch). Legenda: 1 =
brandstoftank met pomp; 2 = brandstoffilter, 3a =
gaskleppositiesensor; 3b = brandstofdrukregelaar; 3c
= injector; 3d = aansluitstekker met
inlaatluchttemperatuurvoeler; 5 = lambdasonder; 6 =
stuureenheid. |
Omdat er slechts één injector is, heeft een singlepoint
injectiesysteem geen brandstofrail: het principe is verder
hetzelfde als bij de multipoint systemen. Een bekende
vertegenwoordiger van dit genre is de Bosch Mono-Jetronic.
Bij de Mono-Jetronic is de injector op het gasklephuis
gemonteerd. Om te voorkomen dat er op de wanden een
brandstoffilm wordt opgebouwd, is bij zulke systemen de
brandstofstraal dusdanig gevormd, dat de brandstof in de
spleet tussen gasklep en gasklephuis wordt gespoten, waar
het door het grote drukverschil optimaal wordt gemengd.
Closed-loop
Alle personenauto's die na 1 januari 1994 op de weg zijn
gekomen, hebben een 'zelflerend' motormanagementsysteem op
basis van een lambdaregeling. Hiermee kunnen toleranties en
veranderingen in de motor of de brandstofinspuiting worden
gecorrigeerd, zodat de motor onder normale
bedrijfsomstandigheden altijd het meest optimale
brandstofmengsel van 14,7 delen lucht op 1 deel benzine (lambda
= 1) krijgt toegediend. Het systeem werkt dan in
closed
loop: afwijkingen van de juiste lambdawaarde worden
door de lambdasensor geconstateerd, waarna het
motormanagement de brandstofinspuiting corrigeert. Onder
vollast is een (veel) rijker mengsel gewenst dat zich buiten
het werkingsgebied van de algemeen toegepaste lambdasensors
bevindt: het systeem werkt dan in
open loop modus
en baseert de in te spuiten hoeveelheid brandstof dan geheel
op de in het motormanagement geprogrammeerde tabellen.
Nevenfuncties
Het motormanagement stuurt in de meeste gevallen
(tegenwoordig altijd) ook de stationairloop van de motor aan
door middel van een extra uitgangskanaal waaraan een
zogenoemde
Auxiliary Idle Control of AIC-klep is
gekoppeld: een stappenmotor die het stationaire toerental
regelt ongeacht de toestand en belasting van de motor.
Andere functies van het brandstofsysteem kunnen bijvoorbeeld
mengselverrijking zijn wanneer detonatie wordt geconstateerd
(door een aparte klopsensor of door een verbrandingssignaal
vanaf de bougies die als sensor fungeren ten aanzien van het
verbrandingsproces in de cilinder), correcties voor het
(snel) openen van de gasklep waarbij tijdelijk een 'arm'
mengsel ontstaat omdat lucht lichter is dan brandstof en dus
sneller door de motor naar binnen wordt gezogen, en voor het
plotseling sluiten van de gasklep waarbij de uitstoot van HC
even enorm oploopt. De meeste motomanagementsystemen hebben
ook een toerenbegrenzer geïntegreerd, waarbij oftewel alle
brandstoftoevoer wordt afgesneden totdat het toerental zich
weer 500 tpm onder het maximaal toegestane bevindt (
hard
cut) oftewel alternerend de
duty cycle van
telkens één injector wordt onderbroken (
soft cut).
Veelal worden beide modi gecombineerd, waarbij de soft cut
enkele honderden toeren per minuut vóór het volledig
'afsnijden' van de brandstoftoevoer optreedt.
In Autokompas 14 volgt het tweede en tevens
laatste deel: de ontsteking
