Riadiaca jednotka (ECU) – poruchy a kabeláž vozidla

Tak ako sa vyvíjajú a zdokonaľujú televízory, kamery, domáce elektrospotrebiče, rovnakým a možno aj rýchlejším krokom sa vyvíjajú automobily. Dnešné moderné vozidlá obsahujú stovky (niektoré až tisíce) elektronických zariadení a kilometre káblových zväzkov, nad ktorými bdejú riadiace jednotky plné digitálnej techniky.

Digitálna elektronika sa začala v motorových vozidlách využívať už koncom sedemdesiatych rokov. Zavedenie tejto technológie umožnilo využívať dovtedy problematicky realizovateľné činnosti a funkcie zariadení vozidla. Taktiež sa zlepšila spoľahlivosť, bezpečnosť, výkonové parametre a zároveň hospodárnosť motorových vozidiel. Výhodou digitalizácie boli aj podstatne zmenšené priestorové nároky elektronických systémov. Pozitíva zavedenia digitálnej elektroniky do motorových vozidiel možno zhrnúť do nasledovných cieľov:

• zvýšenie bezpečnosti,
• zvýšenie hospodárnosti,
• zvýšenie jazdného pohodlia,
• zlepšenie životného prostredia.

Zatiaľ čo sa elektronika vyvíja rýchlym tempom, potenciál ostatných mechanických častí (hydraulických a pneumatických systémov) sa blíži k svojim technologickým možnostiam a pokrok teda nie je tak výrazný ako v prípade elektroniky. Práve v spojení s rýchlo sa vyvíjajúcou elektronikou možno docieliť výraznejšieho funkčného zlepšenia mechanických systémov. Konkrétne možno uviesť používanie rôznych senzorov, na základe ktorých sú potrebné informácie zachytené, spracované a ukladané do pamäte a následne ich riadiaca elektronika premieňa na akčné povely pre mechanické časti vozidla. Exaktne tak prebieha funkčné rozdelenie úloh, ktoré sú priradené mechanickým prvkom vozidla a ovládané elektronickou reguláciou. Taktiež sú mechanicky alebo hydraulicky ovládané zariadenia (posilňovač riadenia, akcelerátor atď.) postupne úplne nahradzované plne elektronickými zariadeniami. Všetky takéto zariadenia potom spolu komunikujú pomocou rôznych druhov sieti, napr. LIN, TTP-A, CAN, FLEX RAY. Súčasné vozidlá sú tak popreplietané rôznymi zbernicami, riadiacimi jednotkami a množstvom káblov. Jednotlivé časti vozidla, ktoré sú riadené alebo regulované multiplexnými systémami možno súhrnne rozdeliť do štyroch hlavných častí:

• hnacie ústrojenstvo,
• komunikácia,
• komfort,
• bezpečnosť.

Hnacie ústrojenstvo

Motor manažment, riadenie prevodovej sústavy – ovládanie spojky, automatická prevodovka, systém 4×4.

Komunikačná sústava

Rádio, palubný počítač, telefón, navigácia, dotykové displeje, či riadenie rôznych funkcií hlasom.

Zariadenia pre komfort

Klimatizácia a kúrenie – nezávislé kúrenie, nastavovanie polohy sedadiel s pamäťou, centrálne zamykanie, regulácia odpruženia, parkovacie senzory/parkovací asistent, tempomat.

Bezpečnostné systémy

Aktivácia sústavy airbagov a napínačov bezpečnostných pásov, ovládanie stieračov a ostrekovačov svetlometov,  hlavné svetlomety s xenónovými výbojkami/LED,  autodiagnostika vozidla, indikátor servisných intervalov, monitor prevádzkových náplní a opotrebovanie brzdových segmentov, zabezpečovacia sústava vozidla (alarm, imobilizér), kontrola tlaku v pneumatikách, protiblokovacia a protipreklzová sústava, sústava riadenia jazdnej dynamiky vozidla.

Pomenované oblasti  elektroniky motorového vozidla riadené alebo regulované multiplexními systémami môžu zahŕňať aj nasledovné čiastkové systémy:

• prístrojová doska: ovládacie páčky, kontrolné prístroje, ukazovatele množstva (paliva, oleja, brzdovej kvapaliny, vody v ostrekovačoch), prevádzkové ukazovatele (otáčky, teplota vody, tlak oleja, atď.),
• osvetlenie: svetlomety, zadné/cúvacie svetlá, ukazovatele smeru jazdy,vnútorné osvetlenie,
• sedadlo: nastavenie sedadla, pamäte pre nastavenú polohu sedadla, vykurovanie sedadla,
• klimatizácia/stierače: kúrenie, kompresor, rozdelenie vzduchu, teplotný senzor klimatizácie, riadenie intervalu a rýchlosti stierania, snímač dažďa,
• dvere: centrálne zamykanie, zabezpečenie proti krádeži, spúšťanie okien, nastavenie a ohrev vonkajších zrkadiel,
• zvláštna výbava: nastavenie vnútorného zrkadla, posuvná strecha, nezávislé kúrenie a pod.

Ako je vidieť z vyššie popísaného rozdelenia, elektronika sa podieľa na ovládaní komfortnej výbavy vozidla, ktorá neustále rastie, taktiež riadi chod motora, kde je v poslednej dobe hlavnou prioritou reagovať na neustále sa sprísňujúce legislatívne požiadavky na emisie, v menšom meradle aj na lepšiu kultúru chodu a výkonové parametre motora. Veľmi dôležitou oblasťou sú ale systémy, ktoré sa podieľajú na zlepšení aktívnej a pasívnej bezpečnosti vozidla a tiež systémy, ktoré znižujú únavu vodiča resp. posádky. Tieto systémy možno rozdeliť do nasledujúcich častí:

• elektronicky ovládaná brzdová sústava vrátane systémov ABS, BAS, EBD, atď.,
• systémy riadiace jazdnú stabilitu vozidla (ESP, DSC, atď.) a protipreklzové systémy ASR,
• signalizácia opotrebovania brzdových segmentov,
• regulácia rýchlosti jazdy a kontrola bezpečnej vzdialenosti – inteligentný tempomat,
• regulácia tlmičov – aktívne odpruženie,
• klimatizácia, automatické vykurovanie,
• elektrické nastavovanie a odpruženie sedadla,
• automatická regulácia svetelného dosahu reflektorov,
• regulácia odpruženie kabíny vodiča,
• nastavovanie stĺpika riadenia resp. elektronická väzba medzi riadiacim ústrojenstvom a pneumatikami,
• prídavné riadenie zadných kolies,
• diagnostika vozidla,
• navigačný systém, telefón, audio,
• asistenti parkovania,
• kontrola – zobrazovanie „mŕtveho“ uhla,
• automatické ovládanie spojky,
• elektronické radenie automatickej prevodovky.

Čo to tá riadiaca jednotka je a čo všetko dokáže?

Prvý automobil vybavený riadiacou jednotkou predviedla automobilka BMW koncom sedemdesiatych rokov. Ešte do prelomu milénia bola bežná len jedna riadiaca jednotka. Tá spočiatku riadila len vstrekovanie alebo zapaľovanie motora, postupne pribúdali ďalšie funkcie napr. ovládanie smerových, výstražných svetiel, spúšťanie výstražných svetiel po náraze, intervalový spínač stieračov, ostrekovače čelného skla a svetlometov, vyhrievanie zadného okna, húkačka, alternátor, ovládanie vnútorného osvetlenia, tempomat, kontrolka zatvorenia dverí, kontrola funkcie spínacej skrinky, atď. Súčasné automobily sú však oveľa viac zahltené elektronikou, a tak bola nutnosť vybaviť vozidlo väčším počtom samostatných riadiacich jednotiek. V súčasnosti sa ich počet pohybuje v bežných vozidlách okolo čísla desať – pätnásť, luxusnejšie vozidlá, resp. vozidlá s nadštandardnou výbavou ich môžu obsahovať niekoľko desiatok. Takýto počet už vyžaduje prepojenie (zosieťovanie) jednotlivých jednotiek. Výmena informácií medzi systémami znižuje počet snímačov a zlepšuje ich využívanie.

Všeobecné pomenovanie pre riadiacu jednotku je ECU (Electronic Control Unit), ale tiež je možné sa stretnúť s názvom Engine Control Unit (riadiaca jednotka pre motor), ECM (Engine Control Module), alebo PCM (Power-train Control Module). Riadiaca jednotka je elektronické zariadenie – mikropočítač, ktoré riadi a kontroluje príslušné zariadenie (napr. chod motora, dynamiku pruženia, či klimatizáciu). Základným prvkom každej ECU je výkonný mikroprocesor, ktorý musí vyhodnocovať všetky získané informácie tisíce krát za sekundu. Spolupracovať musí samozrejme s pamäťou. Tak ako výkon procesora, rastú nároky aj na pamäť a rozsah riadiaceho programu. V začiatkoch sa pohybovala veľkosť programu okolo 1 KB, teraz sú to pri niektorých zariadeniach (motor, prevodovka, pruženie) desiatky až stovky MB. Aby všetko správne fungovalo, potrebuje riadiaca jednotka k svojej činnosti získavať údaje pomocou rôznych snímačov, ktoré merajú napr. tlak, teplotu, otáčky, množstvo vzduchu, atď. Takto získané údaje mikroprocesor spracuje pomocou riadiaceho programu uloženom v pamäti a zaistí správne fungovanie príslušného zariadenia (napr. motora).

Riadiaca jednotka motora

Napriek nárastu počtu riadiacej elektroniky, stále ostáva najznámejšou riadiaca jednotka motora – tzv. motor-manažment. Časy karburátorov, sytičov, odtrhových ramienok a pod. sú dávno za nami, a tak je každý moderný automobil vybavený riadiacou jednotkou motora. Zavedením riadiacej jednotky motora sa podarilo nielen zvýšiť výkon motora, ale zároveň dosiahnuť nižšiu spotrebu a hlavne znížiť v poslednej dobe tak nenávidené emisie. Riadiaca jednotka motora ovláda všetky dôležité funkcie agregátu s ohľadom na príslušné zaťaženie, v závislostí od všetkých okolitých parametrov, ako napr. vonkajšia teplota, tlak vzduchu, teplota motora, chladiacej zmesi a oleja atď. K správnej funkcii potrebuje získavať údaje pomocou snímačov, ktoré merajú tlaky, teploty, otáčky, rýchlosť a množstvo vzduchu, atď. Tieto údaje riadiaca jednotka potom spracuje pomocou programu uloženom v pamäti a vydá príkazy pre vstrekovanie, zapaľovanie, plniace tlaky, atď. Takto sú priebežne v závislosti od zátaže a okolitých podmienok vypočítavané hodnoty pre optimálny čas vstreku, čas zážihu, potrebné množstvo paliva a príslušný plniaci tlak turba.

Spôsob činnosti riadiacej jednotky motora

Riadiaca jednotka je vysokovýkonný mikropočítač, ktorý na základe vstupných nameraných hodnôt v spojení s príslušným programom vypočíta všetky regulačné a riadiace úlohy. Hlavná funkcia pri benzínových motoroch spočíva vo výpočte potrebného a maximálneho možného vstrekovacieho množstva. Vstrekovacie množstvo závisí od množstva (hustoty) nasávaného vzduchu. Samozrejmosťou je aj spaľovanie paliva pri stechionometrickom pomere vzduch-palivo (14,7:1 λ = 1), aby katalyzátor mohol bezchybne pracovať a vo výfukových plynoch bolo čo najmenej škodlivých emisií. Ďalej musí byť určený okamih, kedy začne stlačená zmes horieť. Ak prebehne horenie paliva príliš neskoro, spotreba stúpa. Ak naopak začne palivo horieť priskoro, začne motor klepať. Naviac rieši ECU veľa ďalších úloh ako napríklad automatické jemné vypnutie vstrekovacieho zariadenia pri maximálnych otáčkach alebo pri dosiahnutí daného obmedzenia maximálnej rýchlosti. Často je v závislosti od nameraných hodnôt napr. teploty chladiacej kvapaliny, paliva, oleja a vonkajšej teploty ovládaný chod ventilátora a takisto preberá funkciu termostatu.

Pri moderných dieselových motoroch riadi ECU vstrekovacie množstvo paliva v závislosti od množstva nasávaného vzduchu, tlaku vzduchu, vonkajšej teploty, otáčok a zátaže. Je to nevyhnutné pre zachovanie predpísaných noriem škodlivých exhalátov vo výfukových plynoch. Ďalej musí ECU pri vozidlách vybavených turbodúchadlom presne určiť a nastaviť plniaci tlak a plniace množstvo vzduchu turbodúchadla v závislosti od zátaže a otáčok motora.

Základné funkcie v riadení motora

Riadenie vstrekovania paliva a zapálenia (vznietenia) zmesi

Na základe informácii od snímačov, vyhodnotí riadiaca jednotka správny okamih zážihu (vznietenia) alebo množstvo vstreku, tak aby bola dosiahnutá optimálna spotreba, emisie a maximálny výkon motora.

Riadenie voľnobežných otáčok

Riadiaca jednotka reguluje množstvo paliva tak, aby boli zachované voľnobežné otáčky na konštantne definovanej hodnote.

Kontrola emisií

Sem patrí kontrola činnosti EGR ventilu, kvôli kvalite výfukových plynov a tiež kontrola lambda sondy, z dôvodu správnej činnosti a účinnosti katalyzátora.

Kontrola plniaceho tlaku turbodúchadla

Pri vozidlách s preplňovaním turbodúchadlom je  potrebné, aby riadiaca jednotka pravidelne vyhodnocovala a upravovala výšku plniaceho tlaku a množstva vzduchu na optimálnu hodnotu.

Autodiagnostika a správne zistenie závad

Riadiaca jednotka priebežne kontroluje činnosť všetkých snímačov, prípadné poruchy a nedostatky zapisuje do diagnostického systému a informuje vodiča pomocou indikátorov na prístrojovom paneli.

Obmedzenie otáčok, kontrola a obmedzenie rýchlosti

Riadiaca jednotka automaticky jemne vypne vstrekovacie zariadene pri maximálnych otáčkach alebo pri dosiahnutí daného obmedzenia maximálnej rýchlosti, poprípade reguluje požadovanú rýchlosť (tempomat).

Poruchy

Riadiacu jednotku ako každé elektronické zariadenie môže postihnúť porucha. Niekedy sa dá odstrániť a niekedy je riadiaca jednotka nenávratne poškodená. Netreba pripomínať, že sa mnohokrát jedná o drahú záležitosť, preto nezaškodí poznať zopár dôvodov, ktoré poruchy riadiacich jednotiek spôsobujú.

• Pri starších riadiacich jednotkách sa jednalo aj o samotnú nedokonalosť výrobku, použitím menej vhodných, či menej kvalitných dielov (el. súčiastok).
• Problém býval aj s vysokým nabíjacím napätím, vychádzajúcim z alternátora, ktoré spôsobilo poškodenie ECU.
• Skrat na nastavovači voľnobehu.
• Skrat v regulačnom okruhu škrtiacej klapky.
• Skrat na EGR ventile.
• Poškodené zapaľovacie sviečky pri DIS systéme – zapaľovanie bez rozdeľovača (elektronické zapaľovanie), ktoré následne spätne posiela veľmi vysoké napätie späť do riadiacej jednotky. Toto napätie môže dosahovať až 18 000 voltov a vedie k preťaženiu a následnému poškodeniu ECU.

Príznaky chybnej riadiacej jednotky motora/ iných častí vozidla

• Motor neštartuje, alebo ťažko štartuje najmä v prípade studeného štartu. Ak je motor zohriaty pracuje normálne.
• Motor sa spustí a po chvíľke samovoľne zhasne.
• Motor samovoľne zhasne pri státí alebo jazde.
• Problematické ovládanie škrtiacej klapky-kolísanie otáčok a pod.
• Pedál akcelerátora nefunguje správne.
• Motor ide na menej valcov – nefunguje správne zapaľovanie.
• Pri jazde nastávajú poruchy ukazovateľov v prístrojovom paneli.
• Svietiace kontrolky riadenia motora (oranžová tiež ABS, ESP atď.).
• LCD displej zobrazuje hlásenie: Chyba ASR, ESP Failure, zlyhanie zabezpečenia vozidla, chyba komunikácie.
• Diagnostický prístroj diagnostikuje chyby siete CAN, chyby snímačov a relé.

Kabeláž vozidla

So stále rastúcim počtom rôznej elektroniky postupne rástli aj nároky na kabeláž a prepojenie elektrických zariadení vo vozidle. Kým v päťdesiatych rokoch stačilo na bežný automobil v priemere 30-40 metrov vodičov s tromi rôznymi prierezmi a piatimi rôznymi farbami, v dnešnej dobe sa táto hodnota pohybuje na úrovni 1-2 km (niekedy aj viac) väčšinou vodičov s dvanástimi rôznymi prierezmi a 49 rozlišovacími farbami. Dĺžka vodičov v dnešných vozidlách by dosahovala aj niekoľkonásobne vyššie hodnoty keby sa neprešlo na tzv. zbernicovú koncepciu. Vďaka zbernicovej koncepcii (multiplexná sieť) sa ušetrí oproti konvenčnej realizácii niekoľko km káblov. Štandardizovaný multiplexný kábel je tvorený len z vedenia pre energiu a vedenia pre dáta. Vďaka zbernicovej koncepcii sa zjednodušuje montáž a diagnostické možnosti jednotlivých elektronických komponentov. K vzájomnému fungovaniu vozidlovej elektroniky sú potrebné určité prepojenia (interface), ktoré umožňujú bezpečnú výmenu väčších objemov dát v kratšej dobe a bez zaťaženia riadiaceho počítača. Komunikačný systém k výmene dát, ktoré usporadúva jednotlivé riadiace prístroje do celkovej koncepcie sa volá  BUS – zbernica. V multiplexnom systéme sú príkazy a informácie, ale súčasne tiež spätné hlásenia o prevedenej funkcii, prenesené len jedným vodičom. Pre súčasné motorové vozidlo to znamená, že v minulosti používaný káblový zväzok vodičov je nahradený dvojvodičovým systémom. Tento systém sa skladá zo slučky, ktorá zabezpečuje:

• prenos energie z akumulátora k jednotlivým spotrebičom,
• prenos príkazov k funkčnej činnosti a spätnému hláseniu o správne prevedenej funkcie jednotlivých spotrebičov.

Rozhranie komunikačných systémov, ktoré boli vyvinuté špeciálne pre vozidlá, možno rozdeliť do dvoch kategórií:

• konvenčné rozhranie,
• sériové rozhranie, napr. CAN (Control Area Network).

V dnešnej dobe je najrozšírenejší systém CAN BUS, pre jednoduchšie jednotky zbernice LIN. Do budúcnosti sa počíta so zavedením zbernice Flex-ray pre komunikácie s väčším dátovým prenosom.

Zbernicový systém CAN pre prenos dát v motorových vozidlách bol štandardizovaný medzinárodnou organizáciou pre normalizáciu ISO:

• pre aplikáciu do 125 kBit./s ako norma ISO 11519,
• pre aplikáciu nad 125 kBit./s ako norma ISO 11898.

Správu nad komunikáciou má na starosti riadiaca jednotka multiplexnej siete. Táto riadiaca jednotka obsahuje obvod pre cyklické dopytovanie na jednotlivé vstupné kanály, obvody pre spracovanie a prenos signálov. Vstupné kanály sú ovládané spínačmi alebo senzormi. Jednotlivé informácie sa logicky vyhodnocujú a vybraná zakódovaná informácia je vyslaná ako príkaz po signálnej slučke ku konkrétnemu zariadeniu (príslušnej riadiacej jednotke zariadenia). Ako príklad možno uviesť ovládanie klimatizácie. Chladenie sa zapne len vtedy, ak je teplota okolitého vzduchu vyššia ako výrobcom nastavená hodnota. Podobne to môže byť aj s aktiváciou hmlových svetiel. Tie sa zapnú len vtedy, ak sú zapnuté stretávacie svetlá vozidla. Na aktiváciu (stlačenie tlačidla) vyšle riadiaca jednotka multiplexu ďalší signál, ktorým si overí, či bola podmienka splnená a či je spotrebič (stretávacie svetlá) vo funkčnom stave a následne aktivuje hmlové svetlá. Tento stav je uložený do pamäte a vodič má signalizáciu (svetelnú) na prístrojovom paneli vozidla.

Káblové zväzky pre osobné automobily s menovitým napätím 12V a prevádzkovým napätím 14V tvoria lankové vodiče, ktorých prierezy sa pohybujú v rozpätí od 0,35 mm² do 35 mm². Izolácia vodičov je z tvrdeného ale ohybného plastu v rôznych farbách. Farba príslušného vodiča je podľa určenia funkcie daná normou. Vodiče sú dané do zväzkov a obtiahnuté lepiacou páskou. V kabíne automobilu je zväzok obalený výhradne textilnou páskou, v motorovom priestore sú podľa rozdelenia vodiče obalené textíliou alebo páskou z PVC. Tieto zväzky bývajú upevnené plastovými príchytkami, ktoré sú vsadené do výrezov v plechu časti karosérie alebo vo voľnom priestore sú prichytené o príslušný držiak. Bežne sa používajú káble CYA, kde  C je jadro vodiča z medených vlákien, Y izolácia vodiča z PVC a A znamená, že vodič má kruhový prierez. Pre štartéry, alternátory a akumulátory sa podľa potreby používa z medených vodičov spletený plochý pás pre kostrenie na koncoch pocínovaný. Výrobca motorového vozidla dimenzuje vodiče tak, aby nebola prekročená teplota jadra a tým aj izolácia a tiež dovolený úbytok napätia. Na určenie prierezu vodiča má rozhodujúci vplyv maximálne dovolené oteplenie. Taktiež je dôležité, či je vodič používaný krátkodobo alebo dlhodobo. Pre štartéry je preto povolená hustota prúdu v rozsahu 20-30 A.mm^-2. Pre ostatné obvody 5-10A.mm^-2. Vysokonapäťové káble sa v moderných vozidlách vyskytujú ojedinele, pretože sa používa statické zapaľovanie so zapaľovacími cievkami.