Computer gestuurde ontsteking met of zonder verdeler

ENRESO.EU
Computer gestuurde ontsteking met of zonder
verdeler - basis
Created by Istas René
Date of Creaction: 23/04/2015
Graduated in Automotive Technologys
Computergestuurde ontsteking - met of zonder verdeler
De taak van een ontstekingssysteem valt in vier delen uiteen: het genereren van een
hoogspanning uit het 12V elektrische systeem: het opwekken van de ontstekingsvonk,
het bepalen van het ontstekingstijdstip op basis van het toerental en de motorbelasting
en de verdeling en overdracht van de ontstekingsvonk op de juiste cilinders.
We maken onderscheid tussen twee soorten ontstekingssystemen: die waarbij de
ontstekingspuls wordt getriggerd door een ontstekingsverdeler die op zijn beurt weer
wordt aangedreven door de motor via een hulpas of de nokkenas en verdelerloze
systemen waarbij het triggersignaal van een krukaspositiesensor komt. De term
`verdelerloos` kan misleidend zijn, omdat veel van deze systemen nog steeds een
verdeelkap en rotor gebruiken om de gegenereerde vonk naar de juiste cilinder te leiden.
Bij Mini zien we een typische uitvoering van een ‘wasted spark’ ontsteking, waarbij de cilinders paarsgewijs
door een bobine worden aangestuurd. Beide cilinders krijgen tegelijk een vonk; slechts eentje leidt een
verbranding in.
Bij een elektronisch gestuurd ontstekingssysteem dat gebruik maakt van een verdeler
wordt de ontstekingspuls net als bij een conventioneel systeem getriggerd door de
ontstekingsverdeler die echter géén ingebouwd vervroegingsmechanisme heeft. De
trigger komt in zo`n geval een aantal graden vóór het eigenlijke ontstekingsmoment, dat
wordt bepaald door het motormanagement. Een `verdelerloos` systeem dat gebruik
maakt van een krukaspositiesensor krijgt via die sensor alleen informatie over waar de
motor `staat`, maar niet welke cilinder die kort voor het BDP staat aan zijn arbeidsslag
begint en dus ontstoken dient te worden. Er zijn grofweg drie manieren te onderscheiden
om ervoor te zorgen dat de vonk naar de juiste cilinder wordt geleid. De eerste is het
gebruik van een `ouderwetse` verdeelkap en rotor, welke laatste doorgaans direct aan het
einde van een nokkenas is bevestigd. Een andere methode bestaat uit het paarsgewijs
aansluiten van twee bobines bij een viercilindermotor: de één werkt op cilinders 1 en 4,
de ander op cilinders 2 en 3. Wanneer één van de bobines een ontstekingsvonk opwekt
wordt deze naar de bougies van beide cilinders geleid. De één begint net aan zijn
arbeidsslag en wordt ontstoken, de andere begint aan de uitlaatslag en er gebeurt verder
niets met de vonk. Dit systeem wordt dan ook wasted spark genoemd, omdat telkens één
van de twee vonken `verloren` gaat. De derde optie is het gebruik van een extra
positiesensor aan (één van) de nokkenas(sen), zodat het systeem `weet` welke cilinder
aan zijn arbeidsslag begint en alleen deze een vonk krijgt. Een dergelijk systeem heeft
één bobine voor elke cilinder.
Ionisatie
Een andere variant werd in 1985 door Saab gepresenteerd in de vorm van het eigen Direct
Ignition systeem, dat net als het wasted spark-systeem gebruik maakt van een
krukaspositiesensor, en ook werkt als een wasted spark-systeem wanneer de motor voor het
eerst wordt gestart. Om te bepalen in welke cilinder verbranding plaatsvindt wordt de
bougie gebruikt als `verbrandingssensor` door deze continu te voorzien van een
`referentiespanning` van 70 volt. Normaliter leidt deze spanning niet tot het overbruggen
van de afstand tussen de elektroden van de bougie. Maar wanneer er in één van de cilinders
in een paar een verbranding plaatsvindt, vindt door de druk en turbulentie in de
verbrandingskamer ionisatie van de zich daarin bevindende gassen plaats. Deze ionisatie
zorgt voor een elektrische geleiding waardoor de referentiespanning tussen de elektroden
van de bougie `overspringt` waardoor het elektronische circuit van het systeem het signaal
krijgt dat er verbranding heeft plaatsgevonden. De andere cilinder is bezig aan zijn
uitlaatslag en geeft dus niet zo`n signaal aan de stuurmodule. Het DI-systeem stopt met het
ontsteken van beide cilinders wanneer er vijfentwintig succesvolle verbrandingen zijn
gedetecteerd. Hiermee wordt overmatige slijtage aan de bougies voorkomen. Het systeem
beschikt tevens over een geheugen dat onthoudt in welke cilinder het laatst verbranding
heeft plaatsgevonden, zodat bij het opnieuw starten direct de juiste cilinder wordt
ontstoken.
Aanpassingen
Normaliter zal het motormanagement het juiste ontstekingstijdstip bepalen aan de hand van
een geprogrammeerde `map` op basis van het motortoerental en de belasting. Er zij n echter
omstandigheden waarin het nodig kan zijn het ontstekingstijdstip aan te passen ten opzichte
van de in deze tabel vastgelegde waarden. Deze omstandigheden zijn voor het overgrote
deel te vatten in vier parameters: koelvloeistoftemperatuur, inlaatluchttemperatuur,
detonatie en het starten van de motor. Wanneer de motortemperatuur laag is, doet het
mengsel er langer over te ontbranden dan bij een motor op bedrijfstemperatuur. Daarom zal
er altijd een kleine map van correctiefactoren, gebaseerd op de waarden van een
koelvloeistoftemperatuursensor die ergens op de motor (veelal in de cilinderkop) is
gemonteerd, worden toegevoegd aan de waarden in de op toerental en belasting gebaseerde
`basis`tabel. Datzelfde geldt ook voor de luchttemperatuur, die zo dicht mogelijk bij de
luchtinlaat wordt gemeten. Warme lucht heeft immers een lagere dichtheid dan koude, en
ook dat beïnvloedt de verbrandingssnelheid van het mengsel.
Het elektronisch regelen van het ontstekingstijdstip door het motormanagement biedt de
mogelijkheid van een zeer nauwkeurige regeling op basis van motortoerental, - belasting
en koelvloeistof/luchttemperatuur. Toch zijn daarmee niet alle parameters afgedekt en is
daarom een flinke veiligheidsmarge ten opzichte van de klopgrens noodzakelijk
vanwege variaties in de brandstofkwaliteit, motortoleranties en staat van onderhoud, en
de omgevingsomstandigheden die er voor kunnen zorgen dat er in één of meerdere
cilinders detonatie optreedt. Dit betekent dat de motor wordt ontworpen met een lagere
compressieverhouding en/ of het ontstekingstijdstip over de gehele linie later wordt
geprogrammeerd dan idealiter het geval zou zijn, hetgeen resulteert in lagere
motorprestaties en een hoger brandstofverbruik. Met een klopregeling kan dit worden
ondervangen: de compressie kan worden verhoogd (statisch of door middel van een
verhoogde laaddruk in het geval van drukvulling) en bij de bepaling van het
ontstekingstijdstip hoeft geen rekening meer te worden gehouden met detonatiegevoelige
situaties. Voorwaarde voor een dergelijke klopregeling is een betrouwbare herkenning
van detonatie over het gehele werkingsgebied van de motor, met name de - in
tegenstelling tot het duidelijk hoorbare `pingelen` dat in het gebied rond de 3.000 toeren
per minuut kan optreden - voor het menselijk oor onherkenbare, en voor de motor zeer
schadelijke high speed knock.
Klop, klop…
Hiertoe worden doorgaans klopsensoren (pingelsensoren) gebruikt, die aan het motorblok
zijn vastgeschroefd en de motortrillingen in elektrische signalen omzetten. Het gaat hier
om piëzo-opneemelementen vergelijkbaar met de keramische `pick-up` elementen die
vroeger in goedkopere platenspelers werden gebruikt. Het piëzokeramiek zit doorgaans om
een metalen bus die aan het motorblok wordt vastgezet met een bout, en is in hars
ingegoten. Voor een viercilindermotor is doorgaans één klopsensor voldoende; bij
lijnmotoren met vijf of zes cilinders worden meestal twee sensoren toegepast, en bij
motoren in V-vorm of boxermotoren minstens één per cilinderbank. Op het elektrische
signaal wordt in het motormanagement een voor deze specifieke motor geschreven
algoritme losgelaten dat de karakteristieke trillingen van pre-detonatie herkent. Herkende
`kloppende` verbrandingen leiden ertoe, dat het ontstekingstijdstip wordt verlaat. Het
mooiste is, wanneer de klopregeling per cilinder plaatsvindt en dus ook per cilinder het
ontstekingstijdstip kan worden versteld. Dit kan worden bewerkstelligd door het algoritme
dusdanig te verfijnen dat de cilinder waarin detonatie optreedt kan worden herkend, of door
elke cilinder een eigen klopsensor te geven. In dat laatste geval zit de k lopsensor niet meer
op het blok geschroefd, maar wordt de bougie als zodanig gebruikt door middel van het
hierboven bij het Saab DI-systeem omschreven ionisatieprincipe.
Het Saab Direct Ignition System heeft voor iedere cilinder een bobine die werkt volgens het capacitieve
principe, waarmee een zeer sterke vonk wordt opgewekt. De bougie werkt tevens als verbrandingssensor.
Latere versies van het Saab DI-systeem (vanaf 1991) en het latere Trionic-systeem
(vanaf 1993) waarin de brandstofinspuiting, het DI-systeem en de turbolaaddrukregeling
APC (ook gebaseerd op het herkennen van detonatie) zijn geïntegreerd, kunnen door
middel van dat principe niet alleen herkennen of er verbranding in een cilinde r
plaatsvindt, maar ook de hoedanigheid van die verbranding `meten`. Ook de nieuwe
V10-motor (S85) die BMW voor het laatste type M5 heeft ontwikkeld, kent een
dergelijk `ionisatie-detectiecircuit` waarbij via de bougies van iedere cilinder een
`mislukte` verbrandingscyclus (`overslaan`), detonatie of zelfs een dreigend gevaar van
detonatie wordt herkend en aan het motormanagement doorgegeven.
Terugslag
Wanneer een automotor op de startmotor draait, bedraagt het toerental meestal niet meer
dan zo`n 200 toeren per minuut. Benzinemotoren waarbij het ontstekingstijdstip wordt
bepaald door het motormanagement op basis van toerental en de belastingsgraad, kenn en
bij stationair draaien vaak een ontstekingstijdstip van rond de 25 graden vóór BDP. Bij het
starten is er dientengevolge een behoorlijke kans dat de zuiger tegen het ontstoken mengsel
`aanloopt` terwijl hij nog aan de compressieslag bezig is. Dit result eert in het `terugslaan`
van de zuiger tegen de draairichting van de motor in (heel vroeger, toen automotoren nog
moesten worden `aangeslingerd` en de regeling van het ontstekingstijdstip verre van
betrouwbaar was, berucht en soms goed voor een uit de kom geslagen arm of erger…)
waardoor de startmotor langzamer gaat draaien en het starten moeizaam verloopt. Dit
probleem komt veel voor bij hoog opgevoerde motoren met `scherpe` nokkenassen die veel
voorontsteking nodig hebben om goed stationair te kunnen draaien.
Motormanagementsystemen lossen dit probleem op door het ontstekingstijdstip op een
vaste waarde tussen circa 5-10 graden vóór BDP te zetten zolang de motor op de startmotor
draait (meestal gedefinieerd door een motortoerental dat hoger ligt dan wat de startmotor
onder optimale omstandigheden opbrengt, maar belangrijk lager dan een `normaal`
stationair draaiende motor). Deze hoeveelheid voorontsteking is klein genoeg om het
terugslaan te verhinderen, en tegelijkertijd groot genoeg om de motor onder alle
omstandigheden te laten aanslaan.
Integratie en externe communicatie
Zoals in het eerste deel is gesteld, bestaat een motormanagementsysteem in de basis uit een
brandstofinjectiesysteem en een elektronisch ontstekingssysteem. De combinatie van beide
in een geïntegreerd systeem maakt gemeenschappelijk gebruik van sensoren en informatie
mogelijk. Dat geldt niet alleen voor basale zaken als het motortoerental, de krukaspositie
en de motorbelasting, maar ook bijvoorbeeld voor een klopregeling waarbij een door de
klopsensor geconstateerde detonatie in één of meerdere cilinders kan worden opgeheven
volgens een vaste strategie - bijvoorbeeld eerst extra brandstof inspuiten, als dat niet het
gewenste resultaat heeft het ontstekingstijdstip verlaten (alhoewel dit meestal tegelijkertijd
gebeurt) en pas als laatste `redmiddel` de laaddruk van een eventuele turbo of compressor
verlagen. Als aanvullende functies die niet direct op het vlak van het brandstof - of
ontstekingssysteem liggen, worden bijvoorbeeld een nokkenasverstelling of
nokkenasomschakeling waarmee variabele kleptiming mogelijk is, het regelen van
uitlaatgasrecirculatie teneinde de uitstoot van NOx te verminderen, een elektronisch
gaspedaal (drive by wire) dat niet alleen de mechanische verbinding tussen gaspedaal en
smoorklep vervangt, maar ook rekening houdt met de actuele bedrijfssituatie van de motor
zodat een bepaalde verandering in de gasklepstand altijd dezelfde motorrespons tot gevolg
heeft en cruise control tegenwoordig vrij gebruikelijk.
Maar er zijn ook heel specialistische toepassingen te integreren in het
motormanagement, zoals waterinjectie, waarbij de verbrandingskamers met in een zeer
fijne nevel geatomiseerd water worden gekoeld teneinde detonatie van drukgevulde
motoren onder zware bedrijfsomstandigheden te voorkomen (met als bijkomend
voordeel dat de emissie van schadelijke stoffen vermindert), intercooler spray waarbij
de tussenkoeler met water wordt bespoten wanneer de inlaatluchttemperatuur een zekere
waarde dreigt te overschrijden en anti-lag bij turbomotoren, waarbij de ontstekingsvonk
dusdanig wordt verlaat wanneer de bestuurder het gaspedaal loslaat, dat er een
ontbranding plaatsvindt in het uitlaatspruitstuk zodat de turbo `in beweging blijft` en de
bestuurder bij aansluitend gasgeven weer direct kan beschikken over het volledige
motorkoppel. Wat we bij `normale` auto`s ongetwijfeld steeds vaker zullen zien is
een actieve aansturing van het koelsysteem, waarbij de koelvloeistoftemperatuur niet
meer statisch wordt bepaald door een mechanische thermostaat, maar net zoals de
brandstofinjectie en het ontstekingstijdstip op basis van een `map` of tabel afhankelijk
van diverse parameters wordt geregeld.
Het motormanagement wisselt op zijn beurt ook weer gegevens uit met andere
voertuigsystemen, beïnvloedt deze of wordt erdoor beïnvloed. Zo staat een automatische
transmissie of een `gerobotiseerde` manuele versnellingsbak à la Selespeed, Tiptronic of
DSG tegenwoordig altijd in verbinding met de motorsturing, waarbij de versnellingsbak
bij schakelmomenten wordt ontlast door het motorkoppel tijdelijk terug te nemen, en
registreert een tractie- of stabiliteitscontrolesysteem dat de wielen doordraaien of de
auto een andere kant op te gaan dan de bestuurder wil, dan zal als onderdeel van de
preventieve maatregelen via het motormanagement worden ingegrepen om het afgegeven
motorkoppel te verminderen. Ook foutmeldingen worden over en weer uitgewisseld. Eén
en ander verloopt tegenwoordig steeds vaker via een CAN-bus waarmee het motormanagementcomputer deel uitmaakt van een netwerk.
Veel leesplezier.