.jpg)
 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.
|
