Moottorin ohjausjärjestelmistä ja anturoinnista lyhyesti

Nykyaikaisessa moottorissa ei voi enää selkeästi erottaa sytytys- ja ruiskutusjärjestelmän toimintoja. Tämä asiantila on omiaan hämmentämään ja mystifioimaan kyseisten järjestelmien toimintoja. On ”mustia laatikoita” joihin menee ranteen paksuinen nippu johtoja ja antureita joiden sisältöä ei pysty näkemään. Ymmärtäminen vaatii usein vielä alan opintoja.

Tämän lisäksi on valmistajan intresseissä integroida järjestelmä osaksi moottoripyörää niin, että yhden osan korvaaminen tai vaihtaminen ei ole mahdollista ilman valmistajan apua tai toimittamia komponentteja. Emme tässä artikkelissa puutu näiden järjestelmien rakenteeseen vaan kuvaamme yleisemmin tyypillisimpiä toimintoja.

Nykyaikainen moottorinohjausjärjestelmä on yleensä tehty siten, että sitä voi hallita erillisellä tietokoneella. Usein tämä hallintaoikeus on vain merkkihuollolla tai valmistajalla ja vaatii merkkikohtaiset liitännät ja joskus jopa erillisen ’musta laatikko’–tietokoneen.

Näihin tehtaiden omiin järjestelmiin on harvalla oikeus kajota. Useasti niin kuitenkin tehdään kiertoteitse muokkaamalla järjestelmän anturitietoja tai järjestelmästä lähteviä tietoja. Sytytysantureita lukuun ottamatta anturisignaalit ovat useimmiten analogisia jolloin toimintaan voi vaikuttaa niitä ohjaamaan tarkoitetun tai käyttämän jännitteen säätämisellä. Tai joskus jopa irrottamalla vain yksi johdin. Tunnetuimpia tämän tyypin virisysteemeitä lienee Power Commander.

Elektroniikan, ohjelmistokehityksen ja moottorien harrastajat ovat luoneet myös omat, avoimeen raudan ja lähdekoodiin kehitykseen perustuvat järjestelmänsä. Näiden avulla on mahdollista korvata sytytys- tai ruiskujärjestelmä, tai molemmat, kokonaan itse rakennetuilla komponenteilla. Tunnetuin tämän tyyppinen järjestelmä lienee MegaSquirt ja sen lukuisat eri versiot.

Tässä artikkelissa esimerkkimallina käsitellään moottoripyörää, jossa sytytys on tehtaan alkuperäinen anturointiaan myöten mutta polttoaineen ruiskutus on kokonaan itse rakennettu ja pohjaa MegaSquirt Bowling & Gippo 1:een.

Rakentelualustana on tyypillinen amerikkalaisvalmisteinen ilmajäähdytteinen V2 moottori. Pääpiirteittään homma on sama riippumatta syliterien asennosta tai määrästä. Yhtenä kantavana teemana on ollut tehdä ohjausjärjestelmä edullisista yleisesti saatavilla olevista standardikomponenteista. Tarvittavien komponenttien yhteenlaskettu kustannus jää muutamaan sataseen.

Jossain toisessa jutussa joskus toiste katsellaan itse aivolaatikon eli sen MegaSquirt-boksin toimintoja. Seuraavissa kappaleissa kuvataan MegaSquirtin tarvitsemia antureita, niiden sijoittelua ja muita pohdittavia kohtia. Samassa sivutaan muutamia pyörän alkuperäisiä komponentteja.




Kylmäkäynnistys tarvitsee moottorin lämpötila-anturin

Koska kylmäkäynnistettäessä tarvitaan rikastusta pitää tietää mikä on kulloinenkin moottorin lämpötila. Kylmälle moottorille kun pitää tarjota pahimmillaan moninkertainen polttoainemäärä niin, että se suostuu käynnistymään. Lämmennyt moottori taasen käy hyvinkin vähällä polttoaineella jolloin järjestelmän pitää kytkeytyä sopivalla kohtaa pois.

Anturin paikalla on merkitystä. Se ei saa kuumeta niin kovasti ja äkisti, että se antaa vääränlaista signaalia vaikka palamistapahtuma ei olekaan vielä täydellinen. Toisaalta päinvastainen tapahtuma aiheuttaa tarpeetonta kulutusta.

Tässä tapauksessa autotarvikeliikkeestä muutamalla eurolla ostettu Volkswagenin öljyn lämpötila-anturi päätyi hoitamaan tehtäväänsä takasylinterin pakoputken juuressa siten, että anturin kärki nojaa sylinterikannen valuun. Ruiskutusjärjestelmän ohjelmassa on rikastustaulukko jota säädetään aluksi arvaamalla ja kokemuksen kertyessä sivistyneesti arvaamalla. Moottorin saavuttaessa toimintalämpötilansa ei lämpötila-anturin antamia tietoja enää noteerata.

Ennen käyttöönottoa anturin voi myös kalibroida. Tämä helpottaa säätämistä merkittävästi koska silloin saadaan tietokoneen näytölle järkeenkäypiä lämpötilalukemia. Järjestelmä toimii aivan yhtä hyvin ilman kalibrointia mutta silloin tietokoneen ruudulla näkyvä lämpötila-asteikko saattaa olla ihan mitä tahansa, vaikka -200c:stä +13c asteeseen.

Kalibrointi onnistuu helposti yleismittarin ja vedenkeittimen kanssa. Ensin mitataan anturin vastus huoneenlämmössä, ja merkataan tieto ylös. Sitten kiehautetaan teevesi, lasketaan anturi sinne ja mitataan vastus 100c lämmössä. Lopuksi nämä lukemat kirjataan MegaSquirtin konffaustietoihin ja nyt lämpötilat ruudulla ovat myös motoristin ymmärrettävässä muodossa.

Ilmanpaineen ja lämpötilan vaikutus

Yksi moottorin toiminnan oleellisimpia parametreja on polttoaineen ja ilman oikea sekoitussuhde. Ilman tiheys vaikuttaa tähän oleellisesti. Tilanne vielä korostuu, jos käytetään vaikka ahdinta. Ilman tiheyden tietäminen on siis ensiarvoisen tärkeää kun pyritään saamaan moottorille taloudellisin tai tehokkain toiminta. Tämä tieto saadaan mittaamalla imuilman paine ja lämpötila.

Imuilman lämpötilan anturi

Vapaasti hengittävän moottorin saama ilmanpaine on noin yksi ilmakehä vain silloin kun moottori ei käy. Käynnistyttyään se ryhtyy pumpun tavoin siirtämään ilmaa ja ulkoilman paine ei ehdi täyttämään imukanavaa sitä myöden kuin ilmaa kuluisi. Vaparin kanssa imusarjaan syntyy siis alipaine. Tätä painetta mitataan ja kun tiedetään muutama vakio, kuten puristustilavuus, kierrosluku ja imuilman lämpötila, voi järjestelmä laskea kyseisen ilman tiheyden sekä sen perusteella otollisimman ruiskutusmäärän.

Esimerkkilaitteessamme on ahdin jolloin ulkoilmanpaine on toissijainen mutta ilman tiheyden mittaus on yhtä tärkeää.

Ilmanpaineanturina (Map-anturi) tässä tapauksessa käytetään elektroniikkaliikkeestä ohjausyksikön rakennussarjan hankinnan yhteydessä ostettua ilmanpaineanturia. Tämä Map-anturi kykenee mittaamaan sekä ali- että ylipainetta.

Paineanturille tieto kulkee kumiletkua myöden kuristimen ja tasauskammion läpi. Kuristin on mig-hitsaussuutin letkun sisällä ja tasauskammio autotarvikeliikkeestä saatava parin euron polttoainesuodatin. Kuristinta ja tasausta tarvitaan koska Mapin herkkyys aiheuttaa muutoin liian suurta signaalivaihtelua ja sen tulkinta vaatisi tarpeettomasti laskentatehoa.

Kuulemani mukaan tämä 'hystereesi' on nimenomaan isojen v-moottorien ongelma. Pienempien ja/tai nelisylintristen käynti on tasaisempaa ja rajua painevaihtelua on vähemmän jolloin säätäminenkin on helpompaa.

Imuilman lämpötila-anturi on perinteinen vastuksen muutokseen perustuva ntc-vastus. Lämpötila siis muuttaa anturin vastusta jolloin mitattava jännite muuttuu. Tällainen anturi on ostettavissa elektroniikkaliikkeestä alle euron hintaan. Imuilman lämpötila-anturi täytyy kalibroida koska muuten ilman tiheyden laskenta menee pieleen. Kalibrointi tehdään samalla tavalla kuin edellä kuvattiin moottorin lämpötila-anturin kanssa.

Koska esimerkkipyörässä on ahdin ja ahtaminen tuottaa myös lämpöä niin imuilman lämpötilaa mitataan esimerkkipyörässä vasta ilman ahtamisen jälkeen. Anturi onkin sijoitettu putkeen ahtimen ja läppärungon väliin.

Tehon annostelun seuranta kaasun asennon tunnistimella

Koska rakentaja ja työn tilaaja ovat paitsi köyhiä niin myös vanhoillisia ajatustavoiltaan ei ryhdytty rakentamaan sähköistä kaasukahvaa eikä muitakaan fly-by-wire-järjestelmiä. Tässä kohtaa luotimme perinteiseen kaasuvaijeriin. Ruiskutusyksikön täytyy kuitenkin tietää missä asennossa imukanavassa piilevä ilmaläppä on. Kyseessä ei siis ole ”kaasuläppä” koska sen ohi ei kulje seosta, vaikka onhan se ilmakin kaasu.

TPS eli kaasuläpän asentotunnistun läppärungon kyljessä

Läpän asentotiedon välittämiseksi on läpän akselin päähän asennettu lineaarinen kiertopotentiometri. Autotarvikeliikkeestä muutaman kympin ostos. Englanninkielisissä laitoksissa ja ohjelmistoissa tällä on hieno nimi ja lyhenne; Throttle Position Sensor eli TPS.

Potentiometrin perusasento on se jossa moottori käy tyhjäkäyntiä. Toinen asento on se jossa ilmaläppä on kanavaan nähden vaakatasossa eli maksimiasennossa täysin auki. Näiden ääriarvojen tiedot syötetään ohjausohjelmaan ja sen jälkeen ruiskutuksen ohjaus ymmärtää myös kaikki väliasennot johtuen juuri tuosta lineaarisuudesta. Toisin sanoen kaasun asentotunnistimen vastuksen läpi kulkevan jännitteen arvo kasvaa tasaisesti kun kahvaa kierretään.

Pakokaasun ominaisuuksien hyväksikäyttö moottorinohjauksessa

Ylivoimaisesti tutkituin tuote jota polttomoottori tuottaa, on pakokaasu. Motoristit keskittyisivät mieluummin tehon tutkimiseen mutta tässäkin tavoitteessa kannattaa ensin tutkia niitä kaasuja.

Lambda takapytyn putkessa. Huomaa myös moottorin lämpötilan anturi pakuputken juuressa

Pakokaasujen tutkiminen perustuu lämpökemiaan ja siihen käytetään ns. Lambda- eli jäännöshappianturia. Anturi tarvitsee toimiakseen melko korkean lämpötilan ja niitä on sekä esilämmitettyjä että moottorin pakokaasujen lämmöllä toimivia. Antureita on myös ns. laajakaistaisena että kapeakaistaisena.

Kapeakaista-lambda havaitsee jäännöshapen eri tasot vain hyvin kapealla alueella. Sen kanssa säätäminen saattaa aluksi olla hankalaa, ainakin ennen kuin moottorin säädöt ovat edes oikealla hehtaarilla. Toisaalta kapeakaistaisten antureiden hinnat ovat muutamissa kympeissä kun taas laajakaista-lambdat maksavat jo useita satasia kappale, ja siihen vielä erillinen laajakaistan ohjauselektroniikka päälle. Esimerkkipyörässämme on kapeakaistaiset, lämmitettävät ja noin 60,- euroa / kappale maksavat lambdat kummassakin pakoputkessa.

Jos palaminen on epätäydellistä niin pakokaasun joukossa on myös palamatonta happea. Tätä hapen määrää lambda siis väijyy. Anturi on sijoitettu pakokanavaan 15 - 20 cm päähän pakoventtiilistä. Näin anturi pysyy parhaiten toimintalämpöisenä. Lambda-anturiin syötetään vakioitu jännite jonka muutoksia ruiskutusjärjestelmä tarkkailee ja säätää ruiskutussuuttimien aukioloaikaa (eli polttoainemäärää) ennalta asetettujen rajojen puitteissa.

Tätä lambdan antamaan ohjaustietoon perustuvaa järjestelmää kutsutaan suljetuksi järjestelmäksi (closed-loop). Näin suoritettuna tämä takaisinkytkentä takaa, että polttoaineen ja ilman sisältämän hapen suhde palotapahtumassa on halutulla tasolla eikä esimerkiksi liian laiha jolloin on moottorivaurion vaara. Yleensäkin tästä järjestelmästä on hyötyä polttoainetalouden suhteen ja se helpottaa tarkkoihin säätöihin pääsemistä.

Esimerkkipyörässä closed-loop toiminto ei ole käytössä koska näyttää vahvasti siltä, että ensimmäisen sukupolven MegaSquirtin aivot menevät solmuun näin monimutkaisesta laskennasta. Vakavasti, vasta uudemmissa MS-bokseissa on mahdollista määritellä seurattavien syklien lukumäärää ennen säätötoimenpiteitä.

Isossa V-moottorissa on sen verran erilaisia värähtelyjä ja tilojen muutoksia jokaisella ruiskutussyklillä, että closed-loop ei toimi jollei mukaan oteta reilusti useampia ruiskutuskierroksia. Esimerkkipyörässä tätä puutetta on kierretty siten, että closed-loop säätämistä on harjoitettu MS:ää ohjaavan tietokoneen kanssa ajellessa. Käyttämässämme TunerStudio –ohjelmistossa mm. tätä syklien määrää voi säätää, ja läppärissä on eri laskentatehot kuin muutaman euron laskentapiirissä joka toimii MegaSquirtin aivoina. Näin pyörään saatiin haettua toimiva bensakartta muutaman päivän työllä.

Ruiskutuksen oikea-aikaisuus

Alunperin otimme ruiskutuksen ajoitusignaalin pyörän omasta systytysjärjestelmästä ja puolan ohjaussignaalista. Tästä seurasi ruiskun ajoituksen ja kierrosluvun seuraamisen kannalta kuitenkin ongelma: Käytössämme ollut MegaSquirt boksi ei osannut laskea 45-asteen V-twinin kierroslukua oikein. Kierrosluku näytti ikäänkuin hyppelevän muutaman hertzin taajuudella ja muutaman sadan kierroksen amplitudilla edestakaisin. Tämä tietenkin sotki kierroslukutiedon lukemista joten päätimme korvata pyörän omaan anturointiin perustuvan kampiakselin asennon ja kierrosluvun seurannan uudella digitaalisella anturilla.

Kampiakselin asentotunnistin ruiskutuksen ajoitusta varten alempana, pyörän oma sytytyksen anturi päällä.

Anturien business-puoli ja pyörijän teippaus.

Tämä järjestelmän ainoa digitaalinen anturi on sijoitettu samaan koteloon alkuperäisen sytytysanturin kanssa. Kyseessä on infrapunasädettä hyväkseen käyttävä opto-haarukka-anturi. Haarukka-nimike kertoo, että säde kulkee haarukan sakarasta toiseen ja pyörijässä oleva aukko kiertäessään päästää säteen kulkemaan sakarasta toiseen.

Näin saadaan tarkka signaali joka vahvistetaan ja toimitetaan sähköpulssina ruiskutuksen ohjausyksikköön. Ajoitusteknisesti anturin sijainnilla pyörijän kehällä ei ole merkitystä, koska ajoitusta voidaan muuttaa sähköisessä muodossa ja on mahdollista luoda molemmille suuttimille erillinen ajoitus.

Koska pyörän oma sytytyksen anturi perustuu magneettisuuden vaihteluun ja tämä uusi anturi pohjaa optiikkaan niin toinen pyörijän aukoista peitettiin alumiiniteipillä. Näin kummatkin anturit toimivat kuten on toivottu ja ne saatiin ympättyä samaan tilaan. Aluteippiviritys tarkoitti samalla sitä, että pyörä piti MegaSquirtin kaavoissa muuttaa yksipyttyiseksi jotta boksi laskisi kaikki muut tarpeelliset toimenpiteet oikein.

Tämän komponentin hinta oli jälleen muutamissa euroissa, ja työt päälle. Palikat saatiin elektroniikkaliikkeen hyllyltä haetuista kikkareista ja se on koottu Nurmijärven pelle-pelottoman eli Repen toimesta ja itse tekemien piirustusten mukaan. Komponentit eivät siis ole mitenkään omituisia tai edes harvinaisia vaan kenen tahansa ostettavissa. Niiden toimintakin on melko perinteistä.

Komponentin asennusvaiheessa tuli muuten uutta oppia. Otimme tälle uudelle digioptiselle anturille, joka oli kolvattu 12v jännitteelle, virran ryöstämällä viereiseltä sytytyksen magneettianturilta. Päivä ja toinenkin siinä sitten pyörittiin ja ihmeteltiin mikä on, kun ei toimi eikä starttaa uuden anturin kanssa. Lopulta soitimme kappaleen kolvanneelle Repelle joka noin minuutissa, puhelimessa etäkysellen selvitti, että se pyörän alkuperäinen sytkän anturi käykin 5v jännitteellä. Että sellaistakin tulee tietää.

Loppukanootti

Tässä järjestelmässä on merkittävää vain se, että se kykenee käsittelemään melkoista määrää muuttujia pienessä ajassa. Loogisesti. Kodinkoneissa, kuten vaikka automaattipesukoneessa, on nykyään saman tyyppisiä ohjausjärjestelmiä ja anturointeja. Jos kykenet lukemaan tämän artikkelin internetistä kykenet myös todennäköisesti käyttämään edellä kuvatun säätöjärjestelmän hallintajärjestelmää. Rohkeasti vain kokeilemaan. Apuja vaikka MMAF:n taululta.

---

Teksti ja kuvat: Santtu 'Luupilotti' Ahonen ja Matti 'motomatti' Tahlo. Juttu julkaistiin MMAF:n jäsenkirjeessä 3/2011 kesä-heinäkuun vaihteessa.