Εγκέφαλος αυτοκινήτου

Οι όροι Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα (Engine Control Unit / ΕCU), ή Κεντρική Ηλεκτρονική Μονάδα Ελέγχου, είναι δυο από τις πολλές ονομασίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον εγκέφαλο αυτοκινήτου, όπως έχει επικρατήσει να ονομάζεται από τους τεχνικούς οχημάτων. Πρόκειται για ολοκληρωμένη μονάδα ηλεκτρονικού υπολογιστή η οποία, στα σύγχρονα αυτοκίνητα και φορτηγά, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο όλων των λειτουργιών του ηλεκτρικού συστήματος αλλά και άλλων υποσυστημάτων του οχήματος. Ο εγκέφαλος έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να ελέγχει κάθε σύστημα πάνω στο αυτοκίνητο. Τα πρώτα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου του κινητήρα αποτελούνταν από αρκετά ξεχωριστά ηλεκτρονικά συστήματα έλεγχου, σήμερα όμως υπάρχει μια τάση να χρησιμοποιείται ένα και μόνο ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου, το οποίο είναι ο εγκέφαλος.

 Αν και οι πρώτοι υπολογιστές για το αυτοκίνητο προορίζονταν αποκλειστικά για τον έλεγχο λειτουργιών του κινητήρα, όπως τον έλεγχο του μείγματος καυσίμου-αέρα και της ανάφλεξης / εκκίνησης, σήμερα είναι στάνταρ ο έλεγχος και άλλων υποσυστημάτων. Τέτοια είναι τα συστήματα: αντι-μπλοκαρίσματος φρένων (ABS), αντι-ολίσθησης (traction control system), ηλεκτρονικής ευστάθειας (ESP), διατήρησης σταθερής ταχύτητας (cruise control), ηλεκτρονικής ανάρτησης, 4-κίνησης (κίνηση με τους τέσσερις τροχούς), ηλεκτρονικού κλιματισμού, σταθεροποίησης τάσης εξόδου του εναλλακτήρα (γεννήτριας), φόρτισης μπαταρίας.Άλλα υποσυστήματα που μπορεί να ελέγχονται από μικροελεγκτή είναι τα φώτα πορείας, ο φωτισμός του χώρου επιβατών, οι υαλοκαθαριστήρες και η αντίσταση θέρμανσης του πίσω παρμπρίζ. Ο εγκέφαλος αποτελείται από ένα ή περισσότερα τυπωμένα κυκλώματα (πλακέτες) όπου ένας κεντρικός μικροεπεξεργαστής (μικροελεγκτής), υποστηριζόμενος από μνήμες και άλλα περιφερειακά, διαβάζει και ελέγχει, μέσω κατάλληλης εξωτερικής αρτηρίας (bus) δεδομένων αλλά και απευθείας σύνδεσης, τα διάφορα υποσυστήματα του αυτοκινήτου. Στα σύγχρονα επιβατικά και φορτηγά οχήματα, το καθιερωμένο εξωτερικό bus είναι το CAN. Ο μικροελεγκτής χρειάζεται ένα αποθηκευτικό μέσο (μνήμη) για το λογισμικό του και για αποθήκευση μόνιμων και προσωρινών πληροφοριών. Οι τύποι ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μνήμης πού χρησιμοποιούνται σε εγκεφάλους αυτοκινήτου είναι: ROM (Read Only Memory) (μνήμη μόνο για ανάγνωση). Χρησιμοποιείται ως μνήμη προγράμματος. RAM (Random Access Memory) (μνήμη τυχαίας προσπέλασης). Η RAM, όταν τροφοδοτείται μέσω του διακόπτη αναφλέξεως, θα χάσει τα δεδομένα, όταν ο διακόπτης τεθεί στη θέση κλειστό (off). Μια μορφή της RAM είναι η KAM (Keep Alive Memory). Αυτή παίρνει ρεύμα από τη μπαταρία, παρακάμπτοντας το διακόπτη ανάφλεξης κι έτσι θα χάσει τα δεδομένα της μόνο όταν αποσυνδεθεί ή αδειάσει τελείως η μπαταρία. PROM (Programmable ROM) (προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση). Εκτός από το απαραίτητο βασικό λογισμικό, περιέχει ειδικές πληροφορίες που αφορούν αυτό ακριβώς το αυτοκίνητο στο οποίο είναι τοποθετημένος ο εγκέφαλος. Αυτές οι πληροφορίες μπορεί να χρησιμοποιηθούν π.χ. για να πληροφορούν τον μικροελεγκτή για τον ηλεκτρικό εξοπλισμό του συγκεκριμένου αυτοκινήτου. Επίσης, η PROM περιέχει το λεγόμενο χάρτη, δηλαδή τον πίνακα με την επιθυμητή σχέση στροφών κινητήρα - προπορείας ανάφλεξης (αβάνς) - ποσότητας εγχυόμενου καυσίμου. Σε πολλές περιπτώσεις το ηλεκτρονικό κύκλωμα του εγκεφάλου παραμένει το ίδιο σε πολλά μοντέλα του ίδιου κατασκευαστή, διαφοροποιώντας μόνο την PROM. Συχνά, εκείνο το τμήμα της PROM το οποίο δεν αφορά το βασικό λογισμικό συνδέεται σε ειδική υποδοχή, ώστε να μπορεί να τροποποιείται (π.χ. για αγωνιστική χρήση). EEPROM (Electrically Erasable PROM) και NVRAM (Non Volatile RAM). Επιτρέπουν την αλλαγή των πληροφοριών που περιέχουν, από τον κεντρικό μικροελεγκτή και δεν χάνουν τα δεδομένα όταν απωλεστεί η τροφοδοσία τους. Μερικοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν αυτό τον τύπο μνήμης για να αποθηκεύσουν πληροφορίες που αφορούν τα διανυθέντα χιλιόμετρα, αριθμό κυκλοφορίας κα. Το CAN bus είναι ένας σειριακός ψηφιακός τρόπος σύνδεσης του εγκεφάλου με τα υποσυστήματα του αυτοκινήτου, ο οποίος χρησιμοποιεί μόλις 2 καλώδια. Πάνω σε αυτά τα 2 καλώδια είναι συνδεδεμένα τα περιφερειακά με σύνδεση συμβατή με CAN bus, όπως έξυπνοι αισθητήρες, μονάδα ηλεκτρονικής ανάφλεξης, υποσύστημα ABS, ενσωματωμένος υπολογιστής ταξιδιού, ελεγκτές φώτων. Εκεί συνδέεται και η διαγνωστική υποδοχή (φίσα), μέσω της οποίας το διαγνωστικό μηχάνημα του συνεργείου μπορεί να πάρει πληροφορίες για την κατάσταση του οχήματος και να εντοπίσει τη βλάβη. Έτσι, τα αναλογικά περιφερειακά μπορούν να διαθέτουν δικό τους μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό και μικροελεγκτή, π.χ. έξυπνοι αισθητήρες και ηλεκτρομηχανικοί ενεργοποιητές (actuators), ώστε οι καλωδιώσεις προς τον εγκέφαλο να είναι καθαρά ψηφιακές. Αυτή η φιλοσοφία απλοποιεί αισθητά την καλωδίωση δίνοντας ταυτόχρονα δυνατότητα για σύνθετες λειτουργίες, ενώ διευκολύνει τη διάγνωση βλαβών. Ζωτικά για την απρόσκοπτη λειτουργία του οχήματος, αλλά και την ασφάλεια των επιβαινόντων σε αυτό, είναι τα κυκλώματα προστασίας που παρεμβάλλονται μεταξύ του ηλεκτρικού κυκλώματος τροφοδοσίας του αυτοκινήτου και του κυκλώματος τροφοδοσίας του εγκεφάλου το οποίο παίρνει τάση από το πρώτο. Κατ' αυτό τον τρόπο, οι ανεπιθύμητες παρεμβολές του ηλεκτρικού συστήματος δεν επηρεάζουν τη λειτουργία της κεντρικής μονάδας ελέγχου. Ανάλογα κυκλώματα προστασίας διαθέτει οποιαδήποτε άλλη είσοδος ή έξοδος του εγκεφάλου. Εάν υπάρξει δυσλειτουργία ή αντικανονική λειτουργία του συστήματος (βλάβη), τότε ο εγκέφαλος περνάει σε ένα εφεδρικό λογισμικό ανάγκης (SOS), με τη βοήθεια του οποίου αποφεύγεται η ακινητοποίηση του οχήματος. Όταν αυτό ενεργοποιηθεί, λαμβάνονται αρχικές τιμές αντί των τιμών που δίνουν οι αισθητήρες, οι οποίοι αγνοούνται. Το λογισμικό ανάγκης σταθεροποιεί τη λειτουργία του κινητήρα μέσα σε φυσιολογικά όρια. Για παράδειγμα, εάν το σύστημα ελέγχου της θερμοκρασίας παρουσιάσει μια δυσλειτουργία στον αισθητήρα θερμοκρασίας περιβάλλοντος τότε, αντί να σταματήσει τη λειτουργία του εγκεφάλου, λαμβάνει σταθερές τιμές που έχει δώσει ο κατασκευαστής στο πρόγραμμα του εγκεφάλου ή λαμβάνει ως θερμοκρασία την τελευταία που έχει καταγραφεί πριν τη βλάβη. Αυτό επιτρέπει στον εγκέφαλο να λειτουργήσει σε οριακή βάση αντί να σταματήσει τελείως. Ο εγκέφαλος του αυτοκινήτου δίνει τα απαραίτητα στοιχεία και δεδομένα για τον τύπο του κινητήρα,την κατάστασή του, για τυχόν μηχανικές βλάβες στους στροφάλους αλλά και στα ηλεκτρικά κυκλώματα αυτού. Με αυτό τον τρόπο το συνεργείο μπορεί να διαπιστώσει αν υπάρχουν βλάβες στον μηχανισμό του κινητήρα ή στο σύστημα ηλεκτροδότησής του. Επίσης καταγράφονται και αρχειοθετούνται στοιχεία (data) για το υλικό κατασκευής του κινητήρα, τα τεχνικά μηχανικά στοιχεία του (π.χ.. καταπόνηση τοιχωμάτων του, πίεση, υπερθέρμανση) καθώς και την ποιότητα το υλικού του και των εξαρτημάτων του. Τα καρμπυρατέρ χρησιμοποιούνταν στο μεγαλύτερο διάστημα του άνω του ενός αιώνα ζωής των μηχανών εσωτερικής καύσης τύπου Όττο (βενζινοκινητήρων). Όμως η έλευση της ηλεκτρονικής επανάστασης στη δεκαετία του 1980 κατάφερε να βρει τρόπο διείσδυσης στην αυτοκίνηση, παραγκωνίζοντας σε σύντομο χρονικό διάστημα τόσο το καρμπυρατέρ όσο και το διανομέα (ντιστριμπιτέρ). Από ένα σημείο και μετά, τα μηχανικά συστήματα αντικαθίστανται από ισχυρά ολοκληρωμένα κυκλώματα (αρχικά αναλογικά και έπειτα ψηφιακά) τα οποία αναλαμβάνουν τον έλεγχο της λειτουργίας του κινητήρα. Οι κυριότεροι λόγοι για τους οποίους το καρμπυρατέρ έχει εκλείψει σήμερα παντελώς από τα αυτοκίνητα είναι η ανάγκη συνεχών ρυθμίσεων και η μεγάλη σπατάλη καυσίμου, η οποία δεν συμβαδίζει με τις διεθνείς προδιαγραφές εκπομπής καυσαερίων. Επιπλέον, το καρμπιρατέρ έχει μεγαλύτερο κόστος από το σύστημα ψεκασμού. Όταν οι νόμοι για την προστασία του περιβάλλοντος απαίτησαν τη συνεργασία του συστήματος τροφοδοσίας με τον καταλύτη, τα καρμπιρατέρ θα έπρεπε να φορτωθούν με τα ίδια ηλεκτρονικά συστήματα με αυτά του συστήματος ψεκασμού τη στιγμή που, χάρη στη μαζικοποίηση της παραγωγής τους, οι τιμές των ακροφυσίων (μπεκ) που χρησιμοποιούνται στο δεύτερο, έπεφταν. Για πολλές δεκαετίες πάντως, το καρμπυρατέρ μονοπωλούσε το ενδιαφέρον των ασχολούμενων με τις μετατροπές μια και οι γνώστες ήξεραν ότι μέσω αυτής συσκευής μπορούσαν να επιτευχθούν πολύ καλύτερες αγωνιστικές επιδόσεις από αυτές του εργοστασίου, αρκεί η ρύθμιση να ήταν σωστή. Το ντιστριμπιτέρ, από την άλλη πλευρά, ήταν ο συνδετικός κρίκος ο οποίος ολοκλήρωνε μια τέτοια βελτίωση. Πολλές φορές η προσθήκη δυο διπλών καρμπυρατέρ απογείωνε τις επιδόσεις του κινητήρα, αλλά ταυτόχρονα πολλαπλασίαζε τον αριθμό τον επισκέψεων στο συνεργείο προκειμένου αυτά να μείνουν ρυθμισμένα σωστά. Αντίθετα, και από την πρώτη στιγμή της εμφάνισής τους, τα ψηφιακά ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου τροφοδοσίας και ανάφλεξης ήταν σε θέση να αναλάβουν εξ ολοκλήρου τη διαχείριση του κινητήρα, με μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης, επομένως με μεγαλύτερη αξιοπιστία. Για τη λειτουργία ενός υπολογιστικού συστήματος απαιτείται η εισαγωγή δεδομένων και η ύπαρξη των συναρτήσεων ώστε να εξαχθεί το απαιτούμενο αποτέλεσμα. Τα δεδομένα στον υπολογιστή ενός αυτοκινήτου παρέχονται αυτόματα από τους αισθητήρες που είναι τοποθετημένοι στην εισαγωγή την εξαγωγή αλλά και στο ίδιο το σώμα του κινητήρα. Αυτοί οι αισθητήρες φροντίζουν να ενημερώνουν τον εγκέφαλο με δεδομένα γύρω από την κατάσταση του κινητήρα, τις απαιτήσεις του οδηγού από αυτόν και τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Όσο περισσότεροι οι αισθητήρες, τόσο πληρέστερη θα είναι η εικόνα που έχει η κεντρική υπολογιστική μονάδα του ώστε να αποφασίσει σωστά. Αν όμως για λόγους οικονομίας ή απλότητας απουσιάζουν κάποιοι αισθητήρες, ο μικροελεγκτής είναι υποχρεωμένος αλλά και ικανός, στις περισσότερες περιπτώσεις, να προβεί σε εκτιμήσεις ως προς τις ελλείπουσες πληροφορίες, με βάση τους κανόνες που περιέχονται στο λογισμικό του. Η ελάχιστη δυνατή σύνθεση αισθητήρων με την οποία μπορεί να λειτουργήσει ένας εγκέφαλος αυτοκινήτου αφορά τις ακόλουθες παραμέτρους: Θέση πεταλούδας εισαγωγής. Θέση στροφαλοφόρου άξονα-εκκεντροφόρου άξονα. Θερμοκρασία ψυκτικού υγρού. Αισθητήρας λ. Μάζα εισερχόμενου, στους κυλίνδρους, αέρα. Αισθητήρας κρουστικής καύσης (knock sensor).Οι αισθητήρες αυτοί παρέχουν αναλογική έξοδο (π.χ. 0 έως 5 Volt) η οποία στη συνέχεια μεταφράζεται, μέσα στον εγκέφαλο ή πάνω στο αισθητήριο, από ένα μετατροπέα του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον μικροελεγκτή της κεντρικής μονάδας. Ο εγκέφαλος με την σειρά του, αφού επεξεργαστεί όλες τις πληροφορίες που τον αφορούν, δίνει εντολές σε υποσυστήματα όπως αυτό της τροφοδοσίας καυσίμου. Εξαιτίας της ύπαρξης διαφορετικών συστημάτων ψεκασμού αλλά και του τρόπου λειτουργίας του τελευταίου που να ψεκάζει σε σειρά (κάθε ακροφύσιο προγραμματίζεται) ή παράλληλα (όλα τα ακροφύσια λειτουργούν ταυτόχρονα). Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται από την υπομονάδα ηλεκτρονικού ελέγχου του κινητήρα είναι περίπλοκοι. Η λειτουργία του κινητήρα πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε αφενός να ικανοποιεί τις απαιτήσεις της νομοθεσίας για τις εκπομπές καυσαερίων, αφετέρου να ικανοποιεί τους στόχους του κατασκευαστή (αξιοπιστία και επιδόσεις). Ο βασικός αλγόριθμος ελέγχου της ποσότητας βενζίνης που πρέπει να ψεκαστεί αποτελείται από μια σειρά πολλαπλασιαζόμενων μεταξύ τους αριθμών, τους οποίους το λογισμικό επιλέγει μέσα από διάφορους πίνακες που ονομάζονται χάρτες. Ο εγκέφαλος θα αποφασίζει, για κάθε στιγμή λειτουργίας, την ποσότητα της βενζίνης που θα εισέλθει στο θάλαμο καύσης, με βάση τα δεδομένα των παραπάνω αισθητήρων. Δηλαδή αυτό που κάνει είναι να καθορίζει την εκάστοτε χρονική διάρκεια του ανοίγματος των ακροφυσίων. Οι διαθέσιμες τιμές διάρκειας ανοίγματος των ακροφυσίων σχηματίζουν έναν πίνακα στον οποίο ο εγκέφαλος, γνωρίζοντας τις στροφές και το φορτίο του κινητήρα, ανατρέχει και λαμβάνει την τιμή που αντιστοιχεί για παράδειγμα στις 1000 στροφές ανά λεπτό. Αντίστοιχοι πίνακες υπάρχουν στη μνήμη του για κάθε μια από τις παραμέτρους που ελέγχονται από του αισθητήρες.