Motor kontrol ünitesi

Motor kontrol ünitesi (Engine Control Unit / ECU) ya da sıkça kullanılan diğer adıyla motor kontrol modülü (Engine Control Module / ECM), optimum motor performansını sağlamak için içten yanmalı bir motordaki bir dizi aktüatörü kontrol eden bir tür elektronik kontrol ünitesidir. Temel amacı motor fonksiyonlarını yönetmek, performansı iyileştirmek ve sürekli kontrol altında tutmaktır. Bu görevini yerine getirmek için motor bölmesi içindeki çok sayıda sensörden gelen değerleri okur, bu değerleri çok boyutlu performans haritalarını kullanarak yorumlar ve buna göre de motordaki bileşenlerde gerekli ayarlamaları yapar. ECU'lar araçlarda kullanılmaya başlamadan önce hava-yakıt karışımı, ateşleme zamanlaması ve rölanti devri gibi parametreler mekanik olarak ayarlanıyor; mekanik ve pnömatik elemanlar gibi çeşitli kontrolörler vasıtasıyla da dinamik olarak kontrol ediliyordu.

Motor kontrol ünitesi, yakıt dağıtım sistemi üzerinde kontrole sahipse, elektronik motor yönetim sistemi olarak da adlandırılır. Yakıt enjeksiyon sistemi, motorun yakıt beslemesini kontrol etmede önemli bir role sahiptir. Elektronik motor yönetim sisteminin tüm mekanizması, bir dizi sensör ve aktüatör tarafından kontrol edilir.

İçten yanmalı motorlarda silindir içerisinde hava-yakıt karışımı oluşturmak amacıyla kullanılan çeşitli türlerde yakıt püskürtme stratejileri vardır. Motor çalışır durumdayken çok sayıda sensörden gelen bilgiyi anlık olarak işleyen ve değerlendiren ECU, püskürtülmesi gereken yakıt miktarını belirler. Silindir içerisinde yanma oluştuktan sonra egzoz manifoldları tarafından silindirlerden dışarıya atılan egzoz gazı, oksijen sensörleri tarafından analiz edilir. Bu analiz sonucunda motorun ideal koşullara (stokiyometrik olarak bilinir) kıyasla zengin mi (zengin: hava-yakıt karışımındaki yakıt miktarı istenenden fazla) yoksa fakir mi çalıştığını (fakir: hava-yakıt karışımındaki yakıt miktarı istenenden az) tespit eder (bu durum, hava-yakıt karışımının zengin ya da fakir karışım olması olarak da ifade edilir). Hava kelebeğine bağlı sensörler, sürücü gaz pedalına bastığında gaz kelebeği plakasının ne kadar açıldığını ECU’ya söyler. Diğer bir sensör, gaz kelebeği açıldığında silindir içerisine emilen havanın miktarını ölçer. Motor soğutma suyuna bağlı sıcaklık sensörü ise motorun sıcaklığını ölçer, buna bağlı olarak motorun yeterince ısınıp ısınmadığıyla ilgili değerlendirme yapar ve atılacak bir sonraki adımı bu bilgilere göre belirler.

Karbüratörlü motorlarda hava-yakıt karışımını kontrol eden sistem de yine benzer bir mantıkla çalışır. Bu tip motorlarda hava-yakıt karışımının kontrolü, daha karışım silindire gönderilmeden önce şamandıra haznesinde, bir karışım kontrol bobini veya karbüratör kademe motoru tarafından gerçekleştirilir. Eski tip motorlar da soğukken ilk çalıştırmada jikle kullanılır.

Modern motorların büyük bölümünde rölanti devri, ECU tarafından kontrol edilir. Motor devri (RPM), yakıt enjeksiyonu, ateşleme, silindir içerisine havanın emilmesi ve yanmış gazların silindirden dışarı atılması gibi zamanlama açısından kritik fonksiyonların kontrolü, krank mili konum sensörü tarafından takip edilir. Rölanti devri, gaz kelebeğinin hareketini sınırlayan programlanabilir bir mekanizma veya kademeli hava kontrol vanası motoru ile kontrol edilir. Karbüratörlü motorların erken dönem örneklerinde ise gaz kelebeğinin hareketini sınırlayan çift yönlü DC motora sahip programlanabilir sistemler kullanılmıştır. Yakıtın emme manifolduna (karbüratörlü) püskürtüldüğü motorların erken dönem örneklerinde de kademeli hava kontrol motoru kullanılmıştır. Verimli bir rölanti devir kontrol sisteminin, motor rölantideyken oluşacak motor yükünü öngörmesi ve buna göre kontrolü sağlaması beklenir.

Tam donanımlı devir kontrol sistemleri, motor devrini kontrol etmenin yanı sıra hız sabitleme ve azami hızın kontrolü gibi farklı fonksiyonları da yerine getirebilir. Motor devrini kontrol eden sistemlerin rölanti devrini kontrol etmek, seyir kontrol fonksiyonları ve üst hız sınırlandırmasını sağlamak için tam yetkili bir gaz kontrol sistemi kullanılabilir.

Değişken supap zamanlaması bulunan motorlarda ECU, supapların açılma zamanlarını her motor çevriminde kontrol eder. Araç yüksek hızlarda seyrederken ve motor devri yüksekken supaplar da daha hızlı açılırlar; böylece silindire daha çok hava alınabilir ve daha fazla güç üretilebilir. Bu işlem, genellikle farklı tasarımlara sahip kam milinin kontrolüyle sağlanır.

Kam mili bulunmayan bazı deneysel motorlar üretilmiş ve test edilmiştir. Bu motorlarda silindire hava girişini ve yanmış gazın silindirden çıkışını sağlayan supapların kontrolü, açık kalma sürelerinin ayarlanması gibi fonksiyonlar, kam mili yerine elektronik bir sistem tarafından kontrol edilir. Bu sayede, hassas zamanlamalı elektronik ateşleme ve yakıt enjeksiyonu ile donatılmış çok silindirli motorlara, marş motoruna ihtiyaç duymadan ilk hareket verilebilir. Böylece hem içten yanmalı hem de elektrik motoruna sahip hibrit araçların ulaşabildiği enerji verimliliği ve egzoz salınımı (emisyon) değerlerine, çok yer kaplayan, pahalı ve karmaşık bir marş motoru olmadan da ulaşılabilir.

Bu konseptteki ilk seri üretim motor, 2002 yılında geliştirilmeye başlandı ve 2009 yılında İtalyan otomobil üreticisi Fiat tarafından piyasaya sürülen Alfa Romeo MiTo aracında kullanıldı. Elektronik supap kontrollü bu motor, yakıt tüketimini yüzde 15 aşağıya çekerken tork ve beygirgücünü ise ciddi ölçüde arttırdı. ECU tarafından kontrol edilen hidrolik pompalar vasıtasıyla açılıp kapanan supaplar, motor yüküne bağlı olarak tek bir emme zamanında (havanın silindir içerisine emildiği zaman dilimi) supapları birkaç defa açıp kapatabilir. Sonrasında ise ECU, emilen havanın miktarına bağlı olarak püskürtülmesi gereken en uygun yakıt miktarını belirler.

Motor sabit yük altında çalışırken işlem adımları şu şekildedir: Hava subabı açılır ve silindire hava emilir; aynı zaman diliminde yakıt püskürtülür; sonrasında ise hava supabı kapanır. Bu akış hem kam mili olan hem de elektronik olarak kontrol edilen emme ve egzoz supaplarına sahip motorlarda aynıdır. Buna ek olarak elektronik kontrollü sistemlerde sürücü aniden gaza bastığında, aynı emme zamanında hava emme supabı tekrar açılabilir ve tekrar yakıt püskürtülebilir. Bu durum, motor gücünü ani bir şekilde arttırır ve aracın hızlanmasını sağlar. Bir sonraki yanma çevriminde ise ECU, güç isterinin artmasıyla oluşan bu yeni durumdaki motor yükünü hesaplar ve emme supabını erken mi yoksa geç mi, aynı zamanda da tam açık olacak şekilde mi yoksa yarım açık olacak şekilde mi açacağına karar verir. Sonraki çevrimde ise bu bilgileri kullanarak duruma en uygun hava-yakıt karışımı miktarını mümkün olan en doğru zamanlamayla silindir içerisinde oluşturur. Aynı koşulları, tüm emme zamanı boyunca emme supabını tam açık pozisyonda tutan kam mili ile sağlamak ise olanaksızdır.

Bir motorun ürettiği gücün önemli bir kısmı, kam milini çevirmek ve mille ilişkili supapları dakikada binlerce defa açıp kapatmak için harcanır. Bu yüzden kam mili ve ona bağlı olarak çalışan motor elemanlarının ortadan kalkması, motoru sadece hacim ve kütle olarak hafifletmekle kalmaz aynı zamanda sistem içerisindeki güç kayıplarını ve sürtünmeyi de önemli ölçüde azaltır.

Motorun yüksek miktarda güç üretmesine ihtiyaç olmayan durumlarda bazı silindirlerin devre dışı bırakılması konusuyla ilgili potansiyel gelişmeler, buna örnek olarak verilebilir. Bu işlem iki türlü gerçekleştirilebilir. İlki, silindirin içerisine hava emilmesi ve sonrasında da yanma gerçekleşmeden egzoz manifoldundan dışarı atılmasıdır. Bu seçenek tercih edildiğinde, kam mili ve supaplarla ilgili karmaşık ve pahalı tasarım değişikliklerine gerek kalmaz. Tek yapılması gereken, yakıt enjeksiyonunu ve ateşlemeyi iptal etmektir. Ancak bu durumda, silindirlerin devre dışı bırakılması konseptinden beklendiği şekilde egzoz gazı emisyonunu düşürmek olası değildir. İkinci seçenekse havayı silindire alan ve dışarı atan supapların devre dışı bırakılmasıdır. Bu da ilk seçenekte göz ardı edilebilen pahalı tasarım değişiklilerini gerekli kılar. İkinci seçeneğin hem maliyet hem de emisyon değerleri açısından en uygun uygulama şekli, kam mili yerine elektronik olarak kontrol edilebilen supaplar kullanılmasıdır.

Daha da önemli bir gelişme ise geleneksel gaz kelebeğinin ortadan kaldırılması olacaktır. BMW’nin V10 motorunu kullanan M5 modelinde uygulanan bu yöntemde tüm silindirleri tek bir gaz kelebeğiyle beslemek yerine her bir silindir, sadece o silindiri besleyen kendi gaz kelebeğine sahiptir. Sürücü tarafından basılan gaz pedalından ECU’ya iletilen sinyalin değerlendirilmesinin ardından her gaz kelebeği, birbirlerinden bağımsız olarak açılır ve kapatılır. Bu da vakum etkisinden dolayı oluşacak fazladan güç kaybını engeller.

Aracın ömrü boyunca bakım ya da performans iyileştirme amacıyla motorun herhangi bir parçası değiştirildiğinde, motor kontrol ünitesinin çalışması esnasında motor ile arasında bazı uyumsuzluklar olabilir. Burada motordaki değişikliklerle ECU arasındaki uyumu sağlamak adına, programlanabilir bir ECU kullanılabilir. Örnek olarak turboşarjlı, süperşarjlı ve atmosferik motorlarda yakıt enjeksiyonu, hava-yakıt karışımının ateşlemesi, egzoz sistemi, aktarma organlarının kontrolü gibi birçok fonksiyon grubu, gerektiğinde programlanabilir ECU’lar üzerinden güncellenebilir. Burada aracın fonksiyonlarının bilgisayar üzerinden izlenmesine ve gerekli ayarların/güncellemelerin/iyileştirmelerin ECU’ya iletilebileceği bir ara yüz programına ihtiyaç vardır.

ECU’nun programlanması esnasında motor tarafından dışarı atılan egzoz gazı, oksijen (lambda) sensörü ile anlık olarak takip edilir. Bunun sonucunda elde edilen verilerle, motor gücü ve gaz kelebeği açıklık miktarına bağlı olarak püskürtülmesi gereken yakıt miktarları belirlenir. Uzmanlar tarafından gerçekleştirilen bu işlem için motor devri, üretilen motor gücü miktarı, tork miktarı, vites geçişi davranışı gibi çok sayıda bilgiyi görüntüleyebilen bir dinamometreye ihtiyaç vardır. Şasi dinamometresinin yapısı, kabaca koşu bandına benzetilebilir.

Yarış araçlarında kullanılan motor kontrol üniteleri, genellikle 0,5 ila 16 megabayt arasında bir veri saklama kapasitesine sahiptir ve yarış sırasında sensörlerin ürettiği verileri, yarış sonrasında analiz edilebilmesi için kaydeder. Yarış araçlarındaki çoğu ECU, RS-232 ya da CAN bus gibi çeşitli iletişim protokolleri vasıtasıyla bir gösterge paneline bağlanarak temel motor performans bilgilerini anlık olarak sürücüye iletir.

Silindir içerisine emilen hava miktarı, havanın ya da yakıtın basıncı ve sıcaklığı, motor devri, egzos gazı içerindeki oksijen miktarı, vuruntu, krank açısı gibi birçok parametreyle ilgili veri üreten sensörler, Elektronik Motor Yönetim Sistemi (EEMS) içerisinde hayati öneme sahiptir.

Motorun çalışması esnasında kontrol edilmesi gereken çok sayıdaki fonksiyonu tek noktadan otomatik olarak yönetmeyi amaçlayan ilk girişimlerden biri olan "Kommandogerät" adlı cihaz, BMW tarafından 1939 yılında geliştirildi. İlk olarak BMW 801 adındaki 14 silindirli radyal (yıldız tipi) uçak motorlarında kullanılan cihaz, uçağın sert ivmelenme sürecini yöneten 6 farklı kontrol elemanının yerini tek başına aldı. Ancak bu cihazın bazı sorunları da vardı. Tek motorlu ve tek kişilik bir Alman savaş uçağı olan Fw 190'ın (Focke-Wulf Fw 190 Wurger) motor gücünde yaşanan ani düşüşler, uçağın yakın kol uçuşu yapmasını zorlaştırıyor ve aniden tehlikeli bir şekilde stall durumuna girmesine sebep oluyordu.

Entegre devrelerin ve mikroişlemcilerin gelişmesi, 1970'lerde motor kontrolünün ekonomik olarak verimli hale gelmesini sağladı. 70'lerin başında Japon elektronik endüstrisinin ürettiği entegre devreler ve mikro denetleyiciler, Japon otomobillerinde motor kontrolü için kullanılmaya başlandı. Ford Motor Company tarafından geliştirilen ve Toshiba TLCS-12 mikroişlemcisini kullanan Ford EEC (Elektronik Motor Kontrol) ise 1975 yılında seri üretime geçti.

Hibrit dijital ya da analog tasarımlar, 1980’lerin ortalarında popülerdi. Bu sistemler motorla ilgili gerekli ölçümleri yapmak ve bu bilgileri işlemek için analog yöntemler kullanıyorlardı. Motordan gelen ölçüm sonuçları, önceden belirlenmiş ve dijital ROM (Read-Only Memory / Sadece Okunabilir Hafıza)’ya kaydedilmiş bilgilerle karşılaştırılıyor ve buna göre uygun çıktılar oluşturuluyordu. Bu çıktılar, sonraki yıllarda geliştirilen motor kontrol üniteleri tarafından dinamik olarak hesaplanmaya başlandı. Önceden hesaplanan ve ROM’a kaydedilen bu değerler, “ideal” ve yeni ya da az çalışmış bir motorda kullanıldığında sorun yaratmasa da motor çalıştıkça ve parçalar aşındıkça güncelliğini kaybedip verimsizleşiyordu.

Modern ECU'larda kullanılan mikroişlemciler, motordaki sensörlerinden gelen bilgileri gerçek zamanlı olarak işleyebilir. Temelde ECU, donanım ve yazılım olmak üzere iki ana bileşenden oluşur. Baskılı devre kartı (PCB) üzerinde yer alan çok sayıdaki elektronik bileşenden en önemlisi, Mikrodenetleyici çiptir. Motor kontrol algoritmalarını içeren yazılım, bu mikrodenetleyici çipte ya da PCB üzerindeki diğer çiplerde, genellikle de EPROM ya da flash bellekte saklanır. Bu sayede merkezi işlem birimi (CPU / Central Processing Unit), yazılımın güncellenmesi ya da çip değişikliği vasıtasıyla yeniden programlanabilir. Bu sistem elektronik motor yönetim sistemi olarak da adlandırılabilir.

ECU’lar, motordaki sensörlerden bilgiyi alır ve bu bilgiyi, motoru oluşturan bileşenleri kontrol etmekte kullanır. Değişken supap zamanlamalarının ve turboşarj emniyet supabının elektronik olarak kontrolü, buna örnektir. Ayrıca ECU, şanzıman kontrol üniteleri ile iletişim kurabilir veya elektronik olarak kontrol edilen otomatik şanzımanlar, çekiş kontrol sistemleri ve benzerleri için doğrudan bir arayüz görevi görebilir. Bu sistemler arasındaki iletişimi sağlamak için genellikle CAN bus iç iletişim ağı teknolojisi kullanılır.

General Motors'un (GM) 1979'daki pilot ECU projesi hibrit dijital yapıdaydı ve önceden hesaplanmış verileri kullanarak motor kontrolü gerçekleştiriyordu; aynı firmanın 1980’lerdeki tüm ECU projeleri ise mikroişlemci tabanlıydı. ABD’nin Temiz Hava Yasası (Clean Air Act) kapsamındaki egzoz emisyonu değerlerini karşılayabilmek amacıyla 1981 yılında yüksek miktarda ECU üretildi ancak bunların hepsi hibrit yapıdaydı. ECU üretim hacminin çok yüksek olduğu 1981’den sonra üretilen GM araçlarında ise mikroişlemcili modern ECU’lar kullanıldı.

Aynı yıllarda GM, yakıt dağıtım sisteminde de değişikliğe giderek karbüratörlü modellerin yanı sıra doğrudan püskürtme yapılan motorlar da üretmeye başladı. Tek bir enjektör vasıtasıyla yakıtın manifolda püskürtüldüğü ilk GM ürünü olan Cadillac motorları 1980’de, Chevrolet Corvette'te kullanılan Pontiac 2.5L I4 "Iron Duke" ve Chevrolet 5.7L V8 L83 "Cross-Fire" motorları ise 1982’de üretilmeye başlandı. Oldsmobile 5.0L V8 LV2 motoruna sahip 1990 model Cadillac Brougham, Kuzey Amerika pazarında satışa sunulan son karbüratörlü binek otomobil oldu (karbüratörlü bir motorla çalışan 1992 Volkswagen Beetle modeli Meksika'da satın alınabiliyordu, ancak ABD'de ve Kanada’da satışa sunulmadı). ABD’de ve Japonya’nın büyük otomobil üreticileri arasında, binek araçlarda karbüratörlü sistemleri terk ederek yalnızca doğrudan püskürtmeli modellere yönelen son firma, 1991 yılı itibarıyla GM oldu. GM'nin elektronik bölümü olan Delco ise 1988 yılında günde 28.000'den fazla ECU üreterek o dönemde dünyanın en büyük dijital kontrol bilgisayarları üreticisi oldu.

Sadece otomobillerde değil içten yanmalı motora sahip farklı sistemlerde de kullanılan dijital kontrol bilgisayarları ya da ECU’lar, havacılık alanındaki uygulamalarda "FADEC'ler" (Full Authority Digital Engine Controls / Tam Donanımlı Bağımsız Dijital Motor Kontrol Ünitesi) olarak bilinir. Ancak bu kontrol sistemi, piston motorlu küçük uçak ve helikopterlerde, otomobillere kıyasla pek yaygın değildir. Bunun temel sebeplerinden biri, kontrol sisteminin arızalanması durumunda motorun manuel olarak idare edilemeyecek olması ve bunun getirdiği yüksek risktir.