Dziś także w wielu silnikach praca zaworów zależy od stałych wałków rozrządu, a kąt wyprzedzenia zapłonu jest regulowany tylko w warunkach warsztatowych. Dawniej regulacja gaźnika albo wtryskiwaczy także była wykonywana okresowo – w warsztacie.
Przeciętny silnik pracuje ze stałymi ustawieniami, dobranymi tak, aby dawały optymalne osiągi w pewnych średnich warunkach, uznanych przez producenta za najbardziej prawdopodobne. Rzecz w tym, że rzeczywistość znacznie odbiega od średniej i nie istnieją w niej takie pojęcia jak: „standardowy kierowca”, „idealna trasa” czy „zwykłe obciążenia pojazdu”. Każda jazda samochodem sprawia, że silnik, choćby przez chwilę, pracuje w sposób daleki od optymalnego (czyli tak, jak ustawiono go w montowni, ale nie tak, jak wymagają konkretne warunki pracy). Z tego względu osiągi silników są dalekie od optymalnych, a każdy silnik można uczynić nieco lepszym.
Rozwiązaniem jest dynamiczna zmiana parametrów pracy silnika. Rozwiązania projektowane w tym duchu istnieją od dawna. Za pierwszy kontroler silnika uznaje się urządzenie opracowane przez Bendix Corporation i wprowadzone na rynek w 1958 roku pod nazwą Electrojector. Był on montowany między innymi w samochodach Chrysler 300D i Chrysler Imperial z 1958 roku. Później regularnie pojawiały się coraz doskonalsze sterowniki silników. Idea jest prosta: nauczmy silniki, jak kontrolować warunki pracy i reagować na zmiany. Zadanie w sam raz dla elektronicznych układów automatycznego sterowania – początkowo analogowych, następnie cyfrowych.
Otoczenie
ECU (czyli sterownik silnika, od ang. Engine Control Unit) nie jest samodzielnym modułem. Jego rola polega na przetwarzaniu informacji. Z natury musi on współpracować z czujnikami dostarczającymi informacje o warunkach pracy silnika oraz z elementami wykonawczymi, mającymi wpływ na skład mieszanki, pracę świec, wtryskiwaczy i zaworów. Liczba tych podzespołów stopniowo się zwiększa, podobnie jak strumień danych, które trzeba opracowywać w czasie rzeczywistym. Dlatego kolejne rewolucje w sterowaniu silnikiem zbiegają się w czasie z wprowadzaniem na rynek nowych, coraz szybszych i bardziej wydajnych rodzin mikrokontrolerów.
Sterowanie silnikiem jest sztuką mocno opartą na matematyce, fizyce i naukach technicznych. Wyścig wygrywają ci, którzy potrafią zaprojektować skuteczniejsze algorytmy sterowania, lepiej eliminują błędy i skuteczniej dopasowują modele matematyczne, na których są oparte ich sterowniki – zarówno do kolejnych odsłon znanych silników, jak i do zupełnie nowych jednostek. Walka o moc, mniejsze zużycie paliwa, większy moment obrotowy, niższe spalanie itd. w sporej części przeniosła się z warsztatów do laboratoriów elektronicznych i firm z sektora IT.
Kierunek zmian
Kierunki prac nad następną generacją ECU wyznacza „zielona” rzeczywistość. Ma być czyściej, oszczędniej i bezpieczniej, a także – w niedalekiej przyszłości – bardziej samodzielnie. Autonomiczność pojazdów, zapowiadana przez motoryzacyjnych gigantów, to przecież także elastyczne, samodzielne kontrolowanie i dostosowanie pracy silnika (choć w przyszłości raczej nie spalinowego). W cyfrowym ekosystemie pojazdu ECU już od dawna nie jest jedynym „inteligentnym” urządzeniem. Część funkcji o krytycznym znaczeniu obsługują osobne moduły (np. sterownik poduszek i kurtyn powietrznych). Inne, nadrzędne sterowniki koordynują pracę urządzeń z grupy „infotainment” (od ang. information i entertainment, czyli informacja i rozrywka). ECU muszą się z nimi komunikować, więc obsługują kolejne protokoły transmisji danych i media. Kiedyś był to niemal wyłącznie protokół CAN, ale nowsze sterowniki potrafią się komunikować przez sieć LAN zbudowaną na skrętce (w przyszłości zapewne także na światłowodzie).
Jeśli chcemy przekonać się, w którą stronę zmierzają sterowniki, musimy przyjrzeć się producentom modułów przeznaczonych dla motosportu. Oferują oni urządzenia będące zamiennikami ECU montowanych fabrycznie przez producentów pojazdów. Można łatwo zauważyć, że producenci tych modułów kładą silny nacisk na ułatwianie modyfikacji oprogramowania, bezprzewodową wymianę danych (zarówno z urządzeniami warsztatowymi, jak i akcesoriami umieszczonymi w kabinie), a także eksport danych wykorzystywanych do wizualizacji stanu silnika. Producenci pojazdów zapewne idą w podobnym kierunku. Częsta modyfikacja algorytmów sterowania, charakterystyczna dla tuningu, nie jest ich priorytetem, ale komunikacja bezprzewodowa (np. przez moduł transmitujący dane przez sieć telefonii komórkowej) jest niezbędna do realizacji mocno promowanych usług zdalnego diagnozowania i usuwania usterek.
Zdalnemu wykonywaniu tego typu usług towarzyszą obawy o bezpieczeństwo pojazdu w sytuacji permanentnego zagrożenia atakami cyberprzestępców. Między innymi z tego względu sterowniki mogą stać się jednymi z najlepiej zabezpieczanych urządzeń sieciowych.
Open ECU
Tam, gdzie mamy do czynienia z urządzeniami cyfrowymi i oprogramowaniem, które nimi steruje, prędzej czy później pojawia się idea tzw. otwartych projektów. „Otwartych”, czyli dostępnych wraz ze szczegółową dokumentacją techniczną oraz kodem źródłowym oprogramowania, często w wielu wersjach. Dzięki temu konstrukcja może być wykorzystywana niemal dowolnie przez każdego, kto potrafi budować i uruchamiać układy elektroniczne oraz pisać i modyfikować programy napisane w którymś z powszechnie znanych języków programowania.
„Otwarte” moduły MCU mogą być montowane zamiast oryginalnych. Po zainstalowaniu programu odpowiadającego konkretnemu modelowi silnika można zacząć jeździć i eksperymentować. Oczywiście nie jest to rozwiązanie dla producentów pojazdów, dla których priorytetem jest powtarzalność parametrów, wytrzymałość (zakładana już na etapie projektowania), emisja spalin itd. Tego typu programy mają jednak do odegrania istotną rolę, ponieważ stymulują pokaźną grupę badaczy i amatorów tuningu do wysiłku i poszukiwania lepszych algorytmów, testowania granic możliwości silników itp.
Wielka zmiana
Rewolucję na rynku ECU będziemy mogli obserwować wtedy, gdy produkcja pojazdów z silnikami spalinowymi spadnie niemal do zera. Napęd elektryczny także potrzebuje sterowania, ale musi ono uwzględniać zupełnie inną charakterystykę napędu i obecność pomocniczych instalacji, m.in. kontrolera baterii trakcyjnej, kontrolera ładowania itp.
Prawdopodobnie wzrośnie wówczas rola ECU jako centrali diagnostycznej badającej zdolność pojazdu do jazdy i raportującej wszelkie odchylenia od normy i potencjalne zagrożenia. To doskonałe zadanie dla sztucznej inteligencji. Algorytm nauczony rozpoznawania anomalii może ostrzegać przed uszkodzeniem na długo przed jego wystąpieniem. Umożliwi to spokojne zaplanowanie wizyty w serwisie, sprowadzenie części zamiennych itd. Taka diagnostyka „wyprzedzająca” oznacza mniejszą liczbę awarii w trasie, niższe koszty eksploatacji pojazdu i mniejsze ryzyko wypadku spowodowanego usterką.
ECU jako specjalizacja dla warsztatu
Kontrolery silników mogą być przedmiotem specjalizacji warsztatu samochodowego. Rynek usług związanych z naprawą, programowaniem i modyfikacjami ECU rozwija się od kilku dziesięcioleci i jest bardzo perspektywiczny. Jest jednak pewien haczyk: w tej branży koszty początkowe są relatywnie wysokie, a krzywa uczenia się bywa bardzo stroma, zwłaszcza jeśli celujemy w profesjonalne, kompleksowe usługi, obejmujące zarówno naprawę układów elektronicznych, jak i programowanie, debugowanie (także podczas jazdy) czy modyfikowanie ustawień według zaleceń właściciela pojazdu.
Warsztat, który chciałby świadczyć tego typu usługi, powinien być wyposażony w narzędzia umożliwiające lutowanie elementów montowanych powierzchniowo, z różną gęstością, a także elementów przewlekanych. Pomocne okaże się wyposażenie do wymiany układów scalonych wykonanych w technologii BGA. Na liście zakupów muszą znaleźć się: stół warsztatowy z blatem spełniającym wymagania ochrony przed ładunkami statycznymi (ESD) lub odpowiednia mata, drobne narzędzia mechaniczne (szczypce, pincety, wkrętaki) oraz mikroskop techniczny. Przydatna będzie także kamera termowizyjna skracająca czas identyfikacji nadmiernie nagrzewających się, a więc prawdopodobnie uszkodzonych elementów.
Z przyrządów diagnostycznych potrzebne będą: zasilacz serwisowy z regulowanym napięciem i zabezpieczeniem prądowym, multimetr oraz oscyloskop (najlepiej z opcją analizy protokołów komunikacyjnych spotykanych w samochodach.) Dobrze jest także dysponować wielokanałowym analizatorem stanów logicznych oraz programatorami pokrywającymi możliwie szerokie spektrum układów pamięci różnych producentów. Poszukiwanie błędów ułatwiają debuggery.
Wiele z tych urządzeń (programatory, debuggery, analizatory stanów) współpracuje z oprogramowaniem dostarczanym bezpłatnie lub w bardzo przystępnych cenach. To ważne, gdyż bez takiego oprogramowania sprzęt jest w zasadzie bezużyteczny. Osobna kwestia to środowiska programistyczne i narzędzia do tzw. dezasemblowania programów. Jednym słowem: wysoka specjalizacja wymaga przyzwoicie wyposażonego laboratorium elektronicznego, zlokalizowanego tak, aby umożliwiało pracę z samochodem przy włączonym silniku.
Druga, równie ważna część inwestycji, to ludzie: doświadczeni elektronicy, specjalizujący się w programowaniu i naprawie systemów mikrokontrolerowych, najlepiej z doświadczeniem w pracy z układami elektronicznymi firm produkujących dla sektora motoryzacyjnego.
Piotr Kołaczek
