RVS technology
Din kundvagn är tom
DEN DATORISERADE BILEN

OBD2 (On Board Diagnostics) är en standard som nästan ingen idag har varken sett eller hört talas om. Det är inte många som vet hur denna påverkat våra bilar. Ändå är det tusentals bilar på våra vägar idag som är OBD2-kompatibla, vilket bidrar till mindre miljöpåverkan genom renare avgasutsläpp.

Styrnings- och diagnossystem för bilar har tills nyligen varit tillverkarspecifika. De var allmänt konstruerade så att endast aktoriserade märkesverkstäder med specialutrustning kunnat komma åt data. Detta har nu förändrats genom tillkomsten av OBD2 systemet som blivit en ISO-standard, kallad EOBD.

EU-direktiv kräver att alla bensinmotordrivna bilar sålda inom EU, från och med årsmodell 2000, skall vara EOBD-kompatibla. Diselmotordrivna bilar skall vara kompatibla från och med år 2003. Grunden för dessa systems införande är naturligtvis ökade miljökrav. Äldre bilars avgasutsläpp kontrolleras i bästa fall en gång per år, vid besök på bilprovningen. Den nya standarden kräver kontinuerlig övervakning av bilens utsläpp

USA var det första landet som införde lagar mot luftföroreningar, orsakade av bilavgaser. Bland annat infördes här katalysatorrening tidigare än i Europa. Delstaten Kalifornien har här varit starkt pådrivande när det gäller miljölagstiftningen. Lagstiftningen i USA har tvingat bilfabrikanterna att införa diagnossystem i bilarna så att bilägarna tvingats att ta in bilen på verkstad när tröskeln för avgasutsläpp överskrids.

Detta system kallas för ”On Board Diagnostics”, förkortat OBD. I händelse av, eller misstanke om felaktigheter som kan orsaka höga avgasutsläpp, skall föraren informeras om detta genom att en lampa tänds på bilens instrumentpanel. Denna lampa har fått många olika namn som ”kolla motorn” (Check Engine), serva motorn, etc. Enligt nuvarande standard skall lampan benämnas MIL (Malfunction Indicator Lamp). Samtidigt som MIL tänds, lagras i systemet en felkod som förklarar varför MIL tänts.

Bilfabrikanterna hade naturligtvis olika uppfattningar om hur OBD-systemen och dess felkoder skulle utformas, vilket gjorde systemen tillverkarspecifika.
Efter ytterligare utveckling ersattes de olika OBD-systemen med det SAE-standardiserade OBD2. Alla bilar sålda i USA efter 1995, skall vara OBD2-kompatibla. Detta gäller såväl importerade som inhemskt tillverkade bilar.

OBD2 och EOBD är standarder, alltså regelverk som ställer krav på övervakningssystem i dagens bilar. ISO-standarden EOBD följer i allt väsentligt den amerikanska SAE-standarden. Det görs i ISO-standarden, hänvisningar till den amerikanska. Denna består i sin tur av ett stort antal delstandarder, vilket gör standarderna ganska svårgreppbara.

Den första emisionskontrollerande teknologin på bilmotorn, var positiv vevhusventilation (PCV). Förbränningsgaser som trängt förbi kolvarna ner i vevhuset, kopplades tillbaks till motorns insug och blandades med insugningsluften för återförbränning.
Senare infördes EGR-systemet (Exhaust Gas Recirculation) och så småningom katalysatorrening.
Under denna bilens utvecklingsperiod, har det som bekant skett en explosionsartad utveckling på områdena elektronik och datateknik.

Den första elektronikboxen i bilen, ”transistortändning” ersatte fördelarens brytarspetsar. Denna box utförde endast styrning av bilens tändning. De första insprutningssystemen för bilmotorn var mekaniska.
Senare lades styrningen av dessa system in i bilens elektronikbox. Bilens elektronikbox utvecklades så småningom, tack vare mikrodatorn, till ett system som helt styrde bränsleluft-blandning, tändningspunkt, EGR-system mm. Dessa elektroniska styrsystem för bilar hade ingen likformighet mellan biltillverkarna. Varje tillverkare hade sina egna styr- och övervakningssystem. Dessa system fungerade inte heller helt effektivt, då de var konstruerade för fordon som redan var i produktion. Det vill säga att alla reningsutrustningar och styrsystem skapades för att hängas på befintliga förbränningsmotorer.
OBD2-standarden däremot, kräver att bilmotorn konstrueras för att uppfylla standardens krav.
Ett baskrav i standarden är att bilmotorns förbränningsförlopp kontinuerligt regleras för optimal förbränning.

Reglerfunktionen skall vara vad som på fackspråk kallas ”Closed Loop” (sluten slinga). Under bilmotorns uppvärmningstid får motorn styras i ”Open Loop”, dvs den styrs då av fasta parametrar lagrade i datorns program. Under denna tid är utsläppen av miljöpåverkande ämnen större än då motorn nått arbetstemperatur och gått in i Closed Loop.
Standarden kräver vidare att det finns inbyggda övervakningssystem som ger larm då onormala drifttillstånd inträffar. Fordonsföraren skall då informeras om detta genom att MIL-lampan på instrumentpanelen tänds.

Då MIL-lampan tänds, lagras förutom den felkod som är orsak till lampans tändning, så kallade ”Freeze Frame Data”. Detta är ett urval av de mätvärden som kontinuerligt mäts av datorn. Då MIL tänds lagras utvalda ögonblicksvärden undan för att kunna avläsas senare. Man kan då till exempel, utläsa vad motorvarvtal och fordonshastighet var då felet som tände MIL inträffade.

Alla motorövervaknings- och reglersystem består av tre bastyper av utrustning, informationsgivare, fordonsdator och ställdon. Utan datorreglering skulle dagens bilar inte klara de miljökrav som myndigheterna kräver. Datorerna har utfört sitt arbete så väl att biltillverkarna nu har utökar datorns arbetsområde till att omfatta även andra fordonsoperationer. På senare bilmodeller kontrollerar datorn också bromssystem (ABS), tjuvlarm, air-bagsystem och även andra elektriska system.

Datorerna förekommer i olika storlekar och former och är i allmänhet placerade under instrumentbrädan, under skyddsklädsel i framsätet eller i en del fall under själva framsätet.
En dator är kapabel att fatta snabba beslut, men den kan inte utföra någonting utan att veta vad som försiggår i sin omgivning. För detta behöver datorn ett uppbåd av givare (sensorer) som ger information.

Datorn justerar motorns inställningar när motorn går, genom att jämföra dataströmmen från givarna med sin egen programmering. Denna programmering består av två typer av information, fast och variabel. Fasta värden inkluderar datorns systeminstruktioner och motorkonstanter som antal cylindrar, utväxlingsförhållanden och dylikt. Variabel information är specifika data vid en given tidpunkt, t ex. motor- och bilhastighet, gaspådrag och förtändningsinställning.

Datorns program innehåller detaljer om hur motorn skall styras under varje uppkommen arbetsbelastning (kallstart, uppvärmning, acceleration mm). Om datorn upptäcker en avvikelse mellan det som verkligen händer och vad programmet säger skall hända, under givna förutsättningar, sänder datorn kommando till ställdonen som ändrar operationsförhållandena för motorn. Till exempel magrare eller fetare bränsleluftblandning, justering av tändpunkt, öppna eller stänga EGR-ventil etc.

Bilens informationsgivare är en serie av högt specialiserade omkopplare (switchar) och givare som kan omvandla motorns fysikaliska värden, såsom temperatur, luftflöde, lufttryck och motorhastighet, till elektriska signaler. Dessa elektriska signaler översättas till läsbara data av fordonsdatorn. Varje givare är designad speciellt för att detektera data från ett särskilt område på motorn. Exempelvis massflödesgivaren, placerad i luftintaget, mäter både volymen och densiteten på inkommande luft till motorn. Detta mätvärde hjälper datorn att beräkna hur mycket bränsle som behövs för att uppnå korrekt bränsleluft- blandning.

En dator har genom sin snabbhet, förmåga att integrera verksamheten av två eller flera individuella system till en ny form av större och mer komplext system. Vi vet att gamla fördelarens centrifugalvikter- och vakuumstyrningsmekanism kunde styra tändningspunkten, relativt till motorhastighet och belastning. Vi vet också att vakuum i insugningsröret kan styra EGR-flöde. Att integrera sådana oberoende system i en dator, ger snabbare och mer precis reglering av dessa system och tillåter datorn att beräkna effekten av att ändra flera variabla faktorer samtidigt.

En nackdel med starkt integrerade och komplexa system kan vara att hitta felorsak då något är fel. Information från givarna kan misstolkas pga överlappningseffekten mellan systemen. Till ex. en luftläcka, luft till motorn som inte mäts, ger förmodligen en felkod från datorn som refererar till lambdasonden. Vad som hänt är att luftläckan ger mer luft in till förbränningen än väntat. Detta resulterar i mager blandning. Lambdasonden sänder information till datorn som inte kan kompensera för den ökade syrehalten. Datorn tror att det är fel på sonden och lagrar felkoden för lambdasonden.

Standarden kräver att diagnoskontakten för kommunikation med fordonsdatorn, skall vara placerad i passagerar- utrymmet nära ratten. Normalt sitter kontakten under instrumentpanelen eller mittkonsolen. Kontakten är standardiserad och skall alltså vara av samma typ oavsett bilfabrikat. Däremot kan det skilja på vilka kontaktstift som använts i kontakten. Detta beror på att standarden godkänner fyra olika typer av kommunikationsprotokoll. Ett protokoll kan sägas vara det ”språk” som skall användas vid ”samtal” med fordonsdatorn. Att amerikanska SAE standarden fått godta flera protokolltyper, är naturligtvis influens från de tre stora, GM, Ford och Chrysler. Dessa hade valt kommunikationsprotokoll för sina system innan standarden OBD2 fastställdes.
Europeiska och asiatiska bilar använder, med några få undantag, ISO-protokoll (ISO 9141-2).

Förutom miljöaspekterna, så ger den bilstandardisering som OBD2 och EOBD innebär, nya möjligheter för bilentusiaster , "gör det självare” och inte märkesanknutna fristående bilverkstäder. För att kunna läsa data från fordonsdatorn behövs endast en kommunikationssnittomvandlare, mellan bilens kontakt och en vanlig portabel persondator (PC). Sen behöver man naturligtvis veta vad man läser. Men det finns idag program tillgängliga som gör att man inte behöver vara datakunnig, för att läsa felkoder och mätvärden från fordonsdatorn.

EU, Guidelines; EC70/220, EC98/69, EC99/102, ECE R83.
SAE, Society of Automotive Engineers.
ISO, International Standard Organization.

Författare Göran Gunnarson

GIVARE FÖR BILMOTORSTYRNING

Den prestation som dagens bilmotor utför, skulle vara omöjlig utan den elektronik som styr tändning, bränsletillförsel och allt som rör emissionskontroll. Dagens elektronikstyrning, i form av fordonsdatorn, ger god bränsleekonomi och en förbränning som ger ett minimum av luftföroreningar. Men det finns ett aber med dagens teknologi, och det är komplexitet. För att felsöka och åtgärda driftproblem, fordras det kunskap, erfarenhet och avancerade diagnosinstrument.

Man behöver kännedom om grunderna för datoriserad motorkontroll, veta vad de många givarna gör och förstå att det i en del fall kan vara svårt att exakt diagnostisera driftproblem.
De flesta fordonsdatorer ser likadana ut. En metallbox med några kontakter anslutna. Men för att datorn skall kunna utföra någon styrning eller reglering av bilmotorn, måste den få information från ett vitt fält av givare. En del av dessa givare är mer viktiga än andra.

Informationsgivare, även kallade sensorer (sensors), består av två huvudtyper; digitala och analoga. De digitala givarna är specialiserade brytare som lämnar information till fordonsdatorn i form av tillstånd till-/från eller som pulståg. De analoga givarna omvandlar fysiska motorvärden till elektriska signaler. Exempel på sådana fysiska värden är; temperatur, luftflöde, bränsleflöde och tryck. De elektriska signalerna från givarna omvandlas av fordonsdatorn till för datorn läsbara data.

Luftflödesgivaren (Vane Air Flow Sensor, VAF) ger fordonsdatorn information om den luftmängd som sugs in till motorn under gång. Datorn använder detta värde för basinställning av bränslemängd i bränsleluft blandningen till motorn. Denna basinställning av bränslemängd kommer att justeras av datorn, beroende på signaler från andra givare i det totala systemet.
Problem med luftflödesgivare kan ge upphov till fel bränsleluft blandning och därmed varierande grad av driftstörningar, svårstartad motor, tvekan vid gaspådrag, tjuvstopp, högt tomgångsvarv etc.

Luftflödesgivaren
(Vane Air Flow Sensor, VAF)

En del motorer har inte luftflödesgivare, utan fordonsdatorn beräknar luftmängden med utgångspunkt från motorvarv, gaspådrag och undertrycket i motorns insugningsrör samt insugningsluftens temperatur.
Undertrycket mäts då med hjälp av en absoluttrycksgivare (Manifold Absolute Pressure Sensor, MAP). Lufttemperaturen mäts med hjälp av temperaturgivare (Manifold Air Temperature Sensor, MAT).

Massflödesgivaren (Mass Air Flow Sensor) ersätter luftflödesgivaren på allt fler bilar. Givaren har två stora fördelar. Inga rörliga delar och så mäter den både volym och densitet på luften. Dvs den mäter luftmassan (inte volymen) på den luft som sugs in i motorn. Detta gör fordonsdatorns beräkning av bränsletillsats enklare och mera exakt.

Massflödesgivare.
Mass Air Flow (MAF)

Lufttrycksgivaren (Manifold Absolute Pressure Sensor, MAP) är en absoluttrycksgivare som mäter undertrycket i motorns insugningsrör. Informationen använder fordonsdatorn för att bestämma aktuell motorbelastning. Signalen påverkar tändningsförställning och även bränsleluft blandning. Vid låg motorbelastning, högt vakuum i insugningsröret, minskar datorn andelen bränsle i bränsleblandningen och ökar tändförinställningen, för bättre bränsleekonomi. Under hög motorbelastning, lågt vakuum i insugningsröret, ökar datorn andelen bränsle i bränsleblandningen och minskar tändförinställningen. Detta för att ge motorn mer kraft och förhindra att motorn knackar (”spikar”).
Man kan se denna datorfunktion som en elektronisk ersättare av fördelarens vakuumreglering och förgasarens accelerationspump.

Lufttrycksgivare (MAP).

Lufttemperaturgivaren ( MAT) ger fordonsdatorn information om temperaturen på insugningsluften till motorn. Fordonsdatorn använder signalen till att öka eller minska bränslehalten i bränsleblandningen, beroende på luftens temperatur. Detta enär luftens syrehalt varierar med luftens temperatur.

Lufttemperaturgivaren
(Manifold Air Temperature Sensor, MAT).

Gasspjällslägesgivaren (Throttle Position Sensor, TPS) håller fordonsdatorn informerad om önskat gaspådrag. Datorn använder denna information till att ändra tändningsförställning och bränsleluft blandning när motorbelastningen ändras.
Problem med denna givare kan ge fel svar vid acceleration (som dålig accelerationspump i en förgasare) eller andra driftproblem.
Ibland förekommer en separat brytare (Wide Open Throttle, WOT) för att informera dator om läget ”fullt gaspådrag”.

Lägesgivare för gasspjäll (TPS).

Lambdasonden (Oxygen Sensor, alltså syregivare) ger information om motorns bränsleluft blandning. Detta genom att mäta syrehalten i motorns avgaser. Fordonsdatorn använder detta till att finreglera bränsle-halten i bränsleluft blandningen in till motorn för optimal förbränning. Detta minimerar bränsleförbrukning och utsläpp av oförbrända avgaser.
En dålig lambdasond kan orsaka att motorn går med för fet bränsleluft blandning, använder mer bränsle och ger höga avgasutsläpp. Lambdasonden tenderar att försämras med ålder, den kan även utsättas för beläggning om motorn förbränner olja. Enär de flesta lambdasonder inte har något rekommenderat utbytesintervall, är det vanligt att tröga givare utbyts för att uppnå ”nyegenskaper”.
Inte förvärmda givare fram till tidiga 1990-talsmodeller beräknas ha en livslängd på mellan 5000 till 8000 mil.
Förvärmda givare fram till mitten av 1990-talet, kan behöva bytas efter ca 10000 mil.
På moderna, OBD-2 kompatibla bilar, beräknas givaren behöva bytas först efter ca 16000 mil.
Förvärmda givare har ett inbyggt värmeelement som hjälper lambdasonden att fortare uppnå arbetstemperatur vid kallstart. Minimum arbetstemperatur för lambdasonden är ca 315 grader C.
Många bilar tillverkade efter 1996, har också en andra lambdasond, placerad efter katalysatorn. Detta för att övervaka katalysatorns effektivitet.

Lambdasond (O2S)

Kylvattentemperaturgivaren (Coolant Sensor) ger information om motortemperatur. Fordonsdatorn använder denna information till att reglera ett antal tändnings-, bränsle- och emissionsfunktioner. När motorn är kall krävs till exempel en fetare bränsleluft blandning för att motorn skall fungera (Chokefunktion).
När motorn uppnått drifttemperatur, går datorn in och använder signalen från lambdasonden för att reglera bränsleluft blandningen. Detta kallas för att motorn regleras i ”Closed Loop” och är nödvändigt för att hålla avgasutsläppen på ett minimum. På köpet får man en optimering av motorns bränsleförbrukning.

Vattentempgivare (ECT).

Vevaxelpositionsgivaren (Crankshaft Position Sensor) svarar för samma funktion som brytarna gjorde i fördelaren på äldre bilar. Informationen använder fordonsdatorn för att bestämma relativ position av vevaxeln, för att styra tändning och bränsleinsprutning i rätt sekvens. Informationen hjälper också datorn att beräkna aktuellt motorvarvtal.
Datorn använder också givarens signal till att reglera motorns tomgångsvarv. Detta vanligen genom att styra en elmotor för tomgångskontroll.

Vevaxelpositionsgivare
(Crankshaft Position Sensor)

Vibrationsgivaren (Knock Sensor) används för att detektera vibrationer orsakade av för tidig tändning. När fordonsdatorn får signal från givaren, då motorn går under hög belastning, sänks momentant förtändningsinställningen. Detta för att skydda motorn från skadlig knackning.
Signalen används också för att detektera oregelbunden tändning, misständningar hos motorn. Om detta inträffar lagrar datorn en felkod i systemet och tänder fellampan (MIL) på bilens instrumentpanel.

Knackningsgivare (KS).

Bilhastighetsgivaren (Vehicle Speed Sensor, VSS) håller fordonsdatorn informerad om bilhastigheten. Signalen används också för kontroll av andra funktioner som låsning av momentomvandlaren på bilar med automatväxellådor. Givaren kan också ge signaler till andra funktionsmoduler, till exempel låsningsfria bromsar (ABS), servostyrningssystem etc.

Bilhastighetsgivaren (Vehicle Speed Sensor, VSS)

EGR-lägesgivaren (EGR Valve Position Sensor, EVP) informerar fordonsdatorn om att EGR-ventilen har öppnats. Vissa givare ger också en signal som visar hur mycket ventilen öppnats. Detta ger datorn möjlighet att beräkna optimalt EGR-flöde för minsta NOX-utsläpp. Det ger också datorn möjlighet att upptäcka driftproblem som beror på EGR-systemet. Problem kan orsaka ökade avgasutsläpp.

EGR-lägesgivare (EVP)

Allmänt.
Det finns ett antal saker att se upp med vid byte av givare. Delar som är fysiskt ersättningsbara, kanske inte är kalibrerade på samma sätt. För att vara säker på att man får rätt reservdel, kan det vara nödvändigt att referera till bilens chassinummer (Vehicle Identification Number, VIN). I en del fall även till originaldelens OEM-nummer.
En del eftermarknadsdelar kanske inte har exakt samma utseende som originalet. En ”universell” lambdasond till exempel, kan passa till ett stort antal applikationer, men fordrar vanligen kapning och skarvning av kablage vid installationen.

MOTORSTYRNING

Allmänt.
Av en modern bilmotor fordras att den drar lite bränsle, att den avger extra effekt vid behov och att den avger minimalt med skadliga avgaser. Dessutom fordrar vi att motorn skall driva bilen mjukt och felfritt under alla driftförhållanden.
För att fordonsdatorn skall klara detta, är datorns program indelat i olika ”strategier”. En strategi är ett programavsnitt som talar om för datorn vilka parametrar (utsignaler) som gäller för ett specifikt driftförhållande.
För direkt motorkontroll lämnar datorn utsignaler för styrning av;
- bränsleblandning
- tändningspunkt
- tomgångskontroll
- emissionskontroll.

Luft-bränsleblandning.
Förhållandet luft-bränsle till en förbränningsmotor, påverkar motorns uteffekt, bränsleförbrukning och avgasutsläpp. För optimal förbränning skall förhållandet vara 14,7:1. 14,7 kg luft till 1 kg bränsle. Detta gäller vid förbränning av bensin. Alternativa bränslen som t. ex. metanol, kräver annat luft-bränsle förhållande.
Inblandning av etanol i bensinen eller varierande bränslekvalitet gör att förhållandet 14,7:1 kan behöva korrigeras. Detta är inget problem i moderna bilar. Fordonsdatorns adaptiva förmåga, korrigerar för detta.Man talar i detta sammanhang om ”fet” respektive ”mager” bränsleblandning.
Vid fet blandning är förhållandet luft-bränsle mindre än 14,7:1. Denna blandning har för lite luft (syre) för att fullständigt förbränna allt bränsle.
Fet blandning ökar bränsleförbrukningen. Avgasutsläppen av kolväte (HC) och koloxid (CO) ökar pga ofullständig förbränning.
Vid mager blandning är förhållandet luft-bränsle större än 14,7:1. Denna blandning har mer luft (syre) än vad som krävs för fullständig förbränning av bränslet. Bränslet kommer att förbrännas fullständigt, men långsammare och vid en högre temperatur, än vid optimal bränsleblandning.
Mager bränsleblandning reducerar motorns effekt och ger högre motortemperatur. Ökad förbränningstemperatur ger ökade utsläpp av kväveoxider (NOx) i motorns avgaser.

Bilmotorer arbetar mestadels med ”delgas”, därvid är en luft-bränsle blandning på 14,7:1 idealisk. Den ger minimum av avgasutsläpp och är den bästa kompromissen mellan bästa effekt och minsta bränsleförbrukning.
I praktiken är det så att den bästa blandningen för rena avgaser och blandningen för maximal effekt eller minimal bränsleförbrukning inte är densamma ,se fig.

Maximal effekt från motorn kräver en något fetare bränsleblandning. Moderna motorstyrningssystem fungerar så att de vid acceleration, ger en fetare bränsleblandning, för att ge maximal effekt. Dvs man gör avkall på bränsleekonomi och utsläppskontroll vid acceleration.
Minimum bränsleförbrukning uppnås inte heller vid bränsleblandning 14,7:1. Men kurvan är här relativt flat, vilket innebär att vad som förloras genom att styra mot optimal förbränning (renare avgaser) är försumbart.

Både motoreffekt och bränsleförbrukning varierar som en funktion av bränsleblandningsförhållandet.

De ställdon som styr bränsleinmatningen till moderna insprutningsmotorer, är injektorerna. Dessa är i princip magnetiska ventiler (solenoider). Varje injektor öppnas med en signal från fordonsdatorn. Öppningstiden (millisekunder) bestämmer mängden av inmatat bränsle.

Tändningspunkt
Exakt kontroll av tändningspunkt är viktigt för avgasutsläpp, bränsleförbrukning och bilens körbarhet.
Det tar cirka 2 ms (millisekunder) från gnistan i tändstiftet, tills bränsleblandningen antänds. Bränsleblandningen skall antändas så att förbränningstryckets max inträffar då kolven just passerat övre vändpunkten (övre dödpunkt, ÖDP), se fig..

Linje b visar för tidig tändning (tändpunkt Zb). Cylindertrycket byggs upp för mycket redan på kolvens uppfärd, före vändpunkten. För tidig tändning antänder bränsleblandningen så att förbränningstrycket motverkar kolvens rörelse. Detta orsakar så kallad knackning (motorn ”spikar”). Dessutom förlorar motorn effekt.

Linje c visar för sen tändning (tändpunkt Zc). Kolven är på väg ner. Bränsleblandningen antänds så sent efter kolvens vändpunkt att maximalt cylindertryck inte uppnås. Motorn förlorar effekt.
Linje a visar rätt inställd tändpunkt (Za). Bränsleblandningen antänds så att maximalt tryck uppnås strax efter kolvens vändpunkt.
Tändpunkten är vanligen mätt från övre vändpunkten (ÖDP) som grader av vevaxelns rörelse.De två viktigaste faktorerna som bestämmer tändpunkt, för bästa effekt och bästa bränsleekonomi, är motorvarv och motorbelastning.

Motorvarv.
Vid högsta motorvarv, färdas kolven kanske 10 gånger så fort som vid lägsta motorvarv. Men tändgnistan antänder inte bränsleblandningen fortare (ca 2 ms). För att få max cylindertryck strax efter kolvens vändpunkt, måste tändpunkten förskjutas mer och mer före kolvens vändpunkt, ju mer varvtalet ökar.
(På äldre bilar uppnåddes denna justering av förtändningen med hjälp av centrifugalvikter i bilens fördelare).

Motorbelastning.
Vid liten motorbelastning matas inte så mycket bränsleblandning in i cylindern. Lite bränsleblandning i cylindern förbränns relativt sakta. Därför måste tändpunkten ske tidigare före kolvens vändpunkt för att maximalt tryck skall uppnås strax efter vändpunkten.
(På äldre bilar uppnåddes detta med hjälp av fördelarens vakuumreglering).

När man med bil färdas på plan väg och med moderat hastighet, kan man hålla önskad hastighet med relativt litet gaspådrag (liten motorbelastning). Men då man kommer till en uppförsbacke, blir det nödvändigt att öka gaspådraget, för att hålla samma hastighet som tidigare. Detta trots att motorns varvtal inte förändras. Uppförsbacken kräver mer effekt från motorn som kräver mer bränsleblandning för att öka effekten och kompensera för den ökade belastningen.

Ökad bränsleblandning till motorn innebär ökad bränslemängd i cylindrarna. Detta medför en kraftigare komprimering av bränsleblandningen. Då hastigheten med vilken förbränningen sker, ökar med ökad komprimeringsgrad, kommer förbränningshastigheten att öka. För att inte knackning skall uppstå, måste tändpunkten ske närmare kolvens övre vändpunkt. Dvs förtändningen måste minskas.
Tändsystemens utförande varierar, beroende på tillverkare. Nyare bilar är försedda med så kallade ”fördelarlösa tändsystem”. Vid en 4-cylindrig motor, består tändenheten av två spolar. Varje spole svarar för tändgnista till de två cylindrar där kolvarna samtidigt går mot övre vändpunkten (ÖDP). Av dessa cylindrar, befinner sig den ena i kompressionstakten, medan den andra är i utblåsningstakten. Gnistan i den senare cylindern har ingen inverkan på motorns funktion och gnistan kallas också för ”waste spark”.
Systemet kräver bara två utsignaler från fordonsdatorn för att styra motorns tändning.

Tomgångskontroll.
Med dagens insprutningssystem styr ”gasspjället” (trotteln) inte gasmängd, utan bara luftmängd in till motorn.
Vid inget gaspådrag är detta spjäll i motorns luftintag stängt. För att motorn i detta läge inte skall stanna, finns en förbikopplingsventil (tomgångsventil / Idle-Air Bypass). Fordonsdatorn styr motorns tomgångsvarv genom att reglera luftmängden genom denna ventil. Reglering av denna luftmängd är också viktig under retardation (motorbroms – opåverkad gaspedal). Detta för att reducera avgasutsläpp och för att förhindra motorstopp. Den luftmängd som når motorn under start går också genom denna ventil.
Under alla driftförhållanden, då bilens gaspedal är opåverkad, passerar erforderlig luftmängd genom tomgångsventilen.
För att fordonsdatorn skall kunna beräkna rätt bränsleblandning skall inkommande luft till tomgångsventilen hämtas från luftintaget efter luftmätaren (uppmätt luftmängd eller luftmassa).

Emissionskontroll.
Det finns flera emissionsrelaterade system. Alla förekommer inte på alla bilar.

EGR-ventil (Exhaust Gas Recirculation).
Via EGR-ventilen återmatas en del av motorns avgaser till motorns inloppsrör. Detta sänker temperaturen i motorns förbränningsrum och därvid reduceras utsläpp av kväveoxider (NOx), från motorn.

Injicerad luft (Secondary Air).
En tidigt införd åtgärd för att reducera utsläpp, var att injicera luft i avgaserna från motorn. Det extra tillförda syret hjälper till att i avgaserna förbränna kolväte (HC) och koloxid (CO). Denna extra förbränning ger upphov till ökad temperatur i avgassystemet. Detta är ingen nackdel, speciellt under motorn uppvärmningsfas, då både katalysatorn och lambdasonden, behöver uppnå hög temperatur för att fungera.
En motordriven pump används för att injicera luft i avgassystemet (grenröret).
”Pulse-Air” är ett annat sätt att tillföra luft till motorns avgaser. Den naturliga pulsationen i avgasernas tryck, styr dessa ventiler.
Ibland tillförs extra luft till katalysatorn, istället för till motorns avgasgrenrör. Luften kan komma från en luftpump eller från puls-air-systemet. Då förbränns HC och CO i katalysatorn, istället för i grenröret. (Systemet förekommer i allmänhet på motorer med större cylindervolym).

Bränsleavdunstningssystem (Evaporative System, EVAP).
EVAP är ett krav på nyare bilar. Oförbränt kolväte (HC) i bensinångorna, kan förorena luften om de inte uppsamlas. Ångorna uppstår ovanför det flytande bränslet i bensintanken. Dessa ångor uppsamlas i en s.k. kanister och tillförs motorn under drift. Under tillförsel, reducerar fordonsdatorn bränsletillförseln så att inte aktuell bränsleblandning störs.

Bränsleblandning.
Då motorn går i reglerat mod, regleras bränsleblandningen genom att syrehalten i avgaserna mäts. Detta är en indirekt mätmetod, baserad på att syrehalten står i direkt relation till luftmängden i förbränningsgasen.
Genom att jämföra uppmätt bränsleförhållande med önskat (programmerat) förhållande, kan fordonsdatorn öka eller minska injektorernas pulstid för att reglera in rätt bränsleblandning.

Reglerad knackningskontroll (Knock Control).
Motorns system för knackningskontroll är alltid i reglerat mod. Detta för att förhindra motorskador. När signal från knackningsgivaren upptäcks, minskas förtändningsvinkeln och injektorernas pulstid minskas tills knackningssignalen upphör. Sedan ökas förtändning och pulstider igen, gradvis tills normalvärden uppnås. Om knacknig uppstår igen, upprepas förloppet.
Det finns system (bl.a. Ford) som arbetar utan knackningsgivare. Hela regleringen bygger här på programvara i fordonsdatorn.

Tomgångsreglering (Idle Speed Control).
Tomgångsventilens öppningsgrad regleras så att signalen från motorvarvsgivaren skall motsvara önskat (programmerat) varvtal.
Reglerat mod gäller vid tomgångskörning och vid snabb tomgång.

Automatisk farthållare.
En del bilar har så kallade automatisk farthållare. Signalen från bilens hastighetsgivare jämförs här med inställd önskad hastighet. Vid avvikelse regleras gasspjället (trotteln) för mer eller mindre bränsleblandning till motorn.

STYRSTRATEGIER

Styrstrategier.
En stationär förbränningsmotor arbetar under relativt stabila förhållanden. Konstant varvtal, konstant belastning och relativt konstant temperatur. Begränsade start och stopp, ingen acceleration eller retardation. En sådan motor fungerar alldeles utmärkt med fast bränsleblandning, fast förtändningsvinkel och kan enkelt justeras för bästa ekonomi och minimalt farliga avgasutsläpp.
En bilmotor däremot skall arbeta under vitt skilda förhållanden. För att motorn skall arbeta optimalt under alla förhållanden, är därför fordonsdatorns styrprogram uppdelat i ett antal delprogram, strategier som växlas beroende på driftstatus.
En bilmotor arbetar mestadels vid delgas, med luft- bränsleblandningsförhållandet 14,7:1. Men driftförhållandet kan förändras på bråkdelen av en sekund. För att klara dessa förändringar, måste fordonsdatorn ändra bränsleblandning och tändningsinställning snabbt och med mycket stor noggrannhet. Detta måste också ske med hänsynstagande till driftekonomi, avgasrening och till bilens körbarhet.

Strategi för kallstart.
Kallstart innebär att start sker vid kall motor. Temperaturen kan vara mellan –30 och +45 grader Celsius. Motorn är mycket kall jämfört med normal arbetstemperatur på 95-100 grader C. Bensin är mindre benägen att förångas vid låg temperatur. Även om tillräcklig förgasning uppnås, kommer en del av bränslet att kondensera på motorns kalla delar. Så motorn behöver extra bränsle vid start för att få en förbränningsbar bränsleblandning. Vad som är en antändbar blandning beror i huvudsak på aktuell motor- och lufttemperatur.
Start kräver en egen strategi, då fordonsdatorn inte kan räkna med de vanliga givarsignalerna, för att beräkna bränsleblandning och tändpunkt.
Strategi:
- Programmerad fet bränsleblandning, styrd av motor- och lufttemperatur. (Ca 12:1 vid motortemp. +40 gr. C, till ca 2:1, vid mycket låga temperaturer).
- Fast programmerad förtändning (ca 8-10grader).
- Fullt öppen tomgångsventil. (Gaspedal skall inte påverkas).
- Ingen emissionskontroll.
En del bilmodeller har en speciell injektor, för extra bränsletillförsel under kallstart.
Styrparametrar: Motor- och lufttemperatur.

Strategi för varmstart.
Vid varmstart gäller samma förutsättningar som vid kallstart. Men den högre motortemperaturen (över +45 gr.C), får fordonsdatorn att leverera kortare pulser till bränsleinjektorerna (magrare bränsleblandning). Vid motor med normal arbetstemperatur, sker hopp till strategi för verm tomgångskörning.

Strategi för varmkörning.
Uppvärmningsfasen börjar direkt efter start, då fordonsdatorn får en stadig signal från vevaxelgivaren.
Strategi:
- Fet bränsleblandning (styrs av motor- och lufttemperatur, mindre fet än vid start).
- Tändning; basinställning korrigerad för motorbelastning, motorvarv och motortemperatur.
- Reglerat genomsläpp genom tomgångsventilen (förhöjt tomgångsvarv för kall motor).
- Ingen emissionskontroll.
Allteftersom motortemperaturen stiger:
- Bränsleblandning reduceras till mindre fet.
- Förtändningsvinkeln minskas.
- Tomgångsvarv reduceras.
Vid en motortemperatur på ca +15 gr. C;
- emissionskontroll i form av injicerad luft till grenrör eller katalysator och lambdasond (så att dessa snabbare uppnår arbetstemperatur).Varaktigheten av injicerad luft är ofta begränsad till en viss tid, ca 3 till 5 minuter.
Styrparametrar: Motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur, gasspjällsläge.

Strategi för körstart med kall motor.
Denna strategi måste förhindra motorstopp, orsakat av;
- öppning av gasspjäll (trottel).
- kopplingsingrepp (läge drift vid automatlåda).
Strategi:
- Mera bränsle för att erhålla en förbränningsbar bränsleblandning vid ökat luftintag.
- Tändning: Basinställning korrigerad för motorbelastning, motorvarvtal och motortemperatur.
- Tomgångsventil fullt öppen (för att ge en mjuk övergång vid snabb retardation).
- Emissionskontroll i form av injicerad luft om inte begränsad tidsrymd utlöpt.
Styrparametrar: Motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur, gasspjällsläge.

Strategi för körstart med varm motor.
Om motor, katalysator och lambdasond uppnått normal arbetstemperatur, arbetar motorn i reglerat mod (closed loop).
Strategi:
- Bränsleblandning regleras (closed loop). Men bränsletillförseln ökas för att kompensera för ökat luftintag.
- Tändning: Basinställning korrigerad för motorbelastning, motorvarvtal, motortemperatur, EGR- och EVAP-flöden (bränsleångor från kanistern till motorns inloppsrör).
- Tomgångsventil fullt öppen.
- Emissionskontroll; EGR och EVAP. Reglerat mod för optimal förbränning.
Styrparametrar: Motorbelastning, motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur, gasspjällsläge, EGR-ventilsläge, EVAP och syrehalt i avgaser (lambdasond).

Strategi för delgaskörning med varm motor.
Varm motor, körning på delgas och lätt belastning, är det förhållande som bilmotorn oftast arbetar under. Detta är på sitt sätt den enklaste av strategier, enär alla tillstånd är relativt stabila. Strategin innebär att bränsleblandningen är nära 14,7:1. Förtändningen är strax under den nivå där knackning uppträder. Motorstyrsystemet arbetar i reglerat mod (closed loop) för god bränsleekonomi och för minimalt skadliga avgasutsläpp (emissioner).
Strategi:
- Bränsleblandning regleras.
- Tändning: Basinställning korrigerad för motorbelastning, motorvarvtal, motortemperatur, EGR- och EVAP-flöden.
- Tomgångsventil fullt öppen.
- Emissionskontroll; EGR och EVAP. Reglerat mod för optimal förbränning.
Styrparametrar: Motorbelastning, motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur, gasspjällsläge och EGR-ventilsläge, EVAP och syrehalt i avgaser.

Strategi för moderat acceleration.
Den givare som initierar denna strategi är gasspjällgivaren. Denna signalerar för ökat gaspådrag, men inte fullt öppet gasspjäll. Övergång till denna strategi sker normalt från strategi 7 (delgaskörning med varm motor). Dvs motorn går i reglerat mod (closed loop) med EGR och EVAP-funktionerna i läge till. Fordonsdatorn upptäcker att man vill öka bilhastigheten, men med bibehållen bränsleekonomi och emissionskontroll.
Strategi:
- Bränsleblandning regleras (closed loop). Men bränsletillförseln ökas för att kompensera för ökat luftintag.
- Tändning: Basinställning korrigerad för motorbelastning, motorvarvtal, motortemperatur, EGR- och EVAP-flöden.
- Tomgångsventil fullt öppen.
- Emissionskontroll; EGR och EVAP. Reglerat mod för optimal förbränning.
Styrparametrar: Motorbelastning, motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur, gasspjällsläge, EGR-ventilsläge, EVAP och syrehalt i avgaser.

Strategi för full acceleration.
Signal från gasspjällsgivaren, om fullt öppet gasspjäll, ger fordonsdatorn signal att styra för full acceleration. Detta innebär full effekt utan bränsleekonomi och utsläppskontroll. Reglerat mod (closed loop) växlas till oreglerat (open loop).
En del fordonsdatorer kopplar kortvarigt bort system som belastar motorn under acceleration. Exempelvis AC, motorn kylfläkt, kupevärmefläkt etc.
Strategi:
- Fetare bränsleblandning så länge gasspjället är fullt öppet.
- Ökad förtändningsvinkel för maximal effekt.
- Tomgångsventil fullt öppen.
- Emissionskontroll bortkopplad.
Styrparametrar: Motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur och gasspjällsläge.

Strategi för retardation (motorbroms).
Fordonsdatorn upptäcker retardation, då signal från varvtalsgivaren indikerar varvtal större än tomgångsvarv, medan signalen från gasspjället säger att detta är stängt. Vid höga motorvarvtal, stänger tomgångsventilen för att ge en mjuk övergång till motorbroms. Då motorvarvtalet närmar sig tomgång, öppnar tomgångsventilen för att förhindra motorstopp.
Strategi:
- Bränslemängd styrs ner men fortfarande reglerat (closed loop). Det förekommer styrsystem där man vid retardation, övergår till oreglerat mod (open loop).
- Förtändningsvinkeln ökas (lite bränsleblandning i cylindern förbränner långsammare).
- Tomgångsventil stänger under motorbroms, öppnar sedan för att förhindra motorstopp.
- Emissionskontroll; EGR-ventil stängd, EVAP-ventil öppen.
Styrparametrar: Motorvarvtal, motortemperatur, gasspjällsläge och fordonshastighet.

Strategi för varm tomgångskörning.
Fordonsdatorn väljer denna strategi vid varm motor, då gasspjället är stängt och fordonshastigheten är noll. Injektorernas öppningspulser är korta, då motorn bara behöver leverera effekt för att hålla sig själv gående. Vanligtvis fortsätter lambdasonden att leverera signal, så att motorn går i reglerat läge (cloosed loop).
Strategi:
- Bränsleblandning i reglerat läge (nära 14,7:1).
- Tändning: Basinställning korrigerad för motorbelastning, motorvarvtal och motortemperatur.
- Tomgångsventil reglerad öppningsgrad för att styra tomgångsvarv.
- Emissionskontroll; EGR- och EVAP-ventiler stängda. Reglerat mod för optimal förbränning.
Styrparametrar: Motorvarvtal, luftmassa, motor- och lufttemperatur, gasspjällsläge, fordonshastighet och syrehalt i avgaserna.

"Nödkörning" (Failure Mode).
Det finns en reservstrategi som gör bilen körbar även om en eller flera av datorns insignaler faller bort. Då fordonsdatorn inte får insignaler som möjliggör normal motorreglering, sker hopp till denna strategi som innebär styrning från förutbestämda programmerade värden. Bilen kan då med försämrad körbarhet, köras till närmsta verkstad.
Det finns här naturligtvis två typer av givare. Givare med fel som tillåter att bilen kan köras i detta mod. Dessutom finns givare vars fel gör att motorn över huvud taget inte kan startas.

BRÄNSLESYSTEM

Moderna bilar har bränsleinsprutningssystem som styrs av fordonsdatorn. Bränsle tillförs från bränsletanken, av en elektrisk bränslepump. Denna är ofta inbyggd i tankarmaturen som är monterad i bränsletanken. Bränslet passerar via ett bränslefilter till en tryckregulator. Efter tryckregulatorn finns ett bränslefördelningsrör vilket fungerar som en buffert för bränslet till bränsleinjektorerna.

Injektorerna sprutar in bränsle i cylindrarnas inloppskanaler. Injektorerna styrs av fordonsdatorn som genom de elektriska impulsernas längd bestämmer den insprutade bränslevolymen. Datorn beräknar impulsernas längd, baserat på information från olika givare.
Många bilar har idag en bränsleavstängningskontakt som är monterad i bilens kupeutrymme. Denna kontakt stänger av bränsletillförseln till motorutrymmet i händelse av kollision. Kontakten är manuellt återställbar i händelse av ofrivillig utlösning.

Tankarmatur
De flesta bränslesystem har idag bränslepump, kombinerat med givare för bränslemätare, placerad i bränsletanken. Pumpen är av högtryckstyp med integrerad tryckregulator.

Pumpen är kapabel att leverera ca 60 liter bränsle per timma. Då endast en bråkdel av detta förbrukas av bilens motor, kommer det mesta av bränslet att recirkuleras tillbaka till tanken. Därigenom erhålls kylning till pumpen och bränslesystemet.

En del system kan styra pumpkapaciteten genom att variera spänningsmatningen till pumpen.
En backventil i bränslepumpen gör att bränsletrycket i ledningen efter pumpen, kvarstår efter att pumpen stannat. En övertrycksventil öppnar och shuntar bränsle till tanken om pumptrycket blir för högt. Detta kan ske t. ex vid igensatt bränslefilter eller stopp i bränsleledning.
Givaren för bränslemängd består av en flottör vars arm löper på en motståndsbana.
Fordonsdatorn kör bensinpumpen i ca en sekund efter att den fått signalen ”tändning till”. Pumpen körs också så länge som datorn får signalen ”start” från tändningsnyckeln. När datorn får sinal från vevaxelgivaren (motorgång) hålls pumpen igång, även efter att tändningsnyckeln lämnat startläget.
Fordonsdatorns styrning av bensinpumpen sker alltid via ett mellanrelä.

Bränsletrycksregulator
För att säkerställa att insprutad bränslemängd endast bestäms av injektorernas öppningstid som styrs av fordonsdatorn, är det viktigt att differenstrycket över injektorn hålls konstant.

Då trycket i grenröret, där injektorns utlopp mynnar, varierar med gasspjällets läge (undertryck vid stängt gasspjäll vid motorgång), måste ingående bränsletryck regleras. Detta sker med hjälp av en bränsletrycksregulator. Denna regulator är normalt monterad på bränslefördelningsröret som fördelar bränsle till injektorerna. Bränslet från bränslepumpen kommer in till bränslefördelningsrörets ena ände och genom reglerventilen tillbaks till bränsletanken.

Fjädern i regulatorn pressar ner membranet så att ventilen begränsar återflödet till tanken. Bränsletrycket från bensinpumpen pressar upp membranet och fjädern så mycket att ventilen öppnar tills önskat tryck kvarstår i inloppet. Fjädern i tryckregulatorn bestämmer nominellt bränsletryck (normalt 260-270 kPa övertryck).

När motorn inte går håller fjädern ventilen stängd vilket kvarhåller trycket i systemet.
För att hålla konstant tryck över injektorerna, oavsett trottelposition, är tryckregulatorn ansluten till motorns inloppsgrenrör. Vid stort undertryck i grenröret hjälper detta till att öppna regulatorns ventil mera vilket ökar returbränsleflödet till bränsletanken. Detta medför att övertrycket på bränslet in till bränslefördelningsröret minskar lika mycket som luftundertrycket i grenröret. Dvs differenstrycket över injektorerna hålls konstant.

Bränslefilter
Bränslefilter vid bränsleinsprutning är betydligt större än vid förgasarmotorer. Rent bränsle är viktigt vid insprutningssystem och filtret genomströmmas av mycket mer bränsle än vad motorn förbrukar. Därför är det viktigt att filterbyte utförs enligt rekommenderat intervall.

Bränslefördelningsrör
Detta rör är grövre än de vanliga bränslerören. Detta för att utgöra en buffert för bränslematningen till injektorerna. En buffert minimerar tryckvariationer som uppkommer på grund av injektorernas pulsering.

Testpunkt
Många bilar har ett testuttag på bränslefördelningsröret. Med rätt utrustning kan här tryckmätare anslutas utan att systemet behöver öppnas eller avluftas efter mätning.

Säkerhet
Allt arbete med bränslesystem kräver stor försiktighet. Detta då systemet står under tryck även då bilens motor inte går. Efter att ett system varit öppnat, krävs som regel att systemet avluftas före motorstart.

Bränsleavdunstningssystem (EVAP).
Det finns ett system som har nära anknytning till bilens bränslesystem. Moderna bilar skall enligt lag ha slutna bränslesystem. Detta för att bränsleångor inte skall läcka ut till omgivningsluften. Bränsleångor uppstår genom skvalp i bilens bränsletank.

När bilen inte går leds förångat bränsle från bränsletanken till en kolkanister, där de absorberas. Då bilen körs i reglerat mod (closed loop), öppnar fordonsdatorn en avluftningsventil och bränsleångorna leds in i motorns inloppsrör, där de blandas med inkommande luft, varvid kolfiltret dräneras.

En backventil förhindrar att inloppsluften trycks bakvägen till bränsletanken.
Kolkanistern har även en annan uppgift. Då bränslenivån i tanken sjunker, måste utrymmet fyllas med luft. Annars skulle tanken skrynklas ihop av bensinpumpens sug. Den erforderliga luften ventileras in genom kanistern.

BRÄNSLEREGLERING (Closed Loop)

En modern bilmotor arbetar i oreglerat läge (Open Loop), endast då kraven för reglerat läge inte är uppfyllda, t.ex. vid kall motor. För att hålla den bränsleblandning som erfordras för emissionskontroll, skall motorn gå i reglerat läge under större delen av bilens drifttid.
Uppgiften för ett reglerat bränslesystem är att hålla förhållandet bränsle luft i rätt proportion. Små variationer i förhållandet kan ha betydande effekter på motorns uteffekt, bränsleförbrukning och avgasemissioner.
Förbränningen i motorns cylindrar, skapar produkter i gasform som utgör motorns avgaser. En del av dessa produkter är relativt harmlösa, medan andra är skadliga. De skadliga består i huvudsak av;
- kolväte (HC)
- koloxid (CO)
- kväveoxider (NOx).
Lagar och förordningar har satt utsläppsgränser för dessa ämnen från bilar.
Bensin är en blandning av komponenter som består av väte (H) och kol (C). Vid en fullständig
förbränningsprocess, förenas dessa ämnen med syre (O), och bildar vatten (H2O) och koldioxid (CO2).
Vid en ofullständig förbränning bildas oförbrända avgaser som innehåller kolväte (HC) och koloxid (CO).
Kväveoxider (Nox) refererar till flera typer av kemiska föreningar av kväve (N) och syre (O) som uppkommer vid förbränning. Kväve och syre är normala beståndsdelar i luft, men de förekommer här som separata element.

Så länge temperaturen vid förbränning håller sig under ca 1300 grader C, förenas inte kväve och syre. Men om temperaturen är bara lite högre, förenas de två elementen till former av gaser som benämnes NOx.
Respektive ämnes variation relativt bränsleblandningsförhållande för en bensinmotor, framgår av nedanstående figur. Kurvan T visar motorns vridmoment (T står för ”torque”).

Minimalt med skadliga utsläpp erhålles vid fullständig förbränning, dvs vid bränsleblandning 14,7:1. Detta är alltså det värde som bilens bränslereglering skall styra mot.
Som framgår av figuren gäller detta inte NOx. Problemet med NOx är i de flesta bilar löst med EGR-system.
För bränslereglering är alltså de variabler som behöver mätas HC och CO. Tyvärr finns det inte någon kostnadseffektiv, praktisk givare för sådan mätning som kan byggas in i bilens avgassystem. Däremot finns en givare som ger en indirekt mätning av HC- och CO-koncentrationen, lambdagivaren. Denna givare mäter syrehalten i avgaserna.

Bränsleblandningsförhållande

Lambdagivaren skall enligt OBD2-nomenklatur benämnas HO2S (syresensor). Beteckningen EGO (Exhaust Gas Oxygen Sensor) förekommer också.
Lambdagivaren genererar, när den är het, en spänningssignal som baseras på skillnaden i syrehalten i motorns avgaser och omgivningsluftens syrehalt. När bränsleblandningen till motorn är mager, innehåller avgaserna ungefär samma syrehalt som syrehalten i motorns omgivningsluft. Givaren genererar då en utsignal som är mindre än 400mV (millivolt). När bränsleblandningen är fet, innehåller motorns avgaser mindre syre än vad som finns i omgivningsluften. Givaren genererar då en utsignal som är större än 600mV.

Lambdagivaren är i grunden en analog givare. Den ger en kontinuerlig utsignal, proportionell mot differensen i syrehalt mellan avgaser och omgivningsluft.

Utsignal från lambdagivare

Men som synes är det linjära mätområdet mycket snävt runt bränsleblandningsförhållande 14,7:1. Den används därför vid bränslereglering som en binär givare. De två logiska tillstånden är ”fet” och ”mager”, syftande på aktuell bränsleblandning.
Utsignalen från givaren kommer, då motorn går i reglerat läge, att växla mellan dessa logiska nivåer enligt figuren intill.
Reglerfunktionen som är implementerad i fordonsdatorn, är i grunden en enkel till-från (On-Off) reglering.

Utsignal från lambdagivaren vid bränslereglering

När lambdagivaren utsätts för överskott på syre i avgaserna, genererar den en låg spänning 0,1 till 0,4 V (Volt). Detta indikerar en mager bränsleblandning. Fordonsdatorn ökar då bränslemängden till motorn, genom att i små steg öka pulstiderna för injektorerna. Detta fortgår tills datorn noterar en växling i signalen från lambdagivaren.
Då lambdagivaren utsätts för lite eller inget syre i avgaserna, genererar den en hög spänning 0,6 till 0,9 V.
Detta indikerar fet bränsleblandning. Fordonsdatorn minskar då bränslemängden till motorn, genom att i små steg minska pulstiderna för injektorerna. Detta fortgår tills datorn noterar en växling i signalen från lambdagivaren.
Mängden injicerat bränsle finjusteras kontinuerligt, signalen från lambdagivaren ger hela tiden fordonsdatorn information om syrehalten i motorns avgaser. Genom att kontinuerligt växla mellan lite fet och lite mager bränsleblandning, kommer bränsleblandningens medelvärde att ligga mycket nära det ideala 14,7:1.
Typisk växlingsfrekvens för förloppet är 10 till 20 ms (millisekunder).
Varje bränsleinjector har en pulstid på mellan 5 till 10 ms.
En ny lambdagivare kan växla mellan så låg spänning som 0,1V, till så hög som 0,9V. Allteftersom givaren åldras minskar detta spänningsområde, och givaren växlar långsammare mellan nivåerna.
Avancerade fordonsdatorer kan reglera pulstiden individuellt till varje injektor (cylinder). Under givna driftförhållanden, aktuellt motorvarvtal mm, vet fordonsdatorn tiden från då gasen lämnar respektive cylinder till den når lambdagivaren.

TÄNDSTYRNING

Förutom att en bilmotor förses med bränsle och luft i rätta proportioner, skall detta bränsle antändas i rätt ögonblick med en elektrisk gnista. Före elektronikens intåg bestod det traditionella tändsystemet av tändstift, fördelare och tändspole. Fördelaren anslöt i sekvens tändspolens högspänning till rätt tändstift. Fördelarens brytarkontakt bröt strömmen genom tändspolens primärlindning i rätt ögonblick, så att en högspänningspuls genererades i tändspolens sekundärlindning. Förtändningsvinkelns förskjutning beroende på motorns driftförhållande, sköttes av centrifugalvikter och vakuumstyrning i fördelaren.

I nya elektronikstyrda motorer ersätts fördelare och tändspole av s.k. multispolar. Varje spole levererar gnista till en eller två cylindrar. I ett sådant system, väljer fordonsdatorn rätt spole och levererar en triggpuls till en tändkrets i rätt tid för varje cylinder. I vissa fall förekommer det att tändspole och tändstift är integrerade som en enhet. Nedanstående figur illustrerar ett system för en 4-cylindrig motor med två tändspolar.

Fördelarlöst tändsystem

Ett tändsystem som detta kallas fördelarlöst (Distributorless Ignition System, DIS).
Varje tändspole svarar för gnista till två cylindrar. Aktuell cylinder för tändning är den som befinner sig i kompressionstakten. Den andra cylindern i paret, befinner sig då i utblåsningstakten.
Tändspolen levererar gnista till båda cylindrarna samtidigt. I den första cylindern antänds då bränsleblandningen och förbränningstakten inleds. I den andra cylindern har förbränningen redan skett och en gnista under utblåsningstakten har ingen effekt.
Enär bränsleblandning för moderna emissionsreglerade bilar är tvingande enligt lagkrav, kan tändningspunkten varieras för att uppnå optimal prestation av bränsleblandningen. Vanligen väljs tändpunkten så att bästa vridmoment erhålles från motorn under alla driftförhållanden. Denna optimala tändpunkt är känd för varje motorkonfiguration, genom mätningar med s.k. dynamometer (kraftmomentmätare).
I ovanstående figur, sker framräkning av förtändningsvärde (förtändningsvinkel) i fordonsdatorn. Datorn erhåller data från ett antal givare och beräknar rätt tändpunkt för motorns aktuella drifttillstånd.
De variabler som påverkar optimal tändpunkt är motorvarvtal (RPM), insugningsluftmassa (MAF), undertryck i motorns insugningsrör (MAP) och motortemperatur(T).
Korrekt förtändningkonstant för varje värde av dessa variabler är lagrade i fordonsdatorns ROM-minne i form av tabeller. Datorn läser värden från givarna. Ett mätvärde genererar en specifik adress till tabellen för denna givare. Ett annat mätvärde, från samma givare genererar en annan adress. Efter läsning av data från tabellerna, motsvarande signalerna från givarna, beräknar datorn korrekt tändpunkt.
En utsignal genereras från datorn till tändsystemet i rätt tid för att generera tändgnistan. Denna signal alstras svarande mot de signaler som kommer från vevaxel- och kamaxelgivarna (POS/RPM), så att rätt cylinder nås. I ovanstående figur består den elektroniska tändningsenheten av en fristående modul. Denna kan också vara integrerad i fordonsdatorn. Tändningsmodulen får korrekta data för förtändningsvinkel från datorn och genererar de elektriska signaler som styr drivkretsen för tändspolarna. Drivkretsen genererar en primärström genom tändspolslindningarna P1 respektive P2. Primärströmmen byggs upp under en tilltid som benämnes ”Dwell Time”, innan tändning skall ske. Vid rätt tidpunkt, bryter drivkretsen strömmen genom tändspolens primärlindning. Detta avbrott får det uppbyggda magnetfältet i spolen att snabbt rasa och inducera en hög spänning i spolens sekundärkrets.

I ett datorstyrt tändsystem är total förtändningsvinkel (grader före övre dödpunkt, ÖDP) sammansatt av ett antal komponenter som summeras.
Tv = Tv1+ Tv2 + Tv3
Tv1 är grundförställning, vilken är en funktion av motorvarvtal (RPM) och luftmasseflöde (MAF). Fordonsdatorn läser RPM och MAF, läser det tabellvärde i ROM för Tv1 som motsvarar de inlästa värdena.
Den andra komponenten Tv2, är bidraget beroende på undertrycket i motorns insugningsrör. Värdet hämtas från tabell i ROM. Tv3 är det bidrag som beror på motortemperaturen. Aktuell temperatur inläses av datorn och motsvarande term Tv3, hämtas från tabell i ROM.
En typisk förtändningskurva som funktion av motorvarvtal, framgår av intillstående figur.

Tändförställning relativt motorvarvtal

Normalt är ökningen av förtändningsvinkeln (Tv), från tomgångsvarv till ca 1200 varv/min. relativt långsam. Sedan från ca 1200 varv/min. till ca 2300 varv/min., ökar Tv relativt snabbt. Därefter är åter ökningen av Tv relativt långsam. Varje motortyp har dock sin egen karakteristik.

Förtändningsvinkeln (Tv) är alltid relaterad till aktuell cylinders övre dödpunkt (ÖDP). Fordonsdatorn måste alltså ha information om motorns position. Motorns vinkelposition kan avkännas från vevaxeln direkt eller från kamaxeln. Vanligast är en kombination med både vevaxel- och kamaxelgivare. Då kamaxeln är driven från vevaxeln via en 1 till 2 reduktion, så går denna från 0 till 360 grader för en komplett motorcykel.

Motorns kolvar drivs direkt från vevaxeln, medan ventiler och styrningen av tändningsföljden är kopplade till kamaxeln. För datorstyrd motorkontroll är det tillräckligt att mäta vevaxel- och kamaxelposition vid ett litet antal fasta punkter. Antalet punkter bestäms av antalet motorcylindrar. Normalt används magnetiska eller induktiva givare.
Information om vevaxelns position, ges av vevaxelgivaren, se intillstående figur.

Vevaxelgivare

Den induktiva givaren, placerad ovanför motorns svänghjul, känner av en serie utskjutande kuggar på svänghjulets periferi. Då vevaxeln roterar induceras pulser i givaren som överförs till fordonsdatorn varje gång en kugge passerar givaren. Men det finns en saknad kugge på svänghjulet. Denna saknade kugge finns i en position som motsvarar 60 grader före övre dödpunkten, för cylinder 1 och x. Där x är 4 för en 4-cylindrig motor och 5 för en 8-cylindrig. Fordonsdatorn känner av den uteblivna pulsen från givaren och använder detta för att etablera en referenspunkt för vevaxelns position. (Tidsintervallet mellan de uteblivna pulserna används också för att bestämma motorvarvtal, r/min.).

Kamaxelgivaren, tillsammans med vevaxelgivaren, ger fordonsdatorn information om vilken cylinder som befinner sig i kompressionstakt. Kamaxelgivare förekommer i ett antal olika utförande. Den kan bestå av samma princip som ovanstående vevaxelgivare. Ett antal kuggar på kamaxeln, motsvarande motorns cylinderantal ger datorn cylinderinformation (CID). Två pulser per kamaxelvarv, räcker för en 4-cylindrig motor. 4 pulser per kamaxelvarv för en 8-cylindrig motor.
En nackdel med magnetiska eller induktiva givare, är att de inte lämnar någon utsignal då motorn inte går. En kamaxelgivare som ger utsignal även då motorn står stilla är Hall-effektgivaren, se intillstående figur.

180 graders rotation hos kamaxeln, motsvarar 360 graders rotation hos vevaxeln. Dvs cylinderinformationssignalen (CID) är till för vartannat varv hos vevaxeln. Pulssignal (missad puls) från vevaxelgivaren, tillsammans med hög signal från kamaxelgivaren, indikerar cylinder 1.

Kamaxelgivare

Vevaxelns läge för att bestämma motorposition, är mera noggrann än information från kamaxeln. Detta pga torsion (vridning) och växelglapp i kuggdrev etc. i drivningen av kamaxeln. För närvarande är det en trend mot att avkänna motorns position via vevaxeln direkt, istället för indirekt via kamaxeln. Vevaxelgivaren ger då fordonsdatorn all information som behövs för att beräkna motorvarv, kamaxelläge och cylinderinformation.

Men den missade pulsen från vevaxelgivaren, motsvarar positionen för två cylindrar. Den missade pulsen indikerar vanligen 60 eller 90 grader före övre dödpunkten för cylinder 1. Men befinner sig denna cylinder i kompressionstakt eller utblåsningstakt? Här finns ingen kamaxelgivare som indikerar om det är cylinder 1 eller 4 (fyrcylindrig motor) som befinner sig i kompressionstakt.

Fordonsdatorn löser detta problem. Vid motorstart, försöker datorn att tända cylinder 1. Om motorn inte startar, försöker datorn, efter två motorvarv, tända cylinder 4. Datorn registrerar vilken av cylindrarna som tänder och minns detta så länge motorn går.

En faktor till som kan påverka förtändningsvinkeln är övervakningssystemet (monitorn) för knackning. Om denna upptäcker att motorn knackar (”spikar”), reduceras förtändningsvinkeln.

TOMGÅNGSVENTIL

Reglering av motorns tomgångsvarv vid tomgångskörning, sker genom reglering av lufttillförseln till motorn.
Fordonsdatorn reglerar då luftmängden till motorn med hjälp av tomgångsventilen. I detta läge är gasspjället stängt. Reglering av motorns tomgångsvarv, bidrar till bränsleekonomi och reducerade avgasutsläpp.

Tomgångsventilen har tre uppgifter:
- Justerar motorns tomgångsvarvtal, anpassat till varierande motorbelastning.
- Förser motorn med luft under retardation. Förhindrar motorstopp och reducerar avgasutsläpp.
- Förser motorn med luft under start då gasspjället är stängt.
Tomgångsventilen har alltså fler uppgifter än vad som framgår av ”namnet”. Ventilen svarar för motorns luftintag, under alla driftförhållanden då gasspjället är stängt. Ventilen skall uppfattas som en förbikopplingsventil (Bypass), förbi det normala gasspjället.
Tomgångsventilen ät normalt monterad på trottelhuset och låter luft passera via egen kanal runt gasspjället. Denna förbikopplade luft får inte störa fordonsdatorns beräkning av bränsle-luftblandning till motorn. Luften som hämtas till tomgångsventilen, skall därför helst tas in efter luftflödes- eller luftmassemätaren.
En del bilar hämtar luft till tomgångsventilen direkt från bilens luftintag (före luftmätaren). Om så är fallet, beräknar fordonsdatorn detta tillskott i luftmassan, utgående från tomgångsventilens öppningsgrad. Denna öppningsgrad bestäms ju av en utsignal från samma dator.
Styrningen av ventilen kan ske på olika sätt. Elektrisk styrning eller en kombination av elektrisk och mekanisk styrning. En elektrisk tomgångsventil kan ha ett utförande enligt ovanstående figur.

En elektriskt styrd ventil, positioneras av en s.k. solenoid som kontrolleras med en signal från fordonsdatorn. Solenoiden består av en spole som bara har två lägen, till eller från. Dvs ventilen helt öppen eller helt stängd. Datorn styr solenoiden med en serie digitala pulser. Långa pulser ger lång öppningstid för ventilen. Vid 100 % pulstid, är ventilen fullt öppen. Vid 0 % pulstid är ventilen stängd.
Vid normal tomgångsreglering är ventilen bara delvis öppen. Öppettiden (pulslängden) ökas om det behövs för att öka tomgångsvarvtalet. Pulslängden minskas om varvtalet behöver sänkas.Under retardation, är tomgångsventilen från början, normalt helt öppen. Då bilhastigheten minskar, stängs ventilen för att tillåta motorbroms. Då motorvarvtalet närmar sig tomgångsvarv, öppnar ventilen igen för att förhindra motorstopp.Vid start av moderna elektronikstyrda bilar, skall gaspedalen inte påverkas. All luft till motorn går då genom tomgångsventilen. Normalt är öppningsgraden för ventilen 100 % vid start.Ventilens funktion är relativt enkel att testa. För det första, vid alla problem skall man först läsa felkoder från fordonsdatorn.
Om man får en felkod som pekar på problem med IAB, starta bilen. Om motorn inte går utan att gaspedalen påverkas, är IAB felande.
Om motorn går utan att gaspedalen påveras, kan man kolla IAB genom att dra ur den elektriska anslutningskontakten. Om motorn stannar
fungerar IAB.
Ojämn tomgång kan orsakas av att IAB kärvar. En del typer är möjliga att skruva isär för rengöring.

FORDONSDATORN (Microcomputer)

Fordonsdatorn är en digital mikrodator, en kusin till PCn (Personal Computer). Som en PC består den av en CPU (Central Processing Unit) som utför beräkningar och datalagring. Den har också som en PC, olika typer av minneskretsar. Men istället för som PCn, leverera utsignaler till en bildskärm eller skrivare, lämnar fordonsdatorn sina utsignaler till olika motorställdon. Insignalerna kommer från ett antal givare för motorstyrning.

Mikroprocessor (Microprocessor).
Mikroprocessorn även kallad CPU, är hjärtat i fordonsdatorn. Den utför instruktioner, en i taget enligt ett lagrat program. Den utför beräkningar och tar beslut om motorstyrning, baserat på tre informationskällor;
- givarsignaler (verkliga ärvärden från motorn).
- systemstrategi (vad förväntas av motorn vid dessa ärvärden).
- program (vad säger lagrat program om bränsleblandning, tändningsvinkel mm, vid denna strategi).

Fordonsdators interna uppbyggnad

Olika strategier (olika data för bränsleblandning, tändningsvinkel mm) måste användas beroende på om motorn skall startas, gå på tomgång, accelerera etc.
En mikroprocessor uför sina uppgifter (instruktioner) mycket snabbt.
Vid en fyrcylindrig insprutningsmotor, injiceras bränsle och alstras en tändgnista 200 gånger per sekund, vid varvtalet 6000 r/min.
* 6000 r/min = 100 r/s. - 1 vevaxelvarv = 0,01s = 10ms. - Under varje varv injiceras och tänds 2 cylindrar.
Motorstyrningen skall alltså injicera och tända en cylinder var 5e millisekund.
Under denna tid skall processorn avläsa insignaler, analog/digitalomvandla dessa, utföra beräkningar och sätta utsignalerna för motorstyrningen.
Dessutom har processorn andra uppgifter att kontinuerligt utföra, övervakningssystem (monitorer), emissionskontroll, beräkna och lämna andra utsignaler, t ex. indikera motorvarv, bilhastighet mm.

A/D-omvandlare (Analog to digital converter).
Omvandlar givarnas analoga signaler (spänningsnivåer) till digitala signaler (koder) som kan läsas och behandlas av processorn. En del givarsignaler, t. ex. signalen från lambdasonden, är så små att de måste förstärkas (AMP) innan de kan A/D-omvandlas.

Spänningsreferens (Reference Voltage Regulator).
Fordonsdatorn innehåller en strömkälla, en spänningsreferens som ger matningsspänning till bilens analoga givare. För att få stor noggrannhet, måste processorn jämföra givarsignalerna med en stabil referensspänning.
Bilens batterispänning duger inte här, den kan ju i extrema fall variera mellan 10 och 14 volt.

Minnen.
I fordonsdatorn används tre typer av minnen;
- ROM (Read Only Memory). Minne som bara kan läsas, inte skrivas. Innehåller det program som tillverkaren lagrat för styrning av denna motortyp.
- RAM (Random Access Memory). Läs- och skrivminne. Används för lagring av tillfälliga data som används av mikroprocessorn. Minnet raderas varje gång som tändningsnyckeln stängs av.
- KAM (Keep Alive Memory). Detta är ett RAM-minne som är strömförsett även då tändningsnyckeln stängs av. I detta minne lagras adaptiva data och felkoder. Nollställning av fordonsdatorn eller urkoppling av bilens batteri, raderar detta minne.

Utsignaler (Output drivers).
”Output drivers” lämnar utsignaler som påverkar motorställdon. Många ställdon kräver relativt stor ström för att fungera. Därför aktiveras dessa med hjälp av mellanreläer.

Tabellslagning (Look Up Tables).
Tabeller lagrade i ROM, innehåller data och specifikationer om hur denna motortyp skall styras under rådande aktuell strategi.
Motortillverkarna utför tester på varje motortyp för att bestämma bästa bränsleblandning, tändpunkt mm, för varje driftförhållande (strategi), start, tomgång, acceleration etc. Resultatet av dessa tester är serier av data som lagras i fordonsdatorns ROM. Tillverkningstoleranser som skiljer en speciell motor från prototypen, kan göra att lagrade tabelldata inte motsvarar optimala data för just denna motor. Med hjälp av sin adaptiva förmåga, kommer fordonsdatorn att korrigera för dessa tillverkningstoleranser.