Sterowniki silników (ECU)

Geneza i zastosowanie.

Historia elektronicznych sterowników silnika, znanych jako ECU (Electronic Control Unit / Engine Control Unit), jest przykładem ewolucji technologii motoryzacyjnej, napędzanej potrzebą zwiększenia wydajności, efektywności paliwowej i redukcji emisji spalin. W latach 60. XX wieku rozpoczęły się pierwsze próby wprowadzenia elektronicznych systemów kontroli w samochodach. Początkowo były to proste układy, głównie stosowane w wyścigach samochodowych. Przełomowym momentem było wprowadzenie przez firmę Volkswagen w 1968 roku D-Jetronic, pierwszego na świecie elektronicznego układu wtrysku paliwa, zaprojektowanego przez Boscha. Był to system wykorzystujący czujniki ciśnienia i temperatury powietrza do kontroli wtrysku paliwa.

Lata 80. przyniosły rozwój mikroprocesorów, które stały się bardziej zaawansowane i dostępne, co umożliwiło rozwój bardziej skomplikowanych systemów kontroli silnika. Technologia cyfrowa pozwoliła na bardziej precyzyjną kontrolę nad procesami spalania, co przyczyniło się do poprawy efektywności paliwowej i redukcji emisji spalin. W tym okresie Bosch wprowadził system Motronic, integrujący kontrolę wtrysku paliwa i zapłonu w jednym urządzeniu.

W latach 90. ECU stały się standardem w większości pojazdów, a systemy te były coraz bardziej zintegrowane, łącząc w sobie funkcje kontroli wtrysku paliwa, zapłonu oraz innych aspektów pracy silnika. Wprowadzenie systemów OBD (On-Board Diagnostics) umożliwiło monitorowanie i diagnostykę systemów silnika, co ułatwiało serwisowanie i naprawy. 

W XXI wieku ECU stały się niezwykle zaawansowane, integrując w sobie funkcje kontroli wielu podsystemów pojazdu. Wprowadzenie rygorystycznych norm emisji spalin, takich jak Euro 4, Euro 5, a następnie Euro 6, wymusiło na producentach samochodów stosowanie jeszcze bardziej zaawansowanych technologii kontroli silnika, w tym systemów filtracji spalin i selektywnej redukcji katalitycznej. ECU zaczęły odgrywać kluczową rolę w zarządzaniu napędem elektrycznym, bateriami oraz integracją systemów rekuperacji energii, co było nieodzowne wraz z rosnącą popularnością pojazdów elektrycznych i hybrydowych.

Współczesne samochody autonomiczne również wykorzystują zaawansowane ECU do zarządzania nie tylko silnikiem, ale także systemami wspomagania kierowcy i autonomicznej jazdy. To pokazuje, jak technologia motoryzacyjna ewoluowała, aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym wydajności, bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Elektroniczne sterowniki silnika stały się nieodłącznym elementem nowoczesnych pojazdów, umożliwiając coraz bardziej zaawansowaną kontrolę nad ich funkcjonowaniem.

Budowa i zasada działania.

Elektroniczny sterownik silnika nazywany jest często komputerem silnika. I nie ma w tym nic dziwnego, gdyż w swej budowie i funkcjonowaniu komputer przypomina. Pracą wszystkich współczesnych silników spalinowych zarządza elektroniczna jednostka sterująca. Każda kolejna generacja sterownika silnika posiada bardziej skomplikowaną architekturę oraz oprogramowanie realizujące coraz więcej funkcji. Oprogramowanie sterownika realizuje strategię związaną z pracą silnika na podstawie życzenia kierowcy, uwzględniając jednocześnie dziesiątki parametrów chwilowych i sygnałów zwrotnych z czujników oraz szereg wartości korekcyjnych związanych z utrzymaniem emisji spalin na odpowiednim poziomie.

Główne zadania ECU to:

1. Przetwarzanie sygnałów z czujników: Odbiera dane z czujników, takich jak czujniki temperatury, ciśnienia, przepływu powietrza, położenia wału korbowego, i przetwarza je na informacje użyteczne dla zarządzania silnikiem.
2. Sterowanie wtryskiem paliwa: Optymalizuje ilość paliwa i moment wtrysku do komór spalania, aby zapewnić efektywne i czyste spalanie.
3. Zarządzanie zapłonem (w silnikach benzynowych): Kontroluje moment zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej w celu maksymalizacji wydajności i minimalizacji emisji spalin.
4. Kontrola emisji spalin: Steruje systemami recyrkulacji spalin (EGR), katalizatorami i filtrami cząstek stałych (DPF) w celu redukcji emisji.
5. Diagnostyka i ochrona: Monitoruje stan silnika i jego komponentów, wykrywa usterki, zapisuje kody błędów i inicjuje procedury ochronne, jeśli to konieczne.
6. Komunikacja i wymiana danych z pozostałymi sterownikami w pojeździe (ABS/ESP, automatyczna skrzynia biegów, moduły komfortu, bezpieczeństwa itd.).

Centralnym elementem ECU jest procesor lub mikrokontroler. Jest to układ scalony, który wykonuje programy sterujące działaniem silnika. Procesor odbiera sygnały z różnych czujników, przetwarza je zgodnie z zaprogramowanymi algorytmami i wysyła odpowiednie sygnały sterujące do wykonawczych elementów silnika, takich jak wtryskiwacze paliwa, cewki zapłonowe, zawór EGR, regulatory ciśnienia paliwa, ciśnienia doładowania itp. 

Oprogramowanie sterownika to zestaw programów i algorytmów, które kontrolują działanie silnika. Firmware jest zazwyczaj opracowywane przez producenta pojazdu lub dostawcę ECU i jest kluczowe dla optymalnej pracy silnika, efektywności paliwowej i spełnienia norm emisji spalin.

Jedną z funkcji realizowaną przez sterownik silnika jest blokada uruchomienia silnika, tzw. immobilizer. Celem tego systemu jest zapobieganie uruchomieniu silnika przez nieautoryzowane osoby, co skutecznie chroni pojazd przed kradzieżą.

ECU posiada różne rodzaje pamięci:

1. ROM (Read-Only Memory): Zawiera stały kod oprogramowania (firmware) sterownika.
2. RAM (Random Access Memory): Używana do tymczasowego przechowywania danych podczas pracy ECU.
3. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) lub Flash Memory: Umożliwia przechowywanie danych, które mogą być modyfikowane, np. mapy wtrysku paliwa czy ustawienia diagnostyczne.

ECU posiada liczne wejścia i wyjścia, które pozwalają na komunikację z czujnikami i wykonawczymi elementami silnika:

1. Wejścia analogowe: Przykłady to czujniki temperatury, ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym, położenia przepustnicy.
2. Wejścia cyfrowe: Sygnały z czujników położenia wału korbowego, wałka rozrządu, sygnały prędkości pojazdu.
3. Wyjścia cyfrowe: Sterowanie wtryskiwaczami paliwa, cewkami zapłonowymi, zaworami recyrkulacji spalin (EGR).

ECU komunikuje się z innymi jednostkami sterującymi w pojeździe poprzez różne protokoły komunikacyjne, takie jak:

1. CAN (Controller Area Network): Popularny protokół komunikacyjny w pojazdach, umożliwiający wymianę danych pomiędzy różnymi modułami sterującymi.
2. LIN (Local Interconnect Network): Używany do komunikacji z mniej krytycznymi systemami, takimi jak układy komfortu.
3. FlexRay i MOST (Media Oriented Systems Transport): Wykorzystywane w bardziej zaawansowanych systemach komunikacyjnych.

ECU jest zasilane z akumulatora pojazdu, a jego układy muszą zapewniać stabilne napięcie dla wszystkich komponentów wewnętrznych. Zasilanie ECU jest również zabezpieczone przed przepięciami i innymi zakłóceniami elektrycznymi. 

ECU wyposażone jest w funkcje diagnostyczne, które monitorują pracę silnika i mogą wykrywać oraz raportować usterki. W przypadku wykrycia problemu, ECU może zapisać kod błędu i w razie potrzeby przejść w tryb awaryjny, aby zapobiec uszkodzeniu silnika. ECU posiada także mechanizmy ochrony przed przepięciami, przegrzaniem oraz innymi niekorzystnymi warunkami pracy.

Proces regeneracji.

Bez względu na zakres czynności zleconych przez Klienta nasze działania ze sterownikiem zaczynamy od jego oczyszczenia oraz oględzin zewnętrznych. Jeśli to konieczne sterownik jest oczyszczany, po czym następują jego oględziny mające na celu ujawnienie widocznych usterek takich jak uszkodzenia mechaniczne, nieszczelność, ślady działania wilgoci, luźne piny i tym podobne. Następnie sprawdzana jest możliwość komunikacji ze sterownikiem, w celu wykonywania analizy oprogramowania oraz sprawdzenia jego obwodów. W przypadku niektórych sterowników podłączenie narzędzi diagnostycznych i programatorów wymaga ich otwarcia i bezpośredniego dostępu do elementów zamontowanych na jego płytce drukowanej. Po otwarciu sterownika można zweryfikować stan elementów elektronicznych oraz ich połączeń, przy okazji identyfikując i poprawiając tzw. zimne luty).

Zdecydowana większość napraw ogranicza się jednak do pracy z oprogramowaniem sterownika. Nasza oferta w tym zakresie obejmuje między innymi:

1. Diagnostykę sterownika i analizę oprogramowania,
2. Odzyskiwanie danych za sterownika,
3. Odczyt kodu pin (security code),
4. Zerowanie (czyszczenie) immobilizera,
5. Wylogowanie sterownika,
6. Synchronizację immobilizera,
7. Zmianę nr VIN,
8. Klonowanie sterownika,
9. Aktualizację oprogramowania sterownika,
10. Zaprogramowanie nowego bądź używanego sterownika,
11. Wgranie wsadu fabrycznego sterownika (tzw. Virgin),
12. Wyłączenie układu recyrkulacji spalin,
13. Trwałe wyłączenie układu Start/Stop,
14. Wyłączenie klap wirowych,
15. I wiele więcej…

Przyczyny i rodzaje uszkodzeń

Najczęstsze objawy uszkodzenia sterownika silnika to:

1. Brak możliwości uruchomienia silnika lub silnik gaśnie chwilę po uruchomieniu.
2. Poprawność pracy silnika zależna od temperatury i/lub wilgotności otoczenia.
3. Nierówna praca silnika.
4. Brak reakcji na pedał gazu.
5. Brak komunikacji.
6. Brak możliwości odczytania wartości bieżących.
7. Brak możliwości odczytania kodów błędów.
8. Błąd sumy kontrolnej.
9. Błędy magistrali CAN BUS.
10. Stałe błędy nie dające się skasować.

Najczęstsze uszkodzenia elektronicznych sterowników silnika (ECU) to:

1. Korozja wnętrza i styków – wilgoć i woda.
2. Uszkodzenia mechaniczne – drgania, nagłe przeciążenia.
3. Usterki komponentów elektronicznych oraz połączeń – zbyt wysoka temperatura, wilgoć, naturalne starzenie się elementów, niestabilne zasilanie (nagłe przepięcie lub spadek napięcia).