Styrparametrar.
040112/GG

1 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.

2 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.. 

                                                            
                                                  Både motoreffekt och bränsleförbrukning varierar
                                                  som en funktion av bränsleblandningsförhållandet.

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.

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.

3 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..

                                                           
                                                                                    ÖDP
                                                      Cylindertrycket varierar beroende på tändpunkt. 

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.

3.1 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).

3.2 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.

4 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).

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

5.1 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.

5.2 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).

5.3 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.

6 Reglerade system (Closed Loop Systems).
I ett reglerat system är information om vad som skall regleras, kontinuerligt återkopplat till reglersystemet som en insignal. Det är flera system runt förbränningsmotorn som fordonsdatorn skall reglera.

6.1 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.

6.2 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.

6.3 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.

6.4 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.