פעמים רבות אני נשאל מה הסוד לאיתור תקלה. ככל שאני מהרהר בזה יותר, אני מאמין שהסוד הגדול הוא בהבנה של אופן הפעולה של מחשבי הרכב המודרניים. בכך עוסקת סדרת כתבות חדשה המתחילה בגיליון זה: הבנת הפעולה של המחשב, של החיישנים השונים, השפעה של תקלות מסוימות על פעולת המחשב ועוד. כל כתבה תיבנה באותו אופן: תיאור הרכיב, תפקידו הישיר, השפעות עקיפות שהוא אחראי להן, אופני בדיקה והתמודדות עם תקלות. אנסה להיכנס לעומק בכל מערכת באופן שיהיה רלוונטי לכל סוגי הרכב, ובשלב מתקדם יותר אעסוק במערכות פרטניות ובתקלות אופייניות למערכות ייחודיות בסוגי רכב שונים.
לא הרבה יודעים שמערכות ניהול המנוע, מתוחכמות ככל שיהיו, עובדות בבסיסן באופן דומה מאוד למנועים של פעם, בעלי המאייד והמפלג. ההבדל היחיד למעשה הוא ביכולתן של מערכות ניהול המנוע לפצות על הלחץ הברומטרי שהמנוע נמצא בו. מערכת ניהול המנוע, ממש כמו המאייד הישן והטוב, נועדה לספק תערובת דלק-אוויר מדויקת, אבל רוב סוגי המערכות האלו יכולים לבצע זאת על פי משקל במקום על פי נפח האוויר כפי שעושה המאייד (השיטה מדויקת הרבה יותר). מערכת ההצתה של מחשב ניהול המנוע נועדה להצית את התערובת ברגע הנכון, באופן שבו ייבנה מספיק לחץ גזי בצילינדר ברגע שהטלטל והארכובה ניצבים זה לזה.
אז איך זה עובד?
מחשב ניהול המנוע זקוק עקרונית לשני נתונים בלבד כדי להתחיל עבודה ולנהל מנוע באופן סביר. ראשית עליו לדעת מהי מהירות המנוע. את הנתון הזה הוא יכול לקבל מחיישן קראנק (קיים ברוב רובן של המכוניות). במקרים מסוימים הוא יכול להסיק את הנתון (במקרה של תקלה למשל) מקריאה של חיישן גל זיזים או על פי מיקום המפלג. אחרי שהמחשב מקבל את הנתון של מהירות המנוע עליו להעריך את העומס שהמנוע נמצא בו. עומס הוא נתון מחושב. הוא לא מתקבל מחיישן כלשהו. נתון העומס מתקבל על ידי חלוקה של כמות האוויר שנכנסה למנוע בפועל לעומת כמות האוויר שהיתה יכולה להיכנס. העומס לא היה מחושב בעבר, אך בהחלט היה נתון חשוב. כאשר למנוע נכנס פחות אוויר ממה שהיה יכול להיכנס (למשל במהירות סרק, כאשר המצערת סגורה), נוצר ואקום. במקרה זה העומס נמוך. כאשר הרכב נמצא בעלייה, המצערת פתוחה, אבל לא נכנסת כל כמות האוויר האפשרית. לפיכך הואקום נמוך והעומס גבוה. למעשה אפשר לקבוע כאן כלל אצבע: הואקום והעומס הפוכים ביחס ישר זה לזה. במכוניות ישנות בעלות מפלג היו שני מנגנוני פיצוי להצתה כדי לשמור אותה במקום שישאיר לתערובת מספיק זמן כדי להידלק ולייצר את העומס המרבי בנקודה האופטימלית. בנקודה זו הטלטל והארכובה נמצאים בזווית של 90 מעלות זה לזה.
כפי שניתן לראות באיור מספר 1, ייתכנו מצבים שבהם העומס על המנוע משתנה למרות שהסל"ד לא משתנה. אמחיש זאת בדוגמה הבאה ובה שלושה מצבי קיצון. הסל"ד קבוע - 4,000. במקרה ראשון הרכב מאיץ. העומס על המנוע מרבי והמנוע מנסה להאיץ. במקרה השני קורה ההיפך. המנוע מאט ועובר מסל"ד גבוה יותר דרך 4,000 בדרכו לסל"ד סרק. העומס קטן מאוד. במקרה השלישי הרכב משייט במהירות קבועה ובסל"ד קבוע. העומס על המנוע בינוני-גבוה ויציב.

אלגוריתם שליטה

כדי לקבוע איזו כמות דלק דרושה ואת תזמון הניצוץ המדויק, המחשב משתמש בנוסחאות מסוימות המבוצעות בסדר קבוע. עקרון זה נקרא אלגוריתם. קיימים שלושה אלגוריתמים לשליטה במחשב ניהול המנוע ולכל אחד יתרונות וחסרונות משלו. בעבר היו יצרנים שנקטו באחד מהשלושה או בשילוב של שניים ואפילו בשלושתם. היום משתמשים היצרנים בשיטת מדידה של מסת האוויר (משקלו) כדי לנטר הן את יחס התערובת והן את העומס שהמנוע פועל בו. למען הסדר הטוב אסקור בקצרה את שלושת האלגוריתמים.
מדידת מסת אוויר: מד כמות האוויר מודד הן את מסת האוויר והן את החום שלו (טמפרטורה) באמצעות השוואה לנתונים הצרובים במחשב ניהול המנוע. יחד עם נתון מהירות המנוע נקבע העומס, ואז מחליט המחשב מה כמות התערובת ומה יהיה עיתוי ההצתה המדויק במנועי בנזין או עיתוי ההזרקה במנועי דיזל. היתרונות: זוהי השיטה המדויקת ביותר עד כה והיא היתה לברירת המחדל של התעשייה כולה. חסרונות: מחיר הרכיבים גבוה.
מהירות-צפיפות: אלגוריתם המצליב בין מהירות המנוע לצפיפות האוויר המוחלטת בעזרת מד טפרטורת אוויר. היתרונות: אין צורך למדוד את משקל האוויר. החסרונות: השיטה לא מדויקת מספיק ואטית בביצוע שינויים. היא משמשת כיום כגיבוי במקרה שמד כמות האוויר תקול.
ALPHA-N: אלגוריתם זה מודד את מהירות המנוע ואת מצב המצערת בלבד ומסתמך על נתונים הידועים לו באשר לרמת המילוי הנפחי ומכאן - העומס. יתרונות: מצב המצערת ומהירות המנוע מספיקים כדי לבצע את החישוב. חסרונות: האלגוריתם לא יודע לפצות על בלאי מנוע (ואקום נמוך למשל). הוא נהוג בעיקר במכוניות מרוץ או כמצב חירום לאחר ששני האלגוריתמים הקודמים כשלו (בדרך כלל כתוצאה מהיעדר נתון אחד או יותר).

למה משמשים החיישנים האחרים?

ברכב המודרני ישנם חיישנים רבים ותפקידיהם מתחלקים לשתי קבוצות עיקריות: חלקם קשורים לניהול הישיר של המנוע וחלקם קשורים לבקרה של מערכת הבקרה.
ניהול ישיר של המנוע: כל החיישנים שעוזרים למנוע לקבוע את התערובת והתזמון המדויקים משמשים לביצוע תיקונים. לדוגמה, חיישן חום של נוזל הקירור, חיישן למבדא, השוואה בין נתון המצערת העכשווי לנתון המצערת הקודם (כדי לבדוק אם המנוע מאיץ או מאט) ועוד. לכל אחד מהם יש תפקיד וכולם מספקים ויסות משני של הנתון המתקבל במחשב מהמפות.
סדר העבודה של המחשב דומה בתזמון ובתערובת:
שלב א': מציאת מהירות המנוע מחיישן המהירות של גל הארכובה (חיישן קראנק).
שלב ב': חישוב העומס שהמנוע נמצא בו (לפי האלגוריתם - נתון זה הוא נתון מחושב).
שלב ג': ביצוע תיקונים על סמך הנתונים מהחיישנים המשניים.
שלב ד': שכלול ההשפעה של מתח מערכת החשמל ברכב על זמן פתיחת המזרק והזרקה.
המפה הבסיסית משמשת את המחשב כדי להחליט על כמות הדלק או עיתוי הניצוץ או ההזרקה הדרושים. רכב יכול להיות בסל"ד מסוים בכמה רמות עומס. אם הוא נמצא במהירות מנוע של 4,000 סל"ד הוא יכול להיות בעומס נמוך, כיוון שהנהג הוריד את הרגל מהגז והמנוע בהאטה. הוא יכול להיות בעומס בינוני ובסל"ד קבוע, או בעומס גבוה כאשר המנוע מאיץ.

דוגמה להתנהלות המחשב כאשר הכול תקין

בדוגמה זו אשתמש ברכב עם הזרקה רב נקודתית והצתה מסונכרנת (כל צילינדר מצית בזמן שלו) - מנוע BBY של פולקסווגן למשל. לרכב ארבעה סלילי הצתה וחיישן גל זיזים, מה שמאפשר את הסינכרון. האלגוריתם שמבוצע בזמן שהכול תקין הוא כלהלן:

1. קבלת נתון על מהירות המנוע מחיישן גל הארכובה (חיישן השראתי-מגנטי במקרה זה). הנתון מגיע כגל אנלוגי והמחשב ממיר אותו לאות דיגיטלי.
2. חישוב עומס המנוע על ידי הצלבה של נתוני מהירות, זווית הפתיחה של המצערת ומסת האוויר הזורמת למנוע והשוואתם לנתון שקיים במחשב באשר למילוי נפחי מרבי. העומס הוא למעשה כמות האוויר שנכנסה בפועל לעומת כמות האוויר שהיתה מסוגלת להיכנס.
3. ביצוע התיקונים של זמן ההצתה וכמות ההזרקה הנדרשת על פי המידע מחיישני המשנה. מידע זה כולל חום מנוע, חום האוויר, מצב מצערת וכן מידע מחיישן נקישות ומחיישן למבדא.
4. בדיקת הערך של המתח במערכת ותיקון אחרון של זמן ההזרקה.
5. הזרקה בצילינדר המתאים והצתה בצילינדר המתאים (ההזרקה וההצתה לא מתרחשות ממש יחד אלא יש הפרש של מספר מילי-שניות ביניהן. מבחינה לוגית מדובר באותו דבר). הדבר מתאפשר הודות לידיעה היכן "נמצא" המנוע מבחינת סדר ההצתה. הרבה יצרנים מכנים את חיישן גל הזיזים חיישן תזמון מאחר שהוא מאפשר למחשב לתזמן את ההזרקה וההצתה.

תקלה בחיישן גל זיזים

בעת תקלה בחיישן גל הזיזים הרכב לא משנה עדיין אלגוריתם, אבל הוא כן משנה את ה"תוצרת". ההצתה עוברת לעבוד בזוגות, וכך גם ההזרקה. לכל צילינדר מוזרקת חצי מכמות הדלק, כך שבמנוע שלם (שני סיבובים של גל הארכובה) מתקבלת כמות הדלק המתאימה. הסיבה לכך היא שיש שתי פעימות הזרקה בחצי הכמות עד לרגע שבו נפתח שסתום היניקה ומתקבלת הכמות המלאה. נסו לנתק את החיישן מהמנוע העובד (לא במנועי הזרקה ישירה) ותראו שההבדל מורגש רק בקושי.

תקלה במד מסת אוויר

בעת תקלה במד מסת האוויר המחשב לא יכול לחשב את העומס והוא עובר לאלגוריתם משני. הוא מחשב רק את מהירות המנוע וצפיפות האוויר, ועל פי זווית המצערת משלים את התמונה. במצב זה ניתן לנסוע. המחשב מודיע על תקלה, ההספק יורד, אך הרכב מסוגל עדיין לנסוע.

הערה: בכתבות הבאות שיעסקו בחיישנים אתמקד בכל חיישן בנפרד ובבדיקות של כל אחד מהם. אתחיל בחיישנים הראשיים - חיישן קראנק ומד מסת אוויר - ואמשיך לחיישנים משניים.