ECU – Az F1-es autó vezérlőrendszere (1. rész)

A 2008-as Formula-1-es világbajnoki szezon a kategóriát érintő technikai részleteket illetően több technikai fejlesztés előhírnöke lett.


A 2008-as Formula-1-es világbajnoki szezon a kategóriát érintő technikai részleteket illetően több technikai fejlesztés előhírnöke lett.

A kutatások és fejlesztések tárháza nemcsak a már korábban alkalmazott egyes megoldások megkettőzésében, illetve megerősítésében merült ki, hiszen az érintett évben bevezetett új technikai szabályok értelmében a mezőny összes csapatának ugyanazt az Elektronikai Vezérlő Egységet (ECU – Electronic Control Unit) kell használni, amelyet az FIA kezdeményezésére a McLaren Electronic Systems (MES) és a Microsoft közös összefogása útján fejlesztettek ki. Annak ellenére, hogy az ECU egy meglehetősen szofisztikált eszköze a Formula-1-nek, döntő szerepet játszik a versenyautók, és ezzel párhuzamosan a hétköznapi életben használt személyautók jövőjét illetően is.

Ha a motort az autó szívének is szokták tulajdonítani, az ECU tulajdonképpen egy kis képzettársítás útján a Formula-1-es versenyautó központi idegrendszerének, vagy annak agyának is nevezhető, amely felelős többek között az erőátviteli rendszer megfelelő működéséért, valamint az autó különböző pontjain, különböző feladatok ellátására szakosított érzékelők és szenzorok által begyűjtött állapotjelek hozzáadásával nyert nagyjából 6000 féle különböző paraméter kezeléséért. Mindezek mellett, hogy az elektronikai rendszer és az azt működtető szoftver a lehető leggyorsabb működést kell, hogy produkálja, a legnagyobb kihívás ezen eszközökkel szemben nem más, mint a megbízhatóság. A vezérlő egység kivitelét tekintve nem beszélhetünk teljes újításról, hiszen az ECU bevezetésének évét megelőzően ehhez hasonlót már alkalmaztak a Formula-1-es csapatok. Az új rendszer szerint összeállított egységnek azonban egy jóval komplexebb és egységesebb feladatokat ellátó szoftverkörnyezethez kell kapcsolódnia, és a speciális kivitel miatt olyan tényezőkre is oda kellett figyelnie a mérnököknek, mint például a vezérlő modulban lévő processzorok hűtésére.

Az előd már bizonyított

Az új ECU kifejlesztése során az MES szakemberei minden bizonnyal arra törekedtek tehát, hogy egy olyan rendszerrel lássák el a Formula-1-es csapatokat, amely teljes egészében jó megbízhatóságra képes. Éppen ezért a rendszer hardveres oldalát tekintve átütő fejlesztéseket nem végeztek, sokkal inkább olyan eszközöket implementáltak az F1-es autók vezérlésébe, amelyek már a versenypályákon bizonyítottak. Annak ellenére viszont, hogy a hardverelemek nem változtak jelentős mértékben, a rendszer fejlesztői számára az igazán nagy kihívást a megfelelő szoftveres környezet elkészítése jelentette. Olyan utasításkészlettel kellett ugyanis összeállítani mindezt, amelynek segítségével tökéletesen képes a rendszer kezelni a csapatok által használt különböző szerkezeti egységeket, mint például a különböző motorokat és sebességváltókat. Ehhez pedig a mérnököknek szinte teljes egészében az alapoktól kezdve kellett felépíteni a teljes szoftveres környezetet, és a csapatokkal szoros együttműködésben kellett feltérképezni jó néhány területet. Ezek között említhető például az, hogy miként viselkedik a motor, mialatt a pilóta működteti a sebességváltó szerkezetet, vagy melyik az a pont a működési karakterisztika során, amikor a váltómű elengedi az adott fogaskereket, és ezzel együtt pedig összekapcsolódik a következő áttételi arányt biztosító fogaskerékkel.

Advertisements

Legfőbb erény, a konfigurálhatóság

Egy vezérlő rendszer tökéletességének elengedhetetlen jellemzője, illetve az ilyen rendszerrel szemben támasztott követelmények egyike a magas fokú konfigurálhatóság, amire szintén fel kellett készíteni az ECU-t. A csapatok számára lehetővé kellett tenni, hogy a vezérlő szoftvert az adott versenyautót figyelembe véve kellő szabadságfokkal lehessen beállítani, vagyis a csapatok mérnökei el tudják végezni az egyes paraméterek minél precízebb módon történő finomhangolásait is. Az idő előrehaladtával pedig az istállók teljes mértékben elsajátították ennek a rendszernek a használatát, és oly profi szinten belejöttek az egyes konfigurálási procedúrákba, hogy képesek lettek a motorvezérléseket is specifikálni külön az időmérőkre és külön a versenyekre. Mára azonban már köztudottá vált, hogy az FIA miképpen szankcionálta a motorvezérlési módok ezirányú manipulációját, illetve a rendszerben rejlő lehetőségeket.

Milyen mérföldköveken ment keresztül az a projekt, melynek keretein belül végül megszületett a mai Formula-1-es versenyautókban is használt Elektronikai Vezérlő Egység? A rendszer fejlesztését 2006.07.05-én nyerte el a McLaren Electronic Systems, és gyakorlatilag az ezirányú munkák már azt követően meg is kezdődtek. A csapatok két hónap elteltével már megkapták a készülőben lévő ECU specifikációját, és folyamatos egyeztetések közepette 2006 novemberében megkezdődtek a gyártások. A továbbfejlesztett ECU első példányait 2007 márciusában kapták meg a csapatok, és a 2007.11.13…11.15 között megrendezett barcelonai tesztsorozaton már mindenki próbára tehette az új vezérlő rendszert.

Az ECU bemutatkozását teljes siker övezte, hiszen az első téli tesztelés során összesen 16.000km-t teljesített mindennemű technikai probléma nélkül, ami pedig nem kevesebb, mint 50 versenytávnak fel meg. Ez is azt bizonyította tehát, hogy az ECU továbbfejlesztésén fáradozott szakembergárda óriási lépést tett a 2000-ben alkalmazott STAR rendszertől egészen a STAR 2 rendszerig, ami végül az ECU-ban öltött testet.

A győztes kombináció

Az előzőleg említett előd a mai ECU-val szemben mindössze csak 256MB-os memóriával rendelkezett, és maximálisan 192 adatgyűjtő csatornát tartalmazott, míg ezen paraméterek a STAR 2 esetében már 1GB-os memóriaméretre és 512 adatgyűjtő csatornára duzzadt. Ezek a paraméterek kissé megmosolyogtatóak, ha a mai modern ECU-t állítjuk párhuzamba mindezzel. A Formula-1-es versenyautókban alkalmazott vezérlő rendszer ugyanis maximálisan 200.000.000, azaz kétszázmillió utasítást képes végrehajtani másodpercenként. Érdekességképpen megemlíteném, hogy például a Mercedes-Benz SLR sportautó esetében alkalmazott ECU-nál 50.000.000 utasítás/másodperc-ről lehet beszélni, amelybe természetesen a motorvezérléshez szükséges funkciók mellett igen jelentős szerepet betöltő diagnosztikai funkciók is beletartoznak, csakúgy, mint ahogyan az a Formula-1-es versenyautókban használatos rendszereknél is elmondható.

Az ECU kifejlesztése során – ahogyan az a bejegyzés első részében is említésre került – az MES a Microsofttal karöltve, a szoftveróriás által biztosított operációs rendszert alkalmazta, a hozzá tartozó Core technológiával. A projekt során kulcsfontosságú szerepet játszottak a versenypályákon és a szélcsatornákban szerzett adatok összegyűjtése, rendszerezése és kiértékelése, amelyhez a legújabb Microsoft SQL adatbázis-kezelő rendszer került felhasználásra. A rendszer működtetésére a csapatoknak nincs szüksége túlzottan nagy teljesítményű szuperszámítógépekre, ami pedig a költséghatékonyság tekintetében nem elhanyagolandó, és nem utolsó sorban tökéletesen megfelel a Formula-1-es versenyautóból egy kör teljesítése közben hozzávetőlegesen 20MB-nyi valósidejű adat gyűjtésére.

Míg a Formula-1-es versenyautók motorja az autó szívét, az ECU pedig annak agyát képezi, amely a hozzá kapcsolódó, különböző szenzorok és érzékelők segítségével meghatározza többek között az adott működési körülményekhez szükséges üzemanyag-keveréket, amely akár a gyújtás időzítését sem hagyja érintetlenül, de mindezek mellett hatással van továbbá a sebességváltó működtetésének időzítésére is. Ahogyan a központi vezérlő elektronika használata mára a modern autógyártás tekintetében is szinte hétköznapivá vált, nincs ez másként az autósportban sem. Ezen rendszer segítségével lehet ugyanis megfelelő szinten kontrollálni a motor megannyi paraméterét is, amelyeket az ECU tökéletes módon felügyel és szabályoz is egyben. Mindez pedig a teljesítmény és a fogyasztás tekintetében nagyon fontos, de nem utolsó sorban a legutóbbi években a Formula-1-ben is egyre inkább előtérbe kerülő környezetvédelmi törekvések tekintetében is.

Vissza az alapokhoz

Egy kis kitérő… Ahogyan az korábban is említésre került, az ECU fogalma nem ismeretlen a személyautók gyártását illetően sem. De hogy mi is eredményezte ennek az eszköznek, illetve rendszernek az elterjedését? Nos, azt hiszem egyet lehet abban érteni, hogy az elektronikai ipar fejlődése megállíthatatlan, így sok-sok évvel ezelőtt lehetőség nyílt olyan elektronikai elemek és rendszerek megalkotására, amelyek segítségével a motor üzemállapotait, annak befecskendezési folyamatát számítógép segítségével lehetett felügyelni, és az éppen aktuális igénybevételnek, illetve terhelési állapotnak megfelelően a szükséges keverék előállítása így megoldottá vált. Az ECU-nak leginkább tehát a motor működéséhez feltétlenül szükséges üzemanyag-levegő keverék beállítása és szabályzása a fő feladat, amely első olvasatra talán bagatellnek tűnhet. Mondom ezt azért, mert ezt a feladatot egy egyszerű mechanikai szerkezet, a karburátor már régóta képes volt ellátni. Ez így is van, de mint a legtöbb technikai megoldásnak, úgy ennek is megvan a maga hátránya. Mindamellett, hogy a szerkezeti egyszerűségéből kifolyólag viszonylag olcsó alkatrészről van szó, az igénybevételektől függetlenül a fordulat alapján megegyező keveréket állított elő, ami a legtöbb esetben indokolatlanul magas üzemanyag-fogyasztást, és ezzel együtt nagy környezeti terhelést is okozott, szemben az elektronikus úton vezérelt változatokkal.

Az ECU feladata

A Formula-1-es versenyautókban alkalmazott ECU-nak rendkívül összetett feladatot kell ellátnia. Mindamellett, hogy a motor igénybevételének, illetve terheltségének függvényében biztosítania kell az elvárt teljesítményhez szükséges legoptimálisabb üzemanyag-levegő elegyet, szabályoznia kell a gyújtást is. Az egyes feladatok elvégzéséhez a rendszer számos kiegészítő perifériaelemet, szenzorokat is tartalmaz, amelyek üzemmódjelzései alapján végzi el az elektronika és az azt működtető szoftver a szükséges beavatkozásokat. Éppen ezért az ECU-nak olyan üzemállapotokkal is teljes egészében tisztában kell lennie, mint az, hogy éppen mennyi a motor fordulatszáma, mekkora hőmérsékleten üzemel az autó erőforrása, és természetesen azzal is, hogy a pilóta mit is szándékozik tenni az általa használt technikával.

Mit is kell érteni ez utóbbi alatt pontosan? Ahogyan az már korábban is említésre került, az ECU-nak számos érzékelő jeleit is fel kell dolgoznia. Ezen érzékelők között van többek között a hajtótengely vezeték nélküli pozícióérzékelője (nyomatékszenzor), vagy a kipufogógáz hőmérsékletének érzékelője, de említhetnénk a forgásérzékelőket, vagy a fékek terheltségét kiválóan jelző hőmérsékletmérő szenzorokat is, amelyek egyaránt fontos szerepet játszanak az ECU pontos működési folyamataiban. A teljesség igénye nélkül megemlíthető továbbá a gázszabályzó szelep pozíciójának érzékelője, a motor levegőellátottságát ellenőrző légmennyiség mérő, az oxigén-, vagy más néven lambda érzékelő, és nem utolsó sorban a gyújtás és a befecskendezés kontrollálásához elengedhetetlen főtengely jeladó.

A diagnosztizálás és a kiértékelés fontossága

Az Elektronikai Vezérlő Egységnek viszont nemcsak a versenyautó megfelelő teljesítmény-leadásához, az optimális üzemanyag-felhasználáshoz és a „zöld” Formula-1-et megcélzó irányelvek teljesítése érdekében a károsanyag-kibocsátás optimalizálásához kell megfelelő módon hozzájárulnia. Az eddigiekben ismertetett feladatok mellett ugyanis éppen olyan fontos a tőle elvárt diagnosztikai szempontoknak való megfelelés is, amely az összes, az ECU-val összeköttetésben lévő szenzor és perifériaelemek által adott értékek felhasználásával történik. A perifériaelemek által adott állapotjelek alapján a rendszer pontosan tudja, hogy az autó fékrendszere, motorja, vagy a sebességváltója eltér-e az optimális üzemi viszonyoktól, és az alkalmazott szoftver segítségével priorizálhatóak is ezek. Ennek megfelelően tehát az összes állapotjel eltárolódik a rendszer memóriájában, és mindezek mellett a versenypályákon a csapatok boxában szolgálatot teljesítő mérnökök dedikált módon folyamatosan figyelik a pályán köröző autóból online módon beérkező információkat. A memóriában elraktározott állapotjeleket pedig a csapat bármikor ki tudja olvasni, és további elemzéseket követően el tudják végezni a szükséges beavatkozásokat, vagy adott esetben szerkezeti változtatásokat.

Felkészülni mindenre

Az elektronikai vezérlő rendszerek és az azt működtető szoftverek megalkotásának az egyik legnehezebb momentuma nem más, mint hogy előzetesen feltérképezni, és felkészíteni mindazt a várható technikai meghibásodásokra, hibajelekre, és azok megfelelő lekezelésére. Természetesen ez a kritérium a Formula-1-es versenyautókban használatos ECU esetében sincs másként. Abban az esetben, ha a vezérlő elektronika valamiféle hibás üzemállapotot észlel, azonnal eltárolja azt a rendszer memóriájában. Ez két szempont miatt is fontos. Egyrészt azért, mert vannak olyan hibaállapotok, amelynek jelenléte esetén a rendszer képes oly módon beavatkozni, hogy fenntartsa a normál üzemi körülményekhez közeli jellemzőket, másfelől pedig az autó meghibásodását követően – még annak ellenére is, ha az nem tudja adott esetben tovább folytatni a versenyt – a mérnökök kiolvassák azt további diagnosztikai feladatok elvégzése céljából.

Az ECU-t azonban nemcsak az esetleges hibaállapotokra és azok megfelelő módon történő lekezelésére kell felkészíteni, hanem az egyes üzemmódokra is, amelyek a versenyautóban alkalmazott szenzorok és a különböző típusú és más-más feladatra készített érzékelők által adott állapotjelek szerint kerülnek kiválasztásra. Ezek az üzemmódok jó néhány műszaki szempontban eltérnek egymástól, mint például az üzemanyag-levegő keverékének beállításától, a gyújtás időzítésétől, vagy éppen a felhasználandó érzékelők típusától.

Az ECU voltaképpen az üzemi körülményekben bekövetkezett változásoknak megfelelően választja ki a megfelelő, előre leprogramozott üzemmódot, annak reményében, hogy az mindvégig megfelelő teljesítményt lesz képes biztosítani. Mit is kell ez alatt érteni? A vezérlő egység teljesen más üzemmódot használ abban az esetben például, ha a versenyautó padlógázzal halad a pályán, vagy akkor, amikor a pilóta egy szűk kanyar előtt drasztikusan fékez, majd a kigyorsítási szakaszon pedig újra rálép a gázpedálra.

Természetesen többféle üzemmódot lehet megkülönböztetni, amelyek közül a teljesség igénye nélkül, csak néhány kerül megemlítésre. A versenyautó beindítása során alkalmazott üzemmód például arról gondoskodik, hogy a rendszerben felépüljön a szükséges nyomás, és amíg a külső akkumulátorról működtetett hordozható indítókészülék forgatja a motort, a szikraképződés, és a keverék begyújtása előtt nagyon rövid ideig ugyan, de először gondoskodik arról, hogy az olaj eljusson a szükséges pontokra.

Egy másik üzemmódról akkor beszélhetünk, ha a versenyautó motorja már javában elérte az üzemi hőmérsékletet, de mondjuk egy baleset miatt a pilótának meg kell állnia – itt a boxkiállás alatti időtartamot is lehetne példának említeni. Az üzemanyag-levegő keverékének a képzése tehát már beindult, illetve az egy zárt körben már javában zajlik, és mindezt a folyamatot a lambda érzékelő szabályozza. Az elektronika ebben az esetben gondoskodik arról, hogy a motor alapjárata optimális szenten legyen, mialatt a megfelelő égéshez szükséges levegőt is biztosítani kell.

Az ECU szempontjából az ideális üzemállapotról akkor beszélhetünk, amikor a versenyautó erőforrása már elérte az üzemi hőmérsékletet, és a pilóta rendre rója a köröket. Az ideális üzemállapot kifejezés az igazat megvallva azonban nem teljesen helytálló, hiszen a pályán annak karakterisztikájától függően sok-sok fékezésre és gyorsításra van szükség. Abban az esetben, ha a pilóta éppen egy hosszú egyenesben maximális gázpedálállással halad, az elektronikának kvázi fel kell készülnie arra az üzemállapotra, amikor a versenyző a fékpedálra fog lépni, melynek hatására csökken a beáramló levegő mennyisége. Itt is fontos szerep jut a lambda érzékelőnek, hogy a csökkent levegőmennyiséghez igazodva igen rövid idő alatt beállítsa a motor üzemeléséhez szükséges keveréket, és mindezt úgy, hogy közben megfelelő szinten maradjon a leadott teljesítmény.

További üzemmódként a padlógázas száguldást lehetne megemlíteni. Ebben az esetben a TPS, vagyis a gázszabályzó szelep pozícióérzékelő maximális végértékkel jelet ad az ECU-nak, amely egyúttal azt jelenti az elektronika számára, hogy a motornak most a maximális teljesítményt kell leadnia. Ekkor teljesen más lesz az üzemanyag-keverék és a gyújtás értéke is, és feltételezhetően az injektorok teljesítményének kontrollálása is az egyik eszköze lehet a vezérlő elektronikának ahhoz, hogy szabályozza az adott fordulatot.

Végül, de nem utolsó sorban a felsorolás végére maradt az az üzemmód, amelyet a versenyautó fékezése során választ az ECU. Ahogyan arra már az előzőekben is történt utalás, a csökkenő sebesség esetén az egyik legnagyobb kihívást a motor csökkenő levegőellátottsága jelenti. Ehhez szintén a TPS szenzor jeleiből szerez információt a központi vezérlő egység, amely kiegészül a sebesség jeladó működéséből eredő állapotjelekkel is. Természetesen ennek a folyamatnak a kontrollálása sem olyan egyszerű, hiszen a motor fordulatszámának és a hőmérsékleti értékek figyelése mellett megfelelő módon kontrollálni kell az injektorokat és a levegőellátást is, hogy amikor az autó lassítása után a pilóta újra rálép a gázpedálra, a motor mielőbb biztosítani tudja a szükséges lóerőket.

Azt hiszem látható, hogy egy Formula-1-es versenyautó működtetése mennyire komplex folyamat, és mennyi jellemzőt és üzemállapotot kell egyidejűleg kezelni ahhoz, hogy a pilóta el tudjon bennünket, F1 rajongókat kápráztatni az általa diktált tempóval és előzési manővereivel. A Formula-1-es versenyautókban használatos ECU-t bemutató cikksorozat második és egyben utolsó részében a rendszer perifériaelemeinek bemutatására kerül majd sor. Folytatás hamarosan …

Formula1Tech Blog

Görgess tovább az újdonságokért!

HIRDETÉS

Kapcsolódó cikkek

HIRDETÉS
HIRDETÉS

További hírek

HIRDETÉS
HIRDETÉS

Kövess minket a Facebookon is!

Kövess minket a Facebookon is!