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月別アーカイブ: 2024年11月

FPCM(Fuel Pump Control Module)オリジナル5

オリジナルのFPCMでの追加機能の続きです。

8.回路の自己診断機能

9.自己診断で異常を検知した際のデッドマンスイッチ機能

最近では常識的ですが自己診断機能を有しています。

マイコン内のプログラムが自らの故障を発見すると

デッドマンスイッチ機能がリレー回路で電圧確保を行い

エンジンを停止させないようにしています。

デッドマンスイッチは直訳では「死んだ人のスイッチ」です。

不気味な名称のこれは、

運転手が意識を失った操作不能の状態に陥った際、

自動的にブレーキをかけるようなシステムの総称です。

制動のためのブレーキだけではなく

航空機でのパイロットの操作が途切れた場合、

飛行を継続させるような機能もあります。

純正FPCMの故障による突然停止や

希薄燃焼の発生によるエンジンリスクを

オリジナルのFPCMでは抑止するようになっています。

デッドマンスイッチ機能作動時は、

FPCMとしての性能は無くなりモーターは常時全開になりますが

エンジンを停止させない事を最優先させる安全回路は必須で、

本来であれば純正のFPCMがこれを有しているべきだと考えてます。

 

何らかの理由でデッドマンスイッチが常時作動している場合、

通常はエンジン始動前のキーオンで

2.5秒で止まる燃料ポンプの作動音が続きます。

故障と識別する事ができますが、

部品の選別や基盤の構造、プログラム制御などで

耐久性は純正比べ大幅に高くなっていますので

消耗などによる故障が発生するのは純正品より長く、

ずいぶん先になると予想しています。

 

10.純正FETを高容量高耐圧のFETへ変更

↑スイッチ機能を持つ純正FETは発熱による故障が多く

オリジナルのFPCMでは、新型のFETを採用しています↓

一つで純正の4つのFETの仕事をこなし

耐久性を含め、性能は大きく向上しています。

半導体の進化はすばらしく、

先のデッドマンスイッチの故障による発動の可能性は

純正のFPCMで最も多い故障のひとつであるFETの変更で

大きく低減されるはずです。

放熱のためにケースにボルトで取り付ける必要も無く、

初期テストでは約70℃が上限の温度でしたが、

基板やプログラムの対策の追加でより温度を下げる事に成功しています。

 

 

(続きます)

FPCM(Fuel Pump Control Module)オリジナル4

オリジナルのFPCMはマイコン制御のため、

ソフトでの機能の追加や変更が簡単にできるメリットがあり、

以下の機能の追加が可能になりました。

4.エンジン始動時での2.5秒の100%起動から入力信号での減衰動作

5.バッテリー電圧の常時モニター

6.電圧低下の検知でバイパスリレー動作での100%直結

7.正常動作の確認時、通常動作に復帰

 

早速、数台のスカイラインGTRでテストを実施したところ、

半数以上で始動に必要なセルモーターの動作時間が短縮されました。

電気消費の大きいセルモーターは、

動作によって車輛の電圧が10V以下になってしまう事がありますが、

そのような電力不足の状態でも、

純正のFPCMはデューティー制御で燃料ポンプへの電気抑制を行うため、

電力不足に加えての電気制御のため燃料ポンプのパワー不足を発生します。

そのため、エンジン始動に必要な燃圧確保の遅れが

始動までの時間を長くしているわけです。

このような燃料不足での始動不良は

着火できないガソリンをプラグの電極に付着させ

「かぶる」という状態を発生させる事もあり、

新しいプラグに交換しないと再始動できない場合や

燃焼室に溜まったガソリンによるシリンダー内壁の油膜の希釈で

オイルの皮膜を弱らせ、金属表面に傷を入れるリスクもあります。

オリジナルのFPCMでは、

始動時は常時、

それ以外でも電圧のモニターでの一定より低い電圧では、

リレー回路で制御をバイパスし、

バッテリー電圧をそのまま供給する方式を採用しています。

始動時はリレー回路で燃料ポンプを2.5秒動作させ、

電圧の安定が確認されると

ゆっくりとデューティー制御を復帰させるようになっています。

急激な切り替えでは、

想定外の逆方向への大きな電気(逆起電力)を発生させ

電子部品へのリスクを高めます。

「ゆっくり」は、このような場合ではとても重要な動作です。

常時稼働の電圧モニターの機能は

それ以外でのトラブル等で電圧が下がった場合も同様に

リレー回路で電気を燃料ポンプに直接与えるようになっています。

 

 

(続きます)

 

FPCM(Fuel Pump Control Module)オリジナル3

「マイコン制御」のスーパーサイヤ人、

ドリフトが得意だった若かりし頃、

高額で購入できなかったスカイラインGTR、

「憧れだった車に関われるのが楽しい!」

今は某大手で電子回路の設計などに携わる

最高のエンジニアさんとの出会いがありました。

会話をするだけでこちらのステイタスまで上がる感じで

人生とは人間関係の連続だと実感しました。

ラッキーです。

 

そして、

完成したテスト用の試作モデルです。↓

中央のモニターにはエンジン動作時、

制御のデューティー値などが表示されるようになっています。

 

R’sミーティングでは動作を目視予定でしたが、

展示車両のエンジン始動禁止ルールで、

ただ、トランクに置いただけ状態でした・・・・。

悲しいです・・・・。

ですが、このテスト機の登場で

燃料ポンプの制御の数値変化で

始動性や中間領域での走行性能にも

体感レベルで違う事が分かりました。

そこで、オリジナルのFPCMでは

それらの数値も加えて開発する流れになりましたが、

マイコン制御を基本にした事で、数値変更が安易になり

都度、半導体やコンデンサーやレジスターなど

従来の方法では必要だった

基板への熱ダメージも含めた入れ替えなどの作業の

省略ができるようになりました。

 

 

最初に、燃料ポンプの制御値について

1.アイドリング時を含め燃料ポンプの低い回転数でのデューティ値の見直し

2.中回転域でのデューティー値の見直し

3.高回転域でのデューティー値の見直し

テスト機にだけ備わっている変更機能を使い、

エンジンの始動性能や、中速域、高速域での空燃比の安定とトルクなど

数値変更による走行テストを繰り返し行いました。

テスト機の基板右上の拡大画像です。

燃料ポンプの作動制御プログラムを簡単に変更できるスイッチ機能は、

超便利です。

 

(続きます)

 

FPCM(Fuel Pump Control Module)オリジナル2

デューティー制御は、電気のオンオフの繰り返しにより

全体の時間に対してのオンの時間の割合(%)で通電を抑える方法です

上の図での、Tに対してHの時間が長いほど

燃料ポンプの回転数は上がります。

平成元年に登場したBNR32の燃料ポンプにPWM制御が採用されたのは、

日産のスカイラインGTRに対しての意気込みが感じられます。

制御部品名はFPCM(Fuel Pump Control Module)です。

エンジン制御コンピューター(ECU)の2つの指示信号で

強中弱の3種類のデューティー値が選択され

燃料ポンプの回転数の調整を行っています。

しかし、近年、BNR32のエンジンが突然停止し、

その原因がFPCMにある事例が明らかに増加しています。

ECUのプログラムセッティング中、

空燃比計の数値が、回転数、ブースト圧、アクセル開度、など同じ状況で、

異なる空燃比が交互に現れるような状態では、

当初、その原因が分からず、

しかし、そのような状態のスカイラインGTRの数台では、

その後日にエンジンが完全に停止し、

通電テスト等により、

FPCMの故障が、エンジン停止に関係している事が判明しています。

FPCMは、燃料ポンプを高中低の3段階の回転数に制御していますが

意外と多い故障に、中中低の不可思議な状態があります。

この場合、高回転ではガス冷却が不足し、

リスクの高い高温燃焼に至っている可能性がありますが

ドライバーにはその識別が難しく

純正よりも速くなっているケースもあります。

「壊れる前のエンジンは速い」という言葉がありますが

この燃焼温度とリスクの関連性に起因しているように思われます。

もし、中途半端なFPCMの故障が継続していれば、

ガス冷却が効かない希薄燃焼でエンジン内部が融解するリスクが高く、

発売当時としては、卓越した性能のFPCMですが

今となっては逆にハイリスクな内なる部品になりつつあります。

すでに生産が中止されていた今は、

FPCM本体の延命、温存のため、

コンデンサーや抵抗を交換し故障を抑制する手法で対応していましたが、

正常に動く個体が減少し、オークションなどでの中古市場の出品数も減り、

価格は上がり、

「良品」と表記されていても

それらが正常であるかの判別も難しく、

そこで、代替品の製作を考えるようになりました。

 

BNR34の純正FPCMです。↓

リアシートの後側に取り付けられています。

内部の画像です。↓

故障したFPCMの内部を確認しても

その原因は目視では分からないケースが多いですが、

明らかに「これ!」と分かる時は、黄色の〇の部品の損傷です。

画像では分かりにくいのですが、

小さなボルトでケースの内側に押さえつけるように固定されている部品は

FETと呼ばれるスイッチの仕事をする半導体で、

これが焦げて白色化している故障は多く、

そのような基板の画像があると分かりやすいのですが、

すべて処分してしまいました。

まさかこのような事態になるとは思わなかったもので、

ちょっと残念です。

 

FETの画像です。↓

 

FETはトランジスタの一種です。

性質の違う半導体が組み合わされた構造で

電気信号で動くスイッチとして使用されています。

デューティー制御による1秒間に1000の超高速では、

リレーのような機械的なスイッチでの対応ができないため、

このような半導体によるスイッチングを行いますが

大きな問題がオンオフで発生する温度です。

画像の黄色の〇のFETが、

内壁に押さえつけるように固定されいる理由は放熱ですが、

ボルトが緩んでケースとの間に隙間ができてしまうと、

短時間で白煙を上げ壊れてしまいます。

 

平成元年に登場したBNR32へのデューティー制御の採用に、

「先端技術」と表現しましたが、

コストを無視すれば「最先端」では無かったようです。

FPCMの基盤に使われている複数の制御回路半導体部品は、

それぞれの特性をパズルのように組み合わせることで、

要求される動作を行えるユニットとして完成しています。

しかし、同じ時期、

エンジンを制御するコンピューター(ECU)に採用されていた

プログラムをパソコン等から入力できる半導体を使用していれば

もっとシンプルに制御ができていたはずです。

しかし、それが使われなかった理由の一つはおそらくコストです。

 

FPCMのコンデンサー、レジスター類を新型に入れ替える事での

耐久性の向上が目的としたミルスペックでした。

↑純正のFPCM基板

 

↑ミルスペック化したFPCM基板

 

故障の多いコンデンサー類と

熱損傷の激しいレジスターが高性能化されています。

しかし現状では、ベースになる正常な純正FPCMが不足の状態です。

そこで、制御のための半導体などを現代の製品に置き換えた

オリジナルのFPCMの製作を目指しました。

 

最も必要な性能は安定した動作と耐久性です。

自動車で使用できる条件として、120℃の温度に耐えられる部品の選別、

振動や湿度への強さは大前提です。

アテーサE-TSの製品化でお世話になった電子関係の知識の山の

「いつもの人」の助力は必須で、

「純正回路の現在バージョン化」からスタートでしたが、

市販の制御用半導体を組み合わせで複雑化した基板では、

ハンダの割れなどによる故障リスクは長期的には低減が難しく、

FETの発熱対策、設計の更なるシンプルを求め、

「これって、マイコンで制御した方がいろいろと高性能だよね・・・」の一言から、

制御方法には、まったく異なる新型の開発に方向性が変わりました。

 

 

(続きます・・・)

FPCM(Fuel Pump Control Module) オリジナル1

オリジナルのFPCMのご説明です。

いつものように余談と脱線も交えて長くなりそうですが

ご一読、よろしくお願いいたします。


日産が生産を中止した後、故障が増え、

部品調達にとても困っている部品の1つがFPCMです。

FPCMは、(Fuel Pump Control Module)のイニシャルを連ねた名称で、

直訳は「燃料ポンプを制御する部品」です。

 

RB26DETT系の燃料ポンプはガソリンタンク内に固定されています。

燃料によるポンプの冷却、燃料の重さ(水圧)を圧送に利用し、

タンク外で発生する泥や錆によるポンプへのダメージを抑える効果もあります。

スカイラインGTRやステージア260RSでは、

イグニッションONで、車両後方から2種類のモーター音が聞こえます。

1つはアテーサE-TSのモーター音です。

車両と状態による個体差はありますが、

アテーサ駆動のための油圧が3.8Mpsに達するまで2~5秒間続きます。

もう1つは燃料ポンプです。

イグニッションキーONから約3秒、

ECU(エンジン制御コンピューター)の信号で動くように設定されています。

ポンプがガソリンタンクから燃料を圧送し、

フューエルインジェクターまでに圧力を貯める動作を行っています。

 

ECUからの信号で動作した燃料ポンプリレーから

燃料ポンプのプラス側に電気が送られます。

同時に燃料ポンプのマイナス側では

FPCMが回転数を制御しています。

つまりFPCMは、電気の流れを邪魔し

モーターの回転数を抑えている事になります。

燃料の流れは、

燃料ポンプ(ガソリンタンク内)⇒

燃料フィルター⇒

インジェクター(6個)⇒

レギュレーター⇒

ガソリンタンクに戻ります。

インジェクターの使用量より多くのガソリンが供給され、

使われなかった燃料は、ガソリンタンクに戻る部分的な循環構造は、

燃料の通過により熱をガソリンタンクに運び

インジェクター関連を冷却する効果もあります。

エンジン上部にあるインジェクターなどの部品類は過熱されやすく、

特に燃料パイプは、モータースポーツなどでの激しい使用では、

液体である燃料が噴射前に沸騰し、

気化した状態でインジェクターから噴射されると

燃料不足による始動不良や失火、

希薄燃焼でのエンジンブローに至るケースもあります。

しかし、この冷却工程は、望ましくない面もあります。

燃料がエンジンルーム内の熱ガソリンタンクへリターン工程で運ぶ事で、

タンク内の温度を上昇させてしまい、

加熱によって膨張したガソリンは、同じ体積での分子の数が下がるため、

インジェクターから噴射された燃料の実質的な量を減少させてしまいます。

密閉されたシリンダー(燃焼室)内では、

酸素の量によって、燃焼できるガソリンに制限がありますが、

燃焼できないガソリンを意図的に増やし、

余ったガソリンが気化熱でシリンダー内の温度を奪い、

バルブやピストンなどの金属部品を熱融解から守る「ガス冷却」が行われています。

ROMセッティングでは、

この燃焼温度の管理がプログラムの数値を決める重要な条件の一つですが、

冷却を優先させて燃料を増やし過ぎると、

燃焼温度が下がり過ぎ、パワーと燃費を低下させてしまう逆もあります。

インジェクターは水道の蛇口と同じで、

燃料の通路の開閉を行っているだけで、

インジェクター本体に燃料を噴射させる能力は無く、

燃料の圧力によって噴射量が変化するため、

圧力を作る燃料ポンプの正常な動作は、

エンジンのトルクや耐久性に大きく影響する事になります。

 

燃料の必要量は、エンジン回転数や過給圧などによって変化します。

回転数が低く空気が少ない負圧状態のアイドリングでは、

必要量が少ないのため、

燃料ポンプの回転数を低く調整するようになっています。

ポンプの回転制御による効果として、

ガソリンタンク内の温度上昇の抑制は先の通りですが、

燃料ポンプの回転部品の消耗を抑える効果もあります。

「キーオンで始まるウィーーーンの音が良いのだ!」

バッテリー直配線でのアイドリング時からポンプが全開の状態に、

そのようなマニアなご意見もありますが、

高出力が連続する競技の世界以外では、

耐久性や熱抑制のための静かな低い回転も良いものです。

 

燃料ポンプの回転制御で最もシンプルな方法は

電気抵抗器(レジスター)です。

モーターのマイナス側にレジスターを直列に接続し、

通電を妨げてモーターの回転を落とす方法はシルビアで採用されています。

アイドリング時を含めた低いエンジン回転域では抵抗が入り、

高回転時、回路が切り替わり直通状態(レジスター無し)になります。

シンプルで故障が少ない構造ですが、

レジスターからの発熱はエネルギーの損失である事と

2段階での制御の難しさがあり、

燃料ポンプ制御のレジスターの切り替えでのトルクダウンに対して、

モータースポーツでは、レジスターを取り外しカプラーを直結、

フューエルポンプを常時全開にする手法が流行りました。

しかし、先の理由からポンプへの負担は大きく、

ガソリンタンクの熱対策も合わせ、

できれば3段階、そして滑らかな回転数の移行を目指した手法が

スカイラインGTRで採用された「デューティー制御」です。

 

昔の扇風機、3段階スイッチの「ガチャ」の感触は、

若者の皆さんはご存知ないかも知れませんが・・・

機械的に強中弱に切り替わる扇風機のスイッチは

幼少期では「強」一択でした。

暑い夏、エアコンが無い時代に「弱」など無意味です。

ところで、扇風機の「強」のボタンを押した状態で、

スイッチ、羽根に触らず回転数を落とすにはどのような方法があるでしょうか?

小学生の頃、扇風機と扇風機を向かい合わせに置き、

双方から強風を当て戦わせた事がありました。

ずっと続けていると片方の扇風機の回転が弱まり、

円筒形のモーター部分が熱くなり動かなくなりました。

壊れたのです・・・・。

父親は爆笑、母親は激怒、遠い昔の辛い辛い記憶です。

そして、幼少の頃の野蛮な方法以外で

回転を制御する方法として「コンセントの抜き差し」があります。

こっちもちょっと野蛮ですが・・・・。

一定時間内での抜き差しで、

コンセントを差し込んだ時間の割合が多いほど

扇風機の羽の回転数は上がります。

これがデューティー制御のとても乱暴な説明です。

この制御方式は専門用語ではPWM制御と言います。(Pulse Width Modulation)。

 

 

(続きます)

R’sミーティング2024

R’sミーティング2024 おかげさまで終える事ができました。

たくさんのご来店もありがとうございました。

 

数年前、

イベントに初めて参加した時の個人的な事前予想では、

周囲を散策できるほどの暇による「自分がお客様状態」だったのですが、

多くの方が話しかけて下さった驚きによる嬉しさがありました。

以来、コロナによる出店と入場も制限された時期を除いて、

連続しての参加で恒例行事になりました。

毎回、驚いたしまうのは、

ホームページのブログについて、

ほとんど車とは無関係な話題の多い 逸脱を軸とした文章ですが、

「見てます!もっと更新してください!」と 数名の方から言われ

「アニメ系の話が多いですね。」で盛り上がり

初めてお会いできた感じが無くなり

 

ところで今回の出品のメインはオリジナルのFPCMでした。

スカイラインGTRやステージア260RS

フェアレディZ32などに使用されている

燃料ポンプの制御ユニット

FPCM(Fuel Pump Control Module)は、

直訳では、「燃料ポンプを制御する部品」です。

この最近でのトラブルの多さは顕著で

そして、日産では生産中止。

故障によるエンジンの突然停止や破損の事例もあり、

当初は使用中の製品の耐久性を上げる方法で対応していたのですが

故障した本体の修理にはリスクがあり、

それならば・・・と製作に至りました。

詳細は、後のブログでご紹介させて頂きます。

実は、今回のR’sミーティングでは、

この製品にどれくらいの必要性の周知があるのか知りたかったのですが

午前6時のテント設営から午後3時までご説明が続き、

「新車から未交換で気になっている部品」というご意見もあって

製作を進めたのは良かったかなぁ・・・と実感できました。

 

そして、翌日

声が出なくなっていました。

「風邪か・・・?」と思ったのですが体調は良好で

「あ!話し続けて声帯が・・・」に気がつきました。

ありがたい事です。

 

来年もよろしくお願いいたします。

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