Electronic A

Mihai DOGARIU

REPROGRAFIA UNIVERSITĂŢII “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

ELECTRONICA APLICATĂ PENTRU AUTOMOBILIŞTI

Cursul este adresat studenţilor învăţământului la distanţă şi cuprinde elemente din teoria electronicii cu aplicaţii pe autovehicule. Scopul cursului este acela de a-i familiariza cu simbolistica, terminologia şi metodele de modelare specifice electronicii, dar insuficient cunoscute de către un utilizator format ca inginer mecanic, care se va întâlni cu echipamente moderne electronice de management al proceselor, care vor trebui urmărite în timp real.

CUPRINS Introducere Componente passive Rezistorul Condensatorul Inductanta Componente active Dioda Tranzistorul Tiristorul Circuite integrate liniare Circuite integrate logice Circuite integrate de uz industrial Aplicatii Senzori Actuatori Circuite electronice

1

REZISTORUL Rezistorul este un dispozitiv electric care opune o rezistenţă trecerii curentului electric prin el, ceea ce va produce o cădere de tensiune între cele două borne ale sale, conform legii lui Ohmm: V [Ω], R I Adică, rezistenţa electrică este egală cu tensiunea pe rezistor împărţită la curentul ce-l străbate. În reprezentările grafice, rezistorul se simbolizează după cum se arată în tabelul 1: Tab.1 Simbolizare după normele Simbolizare după normele Americane şi japoneze europene

Rezistenţă

Rezistenţă

Rezistenţă variabilă

Rezistenţă variabilă

Proprietăţi generale În general, rezistorul este utilizat pentru a crea un raport binecunoscut tensiune – curent într-un circuit electric, astfel dacă este cunoscut curentul ce trece prin porţiunea de circuit, rezistorul se foloseşte pentru a realiza o cădere prestabilită de tensiun e, proporţională cu acest curent. De asemenea, dacă este cunoscută diferenţa de potenţial la bornele rezistorului, se poate prestabili un curent proporţional cu această tensiune. Reglarea curentului printr-un dispozitiv electronic Montarea în seie a rezistorului cu o altă componentă electronică, de exmplu o dioda luminiscentă ( LED – Light Emitting Diode ), face ca prin acest circuit, să poată fi menţinut şi controlat curentul la o valoare sigură pentru o bună funcţionare a diodei. Această simplă aplicaţie, în care rezistorul are rol de limitator de curent este reprezentată în figura 1.

Fig.1 Rezistenţa ca limitator de curent. Reglarea turaţiei unui motor electric Turaţia unui motor electric de curent continu poate fi controlată prin intercalarea unei rezistenţe reglabile în serie cu indusul motorului, cum se poate întâlni la controlul vitezei de deplasare ale tramvaielor electrice sau ale troleibuselor urbane (figura 2).

2

Fig.2 Rezistenţa utilizată la reglarea turaţiei unui motor. Atenuarea O reţea formată din două sau mai multe rezistoare formează un divizor de tensiune şi este utilizat pentru reducerea nivelului de tensiune, cum se arată în figura 3:

Fig.3 Divizorul de tensiune Relaţia de calcul a tensiunii divizate este:

U2 

R2 U1 R1  R2

V 

Rezistorul ca parte a unui circuit electric Prin plasarea unui rezistor într-un circuit electric, acesta se supune celor două legi ale lui Kirchhoff ( descrise prima dată în 1845 de Gustav Kirchhoff ), care sunt aplicaţii ale principiului conservării sarcinii electrice şi a energiei şi ale cărora forme simplificate sunt următoarele: Prima lege a lui Kirchhoff (sau legea nodurilor ) Ca aplicaţie a principiului conservării sarcinii electrice, care nu se schimbă în timp, suma curenţilor luaţi cu semnele lor este nulă sau suma curenţilor care intră într -un nod este egală cu suma curenţilor care ies din acel nod, după cum se arată în figura 4:

Fig.4 Reprezentarea legii lui Kirchhoff pentru noduri Astfel, urmărind figura 4 se poate scrie:

i1 + i4  i2  i3 , 3

sau, în modul general, penru nodul considerat:

I  0 A doua lege a lui Kirchhoff (sau legea buclelor ) Această lege este o implicaţie a principiului conservării energiei, care stipulează că suma diferenţelor de potenţial într-un circuit electric trebuie să fie nulă. Astfel, în figura 5 este reprezentată un circuit electric sub forma unei bucle ce conţine şi o sursă de tensiune v4, iar relaţia matematică a legii este:

V  0 , adică v + v 1

2

+ v3 + v 4  0

Fig.5 Reprezentarea legii lui Kirchhoff pentru bucle. Disiparea puterii Prin combinarea legilor lui Ohmm şi ale lui Joule, rezultă următoarele relaţii energetice echivalente: V2 W  P  RI2 V I  R Energia calorică totală disipată de un rezistor este dată de integrala puterii pe un interval de timp prin relaţia: t2

W   v(t )i (t )dt

W 

t1

iar cantitatea de căldură este dată de relaţia lui Joule:

Q  0.24  R  I 2

J 

Dacă media puterii disipate depăşeşte valoarea puterii maxime admisibile admise de tipul rezistorului, în mod evident, acesta va fi distrus. Rezistorul amplasat în circuite electrice Conexiunea serie Curentul electric ce străbate rezistenţele legate în serie rămâne acelaşi, dar căderea de tensiune pe fiecare rezistor în parte are o valoare i mpusă de valoarea reistenţei respective, astfel încât suma acestor căderi de tensiune egalează tensiunea de alimentare a reţelei. Pentru aflarea rezistenţei echivalente Req a circuitului serie arătat în figura 6, se utilizează relaţia: Req  R1  R2  ...  Rn

4

Fig.6 Conectarea rezistoarelor în serie. Conexiunea paralel Prin conectarea în paralel a mai multor rezistoare, fiecare dintre acestea suportă aceeaşi cădere de tensiune ( figura 7 ), iar pentru aflarea rezistenţei echivalente Req se foloseşte relaţia:

1 1 1 1    ...  Req R1 R2 Rn

Fig.7 Conectarea rezistoarelor în paralel. Reţeaua de rezistoare O combinaţie de rezistoare conectate atât în serie cât şi în paralel constituie o reţea rezistivă. Pentru exemplificare se prezintă în figura 8 o reţea simplă formată d intr-un rezistor legat în serie cu o conexiune în paralel formată din alte două rezistoare, a cărei rezistenţă echivalentă Req este dată de:

Req  R1 R2   R3 

R1  R2  R3 R1  R2

Fig.8 Conectarea rezistoarelor în reţea Puntea de măsură ( Wheatston )

Fig.9 Puntea Wheatston 5

Firul conductor ca rezistor Un fir metalic conductor, de o anumită lungime şi secţiune are o rezistenţă determinată de relaţia: R

l S

 ,

unde

   mm 2   este o caracteristică de material şi se numeşte rezistivitate  ;  m  l este lungimea firului conductor m ; S este aria secţiunii firului mm 2 . Modificarea oricăruia dintre aceşti parametri conduce la ideea utilizării rezistorului ca senzor.





Tipuri de rezistoare Rezistoare fixe Acest tip de rezistoare se fabrică într-o largă gamă tipodimensională, care se poate clasifica după următoarele criterii principale: -putere disipată, -dimensiuni, -natura elementului rezistiv, -valoarea nominală a rezistenţei, -precizia valorii nominale. În figura 9 sunt arătate câteva tipuri reprezentative de rezistoare de uz larg, cu puteri relativ reduse (sub 2 W).

Fig.9 Realizarea fizică a rezistoarelor Rezistoare variabile Aceste rezistoare se mai numesc potenţiometre sau pentru puteri mai mari de un Watt, reostate şi realizează o rezistenţă variabilă prin rotaţia unui ax sau prin glisarea unui cursor, simbolizarea lor fiind dată în figura 10.

Fig.10 Simbolizarea unui potentiometru.

6

În acest mod este format un divizor de tensiune, de valoare RP, cursorul realiz ând o rezistenţă echivalentă RP = ( 0...1 R). Materialele rezistive utilizate la confecţionarea potenţiometrelor sunt de natură metalică, realizate prin bobinare pe un suport izolator sau de natură peliculară cu substrat metalic sau carbon. Ultimile tipuri constructive de potenţiometre nu au o fiabil itate mare, fiind supuse uzurii prin frecarea cursorului pe substratul conductiv sau prin coroziune. Potenţiometrele moderne folosesc materiale plastice conductive speciale, care oferă o fiabilitate mărită. Rezistoare semiconductoare (Termistoare) Prin utilizarea materialelor semiconductoare, cel mai des fiind siliciu, se realizează rezistoare puternic dependente de temperatură, cu aplicaţii primordial în domeniul măsurării temperaturilor. Termistoarele au o sensibilitate la variaţii de temperatură cu câteva ordine de mărime mai mare decât rezistoarele metalice, iar rezistenţa lor este dată de o expresie exponenţială de forma:

RT = RT0 exp K T  T0 

 ;

Fig. 10 Comparaţie între variaţia rezistenţei cu temperatura a unui termistor şi a unei rezistenţe din platină

CONDENSATORUL Un condensator este definit ca un dispozitiv electric sau electronic, care poate stoca energie în câmpul electric format de două plăci conductoare de ar ie A, separate de un izolator denumit dielectric, la o anumită distanţă d; o reprezentare intuitivă a unui condensator plan este arătată în figura 11.

7

Fig.11 Condensatorul plan

Atunci când se aplică o tensiune electrică, pe cele doua plăci ale armăturii condensatorului apare un câmp electric în dielectric, ceea ce duce la apariţia unei încărcări cu sarcini electrice de polarităţi opuse ±Q. Mărimea acestor sarcini determină capacitatea unui condensator. Capacitatea unui condensator Atunci când sarcinile electrice se acumulează în cele două plăci ale armăturii, în dielectric se formează un câmp electric direct proporţional cu mărimea acestora, ceea ce duce la apariţia unei diferenţe de potenţial între plăci: V  E  d V  .

Capacitatea unui condensator C este măsura cantităţii de sarcini electrice Q, stocate în armături, pentru o diferenţă de potenţial V, aplicate pe acestea: C

Q V

F 

În sistemul unificat de unităţi SI, condensatorul are capacitatea de un Farad atunci când sarcina electrică de un Coulomb acumulată pe armături creează o diferenţă de potenţial între acestea de un Volt. Capacitatea unui condensator plan, urmărind figura 11, este proporţională cu aria armăturilor A, cu permitivitatea dielectricului ε, care este un material izolator şi invers proporţională cu distanţa d dintre armături:

C =

A ; A»d2 d

8

Tipuri de condensatoare

Fig.12 Tipuri reprezentative de condensatoare: ceramice, cu tantal sau electrolitice, văzute la scară centimetrică. Energia înmagazinată (stocată) Sarcinile electrice acumulate pe cele două armături dezvoltă un câmp electric, a cărui energie (care se măsoară în Joule, în SI ) este stocată şi care este dată de:

1 Q2 1 1 = VQ J  , CV 2 = 2 C 2 2 unde V este tensiunea electrică dintre armături. Energia maximă ce poate fi acumulată într-un tip oarecare de condensator este limitată de dimensiunea câmpului electric ce nu-l poate distruge, care se poate defini prin densitatea de energie pe volumul dielectricului (J / m³ ). E =

Condensatorul amplasat în circuite electrice

Fig.12 Migraţia sarcinilor electrice În figura 12 se poate observa cum electronii din d ielectric, care sunt sub influenţa câmpului electric, duc la o rotaţie lentă a moleculelor dielectricului. Condensatorul lasă să treacă curentul alternativ şi blochează curentul continuu. Circuite de curent continuu Electronii nu pot trece uşor de pe o armătură pe cealaltă prin dielectric, care este ales astfel încât să fie un foarte bun izolator. Curentul prin condensator rezultă de fapt, mai mult ca

9

urmare a separării sarcinilor electrice, decât acumulării electronilor lor pe armături. Această separare a sarcinilor Q creşte cu tensiunea V aplicată plăcilor. Expresia matematică a curentului I, care reprezintă raportul de forţare a sarcinilor Q prin condensator este: dQ dV = C , unde dt dt este curentul măsurat în amper  A , este capacitatea în farad F , I =

I C dV este derivata tensiunii aplicată armăturilor V / s  . dt

Pentru circuitele alimentate de la o sursă de curent continuu tensiunea pe condensator nu poate excede tensiunea sursei, decât în aplicaţii speciale. În acest caz se ajunge la un echilibru energetic, din care cauză se spune uzual condensatorul blochează curentul continuu. Circuite de curent alternativ Curentul prin condensator datorat unei tensiuni alternative aplicată pe plăci îşi schimbă direcţia periodic, astfel încât sarcinile electrice se transferă de pe o placă pe cealaltă, iar curentul nu se anulează niciodată. De aceea se spune că prin condensator trece curentul alternativ, dar nu trece curentul continuu. Impedanţa condensatorului Raportul dintre fazorul tensiunii şi fazorul curentului se numeşte impedanţă, iar în cazul condensatorului aceasta este dată de: Zc =

j =  jX C , unde 2fC

j = 1 f este frecvenţa, iar  = 2f este pulsaţia sau frecvenţa unghiulară, iar XC =

1 , C

se numeşte reactanţa capacitivă. Semnul negativ al impedanţei indică faptul că tensiunea (alternativă) este înaintea curentului cu 90 ° pentru un semnal sinusoidal. Se observă că reactanţa este invers proporţională cu capacitatea şi scade o dată cu creşterea frecvenţei, ajungând la frecvenţe mari chiar la scurtcircuit. Reţele de condensatoare Conectarea condensatoarelor în paralel Configurarea condensatoarelor în paralel ( figura 13 ) conduce la acelaşi po tenţial electric pe fiecare dintre acestea, iar capacitatea echivalentă este dată de:

C echivalent = C1 + C 2 +…+ C n

10

Fig. 13 Conexiunea paralel a condensatoarelor Motivul principal de conectare a condensatoarelor în paralel este acela de a mări cantitatea sarcinilor electrice acumulate, implicit de a mări cantitatea energiei electrice stocate, a cărei expresie este: 2 1 E stocata = CV 2 Conectarea condensatoarelor în serie Curentul care străbate condensatoarele conectate în serie rămâne acelaşi, dar căderea de tensiune pe fiecare condensator este diferită, după valoarea capacităţii acestuia, astfel încât capacitatea echivalentă este: 1 C echivalent

=

1 1 … 1 + + + , conexiunea în serie fiind arătată în figura 14. C1 C 2 Cn

Fig. 14 Conexiunea serie a condensatoarelor Practic, legarea în serie a condensatoarelor urmăreşte obţinerea unui capacitor echivalent capabil să suporte o tensiune înaltă de exemplu, trei condensatoare cu o tensiune suportabilă de 600 V legate în serie vor forma un condensator echivalent capabil să reziste la o tensiune maximă de 1800 V. Dualitatea condensator – inductanţă În termeni matematici,un condensator ideal poate fi considerat inversul unei inductanţe ideale, din cauză că ecuaţiile tensiune – curent ale celor două dispozitive pot fi transformate dintr-una în cealaltă prin schimbarea curentului cu tensiunea. Simbolizare Condensatoarele sunt figurate simbolic în funcţie de aplicaţia specifică, după cum se reprezintă în tabelul 2. Tab.2 Condensator Condensator Condensator polarizat variabil

11

Aplicaţii ale condensatoarelor Condensatoarele au multiple utilizări în circuitele electrice şi electronice, de la aparatele de telecomunicaţie până la centralele energetice nucleare. Stocarea de energie Un condensator poate înmagazina energie electrică atunci când este deconectat de la cicuitul electric, astfel încât el devine ca o baterie temporară, cu atât mai bună cu cât capacitatea este mai mare. Astfel, la schimbarea bateriei unei plăci de bază a unui calculator, un condensator menţine tensiunea de alimentare a memoriei, aşa fel încât aceasta să nu -şi piardă informaţia; la un vehicul hibrid, pornirea motorului termic se face de la un supracondensator etc. Filtrarea Datorită proprietăţilor de stocare a sarcinilor electrice, condensatorul netezeşte pulsaţiile tensiunii redresate. De asemenea prin blocarea tensiunii continue, el separă componenta alternativă, caz în care se numeşte condensator de cuplaj. Procesarea semnalelor Energia stocată poate fi utilizată ca informaţie memorată, de exemplu în circuitele de conversie analog – digital, caz în care este denumit condensator de memorare (sample & hold capacitor). Circuite acordate Condensatorul cuplat într-un mod particular cu o inductanţă, formează aşa numitul circuit de acord, care selectează o anumită frecvenţă de transmisie a unui semnal util, cum se întâmplă la căutarea unui post de radio, de exemplu. Relaţia dintre frecvenţă şi valorile condensatorului C şi ale inductanţei L este dată de: f=

1 2 LC

,

frecvenţă care coincide cu frecvenţa de rezonanţă a circuitului LC. Alte aplicaţii consideră condensatorul ca un senzor, în care orice modificare a distanţei dintre armături, a dielectricului sau suprafeţei plăcilor armăturilor conduce la realizarea măsurărilor de deplasare liniară sau unghiulară sau de acceleraţie. INDUCTANTA Inductanţa este o componentă pasivă utilizată în circuitele electrice şi electronice datorită proprietaţilor sale de înmagazinare a energiei electromagnetice. Simbolizarea inductanţei este aratată in figura 15.

Fig. 15 Simbolizarea inductanţei Forme constructive O inductanţă este construită în mod uzual, dintr-o bobină din material conductor, tipic din cablu emailat din cupru infăşurat in jurul unui miez, care poate fi aer sau un material feromagnetic. Formele constructive pot fi foarte diverse, câteva dintre acestea fiind următoarele: - inductanţe cu miez de ferită, - inductanţe ajustabile cu miez reglabil, - inductanţe care se pot ataşa direct pe circuitul imprimat sau care se pot realiza direct pe un cablaj imprimat, de exemplu sub forma unei spirale, - inductanţe care se construiesc ca parte funcţională dintr-un circuit integrat, - giratoare, care se comporta ca o inductanţă dar sunt realizate in tehnică integrată, fiind constituite dintr-un condensator şi alte componente active (diode, tranzistoare etc.).

12

În figura 16 se prezintă câteva forme constructive uzual folosite în circuitele de joasă tensiune şi semnal mic:

Fig. 16 Forme constructive ale inductanţelor Unitatea de măsură a inductanţei este Henrie (H) şi reprezintă efectul câmpului magnetic creat de curentul ce străbate conductorul din bobinaj; ca urmare fluxul magnetic este proporţional cu acest curent. O schimbare a curentului din bobină conduce la o modificare a fluxului magnetic, care va genera o forţă electromotoare ce se va opune acestei schimbări. Astfel se poate spune că inductanţa este măsura forţei electromotoare generate de o schimbare unitară a curentului prin bobinaj. Inductanţa poate fi mărită prin ecranarea bobinei sau prin introducerea unui miez construit dintr-un material de înaltă permeabilitate magnetică.

Energia inmagazinată Energia stocată de o inductanţă (exprimată în Joule, în SI) este dată de urmatoarea formulă : 1 E stocat = LI 2 , unde 2 L este inductanţa, I este curentul prin bobinaj.

Comportarea inductanţei într-un circuit electric Faţă de un condensator, care se opune modificărilor de tensiune, o inductanţă se opune schimbărilor curentului; o inductanţă ideală are o rezistenţă electrică nulă în curent continuu, dar în general variaţia curentului prin bobină în timp descrie tensiunea la bornele inductanţei prin relaţia:

vt  = L Capitol în curs de redactare.. Inductanţa în circuite de curent alternativ Reţele de inductanţe Analiza circuitului cu inductanţe Factorul de calitate al unui circuit LC Bucla de curent Inductanţe mutuale Pierderi de flux magnetic

13

di t  dt

DIODA În electronică, dioda este o componentă activă, care restricţionează direcţia de mişcare a purtătorilor de sarcină. În esenţă, ea permite trecerea curentului într-o direcţie şi-l blochează în direcţia contrară, această proprietate fiind la baza principalelor sale aplicaţii, denumite în general, redresare. Simbolizarea unei diode de uz general este reprezentată în figura d1 , unde A reprezintă anodul, iar K este catodul.

Fig. d1 Scurt istoric Dioda a fost primul dispozitiv electronic atât ca tub electronic, cât şi ca semiconductor, care a fost la originea expandării ştiinţelor informaticii şi ale industriilor moderne. Principiul de funcţionare a diodei termice a fost descoperit de către Frederick Guthrie în 1873 şi redescoperit de către Thomas Edison în februarie 1880, iar al diodei cu cristal de către savantul german Karl Ferdinand Braun în 1874 şi patentat în 1899. John Ambrose Fleming, fost angajat a lui Edison şi cercetător la Marconi Company a brevetat prima dioda termică în Marea britanie în 1904. Primul radioreceptor utilizând diodă cu cristal, denumită detector cu cristal a fost construit în 1900 de către Greenleaf Whittier Pickard, care a brevetat detectorul cu siliciu, în 1906. Denumirea de diodă a fost dată de către William Henry Eccles în 1919 şi provine din greaca veche ( di – două, odos – rădăcini ), adică un dispozitiv cu două terminale, denumit tehnic dipol. Dioda termică

Fig. d2 Dioda termică este un tub vidat din sticlă, care comunică cu circuitul electric în care este conectată prin doi electrozi, unul anodul şi catodul notaţi în figura d2 cu A, respectiv K.

14

Terminalele notate cu f alimentează un filament tratat cu o mixtură de bariu şi oxid de stronţiu, care este adus la incandescenţă de un circuit electric de încălzire conducând astfel, la apariţia unei emisii termice de electroni. În polarizare directă, diferenţa de potenţial pozitivă aplicată între anod şi catod face ca electronii emişi să fie atraşi electrostatic de către anod, conducând la apa riţia unui curent electric, denumit curent de conducţie directă. Dacă diferenţa de potenţial îşi schimbă sensul, electronii emişi de catod sunt blocaţi, iar curentul electric va avea o valoare nesemnificativă, denumit curent de blocare. Acest tip de diode a fost utilizat în diverse aplicaţii analogice sau digitale pe parcursul secolului XX, dar în prezent se foloseşte doar în aplicaţii speciale care necesită anumite proprietăţi ale tubului cu vid.

Dioda semiconductoare Marea majoritate a diodelor moderne se bazează pe efectul joncţiunii semiconductoare, denumită joncţiune de tip p – n, ilustrată în figura d3.

Fig. d3 Semiconductorul este foarte apropiat de izolator, aceste două categorii de elemente solide fiind catalogate după nivele energetice, care pot face posibilă eliberarea electronilor conducători de sarcini electrice, care conduc la apariţia unui curent electric purtător de energie sau de informaţie. În timp ce un izolator este inert la aplicarea unui câmp electric, semiconductorul este capabil de a elibera electroni necesari unei circulaţii ale curentului electric în anumite condiţii, prestabilite de cerinţele specifice şi care deservesc unui anume scop, acesta fiind de natură analogică sau digitală. În figura d3 se exemplifică principiul de funcţionare a unei joncţiuni semiconductoare, care este construită dintr-o pastilă de siliciu pur ( chip ), impurificată ( dopată ) cu anumite elemente astfel încât zona de tip P va fi acceptoare de electroni, iar zona de tip N va fi donoare de electroni sub influeanţa unei diferenţe de potenţial aplicată celor doi electrozi Odată fiind obţinut semiconductorul care este siliciu sau germaniu în stare pură (elemente din grupa a IV – a a tabelului periodic de elemente ), acesta este în mod intenţionat impurificat ( dopat ) cu elemente din grupa a III – a, cum ar fi borul, care oferă calităţi acceptoare de electroni ( dopare de tip P ) sau din grupa a V – a, cum ar fi fosforul ( dopare de tip N ).

15

Fig. d4 Zona de recombinare constituie o barieră în calea electronilor liberi, care poate fi depăşită de aceştia odată cu creşterea tensiunii de deschidere ( Vd ), care are valori diferite după natura semiconductorului. Astfel, pentru germaniu Vd = 0,2 V, iar pentru siliciu Vd = 0,7 V, după cum se arată în figura d4, unde este reprezentată caracteristica de funcţionare a unei diode semiconductoare.

Fig. d4 În figura d4 se reprezintă caracteristica tensiune – curent a unei diode cu siliciu, unde se poate observă una dintre limitările impuse de construcţia unei diode, anume tensiunea inversă suportată în regiunea de polarizare inversă, denumită zona de străpungere, care odată depăşită, dispozitivul va fi distrus. Funcţionarea diodei este descrisă prin ecuaţia lui Shockley sau legea diodei: Vd  nV   I d = I S e T 1 , unde    

16

I d este curentul dat de polarizarea directă a diodei, I S este curentul de saturaţie, Vd – tensiunea pe diodă, VT – tensiunea de agitaţie termică, n – coeficientul de emisie de electroni, care are o valoare de 1 până la 2, depinzând de material şi de procesul de fabricaţie. Tensiunea dată de agitaţia termică este exprimată de următoarea formulă: VT =

kT , unde e

e – sarcina electrică elementară, k – constanta lui Boltzmann, T – temperatura absolută a joncţiunii p – n. Tipuri reprezentative de diode În afară de utilizarea diodei ca redresor, aceasta are unele aplicaţii speciale, care sunt arătate în tabelul 1. Tab. 3

Diodă redresoare

Light-Emitting Diode ( LED )

Diodă Zener

Diodă Schottky

Diodă Tunnel

Fotodiodă

Diodă Varicap

Tiristor ( SCR )

De exemplu, LED – ul emite lumină la o anumită tensiune de polarizare, pe când fotodioda absoarbe lumina şi o converteşte într-un curent ce poate fi apoi prelucrat; dioda Zener are proprietatea de a funcţiona în zona de tensiune inversă şi este utilizată ca stabilizator de tensiune, iar dioda varicap are proprietatea de a-şi schimba capacitatea dintre electrozi odată cu modificarea tensiunii de alimentare, fiind utilizată în circuitele de acord din aparatele de recepţie radio, TV, telecomunicaţii etc.

17

TRANZISTORUL

Scurt istoric Tranzistorul bipolar sau cu contact punctiform a fost inventat în 1947 la Bell Telephone Laboratories de către John Bardeen şi Walter Brattain sub îndrumarea lui William Shockley, care a fost amintit în capitolul Diode şi a condus la o revoluţionare a tehnologiei informaţiilor şi a comunicării fără fir. Acest dispozitiv electronic are trei terminale, denumite Emitor, Colector şi Bază, iar epitetul de bipolar semnifică faptul că funcţionarea lui se bazează în egală măsură pe transportul atât a electronilor cât şi a golurilor. Simbolizarea tranzistoarelor Există două tipuri de tranzistoare şi anume, de tip PNP şi NPN, a căror simbolizare este redată în tabelul 3. Tab.4

PNP

NPN

Un tranzistor, de exemplu unul de tip NPN poate fi considerat ca două diode având un anod comun. Într-un regim tipic de funcţionare joncţiunea emitor – bază este polarizată în mod direct, iar joncţiunea bază – colector este polarizată invers. O secţiune simplificată printr-un tranzistor NPN este ilustrată în figura t1.

Fig.t1 Secţiune simplificată printr-un tranzistor NPN. Structura şi modul de utilizare Modul de polarizare este arătat în figura t2.

Fig. t2 Polarizarea unui tranzistor NPN. Controlul prin tensiune, curent sau sarcină electrică

18

Fig.t3 Caracteristica de ieşire a unui tranzistor bipolar. Modelarea unui tranzistor bipolar Modelul Ebers–Moll pentru un tranzistor NPN este arătat în figura t3.

Fig. t4 Modelul unui tranzistor NPN. Parametrii generalizaţi h ai unui tranzistor NPN

Fig. t5 Parametrii h ai unui tranzistor NPN Aplicaţii Tranzistorul ca amplificator

19

Fig.t6 Tranzistorul ca amplificator. Tranzistorul comutator

Fig. t7 Tranzistorul în regim de comutaţie. Tranzistoare unipolare

20

Fig. Caracteristica de ieşire pentru un FET.

21

TIRISTORUL

Capitol în curs de redactare. 22

APLICAŢII ASUPRA AUTOVEHICULULI Marea majoritate a fabricanţilor de autovehicule acordǎ o atenţie deosebitǎ electronizării diverselor sisteme de control ale agregatelor care alcătuiesc un autovehicul, orientare facilitată de disponibilitatea utilizării microprocesoarelor, la preţuri tot mai scăzute şi cu performanţe tot mai ridicate, din punct de vedere al puterii de calcul şi al vitezei de lucru. Calea cea mai economică de abordare a optimizǎrii managementului grupului motopropulsor este electronizarea limitată, adicǎ introducerea graduală a sistemelor electronice de control, cu aplicabilitate asupra agregatelor clasice ale motorului şi a transmisiei, cu scopul măririi elasticităţii caracteristicilor de reglaj ale acestora. Sistemele cu microcontrolere destinate managementului regimurilor de funcţionare ale grupurilor motopropulsoare conduc, prin reglarea şi optimizarea parametrilor funcţionali şi de proces, la economii de carburant de până la 15%. Efecte economice importante oferă aplicarea sistemelor de comandă şi control complexe, multifuncţionale, cu ajutorul cărora se poate obţine o creştere a economicităţii cu aproximativ 7…10%, concomitent cu o reducere a concentraţiilor de substanţe toxice din gazele de evacuare cu încă 15…20%. Astfel de sisteme complexe, cuprinzând scheme integrate specializate au şi funcţii de ridicare a confortabilităţii, putând controla mai mult de 50 de parametri simultan, precum şi funcţii de diagnosticare a stării tehnice a principalelor subansambluri ale autovehiculului, cu avertizarea la bord a defecţiunilor cu grad ridicat de pericol. Regulatoarele electronice multifuncţionale din componenţa sistemelor complexe de management al motoarelor controlează dozarea combustibilului pe ciclul motor, astfel încât să se asigure o caracteristică de turaţie cu rezervă mare de cuplu, în vederea reducerii numărului de schimbări ale treptelor de viteză necesar acţionării unei cutii de viteze în trepte, obţinându-se un management complet al grupului motopropulsor. Avantajele utilizării sistemelor de control electronice ale motorului rezultă din următoarele:  corelarea debitului de combustibil pe ciclul motor cu debitul de aer;  corelarea raportului aer/combustibil, în cazul utilizării unor combustibili diferiţi de cei standard;  corelarea raportului aer/combustibil cu altitudinea;  creşterea debitului de combustibil/ciclu la pornirea la rece;  controlul turaţiei de mers în gol la diverse sarcini impuse motorului, în special de către consumatorii electrici. Electronizarea motoarelor cu aprindere prin comprimare a dus la conceperea unor sisteme complexe pentru comanda agregatelor auxiliare, astfel fiind create construcţii noi pentru:  controlul injecţiei cu ajutorul pompelor de injecţie electronice;  controlul momentului de început de injecţie, precum şi a duratei de injecţie;  controlul presiunii de supraalimentare, prin electrovalve by-pass;  controlul debitului de aer;  controlul sistemelor de ungere şi răcire. În ceea ce priveşte transmisia, electronizarea oferă avantaje esenţiale în controlul tracţiunii conjugat cu cel al frânării, din care se pot remarca:  schimbarea automată a treptelor de viteze, asigurându-se o cuplare linǎ şi fără şocuri;  corelarea forţei de tracţiune cu condiţiile specifice de drum;  corelarea regimului de viteză cu cel al motorului;  controlul tracţiunii în condiţii de drum alunecos, în pante sau curbe.

23

2.1 Sistemul de management al motorului

Motoarele interne care echipeazǎ marea majoritate a autovehiculelor moderne trebuie sǎ rǎspundǎ cerinţelor pieţei privind în special raportul putere/economicitate, în condiţiile impuse de legiuitor în ceea ce priveşte emisiile poluante. Soluţiile constructive vizând creşterea performanţelor, prin perfecţionarea tehnicilor de de proiectare şi cercetare a motorului şi a subansamblelor sale, cum ar fi optimizarea camerei de ardere, modul de amplasare a elementelor de execuţie privind formarea amestecului carburant, aprinderea acestuia, utilizarea diferitelor concepte de supraalimentare sonice sau forţate, recircularea gazelor arse etc., precum şi utilizarea unor noi materiale (plastice, ceramice, compozite) au un rol foarte important. Cu toate acestea, maximizarea performanţelor motorului, concomitent cu minimizarea emisiilor poluante nu este posibilǎ fǎrǎ un control precis al raportului aer/combustibil şi al momentului aprinderii la motoarele cu aprindere prin scânteie, sau al cantitǎţii de combustibil injectat şi al momentului injecţiei la motoarele cu aprindere prin comprimare, control care nu mai poate fi exercitat prin mijloacele mecanice clasice, care au ajuns la o limitǎ a dezvoltǎrii [51], [54]. În ultimele decenii, industria electronicǎ a cunoscut o dezvoltare explozivǎ, mai ales în domeniile microelectronicii şi a mecatronicii, lucru ce a fǎcut posibilǎ şi necesarǎ utilizarea sistemelor electronice de management al motorului, bazate pe existenţa unor unitǎţi electronice de control, denumite ECU (Electronic Control Unit). Aceste sisteme electronice sunt dedicate rezolvǎrii urmǎtoarelor mari clase de probleme:  controlul precis al raportului aer/combustibil, prin sistemele de alimentare cu combustibil şi prin injecţie controlatǎ;  asigurarea preciziei momentului aprinderii la MAS (Motoare cu Aprindere prin Scânteie) sau a injecţiei la MAC (Motoare cu Aprindere prin Comprimare), în toate regimurile şi condiţiile de funcţionare;  controlul şi monitorizarea diferiţilor parametri adiţionali sau de transfer între celelalte subsisteme ale autovehiculului.

2.1.1 Sistemul de management al unui motor cu aprindere prin scânteie (MAS) Indicii de economicitate şi de putere, precum şi durabilitatea unui motor, depind esenţial de perfecţiunea procesului arderii combustibilului şi se îmbunǎtǎţesc odatǎ cu creşterea eficienţei termice [1], [16]. Pentru creşterea eficienţei arderii se impun urmǎtoarele cerinţe majore:  arderea combustibilului sǎ fie cât mai completǎ, în caz contrar suferind atât economicitatea motorului cât şi mediul înconjurǎtor, prin creşterea poluǎrii;  viteza de ardere trebuie sǎ aibǎ valori moderate (cca 20...40 m/s), producând o creştere gradualǎ a presiunii în cilindru, cu implicaţii directe asupra vieţii motorului [62];  arderea trebuie sǎ aibǎ o duratǎ scurtǎ (cca 3...5 ms) şi sǎ aibǎ loc în apropierea punctului mort superior (PMS) – este de dorit ca maximul presiunii realizate în camera de ardere s ǎ fie situat la 15...16 oRAC dupǎ PMS [63]. Referitor la viteza de propagare a flǎcǎrii, este necesar a se arǎta cǎ aceasta este influenţatǎ de un numǎr mare de factori, susceptibili a fi controlaţi, dintre care:  arhitectura camerei de ardere: proiectarea optimǎ oferǎ un timp redus de propagare;  schimbarea automată a treptelor de viteze, asigurându-se o cuplare linǎ şi fără şocuri; 24

   

corelarea forţei de tracţiune cu condiţiile specifice de drum; corelarea regimului de viteză cu cel al motorului; controlul tracţiunii în condiţii de drum alunecos, în pante sau curbe. raportul aer/combustibil al amestecului carburant: amestecurile prea sǎrace sau prea bogate ard mai încet decât cele stoichiometrice;  presiunea din colectorul de admisie: o presiune ridicatǎ oferǎ o densitate sporitǎ de amestec carburant, care va arde mai repede;  turbulenţa creatǎ în cilindru: cu cât ea este mai mare cu atât arderea este mai favorizatǎ;  compoziţia chimicǎ a combustibilului utilizat: o calitate mai slabǎ de combustibil va arde mai încet sau va favoriza apariţia detonaţiilor;  recircularea gazelor arse: o cantitate prea mare a lor în amestecul carburant duce la sc ǎderea vitezei de ardere. Se poate afirma cǎ procesul arderii este influenţat într-un mod radical de compoziţia amestecului aer/combustibil absorbit de cǎtre motor şi de momentul declanşǎrii scânteii, asupra cǎrora se poate interveni în sensul coordonǎrii şi controlului acestora, adicǎ ceea ce realizeazǎ sistemul de management al motorului [37], [42].

2.1.2 Sisteme de formare şi control al amestecului carburant Funcţia principală a acestor sisteme este de a introduce combustibilul în fluxul de aer absorbit de motor, în cantităţile exacte cerute de condiţiile specifice de funcţionare, iar apoi să distribuie acest amestec într-un mod uniform către cilindrii motorului. Carburatoarele pot oferi rapoarte aer/combustibil de la 13:1 (=0,9 la regimul de putere maximă), până la 16:1 (=1,1 la regimul de economicitate maximă). Totuşi acestea prezintă dezavantaje majore, sintetizate în următoarele:  dificultatea realizǎrii unui control în buclă închisă, de către un senzor de oxigen la evacuare;  număr mare de componente mecanice în mişcare, ceea ce conduce la uzuri, reducând perioada de viaţă la circa 80.000 km;  distribuţia neomogenă a amestecului carburant pe traiectul colectorului de admisie, cu implicaţii directe asupra uniformităţii ciclurilor motoare;  imposibilitatea unui control eficient în diverse condiţii de funcţionare a motorului, în special la pornirea la rece şi la regimurile tranzitorii (accelerări şi decelerări). Marea majoritate a acestor probleme se menţin chiar şi în cazul carburatoarelor electronice [41]. Necesitatea controlului continuu şi precis asupra cantităţii de combustibil livrat către cilindrii motorului a dus la apariţia sistemelor de injecţie de benzină supravegheate electronic, care se pot caracteriza prin aparteneţa la douǎ mari clase:  directǎ, în cazul în care se livreazǎ combustibilul în camera de ardere;  indirectǎ, atunci când combustibilul este furnizat în colectorul de admisie, cât mai aproape de poarta supapei de admisie.

În producţia de serie, utilizarea carburatoarelor este pe cale de dispariţie, totuşi se prezintǎ în tabelul 2.1 o clasificare a sistemelor de formare a amestecului carburant, care cuprinde şi anumite variante de carburatoare electronizate, dezvoltate în special de industria auto americanǎ.

25

Tab. 2.1 Clasificarea sistemelor de formare a amestecului carburant la MAS.

Continuă Sisteme de formare a amestecului individual

Sisteme de injecţie multipunct Intermitentă

comandate mecanic comandate electronic sau mecanic injecţie simultană injecţie secvenţială

Carburatoare multiple

Cu difuzor fix Sisteme de formare a amestecului într-un punct central

Carburatoare Cu depresiune constantă Sisteme de injecţie monopunct

simplu corp mai multe difuzoare combinate depresiune constantă combinate

Cu un injector Cu două injectoare

2.1.3 Managementul formǎrii amestecului carburant prin utilizarea carburatoarelor Cu toate cǎ astfel de sisteme se folosesc doar în echipǎri speciale, se prezintǎ schema bloc de management în cazul unui carburator electronic, comandat de o unitate de control electronic, care monitorizeazǎ ca mǎrimi de intrare turaţia şi temperatura motorului, poziţia clapetei de acceleraţie şi factorul de exces de aer λ, care închide o buclǎ de reacţie negativǎ prin senzorul de oxigen din gazele de evacuare. Carburatorul de bazǎ este construit într-o variantǎ pentru funcţionarea motorului cu amestecuri sǎrace, factorul de îmbogǎţire fiind determinat de cǎtre unitatea electronicǎ de control, pe baza cartogramelor înscrise în memoria nevolatilǎ a sistemului. Astfel, necesarul de combustibil în diferitele condiţii de funcţionare, este adaptat prin acţionare clapetei de şoc 6, de cǎtre elementul de execuţie 5 din figura 2.1. Elementul de execuţie 4 este un servomecanism electropneumatic acţionat de etajul final din ECU şi are ca mǎrime de reacţie încǎrcarea motorului, datǎ indirect de depresiunea din colectorul de admisie. Funcţiunilor principale ale unitǎţii de control li se pot adiţiona cele privind controlul aprinderii, controlul schimbǎrilor de viteze, în cazul echipǎrii autovehiculului cu o transmisie automatǎ, afişarea consumului de combustibil, sisteme de diagnozǎ ş.a.

26

Fig. 2.1 Sistemul de formare a amestecului ECOTRONIC 1 - ECU; 2 - senzor de temperaturǎ; 3 - carburator; 4 – actuator al clapetei de acceleraţie; 5 – actuator al şocului; 6 - clapeta şocului; 7 - comutator poziţie de ralanti; 8 - clapetǎ de acceleraţie; 9 - potenţiometrul clapetei

2.1.4 Managementul formǎrii amestecului carburant prin injecţie Managementul formǎrii amestecului combustibil/aer trebuie sǎ îndeplineascǎ urmǎtoarele sarcini:  sǎ livreze combustibilul în cantitate dozatǎ într-un mod cât mai precis;  sǎ formeze un amestec cât mai omogen;  sǎ îl transporte cǎtre camera de ardere;  sǎ îl distribuie cǎtre cilindri. Formarea amestecului este influenţatǎ în mod semnificativ de modul de amplasare al dispozitivelor de injecţie, datoritǎ fenomenelor specifice care au loc pe traseul de distribuire a acestuia cǎtre cilindri [130]. În figura 2.2 se prezintǎ cele douǎ mari clase de formare şi distribuire a amestecului combustibil/aer.

Fig. 2.2 Moduri de preparare a amestecului carburant. a) injecţie monopunct; b) injecţie multipunct; 1 - combustibil; 2 - aer; 3 - clapetǎ de acceleraţie; 4 - colector de admisie; 5 - injectoare; 6 - motor. 27

În cazul a) din figura 2.2, transportul şi distribuirea amestecului se realizeazǎ în principal în colectorul de admisie, caz în care arhitectura acestuia, are un rol major atât în transportul, cât şi în distribuirea amestecului cǎtre cilindrii motorului, pe când în b), prin colectorul de admisie trece numai aer, iar injectoarele pot fi plasate cât mai aproape de poarta supapei, sau în cilindru, în cazul injecţiei directe, asigurându-se condiţii optime pentru formarea unui amestec omogen.

2.1.5 Sisteme de formare a amestecului carburant monopunct Diferitele sisteme de injecţie monopunct au în comun plasarea dispozitivului principal de injecţie în amonte de clapeta de acceleraţie pe traseul colectorului de admisie, iar combustibilul este livrat la joasǎ presiune, care este în general de ordinul 70...100 kPa. Sistemul de injecţie monopunct este utilizat de diferite firme constructoare de renume mondial şi sunt cunoscute sub diferite denumiri, cum ar fi SPI (Single-Point Injection), CFI (Central Fuel Injection), TBI (Throttle Body Injection).

Fig.2.3 Sistemul de formare al amestecului MONO-Jetronic (Bosch) 1 - rezervor de combustibil; 2 - pompǎ de alimentare; 3 - filtru; 4 - regulator de presiune; 5 - injector; 6 - senzor de temperaturǎ al aerului; 7 - ECU; 8 - actuatorul clapetei de acceleraţie; 9 - potenţiometrul clapetei; 10 - electrovalvǎ de purjare; 11 - canistra carbon; 12 senzor λ; 13 - senzor de temperaturǎ al motorului; 14 - ruptor-distribuitor; 15 - baterie de acumulatoare; 16 - contact general; 17 - bloc de relee; 18 - conector de diagnosticare; 19 - bloc central de injecţie Sistemul MONO-Jetronic prezentat în figura 2.3 este un sistem de injecţie intermitentă a benzinei, livrată în cantităţi precis determinate, printr-un management electronic al funcţionării motorului, asigurând alimentarea cu combustibil prin intermediul unui singur injector electromagnetic, plasat central în colectorul de admisie, a cǎrui energizare este sincronizatǎ cu aprinderea. Astfel sistemul MONO-Jetronic face parte din categoria sistemelor integrate de control al formării amestecului carburant şi al aprinderii. Sistemul de alimentare cuprinde o pompă electrică de alimentare 2, imersată în rezervorul de combustibil 1, care funcţionează la presiuni joase. Presiunea combustibilului este menţinută constantǎ la valoarea de 100 kPa, de către regulatorul de presiune 4 şi corectatǎ cu presiunea atmosfericǎ.

28

Injectorul electromagnetic 5, de inductivitate mare, este poziţionat central în colectorul de admisie, într-o incintă Venturi, înaintea clapetei de acceleraţie, jetul de combustibil realizându-se prin şase orificii dispuse radial-înclinate, care realizeazǎ o foarte fină pulverizare. Dozajul combustibilului se realizează prin controlul duratei de deschidere a injectorului de către ECU, în concordanţǎ cu informaţiile primite de la senzorul de poziţie a clapetei de acceleraţie 9 şi de la cel de turaţie a motorului. În memoria de lucru a microprocesorului sunt înscrise 15 puncte de turaţie şi 15 puncte ale momentului dezvoltat de motor, care determină 225 de durate de injecţie de bază. Acestora li se vor adăuga durate suplimentare, calculate de către microprocesor pe baza unei logici adaptive, în acord cu informaţiile primite de la alţi senzori auxiliari (de temperatură, de detonaţii, etc.). Sonda  închide o buclă de reacţie negativă, realizându-se controlul optim al arderii, prin comanda adecvată a avansului la aprindere. ECU este prevăzut cu un sistem de autodiagnoză, care identifică şi memorează eventualele defecţiuni care pot apărea pe durata funcţio nării. Spre comparaţie cu sistemul expus, sistemul Rover SPI este un sistem evoluat, derivat din modelul Bosch, conceput de asemenea cu injecţie intermitentă de benzină şi management complet electronic al aprinderii. Sistemul de alimentare cu combustibil livrează injectorului benzina la presiune joasă, menţinută constantă la o valoare de circa 120 kPa de către un regulator de presiune. Injectorul electromagnetic plasat în corpul clapetă-injector, este prevăzut cu o duză special concepută pentru o cât mai bună atomizare a benzinei, cu scopul obţinerii unui amestec omogen. Corpul injector-clapetă, conceput în tehnică mecatronică, înglobează injectorul, regulatorul de presiune, clapeta de acceleraţie acţionată de un motor pas-cu-pas şi senzorul poziţiei clapetei . Pata caldă de sub clapeta de acceleraţie este realizată cu ajutorul unui încălzitor electric, care este termostatat cu ajutorul unui senzor de temperatură. Dozajul combustibilului se realizează prin controlul duratei de deschidere a injectorului de către ECU, în a cărei memorie sunt înscrise 64 puncte de funcţionare, date de un set de 8 valori de turaţie × 8 valori ale poziţiei clapetei de acceleraţie (poziţie corelată cu momentul motorului). Această durată de bază de deschidere a injectorului este corectată de mărimile datelor de intrare, culese de la diferiţi senzori. Depresiunea din colectorul de admisie este adusă printr-un tub flexibil până la un senzor inteligent, amplasat pe placa microprocesorului, denumit senzor MAP (Manifold Admision Presure). Senzorul presiunii de ulei a motorului corectează prin ECU, funcţionarea pompei de alimentare cu combustibil şi a încălzitorului colectorului de admisie. Sistemul este prevăzut cu limitarea sus a turaţiei la circa 6700 rot/min şi cu un senzor inerţional, care în caz de coliziune, determină oprirea pompei de combustibil şi deconectarea aprinderii, în scopul evitǎrii producerii unui incendiu. După deconectarea bateriei de acumulatoare de exemplu, la o depanare, este necesară recalibrarea turaţiei de mers în gol şi a minimului emisiilor de CO, prin introducerea unei secvenţe de comandă automate de setare a parametrilor. Diferenţele între aceste douǎ sisteme integrate, de formare a amestecului şi de producere a scânteii, sunt date de fineţea cartogramelor înregistrate în memorie, în care sunt înscrise datele de referinţǎ – într-un caz, 225 de puncte, în celǎlalt 64 de puncte, poziţiile intermediare fiind extrase prin interpolare prin metode de calcul specifice fiec ǎrei firme. Sistemul comparǎ datele reale furnizate de senzori privind parametrii funcţionali ai motorului cu cele de referinţǎ, decizia de acţionare fiind luatǎ dupǎ criteriile de optimizare implementate în algoritmul de calcul.

2.1.6 Sisteme de injecţie a benzinei în mod continuu Sistemul Bosch K-Jetronic se situeazǎ printre primele sisteme de injecţie continuă a benzinei (denumirea provine de la Kontinuerlich), controlat mecano-hidraulic şi dozează cantitatea de benzină prin măsurarea debitului volumetric al aerului absorbit de motor, din care a derivat sistemul KEJetronic (anteriorul K, dar Electrik), unde se controleazǎ presiunea de injecţie pe cale electrohidraulicǎ, variantǎ care se prezintǎ în figura 2.4. 29

Fig. 2.4 Sistemul KE- Jetronic 1 - rezervor combustibil; 2 - pompǎ electricǎ de alimentare; 3 - acumulator de presiune; 4 - filtru de benzinǎ; 5 - regulator de presiune; 6 - injector; 7 - colector de admisie; 8 - injector pornire la rece; 9 - bloc distribuitor de benzinǎ; 10 - debitmetru volumetric de aer; 11 - regulator electrohidraulic de presiune a combustibilului; 12 - senzor λ; 13 - termocontact temporizat; 14 - senzor de temperaturǎ a lichidului de rǎcire; 15 - ruptordistribuitor; 16 - comanda aerului adiţional; 17 - senzorul poziţiei clapetei de acceleraţie; 18 - ECU; 19 - contact general; 20 - baterie de acumulatoare Alimentarea cu combustibil este un subsistem format din pompa de alimentare 2, acumulatorul de presiune 3, filtrul ultrafin 4, regulatorul de presiune 5, distribuitorul de combustibil 9 şi injectoarele 6. Pompa de alimentare este de tip muticelular, cu role metalice. Surplusul de combustibil este returnat în rezervor la presiune atmosferică de către regulatorul de presiune 5, presiunea din instalaţia de alimentare fiind de circa 470…500 kPa. Acumulatorul de combustibil 3 păstrează presiunea în sistemul de alimentare după oprirea motorului, asigurând o repornire uşoară a motorului, după scurte staţionări. În plus, acumulatorul asigură amortizarea zgomotelor pompei de alimentare şi întârzie stabilirea presiunii în circuitul de alimentare la pornirea motorului, ceea ce garantează o poziţie neutră a pistonului de comandă 3, din figura 2.5.

Fig. 2.5 Distribuitorul de combustibil 1 - diafragmǎ; 2 - cǎtre injector; 3 - piston de comandǎ; 4 - fantǎ de comandǎ; 5 - regulator diferenţial de presiune 30

Injectoarele sunt plasate în colectorul de admisie, în apropierea supapelor de admisie, şi sunt fixate cu ajutorul unor inele de cauciuc, ce asigură etanşeitatea şi izolarea termică faţă de colectorul de admisie. Acestea sunt tarate la o presiune de autodeschidere de 330 kPa, fiind de tip pasiv, în sensul cǎ nu au o funcţie controlatǎ de dozaj a combustibilului. Măsurarea debitului de aer absorbit se realizează după principiul corpurilor flotante, prin utilizarea unui rotametru format de platoul circular 10, figura 2.4, care se ridică într-un flux de aer determinat de forma cu conicitate variabilǎ a tronsonului de intrarea a colectorului de admisie, până când forţa de apăsare a aerului exercitată pe faţa inferioară a platoului echilibrează greutatea acestuia. Un sistem de pârghii transmite mişcarea platoului către pistonul de comandă 3, din figura 2.5, care va determina cantitatea de combustibil trimis către injectoare. Distribuţia şi dozajul combustibilului se realizează în blocul de dozaj 9, care cuprinde câte un regulator diferenţial de presiune 7, pentru fiecare cilindru, regulatorul presiunii de comandă 5 şi dozatorul cu pistonul de comandă 6. Secţiunea de trecere a fantei de comandă, de formă dreptunghiulară, cu o deschidere de 0.1 mm, se plasează într-o poziţie bine determinată faţă de rampa orizontală de distribuţie. Regimurile caracteristice de funcţionare ale motorului sunt urmǎtoarele: Pornirea la rece. Pentru compensarea pierderilor de combustibil datorate condensării acestuia pe pereţii reci ai colectorului de admisie este necesar un aport suplimentar de combustibil. Pentru aceasta este prevăzut un injector de pornire la rece 8, acţionat electromagnetic, care se va deschide în momentul pornirii şi se va închide atunci când termocontactul temporizat 13 va sesiza o creştere prestabilită a temperaturii motorului. Faza de încălzire are loc după pornirea la rece, când este necesară îmbogăţirea amestecului carburant până la valori  = 0,4. Corectorul de presiune face ca presiunea de comandă, care are valoarea relativă de 50 kPa la pornirea la rece, să ajungă la circa 370 kPa la sfârşitul fazei de încălzire. Comanda aerului adiţional se realizează prin activare electrică a unei diafragme mobile 16, acţionate de un servomotor, care poate fi unul pas-cu-pas, montată într-o aducţiune în paralel pe clapeta de acceleraţie.

2.1.7 Sisteme de formare a amestecului prin injecţie intermitentǎ Unul din sistemele larg utilizate de formare şi distribuire a combustibilului spre cilindri este sistemul Bosch LH-Jetronic (Luft Hitzdraht), adicǎ mǎsurarea debitului de aer absorbit printr-o metodǎ termoanemometricǎ, are urmǎtoarele principale caracteristici:  mǎsurarea debitului de aer absorbit de cǎtre motor;  turaţia motorului şi debitul de aer ca variabile principale de intrare în sistem;  injecţia intermitentǎ de combustibil.

31

Fig.2.6 Sistemul de injecţie intermitentǎ LH-Jetronic 1 - rezervor de combustibil; 2 - pompǎ electricǎ de alimentare; 3 - filtru; 4 - ECU; 5 - injector; 6 - rampǎ de distribuţie; 7 - regulator de presiune a combustibilului; 8 - colector de admisie; 9 - senzor de poziţie a clapetei; 10 - debitmetru cu fir cald; 11 - senzor λ; 12 – senzor al temperaturii lichidului de rǎcire; 13 - ruptor-distribuitor; 14 - By-pass pentru aerul adiţional la ralanti; 15 - baterie de acumulatoare; 16 - contact general În figura 2.6 se poate urmǎri funcţionarea sistemului LH: alimentarea cu combustibil se realizeazǎ cu pompa electricǎ 2, capabilǎ sǎ livreze combustibil la o presiune de aproximativ 800 kPa, care asigurǎ buna funcţionare a motorului în toate condiţiile. Rampa de distribuţie 6 menţine o presiune constantǎ de cca 250...370 kPa, depinzând de producǎtor, pe injectoarele 5, datoritǎ regulatorului diferenţial de presiune 7, care aduce corecţii cu presiunea atmosfericǎ. Unitatea electronicǎ de control proceseazǎ informaţiile provenite de la senzori, având ca scop controlul duratei de deschidere a injectoarelor electromagnetice 5, furnizând o cantitate de combustibil precis determinatǎ dupǎ algoritmi de calcul specifici fiecǎrei firme, ce urmǎresc minimizarea consumului şi a emisiilor de noxe din gazele de evacuare, senzorul λ închizând o buclǎ de reacţie negativǎ în sistemul automat de mamagement al formǎrii amestecului carburant. De exemplu, pe baza informaţiior furnizate de senzorul de temperaturǎ a lichidului de rǎcire, la temperaturi joase se ia decizia de creştere a periodei de injecţie, pentru compensarea pierderilor de combustibil datorat fenomenelor de condensare ce au loc în colectorul de admisie. Poziţia clapetei de acceleraţie, datǎ de senzorul 9, asigurǎ adaptarea amestecului în condiţii specifice de lucru ale motorului (sarcini totale sau mersul în gol). Sistemul descris poate funcţiona în urmǎtoarele moduri principale de acţionare a injectoarelor, depinzând de caracteristicile funcţionale şi constructive ale motorului:  simultanǎ, cu acţionarea în paralele a injectoarelor;  simultanǎ, cu acţionare pe grupe de cilindri;  secvenţialǎ, livrând combustibil fiecǎrui cilindru în parte. Secvenţele de activare a injectoarelor, dupǎ cele trei principale moduri de funcţionare, sunt prezentate în figura 2.7.

32

Fig.2.7 Comparaţie între cele trei tipuri de injecţie: a) simultanǎ, cu acţionare în paralel; b) secvenţialǎ, pe grupe de cilindri; c) secvenţialǎ, la fiecare cilindru în parte; 1 - injector închis; 2 - injector acţionat; 3 - z = momentul aprinderii; pe ordonatǎ este figuratǎ ordinea de aprindere

2.1.8 Strategii de control al formǎrii amestecului carburant În motoarele cu aprindere prin scânteie, o ardere cât mai completǎ se produce în condiţiile unui amestec carburant omogen, ceea ce duce la necesitatea unei bune atomizǎri a combustibilului. Injectoarele electromagnetice asigurǎ o suficientǎ pulverizare a combustibilului în toate regimurile de funcţionare ale motorului, mai ales în cele de pornire la rece sau de plinǎ sarcinǎ, unde sistemele de formare a amestecului dotate cu carburator sunt deficitare. Sistemul de management electronic al formǎrii amestecului presupune existenţa unitǎţii de control ECU (Electronic Control Unit), ce va determina lǎţimea impulsurilor de comandǎ a deschiderii injectoarelor dupǎ un program înscris în memorie, ţinând cont de regimurile specifice de funcţionare ale motorului. Astfel, la pornirea la rece se comandǎ o lǎţime mai mare a impulsurilor de comandǎ a injectoarelor, pe când în regim de supraturare a motorului acestea sunt inactivate şamd. Depinzând de producǎtor, strategiile diferǎ dupǎ multitudinea algoritmilor de calcul adoptate, totuşi funcţionare unui sistem de control se poate urmǎri dupǎ o schemǎ logicǎ de un tip general, prezentatǎ în figura 2.8.

33

Fig.2.8 Schema logicǎ a controlului duratei de injecţie Controlul în volum al injecţiei de benzină Durata de bază a deschiderii injectorului este înscrisă într-o cartogramă ce depinde de turaţie şi de valorile presiunii absolute ale aerului din colectorul de admisie, în cazul sistemelor turaţie-debit masic de aer, sau de valorile debitului de aer de admisie, în cazul sistemelor turaţie-debit volumetric de aer. Microprocesorul ce echipează ECU modifică durata de injecţie după diferiţi algoritmi de calcul, ţinând însă seama de o serie de factori de compensare, dupǎ cum urmeazǎ:  pornirea motorului; microprocesorul calculează durata de injecţie Ti ţinând cont de dependenţa acesteia proporţională cu durata de acţionare a demarorului + corecţia cu temperatura + corecţia cu tensiunea bateriei;  turaţia de mers încet în gol; regimul este detectat cu ajutorul senzorilor de turaţie şi de poziţie a clapetei, când microprocesorul selectează cartograma de mers în gol, caz în care sarcina motorului se detectează cu ajutorul a mai multor senzori şi anume: · funcţionarea instalaţiei de aer condiţionat, prin detectarea funcţionării compresorului de climatizare; · angajarea transmisiei automate, prin deschiderea contactelor de inhibare, date de poziţiile parcare/punct neutru; · creşterea sarcinii electrice a diferiţilor consumatori (lumini, dezaburire lunetă, ştergătoare de parbriz, etc.); · funcţionarea servodirecţiei, prin detectarea creşterii presiunii în circuitul hidraulic peste o valoare prestabilită. Intervenţia asupra turaţiei de mers în gol se face prin comanda aerului suplimentar. Se mai practică o reglare de mers în gol rapidă, atunci când sarcina motorului creşte peste o valoare prestabilită (tensiunea bateriei este prea scăzută sau este solicitată intens instalaţia de climatizare, în special pe poziţia “Rece”). Aproximativ 25% din software-ul unui sistem modern de management al motorului este dedicat regimului de mers în gol [70], [103].  regimul normal de funcţionare poate fi considerat cvasistaţionar, caz în care durata de injecţie se calculează cu formula:

34

Ta=Ti+Tc+Tu, · · · ·

unde: Ta reprezintă durata de activare a injectorului; Ti este durata de bază; Tc este durata de corecţie cu diferiţi factori; Tu reprezintă durata de corecţie cu tensiunea bateriei.

Compensǎri aplicate duratei de injecţie. Durata de bazǎ a deschiderii injectoarelor este înscrisǎ într-o cartogramǎ sub formǎ de valori care depind de turaţia motorului, de cantitatea de aer de admisie şi este continuu ajustatǎ de o mulţime de factori [100], denumiţi factori de corecţie, care sunt prezentaţi în tabelul 2.2:  temperatura motorului, prin apa de rǎcire;  temperatura aerului de admisie;  poziţia clapetei de acceleraţie;  tensiunea bateriei de acumulatoare.

Tab.2.2 Compensǎri asupra duratei de injecţie. Mǎrimi de intrare Efecte asupra duratei Compensare furnizate de senzori de injecţie Pornirea motorului Turaţia, temperatura Creşte Imediat dupǎ pornire Turaţia, temperatura Scade gradual Faza de încǎlzire Turaţia, temperatura Scade gradual Mersul în gol Turaţia, tensiunea Corecţii în plus sau în minus Creşte, când debitul de aer Sarcinǎ plinǎ Turaţia, debit de aer depǎşeşte o valoare prestabilitǎ Zero, cu clapeta închisǎ şi Frâna de motor Turaţia, Poziţia clapetei n>1500 rpm Accelerǎri Poziţia clapetei Creşte proporţional Supraturaţie Turaţia Zero, la n>n max Tensiunea bateriei Tensiunea Creşte cu scǎderea tensiunii Temperatura motorului Temperatura Creşte la rece Temperatura aerului de Temperatura Corecţii în plus sau în minus admisie Modul de funcţionare al sistemului de management al formǎrii amestecului sub influenţa factorilor enumeraţi poate fi sintetizat într-o schemǎ generalǎ de alimentare cu combustibil, prezentatǎ în figura 2.9.

35

Fig.2.9 Schema bloc de alimentare cu combustibil Din punctul de vedere al formǎrii amestecului combustibil/aer existǎ douǎ mari categorii de sisteme [70], [103]:  sisteme turaţie-debit masic de aer, atunci când se mǎsoarǎ presiunea absolutǎ a aerului din colectorul de admisie;  sisteme turaţie-debit volumetric de aer, atunci când se mǎsoarǎ debitul aerului de admisie. Controlul stoichiometric al formării amestecului Controlul precis al amestecului se realizează în jurul valorii 1 a coeficientului de exces de aer . ECU procesează semnalul transmis de senzorul , care închide bucla de reacţie negativă în sistemul automat de control, cum se ilustreazǎ în figura 2.10 a.

Fig.2.10 a) Controlul stoichiometric al formǎrii amestecului 1 - debitmetru de aer; 2 - motor; 3 sondǎ ; 4 - catalizator; 5 - injectoare; 6 - ECU; a - mǎrime de referinţǎ; b - integrator; c - comparator; d - control adaptiv; e - reglaje speciale; f - intrare combustibil; U - tensiunea generatǎ de sonda ; UB - tensiunea bateriei; n - turaţia motorului; TM - temperatura motorului; t i - durata impulsului de comandǎ; tL - cantitatea de aer; Vi - cantitatea de combustibil injectatǎ; b) Modul de variaţie a tensiunii U 

36

Corecţia în buclă închisă a raportului aer/combustibil este necesară în cazul utilizării unui catalizator plasat pe colectorul de evacuare, pentru ca acesta să lucreze cu eficienţă maximă, cu scopul reducerii semnificative a emisiilor de noxe. Pentru aceasta, raportul aer/combustibil este păstrat la valoarea constantă de 14.7:1, ceea ce corespunde unei valori =1. Se deosebesc trei cazuri tipice de funcţionare:  amestec prea bogat, caz în care se aplică un coeficient de corecţie în domeniul =0.8…1, reducându-se durata de injecţie;  amestec prea sărac, caz în care se aplică o corecţie în domeniul =1…1,2, mărindu-se durata de injecţie;  nu se aplică aceste corecţii în cazurile următoare: · la pornirea motorului; · la îmbogăţirea poststart; · la îmbogăţirea în faza de încălzire; · la decelerări şi în plină sarcină, atunci când clapeta de acceleraţie este închisǎ sau deschisă complet. În timpul funcţionării motorului, calitatea amestecului oscilează între “bogat” şi “sărac”, cum se ilustreazǎ în figura 2.10 b, sistemul considerând amestecul stoichiometric ca medie a valorilor rapoartelor aer/combustibil corespunzătoare. Există două tipuri de senzori ai excesului de oxigen din produsul arderii, ambele furnizând un semnal utilizabil în jurul valorii  = 0,99…1,1. O dezvoltare a senzorului convenţional încălzit cu zirconiu o reprezintă senzorul universal UEGO (Universal Exhaust Gas Oxigen-senzor), capabil să detecteze punctul stoichiometric, care poate măsura raportul aer/combustibil într-o gamă largă de valori, de la cele foarte bogate (10:1), la cele foarte sărace (35:1).

2.1.9 Sisteme de aprindere Sistemul de aprindere trebuie să ofere o tensiune suficientă pentru a fi posibilă iniţierea unei descărcări electrice între electrozii bujiei. Această scânteie trebuie să aibă suficientă energie pentru a reuşi să aprindă amestecul carburant din camera de ardere, în orice condiţii de funcţionare şi să se producă într-un moment optim în timpul cursei de compresie a pistonului. Într-un motor modern, sistemul de aprindere formează un subsistem al managementului grupului motopropulsor, cuprinzând senzori şi circuite interconectate cu circuitele electronice de control ale sistemelor de formare ale amestecului şi transmisiei. Avansul la aprindere Pentru obţinerea unui transfer maxim de energie de la combustibil către piston, presiunea în cilindru trebuie să ajungă la valoarea ei maximǎ în jurul a 15…16 RAC după PMS, fiecare tip de motor având un avans optim la aprindere, în mod uzual 20…35 RAC, stabilit pentru un regim specific dat, numit avansul momentului motor maxim. Parametrii de intrare de bază ai sistemului electronic de control al unghiului de avans la aprindere se pot urmǎri într-o cartogramǎ tipicǎ, înscrisǎ în memoria de lucru a microprocesorului, dupǎ cum se aratǎ în figura 2.11, iar aceştia sunt:  Turaţia motorului;  Semnale care se referă la cuplul motorului, care pot fi presiunea din colectorul de admisie, debitul de aer de admisie sau, în anumite configuraţii, chiar cantitatea de combustibil injectat. 

37

Fig.2.11 Cartograma unghiului de avans la aprindere. Sistemele electronice pentru controlul avansului la aprindere urmăresc cu precizie următorii parametrii:  momentul aprinderii;  unghiul de camǎ;  curentul primar din bobina de inducţie. În general, microprocesorul aplică următoarea formulă de calcul al unghiului de avans:  s   i   b   c , unde   i este unghiul iniţial de avans, parametru reprezentativ pentru un anumit motor, care se stabileşte prin încercări, ca unghi minim la care este posibilă funcţionarea stabilă a motorului;   b este unghiul de avans de bază, a cărui valoare se extrage din cartograma de avans şi corespunde punctului de funcţionare dat de turaţia şi cuplul motorului înt r-un moment oarecare;   c este unghiul de corecţie, care se adaugă celor precedente în acord cu condiţiile specifice de funcţionare a motorului, care pot fi: · faza de încălzire a motorului, în care, pe baza semnalelor primite de la sen zorii de temperatură, unitatea de control electronic dispune creşterea unghiului de avans la temperaturi scăzute; · supraîncălzirea motorului are ca efect o corecţie negativă asupra unghiului de avans; · turaţia de mers în gol a motorului determină o corecţie a unghiului de avans în funcţie de sarcinile adiţionale aplicate motorului, cu scopul de a obţine o turaţie de mers în gol stabilă şi cât mai joasă. Aceste sarcini sunt în general, de natură electrică (instalaţia de climatizare, cuplarea transmisiei automate, servodirecţia electrică, etc.); · apariţia detonaţiilor, care sunt sesizate pe cale electronică şi determină micşorarea unghiului de avans, sistemul având înregistrată caracteristica de avans cu limitele funcţionării fără detonaţii şi reacţionând diferit, în funcţie de frecvenţa apariţiilor detonaţiilor. Rezultatul calculului unghiului de avans este livrat de către microprocesor sub forma unui impuls de tensiune de comandă a unui tranzistor de putere, care controlează energia electrică înmagazinată prin diverse mijloace [138], în vederea declanşării scânteii de aprindere la momentul optim. Clasificarea sistemelor de aprindere Sistemele de aprindere se pot clasifica dupǎ cum urmeazǎ:

38



     

Convenţionale (Kettering), care realizează reglajul după cuplul motor, prin mǎsurarea depresiunii, cu membrană elastică şi arc de revenire şi după turaţia motorului, centrifugal de tip Watt-Polzunov; Electronice, la care bobina de inducţie este controlată de dispozitive semiconductoare, care pot fi comandate pe cale mecanicǎ sau electronicǎ; Fără ruptor, sunt identice cu cele electronice, controlul exercitându-se în alt mod decât pe cale mecanică; Fără distribuitor sau sisteme de distribuţie statice, care nu utilizeazǎ sisteme mecanice de distribuţie a tensiunii înalte; Inductive, sunt sisteme care stochează energia primară într-o bobină; această energie poate fi descărcată prin metode mecanice sau electronice; Capacitive, energia primară este stocată într-un condensator; aceste sisteme se mai numesc CD (Capacitor Discharge); Magneto, sunt sisteme la care motorul antrenează un magnet permanent într -o mişcare de rotaţie, pentru a genera energie; pot fi convenţionale, electronice, fără ruptor sau fără distribuitor.

Sistemele de aprindere cu ruptor-distribuitor, deşi sunt utilizate pe scară largă, prezintă o serie de dezavantaje. Un dezavantaj important este faptul că aceste sisteme conţin o serie de elemente elastice supuse oboselii sau cuplaje mecanice cu frecări incontrolabile, ceea ce duce în timp la scăderea performanţelor sistemelor. De asemenea, un alt dezavantaj important este faptul că, pe măsură ce turaţia motorului creşte, perioada de timp cât contactele ruptorului sunt închise (unghiul de camǎ, denumit Dwell) se micşorează, ca urmare curentul din primarul bobinei de inducţie nu are timp suficient pentru a se restabili la valoarea sa maximă, limitând astfel energia disponibilă pentru scânteie. Într-un sistem de aprindere electronic, cu ruptor fǎrǎ contacte, prezentat în figura 2.12, curentul prin înfǎşurarea primarǎ a bobinei de inducţie este comutat de un etaj final de putere cu tranzistoare sau tiristoare , controlat de unitatea de control electronic.

Fig.2.12 Sistem de aprindere cu ruptor 1 - contact; 2 - bobinǎ de inducţie; 3 - ruptor-distribuitor; 4 - conductori; 5 - bujii; 6 - ECU Existǎ mai multe tipuri de astfel de sisteme, dar în ultimii ani s-au impus urmǎtoarele tipuri de ruptoare fǎrǎ contacte, datoritǎ fiabilitǎţii dovedite în exploatare:   

Inductive, cu senzor de reluctanţǎ magneticǎ variabilǎ; Inductive, cu senzor cu efect Hall; Cu comutaţie opticǎ. Un sistem de aprindere care are un ansamblu format cu senzor de reluctanţǎ magneticǎ variabilǎ formeazǎ un comutator magnetic şi încǎ este des utilizat, totuşi datoritǎ preţului în scǎdere al 39

dispozitivelor electronice, el a fost înlocuit de ruptorul cu senzor Hall, a cǎrui schemǎ electricǎ de principiu este redatǎ în figura 2.13. Senzorul Hall este conceput în tehnicǎ integratǎ şi este capabil sǎ genereze un impuls electric controlabil în ceea ce priveşte mǎrimile sale caracteristice, la o variaţie a unui câmp magnetic. Principiul de funcţionare al ruptorului se bazeazǎ pe aceastǎ proprietate, câmpul magnetic produs de un magnet permanant fiind întrerupt periodic în mişcarea de rotaţie de o ecranare sectorizatǎ dupǎ numǎrul de cilindri ai motorului.

Fig.2.13 Sistem de aprindere cu ruptor fǎrǎ contacte Sistemele descrise au avantajul eliminǎrii contactelor mecanice şi oferǎ posibilitatea unei exploatǎri de lungǎ duratǎ, practic fǎrǎ revizii pentru aproximativ 180.000 km rulaţi. Pentru un management complet al aprinderii, aceste sisteme trebuie completate cu controlul unghiului de camǎ, dupǎ cum se aratǎ în figura 2.14, care face posibil ca sistemul de producere al scânteii sǎ se încarce cu energia necesarǎ în orice regimuri de funcţionare a motorului, aducându-se corecţiile necesare în funcţie de starea de încǎrcare a bateriei.

Fig.2.14 Controlul unghiului de camǎ Siteme de aprindere fǎrǎ distribuitor Dupǎ cum sunt denumite, aceste sisteme nu au în alcǎtuirea lor dispozitive mecanice, în mişcare de rotaţie, pentru distribuirea înaltei tensiuni şi mai sunt cunoscute sub numele de distribuitoare statice. Ele furnizeazǎ scânteia în punctul optim de avans, alcǎtuind un subansamblu al unui sistem integrat de management al motorului cu aprindere prin scânteie. 40

În figura 2.15 se prezintǎ schema bloc a unei aprinderi statice cu bobine de inducţie individual plasate pe fiecare bujie, o soluţie modernǎ, care comportǎ costuri relativ ridicate, dar care se va impune într-un viitor nu prea îndepǎrtat, datoritǎ avantajelor oferite de posibilitǎţile de funcţionare în regim multiscânteie. Scânteia este formatǎ de un etaj final tranzistorizat, comandat de un bloc de comandǎ, denumit ANS, care la rându-i primeşte informaţii despre regimul de funcţionare al motorului de la ECU, cum se aratǎ în figura 2.16 a. Sistemul este prevǎzut cu senzor de urmǎrire a curentului din primarul bobinei de inducţie b, format din rezistenţele în raport de 1/100, care semnalizeazǎ starea de avarie ce apare atunci când tensiunea din primar scade sub valoarea de vârf de la aproximativ 380 V, în funcţionare normalǎ, la 180V, dupǎ cum se aratǎ în graficul evoluţiei tensiunii primare din figura 2.16 b. În urma testǎrii curentului primar, informaţia este stocatǎ în blocul de diagnozǎ, iar injectorul cilindrului respectiv este dezactivat, din motive evidente. În cazul defectǎrii a jumǎtate din numǎrul bujiilor, care echipeazǎ motorul, a bobinelor sau a etajelor de ieşire, motorul va intra în stare de avarie şi se va opri.

Fig.2.15 Sistem de aprindere static

Fig.2.16 Schem ǎ de acţionare a unui bloc bobinǎ de inducţie-bujie

O altǎ categorie de sisteme de aprindere statice, tot mai des utilizate în ultimul timp datoritǎ eficienţei formǎrii scânteii şi a fiabilitǎţii dovedite în funcţionare, sunt cele cu dublǎ scânteie sau cu scânteie pierdutǎ (Wasted Spark), denumite DSI (Dual Spark Ignition), în care bobina de inducţie are cuplate bujiile la ambele capete, ele aprinzându-se simultan, una la momentul optim dat de avansul la aprindere, cealaltǎ în evacuare, tensiunea disponibilǎ ajungând la cca 24 kV.

41

Fig.2.17 Sistemul de aprindere DSI Astfel, cum se prezintǎ în figura 2.17, sistemul de aprindere DSI este acţionat de unitatea electronicǎ, dupǎ o cartogramǎ de genul celei din figura 2.11 şi care aplicǎ corecţii avansului la aprindere dupǎ temperatura aerului de admisie, a motorului şi dupǎ frecvenţa apariţiei detonaţiilor. Sistemul este capabil sǎ lucreze la frecvenţe ridicate, de pânǎ la 20 kHz, testat pe banc de cǎtre autor, ceea ce îl face apt pentru funcţionarea în regim multiscânteie.

2.1.10

Sisteme de management integral al motorului cu aprindere prin scânteie

Cele mai evoluate sisteme de management al motorului combinǎ avantajele oferite de controlul formǎrii amestecului şi controlul pe cale electronicǎ a aprinderii, cele douǎ subsisteme având fiecare separat, o mare flexibilitate în funcţionare. Se prezintǎ în figura 2.18 sistemul MOTRONIC dezvoltat de firma Bosch, care poate fi implementat pe versiunile de formare a amestecului prezentate anterior şi anume:  KE, injecţie continuǎ;  MONO, injecţie intermitentǎ;  LH, injecţie secvenţialǎ. Sistemul prezentat în figura 2.18 monitorizeazǎ datele reale de funcţionare a motorului, culese de senzori, pe care le comparǎ cu cele înscrise într-o mulţime de cartograme în memoria de lucru, fiind capabil de a lua decizii de optimizare a performanţelor, mai ales în blocurile care cuprind controlul emisiilor poluante şi în cele de funcţionare pe curbele de economicitate maximǎ. De asemenea, implemetarea unei strategii adaptive de control, care cuprinde numeroase circuite în buclǎ închisǎ, face posibil managementul unor funcţii adiţionale, ce au devenit în ultimii ani standarde, dupǎ cum urmeazǎ:  controlul proceselor de ardere din motor, prin: · controlul în buclǎ închisǎ al factorului λ, utilizând doi senzori de oxigen; · controlul individual al injecţiei de combustibil; · controlul sarcinii motorului, prin mǎsurarea debitului de aer; · reglarea adaptivǎ a avansului la aprindere, urmǎrind arderea detonantǎ pe fiecare cilindru; · regimul de aprindere multiscânteie, cu urm ǎrirea curenţilor primar şi secundar; · distribuţia variabilǎ; · raport de compresie variabil.  controlul mersului în gol, urmǎrindu-se o turaţie cât mai joasǎ şi stabilǎ;  controlul recirculǎrii gazelor arse şi al degazǎrii rezervorului de combustibil;  controlul regimului de funcţionare al catalizatorului;  controlul momentului motor şi a poziţiei clapetei de acceleraţie, la funcţionarea cu o transmisie automatǎ.  sistem de autodiagnozǎ, cu memorarea şi semnalizarea defecţiunilor.

42

Fig.2.18 Sistemul de management MOTRONIC 1 - canistra carbon; 2 - electrovalva de aducţiune aer; 3 - purjare canistra; 4 - regulator de presiune combustibil; 5 - injector; 6 - controler de presiune; 7 - corpul bobinǎ-bujie; 8 - senzorul camei; 9 - pompa de injecţie aer secundar; 10 - electrovalva aerului secundar; 11 debitmetru masic de aer de admisie; 12 - ECU; 13 - poziţia clapetei de acceleraţie; 14 - By-pass-ul aerului adiţional; 15 - senzorul temperaturii aerului; 16 - electrovalva EGR; 17 - filtru de combustibil; 18 - senzor de detonaţie; 19 - senzorul turaţiei motorului; 20 - temperatura motorului; 21 - senzor λ; 22 - bateria; 23 - interfaţa de diagnozǎ; 24 - lampa martor autodiagnozǎ; 25 - senzor diferenţial al presiunii atmosferice; 26 - pompa electricǎ de alimentare

2.1.11

Injecţia directă de benzină

Cu toate că ideea injectării combustibilului la motoarele cu aprindere prin scânteie direct în cilindrul motorului este veche, doar recent ea a fost introdusă în producţia de serie a motoarelor de autoturisme. Introducerea acesteia la motoarele moderne a fost posibilă datorită progreselor în domeniul electronicii şi, în special, controlului computerizat al motorului. Motoare cu injecţie directă de benzină au fost construite încă din primii ani ai motorului cu ardere internă. Primele aplicaţii au fost în domeniul militar, cu aplicaţii la motoarele pentru avioanele de luptă germane. Mai târziu, injecţia directă a fost aplicată la motoarele pentru autoturismele de înaltă performanţă. Reprezentative pentru această perioadă sunt motoarele Daimler Benz pentru Formula 1 şi pentru modelul 300 SL. Pentru mai multe decenii, injecţia directă a fost 43

practic uitată, datorită dificultăţilor în controlarea proceselor din motor, în special la turaţii mari, precum şi dificultăţii de realizare a presiunii înalte a combustibilului. Revenirea injecţiei directe a fost marcată de prezentarea prototipului IRVW Futura din 1989. Cu această ocazie a fost consacrată şi titulatura GDI (Gasoline Direct Injection). Motorul prezentat de constructorul german era destul de revoluţionar, una dintre noutăţi fiind injecţia directă de benzină, dotat cu o pompă de alimentare ce realiza presiunea maximă de 450 bar. În ultima vreme, datorită restricţiilor din ce în ce mai severe în domeniul poluării impuse motoarelor cu ardere internă, injecţia directă se preconizează a fi soluţia de formarea a amestecului spre care se vor îndrepta toţi constructorii de motoare cu aprindere prin scânteie. Avantajele oferite de acest procedeu de alimentare sunt sintetizate dupǎ cum urmeazǎ:  coeficientul de exces de aer global poate fi substanţial supraunitar permiţând obţinerea unei bune economicitǎţi;  arderea se realizează în condiţii ce defavorizează formarea NO x;  cantităţile de monoxid de carbon şi hidrocarburi produse la începutul procesului de ardere pot fi oxidate complet în interiorul camerei de ardere;  amestecul ce pătrunde în interstiţii este foarte sărac sau chiar nu conţine deloc combustibil, diminuându-se cantitatea de hidrocarburi formate pe această cale;  controlul sarcinii motorului poate fi efectuat, cel puţin parţial, prin modificarea îmbogăţirii amestecului şi nu prin obturarea admisiei, minimizându-se pierderile prin pompare;  amestecul la sfârşitul arderii este foarte sărac şi de aceea este mult mai puţin susceptibil la detonaţie, astfel se pot utiliza rapoarte de comprimare mai mari.

Soluţii constructive Aplicarea injecţiei directe a impus dezvoltarea unor soluţii constructive deosebite de cele pentru motoarele cu injecţie indirectă. Principalele sisteme care suferă modificări sunt modul de organizare a mişcării încărcăturii, formarea amestecului la diferitele regimuri de funcţionare, modul de control al sarcinii motorului şi bineînţeles, echipamentul de injecţie. Unele subsisteme, cum ar fi cel de recirculare al gazelor arse, au fost îmbunătăţite din punct de vedere al preciziei controlului şi eficienţei funcţionării, iar altele ca cele de tratare al gazelor de evacuare, au trebuit să fie în întregime regândite, datorită condiţiilor total diferite de funcţionare. Sistemul de injecţie este cel care conferă motorului avantajele substanţiale în domeniul economicităţii, puterii şi emisiilor poluante [129], [130]. Faţă de sistemele de injecţie în poarta supapei, acestea trebuie să fie comandate cu o precizie mai mare şi să interacţioneze mult mai profund cu celelalte subsisteme (aprindere, supraalimentare, recirculare a gazelor arse, tratare a gazelor arse). Injectoarele folosite sunt de construcţie specială, diferită de cele pentru injecţia indirectă. Ele trebuie să lucreze în condiţii grele de presiune şi temperatură. Problema principală care se pune este realizarea unei pulverizări cât mai fine, dar fără creşterea exagerată a presiunii. Pentru aceasta au fost încercate diferite configuraţii ale orificiului de pulverizare. Soluţia cu cel mai mare potenţial ar fi utilizarea unor injectoare care imprimă jetului o puternică mişcare de swirl. O sintezǎ a tendinţelor ce vizeazǎ aplicabilitatea soluţiilor tehnice apte a fi utilizabile în prezent este prezentatǎ în tabelul 2.3.

44

Formarea amestecului

Tabelul 2.3 Concepte şi obiective pentru motoarele cu injecţie directă şi soluţiile pentru realizarea lor Concepte Obiective Soluţii Canal de admisie vertical Transportul vaporilor Îmbunătăţirea Tumble de benzină către bujie Mişcarea aerului gazodinamicii prin invers Coeficient de curgere utilizarea canalului prin supapă ridicat vertical Pierderi reduse pentru Presiune comprimarea Injector cu swirl scăzută combustibilului Injecţia Pompă Consum de putere Pornire cu pompa de antrenată de pentru injecţie redus alimentare motor Amestec omogen (injecţie pe Reducerea funinginii cursa de la amestecuri Limitarea penetrabilităţii admisie) stoichiometrice şi jetului Sarcini Eliminarea bogate Jet larg dispersat mari udării Eliminarea detonaţiei Mişcare de tumble invers pereţilor Randament volumetric intensificată Răcirea mărit intermediară a aerului Amestec Cameră de ardere stratificat Ardere stabilă pentru compactă (injecţie pe Sarcini amestecuri sărace Transportul jetului de cursa de parţiale Reducerea funinginii către tumble compresie) pentru sarcini mari Controlul avansului Evaporare injecţiei îmbunătăţită Aprinderea Sistem de aprindere convenţional cu fiabilitate confirmată Procent Reducerea NOx prin Supapă de recirculare a ridicat de utilizarea Emisii gazelor arse controlată gaze amestecurilor electronic recirculate stratificate Control Funcţionare uniformă rapid şi Interval larg de Clapetă de acceleraţie Admisia precis al aplicare a recirculării acţionată electronic debitului de gazelor aer

O soluţie convenabilǎ este cea a injecţiei directe de amestec aer-combustibil. Instalaţia de injecţie realizează un preamestec a combustibilului cu o cantitatea de aer, realizându-se un amestec extrem de bogat sub forma unei emulsii, care va fi apoi introdusă în cilindrul motorului. În tabelul 2.4 sunt prezentate principalele caracteristici pe care la are un motor dotat cu un astfel de sistem de injecţie:

45

Tabelul 2.4 Sumarul caracteristicilor sistemului de injecţie directă propus de Mitsubishi Caracteristici

Economicitatea

Puterea

Răspunsul

Tehnologii Amestec sărac stratificat, tumble invers + Raport de comprimare ridicat, răcire intermediară + Ardere stoichiometrică cu procent ridicat de gaze recirculate Canal ce admisie rectiliniu + Răcirea încărcăturii prin evaporarea combustibilului Raport de compresie mare + Controlul momentului prin cantitatea de combustibil injectat (nu este influenţat de + inerţia coloanei de aer)

Emisiile

 Ardere stabilă în condiţii de funcţionare cu procent ridicat de gaze recirculate

Vibraţii şi

Compensarea forţelor de inerţie ale maselor  aflate în mişcare de translaţie de către forţa gazelor mărită

zgomot

2.1.12

Componente Injector cu swirl electromagnetic Cameră de ardere compactă Canalizaţie de admisie verticală Canal de admisie vertical Controlul formării amestecului Injecţie directă Obturator aer Control rapid şi precis al recirculării gazelor arse Control rapid şi precis al dozajului Injector cu swirl electromagnetic Clapetă de aer

Controlul formării şi arderii amestecurilor sărace

În scopul reducerii emisiilor poluante de CO2, s-au realizat motoare care funcţionează cu amestecuri sărace, valorificând mai eficient combustibilul. Funcţionarea acestor motoare, cu rapoarte aer/combustibil de la 16:1 până la 25:1, realizeazǎ arderea combustibilului în exces de aer, ceea ce duce la reduceri ale consumului de cel puţin 10%, cocomitent cu reducerea emisiilor de CO şi NO x, dar numai în condiţiile unei strategii de control realizată pe c ale electronicǎ. Cerinţele impuse managementului unui astfel de motor sunt sintetizate astfel:  Bună preparare a amestecului carburant;  Energie de scânteie ridicată;  Monitorizarea continuă a calităţii arderii;  Controlul sistemului în buclă închisă. Un astfel de sistem, care lucrează cu rapoarte aer/combustibil de 25:1, a fost conceput de firmele Toyota şi Mitsubishi. Umplerea cilindrilor se realizează prin tehnica de control al turbionării, denumitǎ swirl control, cu ajutorul colectorului de admisie format din două tubulaturi, una cu pereţi netezi, cu rezistenţe gazodinamice reduse, iar cealaltă având o formă interioară elicoidală, care va imprima aerului o traiectorie puternic turbionară. La sarcini mici şi medii ale motorului, ECU comandă funcţionarea la amestecuri sărace prin valva de turbionare, iar la regimuri de plină sarcină, se comutǎ pe amestec stoichiometric ( =1), prin adaos de aer prin tubulatura cu pereţi netezi. Prin controlul calităţii arderii, sistemul funcţionează la limita de detonaţie, lucru deosebit de important în regimurile de ardere cu amestecuri sărace şi cantităţi mari de gaze arse recirculate EGR (Exhaust Gas Recirculation), senzorii de detonaţie plasaţi pe blocul motor determinând reducerea avansului la aprindere. Alte sisteme realizează o monitorizare indirectă a calităţii arderii prin măsurarea curentului de ionizare care apare între electrozii bujiei, după declanşarea scânteii, sau prin măsurarea acceleraţiilor pistonului, prin determinarea fluctuaţiilor vitezei unghiulare a arborelui cotit în perioada unui ciclu motor. 46

2.1.13

Funcţii adiţionale managementului motorului

Controlul variabil al aerului de admisie Randamentul volumetric al umplerii cilindrilor cu încărcătură proaspătă v scade o dată cu creşterea turaţiei motorului, pentru motoarele echipate cu colectoare de admisie cu dimensiuni constante. Pentru a-l menţine la valori optime în toată gama de turaţii trebuie îndeplinite următoarele cerinţe:  la turaţii mici, colectorul trebuie să aibă lungime mare şi secţiune mică;  la turaţii mari, colectorul de admisie trebuie să aibă lungime mică şi secţiune mare, pentru reducerea pierderilor gazodinamice. Aceste cerinţe se pot rezolva utilizându-se un colector de admisie cu două traiecte pentru fiecare cilindru în parte, legătura dintre aceste traiecte realizându-se printr-un by-pass, controlat de o electrovalvă comandată de ECU. Elementul de execuţie poate fi un servomotor, ceea ce conferă o precizie ridicată reglajului. Prin acest procedeu se poate obţine aproape o curbǎ idealǎ a cuplului dezvoltat de motor, urmǎrind factori ca:  încǎrcarea motorului;  turaţia motorului;  poziţia clapetei de acceleraţie. Existǎ urmǎtoarele posibilitǎţi de reglaj a lungimii colectorului de admisie:  ajustare infinit variabilǎ;  posibilitatea de comutare între diferite lungimi;  posibilitatea de comutare între diferite diametre;  posibilitatea de a dezactiva un pasaj. În cazurile expuse, lungimea colectorului trebuie încontinuu ajustatǎ, cum se aratǎ în figura 2.19 a, influenţele privind modificarea presiunii medii efective din camera de ardere fiind ilustrate în figura 2.19 b.

Fig.2.19 a) Colector de admisie cu lungime continuu variabilǎ. 1 - tambur exterior; 2 - carcasa fixǎ; 3 - tambur rotitor; 4 -tambur intrare aer; 5 - intrare aer; 6 - etanşare; 7 - intrare motor; 8 - supapa de admisie; 9 - admisie motor; b) Dependenţa presiunii efective de lungimea şi de diametrul colectorului de admisie Controlul asupra emisiilor prin evaporare Prin acest control sistemul urmăreşte colectarea şi arderea hidrocarburilor degajate de rezervorul de combustibil. Vaporii de combustibil sunt extraşi din rezervor printr-o valvǎ de control şi sunt stocaţi temporar în canistra de carbon 6, care îi va elibera treptat, în cantităţi reglate de valva

47

de purjare 4, comandată de ECU, pe baza unor valori din memoria microprocesorului, pentru a fi oxidaţi în motor, proces ilustrat în figura 2.20.

Fig.2.20 Controlul emisiilor prin evaporare 1 - intrare aer; 2 - clapetǎ de acceleraţie; 3 - admisie aer; 4 - purjarea canistrei; 5 - comanda purjǎrii; 6 - canistra carbon; 7 - aer atmosferic; 8 - vapori combustibil

   

Electrovalva de purjare se deschide atunci când sunt îndeplinite următoarele condiţii: Motorul este la temperatura nominală de funcţionare; La cuplarea cutiei de viteze; Turaţia motorului este superioară celei de mers în gol; Senzorul  funcţionează normal, la temperatura nominalǎ.

Catalizatorul încălzit electric Acest tip de catalizator este conceput şi realizat în ideea reducerii cantităţii mari de emisii poluante care se degajă de către motor în primele 30…60 secunde de funcţionare după pornirea la rece. Principiul de funcţionare constă în încălzirea structurii normale a unui catalizator cu un curent de circa 300 A, în primele 30 de secunde de funcţionare după pornirea la rece. Procedee moderne de izolare termică a elementului catalitic printr-un interstiţiu izolator de aer au permis scăderea necesarului de curent la 50…100 A, dar numai timp de 15 secunde. Astfel, se obţine o temperatură de circa 400C, propice reacţiilor catalitice, în primele 15 secunde după pornirea motorului. După 40 secunde de la pornirea motorului, catalizatorul atinge o valoare a randamentului de reţinere a noxelor de 90%, moment în care curentul de încălzire este oprit de cǎtre ECU. O soluţie economicǎ modernǎ, prezentatǎ în figura 2.21, controleazǎ încǎlzirea catalizatorului în acord cu parametrii aprinderii, în funcţie de regimul de funcţionare a motorului.

48

Fig.2.21 Controlul catalizatorului. 1, 5, 14 - alimentare electricǎ 12 V; 2 - primarul bobinei de inducţie; 3 - etaj final; 4, 5 - intrare comenzi; 6 - bloc logic de comandǎ; 7 – masa electricǎ; 8, 9 - cǎtre injectoare şi comanda clapetei de acceleraţie; 10 - releu clapetǎ; 11 - bujii; 12 - distribuitor; 13 - catalizator Controlul recirculǎrii gazelor arse Sistemul de recirculare al gazelor arse, denumit EGR (Exhaust Gas Recirculation), conduce în principal, la reducerea emisiilor de NO x cu pânǎ la 60%, cu limitarea acestui avantaj la o creştere a emisiilor de hidrocarburi şi a consumului de combustibil. În figura 2.22 se prezintǎ un sistem EGR, care echipeazǎ motoare cu aprindere prin scânteie. Funcţionarea sistemului este comandatǎ de cǎtre ECU pe baza informaţiilor primite de la senzorii de turaţie şi de temperaturǎ ai motorului n şi T, de la senzorii de debit masic sau presiune ai aerului de admisie P. Sistemul este oprit în periodele de mers în gol a motorului, fiind activat în special la regimuri de puteri parţiale, date de senzorul de deplasare a pedalei de acceleraţie.

Fig.2.22 Sistemul EGR 1 - conductǎ EGR; 2 - convertor electropneumatic; 3 - electrovalvǎ EGR; 4 - debitmetru masic de aer Distribuţia variabilǎ Dezvoltarea tehnologicǎ din ultimii ani a dus la realizarea şi impunerea ca standard a distribuţiei variabile, cu scopul eficientizǎrii proceselor de umplere cu amestec combustibil, din care se prezintǎ 49

în figura 2.23 sistemul VALVETRONIC, în care distribuţia este continuu modificatǎ de cǎtre ECU cu cca 40 º în jurul PMS, cu ajutorul unor elemente de execuţie hidraulice. Sistemul VANOS (VAriabel NOckenwelle System), dezvoltat de BMW, utilizeazǎ ca actuator pentru modificarea atât a timpilor de deschidere a supapelor, cât şi a ridicǎrilor un electroservomotor asistat de un circuit hidraulic.

Fig.2.23 a) Sistemul VALVETRONIC 1 - pompǎ hidraulicǎ; 2 - rezervor-acumulator; 3 -turaţie motor; 4 - senzori de poziţie a camelor; A-admisie; E-evacuare; b) Modificarea distribuţiei în jurul PMS

2.1.14 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare Motorul cu ardere prin comprimare necesită un proces de ardere care poate fi controlat printr-un reglaj cantitativ, cantitatea de combustibil depinzând de poziţia pedalei de acceleraţie. Regulatorul final, de tip centrifugal, al cărui rol constă în reducerea cantităţii de combustibil la depăşirea unei turaţii prestabilite, a ajuns la ora actuală la limita superioară a optimizării. Dezavantajele principale ale unui sistem mecanic de reglaj sunt:  calitatea insuficientă a reglajului, mai ales la turaţii joase;  dificultatea reglării şi adaptării sistemului la diferite motoare;  imposibilitatea limitării emisiilor de noxe şi particule;  inadaptabilitatea la variaţii ale factorilor climatici;  număr mare de repere pentru diverse variante funcţionale. Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare poate fi sistematizat, dupǎ modul de alimentare la presiune înaltǎ, astfel:  cu pompǎ de injecţie în linie;  cu pompǎ-distribuitoare rotativǎ;  cu pompǎ injector;  cu pompǎ individualǎ de injecţie;  cu rampǎ comunǎ (Common Rail).

2.1.15 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompe de injecţie Managementul unor astfel de motoare se referǎ la echipǎrile cu pompe de injecţie în linie, respectiv cu pompe de injecţie rotative, încǎ larg folosite în echiparea autovehiculelor şi utilizeazǎ resursele electronice şi mecatronice, o schemǎ bloc a controlului pompei de injecţie fiind illustratǎ în figura 2.24.

50

Fig.2.24 Controlul electronic al pompei de injecţie 1 - senzor temperatură combustibil; 2 - electrovalvă de stop; 3 - electrovalvǎ pentru recircularea gazelor arse EGR; 4 - injector dotat cu senzor de cursă a acului; 5 - senzor temperatură lichid de răcire; 6 - senzor turaţie motor; 7 - senzor presiune atmosferică; 8 - senzor temperatură aer admisie; 9 - debitmetru de aer; 10 - senzor de viteză Funcţionarea acestui sistem, echipat cu pompă rotativă de injecţie cu camă spaţială, denumit VE (Ventil Electronik), se bazează pe realizarea unui control cu reacţie negativă a manşonului de reglare a debitului de combustibil injectat. Elementul de execuţie este un motor pas-cu-pas, iar bucla de reacţie se închide prin senzorul poziţiei manşonului. Injectorul 4 al cilindrului de referinţǎ al motorului este echipat cu un traductor inductiv de deplasare al acului injectorului, care generează un semnal electric, ce va fi prelucrat de microprocesor şi va fi considerat ca semnal de start al injecţiei, cu ajutorul căruia sistemul verificǎ avansul la injecţie calculat. Elementul de execuţie al reglării avansului îl constituie o electrovalvă activată cu un tren de impulsuri de către microprocesor, care va modula o presiune de comandă a statorului camei spaţiale. Elementul de comandă a debitului pompei de injecţie este pedala electronică de acceleraţie, a cărei funcţionare se bazează pe existenţa unui ansamblu traductor potenţiometric al poziţiei pedaleiservomotor de acţionare. Sistemul se adaptează la diferitele regimuri de funcţionare, apelând la o memorie de tip ROM, în care se află înscrisă o bază de date ce conţine evoluţia diferiţilor parametri: sarcina motorului, turaţia, temperaturi, etc. Sistemele cu pompe de injecţie în linie sunt similare celor expuse, diferenţa fiind dată de existenţa cremalierei de comandă, a cărei acţionare se face cu un element de execuţie liniar.

51

2.1.16 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ - injector Aceste sisteme sunt echipate cu injectoare acţionate direct de cǎtre o camǎ, dupǎ cum se aratǎ în figura 2.25 şi prezintă o serie de avantaje faţǎ de sistemele clasice, cum ar fi:  simplificarea soluţiilor constructive, prin reducerea numărului de repere;  eliminarea pompelor tradiţionale de injecţie, care necesită construcţii laborioase şi reglaje dificile;  eliminarea conductelor de înaltă presiune, deci şi a fenomenelor hidrodinamice nefavorabile care au loc în ele;  reducerea nivelului de zgomot, indus de pompa de injecţie clasicǎ;  reducerea nivelului emisiilor poluante, prin posibilitatea activării secvenţiale, pe cale electronică, a injectoarelor;  controlul electronic precis al avansului şi a duratei de injecţie, prin utilizarea tehnicii digitale de calcul;  creşterea presiunii de injecţie la 150…180 MPa, cu influenţe favorabile asupra pulverizării, deci şi asupra arderii;  controlul electronic al puterii dezvoltate de motor, în funcţi e de influenţa factorilor ambientali şi climatici, prin corecţiile exercitate de microprocesor asupra avansului şi duratei de injecţie;  posibilitatea reglării vitezei de croazieră a autovehiculului de către sistemul electronic de management global al tracţiunii;  posibilitatea de a suspenda grupe de cilindri, la funcţionarea motorului la sarcini parţiale;  suspendarea completă a injecţiei de combustibil în regim de frână de motor.

Fig.2.25 Pompa injector 1 - arc de rapel; 2 – corp principali; 3 - plunger; 4 - chiulasǎ motor; 5, 6 - elemente de montaj a pulverizatorului; 7...14 – elemente ale sistemului electric de comandǎ; 15, 16 - alimentare şi retur combustibil; 17...20 – elemente ale pulverizatorului

52

2.1.17 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ individualǎ de injecţie Acest mod de injecţie presupune o construcţie modularǎ, în care fiecare cilindru este echipat cu o pereche pompǎ-injector, cu acţionare prin intermediul arborelui cu came, alcǎtuit din urmǎtoarele componente principale, cum se ilustreazǎ în figura 2.26:  pompa de înaltǎ presiune 6, acţionatǎ de cama 7;  solenoidul de înaltǎ vitezǎ 4, de tip 2/2;  linia de înaltǎ presiune;  ansamblul injector. Unitatea electronicǎ de control acordeazǎ acţionarea pe cale mecanicǎ de la arborele cu came a pompei de înaltǎ presiune (cca 180 MPa), cu realizarea timpilor de început de injecţie şi a reglarea precisǎ a duratelor de injecţie.

Fig.2.26 Pompa individualǎ de injecţie 1 - prinderea injectorului pe motor; 2 - chiulasǎ motor; 3 - pulverizatorul injectorului; 4 - electrovalvǎ de comandǎ; 5 - intrare combustibil; 6 - pompǎ de înaltǎ presiune; 7 - camǎ

2.1.18 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate prin rampǎ comunǎ (Common Rail) Este un sistem dezvoltat de firma Fiat, împreună cu filiala sa Magnetti Marelli, care transpune pe motoarele cu aprindere prin comprimare principiile injecţiei electronice de benzină. În locul unei refulări mecanice a combustibilului către fiecare cilindru, ca în cazul unui MAC clasic, se utilizează o pompă care ridică presiunea combustibilului la o valoare ridicatǎ, de pânǎ la 1.800 bar într-o conductǎ unică, denumitǎ Common Rail, ce deţine şi rolul de acumulator de presiune. Injectoarele electromagnetice sunt activate în momentul în care primesc semnalele de la ECU, pentru a permite accesul combustibilului în cilindru. Injecţia directă de tip Common Rail se desfăşoară în două etape, cum se ilustreazǎ în figura 2.27:  Preinjecţia, care durează în jur de 190 microsecunde, timp în care se introduce în camera de ardere circa 1 mm 3 de combustibil, etapă care are rolul de a amorsa combustia;  Injecţia principalǎ, care durează cca 1.000-1.200 microsecunde la regimul nominal de putere.

53

Fig.2.27 Etapele injecţiei directe de tip Common Rail Datorită presiunii ridicate de injecţie, ce asigură o pulverizare extrem de fină, o dozare precisă şi o turbulenţă ridicată în camera de ardere, dar şi a organizării injecţiei, se obţine o bună combustie, cu un gradient moderat de creştere a presiunii de ardere, reducându-se semnificativ zgomotul specific, precum şi consumul de combustibil, cu până la 20%, dar mai ales emisiile poluante, cu aproximativ 25% mai puţin decât în cazul unui MAC clasic. De asemenea s-a constat o creştere cu 5% a puterii şi cu 30% a cuplului maxim dezvoltat de un motor c u injecţie directă de tip Common Rail faţă de un motor similar, care utilizează procedee de injecţie clasice. Unul dintre cele mai evoluate sisteme de management al injecţiei directe, dezvoltat de firma BMW este prezentat în figura 2.28.

Fig.2.28 Managementul sistemului de injecţie Common Rail 1 - pompǎ de înaltǎ presiune; 2 - regulator de presiune; 3 - rampa comunǎ; 4 - senzor al presiunii din rampǎ; 5 - injector electromagnetic; 6 - regulator diferenţial de presiune; 7 - electroventil acţionat prin element bimetalic; 8 - senzor de presiune al circuitului primar de alimentare; 9 - filtru de combustibil; 54

10 - pompǎ primarǎ de alimentare; 11 - radiator de rǎcire al combustibilului; 12 - circuit de strangulare; 13 - rezervor de combustibil cu controlul electronic al emisiilor vaporizante; 14 - pedalǎ electronicǎ de acceleraţie; 15 - senzor incremental al turaţiei motorului; 16 – senzor al temperaturii motorului; 17 - senzor de poziţie al axei cu came; 18 – senzor al presiunii din colectorul de admisie; 19 – debitmetru al aerului de admisie; 20 - senzor manometric al suprapresiunii de alimentare cu aer; 21 – electrovalvǎ EGR; 22 - canistra carbon şi electrovalva EGR; 23 - distribuitor EGR 2.2

Sistemul de management al transmisiei

Obiectivele principale ale utilizării sistemelor electronice de control al transmisiei sunt:  adaptarea optimă a motorului la rezistenţele de înaintare ale autovehiculului;  reducerea solicitărilor dinamice din transmisie;  creşterea puterii de tracţiune la roată, prin cuplarea treptei optime de viteză, în funcţie de drum şi în condiţiile creşterii economicităţii motorului şi reducerii nivelului de emisii poluante;  creşterea confortului conducătorului, prin reducerea efortului dep us la conducere. O cale necesar a fi îndeplinitǎ pentru realizarea acestor obiective este aceea de înlocuire a legǎturii mecanice dintre pedala de acceleraţie şi elementul de comandǎ asupra motorului cu una electricǎ, denumitǎ E-Gas (Electronik Gas-Pedal) dupǎ cum se ilustreazǎ în figura 2.29.

Fig.2.29 Managementul pedalei electronice de acceleraţie 1 – pedalǎ de acceleraţie; 2 - bloc electronic de poziţionare şi reacţie negativǎ; 3 - bloc electronic de condiţionare semnal 3a şi de interconectare cu sistemele conexe 3b; 4 - bloc electronic de comandǎ al motorului

2.2.1 Controlul electronic al ambreiajului Obiectivele principale ale utilizării controlului electronic al ambreiajului sunt următoarele: controlul precis al timpilor de cuplare/decuplare, de ordinul a 0,15…0,3secunde; asigurarea unei cuplări line, fără şocuri dinamice în transmisie; asigurarea momentului optim de cuplare la schimbarea vitezelor. O posibilǎ clasificare a ambreiajelor cu acţionare automatǎ, dupǎ modul lor de acţionare se prezintǎ dupǎ cum urmeazǎ:  convenţionale · cu comandă hidraulică; · cu comandă electropneumatică; · cu comandă electrică.  electrice · cu pulberi magnetice; · cu lichide electroreologice.  hidraulice (hidrodinamice).   

55

Controlul ambreiajului convenţional Ambreiajul convenţional, de regulă de tip cu arc diafragmă, se utilizează la cuplarea cutiilor de viteze automate cu etaje sau cu variaţie continuă a turaţiei. Un ambreiaj cu fricţiune de ultimǎ generaţie este acela cu autoreglare, denumit SAC (Self Adjusting Clutch), prezentat în figura 2.30 a, care este controlat printr-un senzor 1, care comandǎ jocul la decuplare necesar la acţionarea arcului diafragmǎ 3, autoreglabil în 12 paşi. Elementul de acţionare poate fi constituit din:  un cilindru hidraulic cu acţionare electrică, cum ar fi sistemul ACTS, dezvoltat de AP Borg&Beck;  un servomotor electric, cum este sistemul TEE 2000 dezvoltat de Valeo, ce poate realiza timpi de decuplare mai mici de 0,2 secunde, care se prezin tǎ în figura 2.30 b; pentru reducerea puterii necesare activării servomotorului, acesta este prevăzut cu un resort comprimat împotriva diafragmei ambreiajului;  electrovalvă, ce deschide un circuit pneumatic sau hidraulic, cum ar fi sistemul Ecomatic, dezvoltat de VW.

Fig.2.30 a) Ambreiajul SAC 1 - arc senzor; 2 - dispozitiv de reglare în 12 paşi; 3 - arc diafragmǎ. b) Acţionarea electricǎ a ambreiajului 1 - electromotor; 2 - arc de repoziţionare; 3 disc de fricţiune Un sistem modern de acţionare a ambreiajului a fost realizat de firma BMW şi este destinat echipǎrii tramsmisiilor secvenţiale de tip SGM II. Acesta constǎ dintr-un piston acţionat hidraulic 1, care înglobeazǎ şi senzorul de poziţie 2, care este un senzor inductiv de deplasare liniarǎ, dupǎ cum se ilustreazǎ în figura 2.31.

Fig.2.31 Elementul de execuţie al ambreiajului 1 - piston hidraulic; 2 - senzor de poziţie 56

Dezavantajele ce decurg din utilizarea sistemelor cu fricţiune uscată sunt:  la cuplarea de la mic la mare este necesar un timp de patinare, rezultând o energie disipată mare în elementele de cuplare, ceea ce duce la o fiabilitate scăzută;  la cuplarea de la mare la mic apar sarcini dinamice mari până la atingerea turaţiilor de sincronism, ceea ce duce la un confort redus. Durata de viaţă a unui sistem convenţional de cuplare este de circa 180.000…200.000 km parcurşi. Ambreiajul hidraulic Acest tip de ambreiaj, denumit şi hidroambreiaj, prezentat în figura 2.32 se poate utiliza atât în combinaţie cu transmisii neautomate, cât şi cu cele automate sau semiautomate. Constructiv, se deosebesc trei tipuri de ambreiaje hidraulice:  cu tor interior;  cu prag circular;  cu elementele pompei şi turbinei asimetrice.

Fig.2.32 Ambreiajul hidraulic şi caracteristica sa de funcţionare 1 - turbinǎ; 2 - pompǎ; 3 - moment de târâre; 4 - turaţia de mers în gol    

Avantajele oferite de acest tip de ambreiaj sunt: pornirea lină de pe loc a autovehiculului, datorită alunecării dintre pompă şi turbină; protejarea transmisiei de sarcini dinamice mari date de pornirea de pe loc, frânarea bruscă, oscilaţiile de torsiune ale arborelui cotit; protejarea motorului la suprasarcini, mai ales în cazul autovehiculelor grele; reducerea efortului de conducere, dar şi simplificarea manevrelor de conducere.

Ambreiajul electric Acest sistem utilizeazǎ pulberi metalice sau lichide electroreologice, care sub influenţa unui câmp magnetic trec în stare solidă (ER Fluid Development). Un ambreiaj cu pulberi metalice (Jaeger, Subaru) este prezentat în figura 2.33, împreunǎ cu principalele sale caracteristici de control.

57

Fig.2.33 Ambreiajul electric cu pulberi metalice 1 - element condus; 2 - miez magnetic; 3 - bobinǎ de comandǎ; 4 - element conducǎtor; 5 - întrefier cu pulberi; 6 - element condus Ambreiajul cu pulberi are o comportare dinamică similară celui hidraulic. Funcţionarea sa se bazează pe apariţia unor eforturi tangenţiale în întrefierul umplut cu pulberi 5, sub acţiunea câmpului magnetic, generat de bobina de comandă 3. Bobina de comandă 3 este activată direct de sistemul electronic de control al transmisiei, printrun etaj de putere, iar prin magnetizarea pulberii se realizează transferul de cuplu de la motor la transmisie într-o manieră lină, fără şocuri. Datorită faptului că pulberea se magnetizează, în perioadele de timp în care se schimbă vitezele transmiţându-se un cuplu rezidual la deconectare, pentru demagnetizarea pulberii se energizează bobina cu un curent invers.

2.2.2 Controlul transmisiei semiautomate

Prin utilizarea controlului electronic asupra transmisiilor cu etaje, devine posibilă comutarea treptelor de viteză fără acţionarea ambreiajului de către conducător. Această comutare se poate face pentru toate treptele în totalitate, sau pentru grupe de trepte (cazul transmisiei cu ambreiaj dublu). Pentru ilustrarea funcţionǎrii unui astfel de sistem, se prezintǎ în figura 2.34 schema bloc a transmisiei ACTS (Automatic Clutch and Throttle System), dezvoltat de firma AP Borg & Beck.

58

Fig.2.34 Transmisia semiautomată ACTS 1 - rezervor de ulei; 2 - pompǎ hidraulică, cu electrovalvǎ de control al presiunii; 3 - servomotorul clapetei de acceleraţie, cu senzor de deplasare; 4 - senzor turaţie motor; 5 - senzor turaţie arbore primar al cutiei de viteze; 6 - cilindru de decuplare a ambreiajului, cu senzor de deplasare; 7 - releu de aprindere; 8 - senzor poziţie treaptă de viteză; 9 - arbore selector de viteze; 10 - modul electronic de control; 11 - manetă schimbător de viteze; 12 - pedală electronică de acceleraţie Grila de selectare a treptelor de viteză este clasică, în “H”, însă sistemul utilizează controlul automat al ambreiajului şi al turaţiei motorului, asigurând comutarea fără şocuri a treptelor de viteză. Levierul este prevăzut cu un comutator-senzor al presiunii mâinii conducătorului, determinându-se astfel intenţia de schimbare a treptei de viteză. Odată schimbată treapta, senzorul de poziţie 8 transmite un cod digital, semnificând selectarea reuşită a pinionului respectiv, iar modulul electronic decide o eventuală reangajare a ambreiajului, acţionând asupra cilindrului de presiune 6.

Funcţionarea sistemului Pornirea motorului nu se poate face decât cu levierul de comandă în poziţia “NEUTRU”, în care se închide un comutator de inhibare, care transmite un semnal de validare către blocul electronic de calcul. După pornirea motorului, senzorul de poziţie a tijei cilindrului de comandă a ambreiajului 6, transmite un semnal de poziţie de repaus, pentru compensarea uzurii elementelor de fricţiune către modulul electronic, astfel stabilindu-se turaţia de mers în gol. La poziţionarea levierului în prima treaptă de viteză, modulul acţionează asupra ambreiajului, care va decupla motorul de transmisie, poziţie în care va rămâne până la apăsarea pedalei de acceleraţie, când va începe recuplarea lină, prin controlul patinării ambreiajului. În perioada de cuplare, modulul electronic modifică poziţia clapetei de acceleraţie cu ajutorul servomotorului 3, menţinând turaţia prescrisă de conducător prin poziţia pedalei de acceleraţie 12. Dacă se va selecta o treaptă nepotrivită, microprocesorul va atenţiona sonor conducătorul, iar cuplarea ambreiajului va fi inhibată până la găsirea treptei potrivite.

59

2.2.3 Sistemul de management integral al grupului motopropulsor Conlucrând cu unitatea electronicǎ a motorului printr-o reţea de transmisiune de date serialǎ, de tip CAN (Conected Area Network), transmisia automată selectează raportul de transmitere optim, ţinând cont de turaţia motorului, de rezistenţele la înaintare şi de viteza vehiculului, fără intervenţia conducătorului, singura acţiune a acestuia fiind aceea de selectare a regimului dorit de funcţionare a transmisiei. Pentru o cutie de viteze în trepte [83], aceste regimuri sunt notate P R N D, care se pot selecta în diferite moduri, dupǎ cum se aratǎ în figura 2.35, în care se exemplificǎ manevrele de comandǎ ale unui sistem Steptronic, incluzând şi varianta sportivǎ a acestuia.

Fig.2.35 Comenzile de selectare 1 - levier de schimbare în regim manual; 2 - P (Park) – transmisia este în punctul neutru, dar arborele de ieşire este blocat de sistemul de siguranţă; 3 R (Reverse) – este selectată o singură treaptă de mers înapoi, iar motorul este în priză de putere; 4 - N (Neutral) – la fel cu poziţia P, doar că arborele de ieşire nu este blocat; 5 - D (Drive) – poziţia normală pentru mers înainte; 6, 8 - comutare treaptǎ în jos, respectiv în sus; 7 - selectare regim Economic, respectiv Sportiv, ambele în douǎ trepte         

Posibilitǎţile oferite de astfel de sisteme [28] conduc la creşterea performanţelor privind: confortul sporit în conducere; accesul ergonomic al manevrelor; înaltǎ siguranţǎ în funcţionare la schimbarea treptelor; economicitate ridicatǎ asiguratǎ de douǎ programe specifice de funcţionare – Economic şi Extraeconomic; nivel scǎzut al zgomotului; alegerea unui program adaptiv de funcţionare în regim de iarnǎ, utilizând facilitǎţile controlului automat al tracţiunii; controlul automat al vitezei de croazierǎ, ACC (Automatic Cruise Control); sistem anticoliziune controlat prin radar; program adaptiv, cu recunoaşterea stilului de conducere oferit de programul – Sportiv şi Extrasportiv.

Acestǎ transmisie automatǎ, a cǎrei schemǎ bloc funcţionalǎ este ilustratǎ în figura 2.36 este reprezentativǎ pentru noile modele, managementul electronic fiind bazat pe corelarea mulţimii de date de intrare, culese de diferiţi senzori, cu cele înscrise în memoria de lucru a calculatorului, de tip EEPROM, cu posibilitatea ajustǎrii în timp a datelor iniţiale cu alte cuvinte, managementul transmisiei este unul de tip adaptiv.

60

Fig.2.36 Sistemul automat A5S440Z 1 - duratǎ injecţie; 2 - turaţie motor; 3 - deplasare unghiularǎ a clapetei de acceleraţie; 4 - temperaturǎ motor; 5 - intervenţie la motor, cu reducerea avansului la aprindere timp de cca 200ms; 6 - treapta de vitezǎ; 7 - schimbare treaptǎ „în sus”; 8 - comutator de poziţie KD; 9 - comutarea programului de schimbare; 10 - turaţie ieşire motor; 11 - temperatura aerului de admisie; 12 - turaţie turbinǎ ambreiaj; 13 semnal comutare electroventile; 14 - electroventile de acţionare; 15 - turaţie ieşire arbore secundar; 16 - temperatura uleiului din cutie       



 

 

Mărimile de intrare în sistemul automat sunt urmǎtoarele: sensul de rotaţie, detectat de un senzor incremental magnetic, la ieşirea din hidroconvertizor; viteza de deplasare, detectată de un senzor magnetic de turaţie, plasat pe arborele secundar al cutiei de viteze şi de sistemele adiţionale ABS/ASR/ACC; momentul dezvoltat de motor, sesizat indirect prin poziţia clapetei de acceleraţie, iar mersul în gol al motorului, de comutatorul acesteia; semnalul de inhibare, detectează poziţia manetei selectorului de regim de lucru într-o altǎ poziţie decât P sau N; memorarea treptei de viteză, se face prin apăsarea unui comutator situat în maneta selectorului; semnalizarea frânării, cu scopul eliberării hidroconvertizorului blocat în timpul frânării, pentru a se obţine decelerări line; controlul automat al vitezei, împreună cu semnalul de inhibare O/D previne alunecarea transmisiei în treapta a IV-a (supraturare), dacă viteza vehiculului este cu mai mult de 8 km/h sub viteza de croazieră selectată; temperatura aerului de admisie, semnal trimis de senzorul de temperatură din debitmetrul de aer al motorului, utilizat pentru a modifica presiunea de linie, în concordanţă cu vâscozitatea uleiului din transmisie; turaţia motorului, preluată de la sistemul de aprindere, sau cu a jutorul senzorilor inductivi; presiunea atmosferică, sistemul A5S440Z având implementat în memorie pragul de presiune atmosferică de 1500 m altitudine, peste care se schimbǎ treapta de viteză în sensul creşterii tracţiunii. Mărimile de ieşire ale sistemului activează urmǎtoarele elemente de execuţie: tensiunea de activare ON/OFF a electrovalvei de schimbare I-II, respectiv III-IV; tensiunea de activare ON/OFF a electrovalvei de selectare; 61

 



tensiunea de activare ON/OFF a electrovalvei de blocare a hidroconvertizorului; tensiunea de activare a electrovalvei pentru controlul alunecării ambreiajului. Această electrovalvă lucrează în mod ciclic, fiind alimentată cu o tensiune pulsatorie cu o frecvenţă de pânǎ la 30 Hz, continuu modificabilǎ pentru menţinerea unei valori prestabilite a alunecării; tensiunea de activare a electrovalvei regulatoare a presiunii de linie, alimentată la 30 Hz, frecvenţă modificabilǎ proporţional cu unghiul de deschidere al clapetei de acceleraţie. 2.3

Senzori

Grupul motopropulsor este abordat de cǎtre managementul modern ca un sistem automat, atât în întregul sǎu, cât şi pe diferitele subansamble componenete. Un sistem automat [39] este descris de o schemǎ bloc generalǎ, ilustratǎ în figura 2.37, unde se prezintǎ principalele elemente, grupate ca mǎrimi şi ca blocuri funcţionale, dupǎ cum urmeazǎ: Mǎrimi variabile în timp: Blocuri funcţionale: -de intrare, i(t); -regulatorul automat; -de ieşire, e(t); -elementul de execuţie; -de reacţie, r(t); -blocul de mǎsurare; -de eroare, er(t) = i(t) – r(t); -blocul de comparaţie. -de comandǎ, c(t); -de execuţie, m(t); -perturbaţii. Sistemul testeazǎ mǎrimea de ieşire cu ajutorul senzorilor şi a lanţului de mǎsurǎ aferent acestora, pe care o comparǎ cu mǎrimea de intrare (referinţa), cu scopul de a minimiza eroarea, prin intermediul elementelor de execuţie, denumite printr-un neologism, actuatori. Tipul de regulator (P, PI, PID, adaptiv etc.) caracterizeazǎ, în general tipul de sistem automat.

Fig.2.37 Schema bloc generalǎ a unui sistem automat Din multitudinea de senzori şi elemente de execuţie folosiţi în managementul grupului motopropulsor se descriu câteva din principalele elemente, dupǎ cum urmeazǎ: Senzorii de turaţie sunt larg utilizaţi pentru mǎsurarea turaţiilor urmǎtoarel or subansamble:  arborelui cotit al motorului;  arborelui cu came;  arborelui de intrare în cutia de viteze;  arborelui de ieşire din cutia de viteze;  roţilor. În general se utilizeazǎ douǎ tipuri de senzori de turaţie:  inductivi, cu reluctanţǎ magneticǎ variabilǎ;  cu efect Hall.

62

Sistemul de management al motorului, cum ar fi Motronic, utilizeazǎ senzorul de turaţie pentru calculul unghiului de avans şi a timpilor de injecţie. Astfel, ansamblul disc danturat-senzor, ilustrat în figura 2.38 a, furnizeazǎ 60 de impulsuri la o rotaţie, inclusiv un impuls de marcare a punctului mort superior al motorului generat de lipsa a doi dinţi, care foloseşte ca impuls de strobare a proceselor de calcul.

Fig.2.38 a) Amplasarea senzorului de turaţie pe motor. 1 - senzor; 2 - coroanǎ dinţatǎ; 3 - marcaj PMS; b) Principiul de funcţionare al senzorului de tip Hall; B - inducţia magneticǎ; Iv - curent de comandǎ; UH, IH - tensiunea, respectiv curentul Hall Efectul Hall este de naturǎ galvanometricǎ [43] şi constǎ în modificarea liniilor de câmp ale densitǎţii curentului de comandǎ Iv, care duce la modificǎri ale intensitǎţii câmpului electric dintr-o placǎ semiconductoare plasatǎ transversal într-un câmp magnetic B, produs de un magnet permanent, ilustrarea fenomenului fizic fiind prezentatǎ în figura 2.38 b. Tensiunea Hall UH, este datǎ de relaţia: UH=RHBiv/d, unde RH este constanta Hall, care este o caracteristicǎ de material. Diferenţierea între modurile de funcţionare ale celor douǎ tipuri de senzori se poate analiza în figura 2.39, unde în a) se prezintǎ vizualizarea semnalului generat de un senzor inductiv, cu marcarea PMS, cu precizarea cǎ la turaţii joase amplitudinea semnalului, aproximativ sinusoidal, poate scǎdea pânǎ la 0.3Vef, ceea ce face necesarǎ o prelucrare ulterioarǎ pentru a se obţine un semnal procesabil de cǎtre unitatea electronicǎ, pe când senzorul Hall furnizeazǎ un semnal rectangular, cu fronturi clare b), care sunt mai puţin supuse perturbaţiilor exterioare, apte de a fi procesate. În ambele cazuri, frecvenţa trenului de impulsuri este proporţionalǎ cu turaţia arborelui n şi cu numǎrul de dinţi ai discului z, şi este datǎ de relaţia: f = nz/60 [Hz].

Fig.2.39 Semnalul generat de un senzor de turaţie a) inductiv; b) de tip Hall

63

Senzorii de debit al aerului de admisie sunt utilizaţi de cǎtre managementul grupului motopropulsor pentru mǎsurarea indirectǎ a momentului dezvoltat de cǎtre motor şi se pot clasifica în douǎ mari grupe, dupǎ urmǎtoarele mǎrimi carcateristice:  debitul volumetric, proporţional cu viteza aerului v şi cu secţiunea conductei A Qv = dV/dt = d/dt(Al) = adl/dt = Av; 

debitul masic, proporţional cu densitatea aerului ρ Qm = dm/dt = d/dt(ρV) = ρQv.

Mǎsurarea debitului volumetric se reduce la mǎsurarea vitezei v de curgere a aerului printr-o secţiune cunoscutǎ, iar pentru mǎsurarea debitului masic este necesar a se cunoşte densitatea ρ; ambele mǎrimi fiind dependente de temperaturǎ se impune o corecţie cu aceasta, cu ajutorul unui senzor de temperaturǎ. Funcţionarea unui debitmetru volumetric de aer este ilustratǎ în figura 2.40 a, unde se prezintǎ un debitmetru cu corp plutitor sub forma unei aripi rabatabile, iar în figura 2.40 b este arǎtat un debitmetru masic, care funcţioneazǎ dupǎ principiul termoanemometriei, cu peliculǎ termicǎ.

Fig.2.40 a) Debitmetru volumetric de aer; 1 - reglaj amestec la mers în gol; 2 - clapetǎ de mǎsurǎ; 3 - opritor; 4 - clapetǎ de compensare; 5 - camerǎ de amortizare; 6 - senzor de temperaturǎ a aerului; b) Debitmetru masic de aer; 1 - element de încǎlzire; 2 - distanţier; 3 etaj electronic de ieşire; 4 - etaj formator; 5 - element sensibil Schema electricǎ de principiu a punţii de mǎsurǎ a unui termoanemometru cu temperaturǎ constantǎ este prezentatǎ în figura 2.41, unde tensiunea de ieşire, care va fi prelucratǎ de cǎtre ECU este datǎ de o relaţie de forma: U² = vo² +Kt v .

64

Fig.2.41 Termoanemometrul cu temperaturǎ constantǎ; R1, R5 - braţ de compensare termicǎ; R2 - senzor cu peliculǎ metalicǎ; R3, R4 - rezistenţe de calibrare la viteze nule, respectiv la viteze maxime Senzorii de temperaturǎ sunt utilizaţi pentru determinarea temperaturii aerului de admisie, a motorului, prin mǎsurarea temperaturii apei de rǎcire, a uleiului de ungere, pe baza cǎrora sistemul ia decizii asupra unghiului de avans, a duratei de injecţie etc. Dintre diferitele modalitǎţi de mǎsurare a temperaturii, sau impus în ultimii ani metodele de mǎsurare cu termistoare, datoritǎ avantajelor oferite de acestea faţǎ de alte metode (cu termorezistenţe sau termocupluri), şi anume:  domeniul de temperaturi –100...300ºC;  sensibilitate ridicatǎ;  variaţii mari ale rezistenţelor mǎsurate;  dimensiuni reduse, care duc la timpi de rǎspuns extrem de mici. Modul de variaţie al rezistenţei intrinseci a unui termistor este descris de o relaţie exponenţialǎ cu forma tipicǎ urmǎtoare: Rt = a·exp

b , t

unde a – constantǎ dependentǎ de forma şi dimensiunile termistorului; b – constantǎ caracteristicǎ materialului semiconductor utilizat şi care poate avea valori pozitive sau negative, dupǎ care termistoarele se pot grupa în douǎ categorii:  PTC – Pozitive Temperature Coeficient, care au o variaţie a rezistenţei pozitivǎ cu creşterea temperaturii;  NTC – Negative Temperature Coeficient, care au o variaţie a rezistenţei negativǎ cu creşterea temperaturii. Pentru exemplificare, se prezintǎ în figura 2.42 modul de variaţie al rezistenţei şi tensiunii de ieşire din puntea de mǎsurǎ a unui termistor de tip NTC.

65

Fig. 2.42 Variaţia rezistenţei intrinseci şi a tensiunii de ieşire în cazul unui NTC Senzorii de presiune sunt larg utilizaţi de cǎtre managementul grupului motopropulsor, care pe baza informaţiilor primite ia decizii privind furnizarea şi formarea amestecului carburant, recircularea gazelor arse, momentele optime de schimbare a vitezelor etc. şi mǎsoarǎ presiunea în urmǎtoarele puncte principale ale grupului motopropulsor:  presiunea aerului de admisie, cu ajutorul senzorilor de presiune absolut ǎ, numiţi MAP (Manifold Absolute Pressure), una dintre informaţii referinduse la altitudinea de funcţionare a grupului motopropulsor;  presiunile de lucru şi cele corectate din circuitele de alimentare cu combustibil;  presiunile de lucru şi cele corectate din circuitele hidraulice ale transmisiilor au tomate, semiautomate şi ale sistemelor ABS/ASR;  presiunile din circuitele sistemelor automate ale distribuţiei variabile, ale supraalimentǎrii sonice sau forţate, etc. Din multitudinea constructivǎ a senzorilor de presiune, se prezintǎ în figura 2.43 un senzor piezorezistiv de presiune absolutǎ, de largǎ întrebuinţare şi care face parte din clasa senzorilor inteligenţi.

Fig.2.43 Senzor de presiune absolutǎ; 1 - borne de ieşire; 2 - circuit de condiţionare a semnalulului; 3 - membranǎ piezoelectricǎ de mǎsurǎ; 4 - canal de aducţiune; 5 - corp de prindere Senzorii de deplasare sunt utilizaţi pentru mǎsurarea deplasǎrilor unghiulare, mai ales ale clapetei de acceleraţie, sau liniare – ale deplasǎrilor ambreiajului, levierelor de comandǎ ale cutiei de viteze, etc. În figura 2.44 a se prezintǎ un senzor de deplasare unghiularǎ, de tip potenţiometric, utilizat la mǎsurarea poziţiei clapetei de acceleraţie, unde se pot observa contactele 1 şi 4, care determinǎ regimurile tipice de funcţionare a motorului (mers în gol sau plinǎ sarcinǎ), iar în figura 2.44 b, un 66

ansamblu mecatronic, care reuneşte un element de execuţie electrohidraulic, pentru acţionarea unui ambreiaj cu fricţiune, cu un senzor de deplasare liniarǎ, de tip inductiv, al cǎrui element sensibil este un magnet permanent 2, care executǎ o mişcare de translaţie solidar cu pistonul de acţionare 1.

Fig.2.44 a) Senzor de deplasare unghiularǎ; 1 - contact KD; 2 - sector indexat; 3 - axul potenţiometrului; 4 - contact mers în gol; 5 - mufǎ de ieşire; b) Senzor de deplasare liniarǎ; 1 - piston; 2 - magnet permanent; 3 - bobinaj inductiv diferenţial; 4 - sensul de acţionare; 5 - mufa de ieşire Senzorii de detonaţie mǎsoarǎ vibraţiile blocului motor într-unul sau mai multe puncte, în momentele apariţiei regimurilor de ardere detonantǎ. Ei fac parte din categoria senzorilor piezoelectrici, o secţiune printr-un model reprezentativ fiind ilustratǎ în figura 2.45 şi furnizeazǎ un semnal, pe care ECU îl descompune în serie spectralǎ. Analiza spectrului Fourier determinǎ cu ajutorul unui filtru trece-bandǎ o componentǎ dominantǎ, carcateristicǎ fiecǎrui tip de bloc motor şi decide micşorarea unghiului de avans, în general cu 6 ºRAC, la o detonaţie singularǎ şi cu 12 ºRAC la detonaţii multiple [37].

Fig.2.45 Senzorul de detonaţii 1 - cablu de ieşire; 2 - carcasǎ de prindere; 3 - bloc de condiţionare al semnalului; 4 - element piezoelectric; 5 - masǎ inerţialǎ; 6 - suprafaţǎ de aşezare Senzorii λ închid bucla generalǎ de reacţie negativǎ în sistemele moderne de management a grupului motopropulsor prin mǎsurarea conţinutului de oxigen rǎmas nears în urma combustiei, fiind parte integrantǎ a sistemului de management şi conducând într-un final la reducerea emisiilor poluante. Senzorul λ de tip EGO (Exhaust Gas Oxigen senzor) are o caracteristicǎ de funcţionare de tip releu, prezentatǎ în figura 2.46 a, care în jurul valorii λ = 1, prezintǎ un salt de tensiune de aproximativ 1 V, care delimiteazǎ cele douǎ regimuri caracteristice de funcţionare a motorului, respectiv cu amestec bogat sau sǎrac. În figura 2.46 b se reprezintǎ variaţia aproximativ liniarǎ a unui senzor universal de oxigen, în al cǎrui construcţie se aflǎ oxizi de zirconiu, denumit UEGO (Universal Exhaust Gas Oxigen senzor), capabil sǎ reproducǎ pe o scarǎ a mǎrimilor electrice rapoarte de aer/combustibil de pânǎ la 35:1 (Mitsubishi MVV6), necesare în cazul arderii amestecurilor sǎrace.

67

Semnalul furnizat de un senzor λ de tip EGO este continuu comparat de cǎtre unitatea de control cu o valoare de referinţǎ stabilitǎ la 0.45 V, care reprezintǎ frontiera de separaţie marcatǎ de valoarea λ = 1.

Fig.2.46 Tensiunea generatǎ de senzorul λ a) Senzor EGO; b) Senzor UEGO O soluţie constructivǎ se prezintǎ în figura 2.47 a, unde se ilustreazǎ modalitatea de încǎlzire a senzorului, datoritǎ faptului cǎ acesta nu intrǎ în funcţiune decât la temperaturi de peste 350 ºC, iar în figura 2.47 b se artǎ modul de procesare al semnalului util, în jurul valorii λ = 1.

Fig.2.47 a) Senzorul λ; 1 - carcasǎ; 2 - inel ceramic; 3 - mufǎ de ieşire; 4 - carcasǎ de protecţie cu fanta de mǎsurǎ; 5 - element activ; 6 - contact electric; 7 - protecţie termicǎ; 8 - element de încǎlzire; 9 - contact de încǎlzire. b) Modul de variaţie al semnalului procesat 2.4

Elemente de execuţie

Reglarea unei anumite valori impuse sistemului automat este realizatǎ de cǎtre managementul grupului motopropulsor prin intermediul regulatorului, ca parte integrantǎ a schemei bloc ilustratǎ în figura 2.37, cu ajutorul elementelor de execuţie (actuatori), a cǎror posibilǎ clasificare poate fi urmǎtoarea:  bujii cu electrozi multipli sau cu ionizare;  elemente de încǎlzire bujii incandescente, pata caldǎ;  relee electrice sau neelectrice (termostate), mono sau multipoziţionale, temporizate sau nu;  elemente bimetalice de tip releu sau actuator;  injectoare pasive sau active, cu acţionare inductivǎ sau piezoelectricǎ;  electrovalve hidraulice sau pneumatice, cu o cale sau cu multiple cǎi;  electromotoare servomotoare, motoare liniare sau motoare pas-cu-pas;  cilindri de acţionare hidraulici sau pneumatici;  pompe de alimentare, de vacuum sau de înaltǎ presiune, hidraulice sau pneumatice.

68

Injectoare Dintre elementele de execuţie utilizate de managementul grupului motopropulsor, se enumerǎ principalele injectoare des folosite în diferitele echipǎri. Astfel, în figura 2.48 se ilustreazǎ cele douǎ tipuri reprezentative de injectoare – în a), un injector pasiv de benzinǎ, utilizat în sistemele de management de tip K sau KE, iar în b), un injector comandat pe cale electricǎ, al cǎrui structurǎ de bazǎ şi principiu de funcţionare sunt identice cu cele ale injectoarelor comandate electric, folosite în managementul motoarelor cu aprindere prin comprimare.

Fig.2.48 a) Injector pasiv; 1 - prindere de montaj; 2 - filtru ultrafin; 3 - corp injector; 4 - ansamblu pulverizator; 5 - sistem elastic de etanşare; b) 1 - duza de injecţie; 2 - acul injectorului; 3 - armǎturǎ; 4 - arc de revenire; 5 - bobinaj; 6 - mufǎ electricǎ; 7 - filtru ultrafin Sistemul de injecţie MONO utilizeazǎ un injector singular plasat în centrul sistemului de admisie de aer. Acesta este construit în tehnicǎ mecatronicǎ, formând un corp comun cu subsistemele de aer adiţional necesar mersului în gol şi reglajele cu presiunea atmosfericǎ. Aceste sisteme au fost dezvoltate începând de la sistemele Mono-Jetronic, figura 2.49 a, la unitǎţile integrate mecatronice realizate de firma Opel, figura 2.49 b.

Fig.2.49 a) 1 - regulator cu presiunea atmosfericǎ; 2 – senzor de temperatura aerului de admisie; 3 - corp injector; 4 - bloc superior; 5, 6 - intrare şi retur combustibil; 7 - placǎ izolatoare termicǎ; 8 - clapetǎ de acceleraţie; 9 - bloc de prindere pe motor cu aducţiunea de încǎlzire din circuitul de rǎcire; b) 1 - regulator cu presiunea atmosfericǎ; 2 - injector; 3,7 - retur, respectiv intrare combustibil; 4 - motor pas-cu-pas pentru controlul mersului în gol; 5 - aducţiune din colectorul de admisie, pentru reglarea cu altitudinea; 6 - clapetǎ de acceleraţie

Cilindrii de acţionare Din clasa elementelor de execuţie utilizate de cǎtre managementul grupului motopropulsor, categoria cilindrilor de acţionare a diferitelor subansamble (ambreiajul, frânele din cutia de viteze de tip planetar etc.) este cea mai versatilǎ. Spre exemplificare, se ilustreazǎ în figura 2.50 modul de schimbare a vitezelor într-o cutie automatǎ de viteze, notatǎ CV, de tip BMW-A5S440Z.

69

Fig.2.50 Ansamblul cilindrilor hidraulici şi senzorilor de poziţionare pentru acţionarea schimbǎtorului de viteze; 1, 3 - schimbare treaptǎ; 2, 4 - selectare treaptǎ cu cilindru bipoziţional Electromotoare La bordul unui autovehicul modern se pot numǎra cca 40 de electromotoare cu diferite funcţiuni, de diferite tipuri, din care se prezintǎ în figura 2.51 un servomotor de acţionare a by-passului aerului adiţional necesar funcţionǎrii motorului la regimul de mers în gol, cel mai des întâlnit în circulaţia urbanǎ. Sistemele moderne de management al aerului adiţional utilizeazǎ electromotoare pas-cu-pas, cu avantajul eliminǎrii informaţiei date de senzorul turaţiei motorului, servomotorul furnizând implicit poziţia de deschidere a vanei de aer.

Fig.2.51 Servomotorul de acţionare al aerului adiţional; 1 - mufǎ electricǎ; 2 - corp ansamblu; 3 - magneţi stator; 4 - rotor cuplat la ventil; 5 - intrare aer; 6 - ventil de obturare

70

Pompe Funcţionarea grupului motopropulsor este condiţionatǎ de existenţa pompelor de rǎcire, de ungere, de ridicare a presiunii combustibilului, de realizarea presiunilor necesare activǎrii el elementelor de schimbare de vitezǎ, implicit ale frânelor dintr-un sistem planetar al cutiei de viteze. În figura 2.52 se prezintǎ sistemul de control al presiunii de injecţie furnizat de o pompǎ de înaltǎ presiune destinatǎ alimentǎrii motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directǎ HDI (High Direct Injection).

Fig.2.52 Pompǎ de injecţie de înaltǎ presiune cu electrovalva de comandǎ, EV 1 – ax antrenare; 2 – camǎ; 3 – piston; 4 – supapǎ refulare

71