Elektricni i Elektronski Sistemi Na MV - Predavanja

Dr Dragan Taranović

Električni i elektronski sistemi na motornim vozilima

Skripta

Kragujevac, 2013.

1. ELEKTRONSKI UPRAVLJAČKI SISTEMI U MOTORNOM VOZILU Konkurencija, želje korisnika i zakonski propisi proizvođače vozila primoravaju na poboljšanje karakteristika postojećih modela i razvoj novih modela vozila. Osnovni zahtevi pri razvoju novih modela vozila su: - povećanje aktivne i pasivne bezbednosti vozila, - smanjenje potrošnje goriva, maziva i drugih fluida, - lakše upravljanje vozilom tako što se vozač oslobađa rutinskih poslova i pomaže mu se u pronalaženju najboljeg rešenja u kritičnim situacijama, - poboljšanje komfora vozača i putnika, - poboljšanje ekoloških karakteristika smanjem emisija vozila i korišćenjem ekoloških materijala u izradi vozila koji omogućavaju potpuno recikliranje na kraju upotrebnog veka vozila, - smanjenje troškova proizvodnje... Uvođenje složenih elektronskih sistema upravljanja omogućava da se realizuju vozila koja imaju bolje pogonske i upotrebne karakteristike. Redosled uvođenja elektronskih sistema na vozila kao i trend budućeg razvoja posebno u pogledu povećanja pasivne i aktivne bezbednosti vozila dat je na slici 1.1. Pasivna bezbednost Inteligentno adaptivno upravljanje Priprema za sudar Ojačanja Bočni vazdušni jastuk Automatski Bočna ojačanja poziv za pomoć Aktivni pojasevi

visok

Aktivna bezbednost

Nivo bezbednosti

Vazdušni jastuk

Autonomn a vožnja Sprečavanje sudara Kopilot na autoputu

Vožnja u koloni EMB & EMS Prinudno kočenje SbW (wb) Procena BbW (wb) Procena puta AB ACC

Deformacioni elementi Višeslojna stakla Sigurnosni pojas Bezbedni akumulato

BA ESP EBD ABS ETC

1960 ABC ABS ACC BAS BbW EBD

1970

1980

nizak 1990

2000

Aktivno upravljanje karoserijom Antiblokirajući sistem kočenja Adaptivno upravljanje vožnjom Sistem za pomoć pri kočenju Kočnica pomoću žice Elektronska raspodela sile kočenja (wb)

EMB ESP ETC SbW

2010

2020

…

Elektromehnička kočnica EMS Elektromehanički upravljač Elektronski sistem za stabilizaciju Sistem za sprečavanje proklizavanja Upravljač pomoću žice sa mehaničkom redundansom

Slika 1.1. Tendencije razvoja aktivne i pasivne bezbednosti

1

Svaki od mnogobrojnih elektronskih sistema upravljanja na vozilu ima niz različitih senzora i aktuatora i da bi vozilo funkcionisalo kao celina neophodno je da ti sistemi međusobno razmenjuju informacije. To uslovljava veoma složenu hardversku i softversku strukturu savremenih i budućih vozila. Na slici 1.2. je dat prikaz senzora koji se mogu koristiti na vozilu sa više elektronski upravljanih sistema počev od pogonskog agregata preko aktivne i pasivne bezbednosti do sistema za poboljšanje komfora. Pri tome nisu uzeti u obzir navigacioni i multimedijalni sistemi.

Slika 1.2. Senzori u sistemima na vozilu Celo vozilo može da se podeli na više veoma složenih podsistema. Na slikama 1.3. i 1.4. su date principske šeme sistema elektronskog upravljanja kočnim sistemom i motorom.

2

Slika 1.3. Principska šema upravljanja kočnim sistemom (ABS) Konvencionalan način prenosa i razmene podataka od tačke do tačke, pomoću individualnih linija odavno je dostigao svoje praktične limite. Kompleksnost žične instalacije na vozilima i veličine utičnica i konektora su već sada veoma teški za rukovanje. Ograničen broj pinova u konektorima takođe je usporio rad na razvoju elektronskih upravljačkih jedinica. Treba napomenuti i to da je na vozilu srednje veličine, ukupna dužina kablova veća od 1 km, ima oko 300 konektora i kućišta sa ukupnim brojem od oko 2000 pinova. Dakle, jedino rešenje je primena mrežnih sistema za prenos podataka i upravljanje. Široki spektar primene elektronskih komunikacionih sistema i sistema upravljanja u otvorenoj i zatvorenoj povratnoj sprezi, za različite funkcije na vozilu, učinio je da je od suštinskog značaja mrežno povezivanje pojedinačnih elektronskih upravljačkih jedinica. Klasični sistem prenosa podataka i upravljanja funkcijama vozila ima zvezdastu strukturu, prikazanu na slici 1.5, u kojoj postoji jedna glavna (master) upravljačka jedinica (GUJ), kao i više lokalnih upravljačkih jedinica (LUJ), senzora (S), i aktuatora (A), koje su sa GUJ povezane preko lokalne serijske ili paralelne veze. Obrada signala senzora i komande aktuatorima mogu biti realizovane u glavnoj mikroprocesorskoj upravljačkoj jedinici ili u odgovarajućem lokalnom upravljačkom sistemu.

3

Slika 1.4. Principska šema upravljanja funkcijama motora Zvezdasta konfiguracija upravljačkog sistema zahteva da glavni upravljački sistem ima mikroprocesor velike brzine da bi obradio sve informacije koje se slivaju u njega. Žičana instalacija za povezivanje senzora i aktuatora sa upravljačkim jedinicama je veoma složena, velike dužine, što otežava interakciju između različitih sistema a istovremeno ceo sistem je podložan smetnjama.

4

S 1

S 2

LUJ 1

LUJ 2

A 3

GUJ A 1 S 3

LUJ 3

A 2

S 4

Slika 1.5. Zvezdasta struktura sistema upravljanja Bolji kvalitet upravljanja vozilom postiže se primenom mreže, obično dvožične, na koju su priključene sve upravljačke jedinice sistema na vozilu, inteligentni senzori i inteligentni aktuatori, i kod koje se komunikacija odvija serijski. Šematski prikaz jedne takve mreže dat je na slici 1.6. U njoj ne mora da postoji glavna upravljačka jedinica. A1

S1

LUJ 3

LUJ 1

S3

S2

A4

LUJ 2

A3

LUJ 4

Slika 1.6. Mrežna struktura sistema upravljanja

5

2. ULAZNI ORGANI - DAVAČI I PRETVARAČI Ulazni organ ili član u mernim sistemima i u sistemima automatskog upravljanja je merni element ili uređaj koji daju informacije o kvalitativnim i kvantitativnim karakteristikama merene veličine, odnosno posmatranog objekta, stanja ili procesa. Taj prvi, polazni član mernog lanca naziva se merni davač. Njegov zadatak je da prima informaciju od posmatranog objekta, stanja ili procesa u obliku merene fizičke veličine i da je u skladu sa određenim prirodnim ili fizičkim zakonom pretvori u informaciju iste te ili neke druge fizičke veličine, u merni ili upravljački (obično električni, pneumatski ili hidraulični) signal pogodan za prenos i dalju obradu. Senzor - naziva se još detektor, pikap ili receptor - je deo mernog davača koji neposredno prima merenu fizičku veličinu i pretvara je u veličinu pogodnu za merenje, (na primer, pritisak, temperaturu, ubrzanje,...u pomeraj; temperaturu u otpornost ili elektromotornu silu i sl.). Ovaj elemenat je u direktnom kontaktu sa objektom merenja, izložen direktnom dejstvu merene veličine. Detektor, u širem smislu, je merni član koji može da ukazuje samo na prisustvo određene pojave, objekta, stanja ili procesa dajući informaciju o kvalitativnim ali ne obavezno i o kvantitativnim karakteristikama merene veličine. Iza senzora u najvećem broju slučajeva koristi se dodatni pretvarač koji izlaz senzora pretvara u željeni, najčešće električni, merni signal (na primer, pomeraj u promenu kapacitivnosti, induktivnosti, otpornosti ili napona). Senzor i pretvarač u konstruktivnom pogledu često čine jednu celinu koja predstavlja merni davač. Merni davač na taj način predstavlja opštiji i obuhvatniji pojam nego što su sam senzor ili pretvarač. Međutim, postoje slučajevi kada je senzor istovremeno i pretvarač merene veličine, koji na svom izlazu daje signal pogodan za prenos i dalju obradu, dakle kompletan davač (takvi su, na primer, termopar, termootpornik i sl.), ali i slučajevi kada su senzor i pretvarač odvojeni i ne čine fizičku celinu. Postoji više podela i klasifikacija mernih davača. Kriterijumi na osnovu kojih se ovi merni elementi mogu sistematizovati jesu, pre svega, način delovanja mernog elementa, vrsta izlaznog signala i sam princip merenja. Prema načinu delovanja, pre svega prema izvoru energije koju koriste za svoj rad, merni davači se mogu podeliti na pasivne (parametarskog tipa) i na aktivne (generatorskog tipa). Kod pasivnih davača (parametarskog tipa) promena ulazne veličine izaziva promenu nekog parametra na izlazu (otpornosti, induktivnosti, kapacitivnosti) zbog čega je potrebno da merni uređaj ima i pomoćni izvor energije. Aktivni davači (generatorskog tipa) generišu merni signal (struju, napon, količina elektriciteta) na bazi konverzije energije (mehaničke, toplotne i dr.) same merene veličine. Prema obliku signala na svom izlazu senzori mogu biti analogni ili digitalni. Analogni senzor merenu kontinualno promenljivu ulaznu veličinu pretvara u kontinualno promenljivu vrednost ili amplitudu na izlazu; koriste se gde je radi pokazivanja ili izračunavanja potreban kontinualni signal merene veličine. Digitalni senzor pretvara ulaznu merenu veličinu u diskretna stanja na svom izlazu; koriste se gde je merni signal potreban kao informacija o stanju. Prekidači kao izvršni organi kojima rukuje operator, koji daju informaciju o stanju ("uključeno" - "isključeno"), takođe predstavljaju digitalne senzore.

6

S obzirom na fizičke principe delovanja merni davači se mogu podeliti na: mehaničke, fluidičke (pneumatski i hidraulični), elektrokontaktne, elektrootporničke, elektromagnetske, galvanomagnetske, kapacitivne, piezoelektrične, fotoelektrične, termoelektrične i dr. S obzirom na prirodu fizičke veličine koju merni davač prima i pretvara u drugi oblik ( u slučaju elektronskih sistema za merenje i upravljanje merena neelektrična veličina se po pravilu pretvara u električni signal), i na svoju ulogu na motornim vozilima, merni davači se mogu razvrstati na davače pomeraja, položaja i ugaone brzine kolenastog vratila (KV) motora, na davače pritiska, protoka, temperature, ubrzanja i dr. Postoji više razloga zbog kojih se sve veći broj elektronskih elemenata i kola u okviru mernih i upravljačkih sistema koncentriše na merno mesto, integrišući se sa senzorom. To su, pre svega: * viši stepen obrade signala, čime se fizički i funkcionalno rasterećuje centralna jedinica; * potreba da više različitih podsistema koristi informaciju o jednoj istoj merenoj veličini a s tim u vezi i potreba prilagođavanja novim komunikacionim strukturama uz korišćenje sabirnice; * kompenzacija delovanja ometajućih uticajnih veličina i korekcija statičkih i dinamičkih karakteristika; * poboljšanje zaštite od smetnji; * samoprovera, dijagnostika i dr. Senzori sa većim stepenom obrade nazvani su inteligentni senzori. Poslednjih godina velika pažnja je posvećena istraživanjima u oblasti inteligentnih senzora (intelligent sensors), povezivanja senzora posredstvom sabirnica (bus-multiplex) i u oblasti mreža raspodeljenih senzora (Distributed Sensor Networks - DSN). Razvoj i primena mernih i upravljačkih sistema na motornim vozilima u stopu prati rezultate istraživanja u tim oblastima. S obzirom na izložene definicije treba imati u vidu da se u već ustanovljenim izrazima kao što su "inteligentni senzor" ili "mreže raspodeljenih senzora" radi uglavnom o mernim davačima ili, uslovno, o senzorima u širem smislu.

7

BEZ INTEGRACIJE

SIGNAL ANALOGNI

SENZOR

OSETLJIV NA SMETNJE

AOS A/D

DUM

1. STUPANJ INTEGRACIJE SENZOR(I)

ANALOGNI

VIŠESTRUKO PRIMENLJIV

AOS

2. STUPANJ INTEGRACIJE SENZOR(I)

KVAZIDIGITALNI

BUS

AOS A/D

IMUN NA SMETNJE

3. STUPANJ INTEGRACIJE SENZOR(I)

AOS A/D

DUM

A/D MALO OSETLJIV NA SMETNJE

DUM

DIGITALNI

µC

BUS IMUN NA SMETNJE

DUM

AOS - analogna obrada signala A/D – analogno-digitalna konverzija DUM – digitalni upravljački modul µC - mikrokontroler

Slika 2.1. Varijante integrisanja elektronskih kola sa senzorom Neke tipične varijante integrisanja elektronskih kola sa senzorom prikazane su na slici 2.1.

8

2.1 DAVAČI POLOŽAJA I UGAONE BRZINE Ugaoni položaj kolenastog vratila je jedna od najbitnijih informacija za upravljanje funkcijama motora SUS, kočenjem i transmisijom. Pored informacije o spoljnoj mrtvoj tački (SMT) radnih cilindara, koja je od esencijalnog značaja za određivanje momenta ubrizgavanja goriva i paljenja gorive smeše, ovaj davač daje i informaciju o trenutnoj ugaonoj brzini kolenastog vratila. Davačima ugaone brzine se određuje i brzina vozila, odnosno ugaona brzina svakog točka ponaosob. 2.1.1 OTPORNIČKI DAVAČI POLOŽAJA Najednostavniji davači su otpornički davači na bazi potenciometra koji neposredno pretvaraju ugaoni ili translatorni pomeraj u napon. Najkarakterističnija primena ovih davača je pri određivanju položaja prigušnog leptira pri usisavanju vazduha kod benzinskih motora. Principijelna šema je prikazana na slici 2.2.

Slika 2.2 Principska šema davača položaja leptira sa potenciometarskim otporničkim davačem

Slika 2.3. Neke realizacije potenciometarskih davača sa kontaktom punog otvora leptira

9

U sklopu davača položaja leptira vrlo često je integrisan kontakt punog otvora prigušnog leptira ili kontakt praznog hoda koji se koristi za promenu režima rada motora (puno opterećenje odnosno prazan hod) ili u sistemima automatske transmisije (kick dawn).

Slika 2.4. Karakteristika potenciometarskog davača sa kontaktom praznog hoda Provera ispravnosti ovih davača svodi se na merenje otpornosti ili napona na klizaču. Promena pri merenju mora da bude kontinualna a svaka skokovita promena pokazuje da davač nije ispravan. 2.1.2 INDUKCIONI DAVAČI Funkcionisanje indukcionog davača, prikazanog u sklopu s nazubljenim točkom kolenastog vratila (KV) na slici 2.5 pod a), zasniva se na principu elektromagnetske indukcije. Elementi prikazanog sklopa su: 1 – stalni magnet, 2 – polni nastavak magneta, 3 – namotaj davača i 4 – nazubljeni točak. Na istoj slici pod b) prikazan je izgled indukovanog signala.

a) b) Slika 2.5. Indukcioni davač ugaone brzine i repera u sklopu s nazubljenim točkom KV: a) struktura davača, b) indukovani signal Promena magnetskog fluksa, φ , koji obuhvata namotaj, proizvodi elektromotornu silu dφ . dt Prema tome, ovo je merni davač generatorskog tipa. Brzina relativnog kretanja namotaja i magneta može biti linearna ili ugaona. Kod ugaonog kretanja indukovana elektromotorna sila je dφ dφ dϕ dφ e=− =− ⋅ =− ⋅ω . dt dϕ dt dϕ e=−

10

Vrednost generisanog napona na taj način zavisi od ugaone brzine KV zbog čega je funkcionisanje ovog davača kritično u oblasti malih ugaonih brzina KV (malog broja obrtaja motora), posebno prilikom vučenja motora u ekstremno hladnim uslovima. Osim toga, u statičkim uslovima ovaj davač ne daje signal na svom izlazu. Ova vrsta davača se koristi u varijantama: ♦ kao posebni davači za ugaonu brzinu i položaj spoljne mrtve tačke (SMT), ♦ kao jedan davač za ugaonu brzinu i SMT. Dijagnostika davača vrši se prvenstveno proverom ispravnosti namotaja merenjem otpornosti namotaja. Izgled napona na dvaču kontroliše se pomoću osciloskopa i bitno zavisi od oblika zuba na nazubljenom točku. 2.1.3 OBIČAN TRANSFORMATORSKI DAVAČ Običan transformatorski davač ima primarni i jedan sekundarni namotaj, a, kako je pokazano na slici može biti linearan ili obrtni.

a) b) Slika 2.6. Transformatorski davač: a) linearni i b) obrtni Ako se zbog promene magnetomotorne (magnetnopobudne) sile u primaru (N1 I1), magnetski fluks u jezgru transforematora menja po sinusnom zakonu, φ = Φm ⋅ sin⋅ ωt , indukovana elektromotorna sila u sekundaru je dφ e = − N2 ⋅ = − N 2 ⋅Φm ⋅ ω ⋅ cos⋅ ωt , dt pri čemu je efektivna vrednost indukovane ems u sekundaru N ⋅ω ω us = 2 ⋅ Φm = ⋅ L12 ⋅ I 1 , 2

2

gde je: N 2 ⋅ Φ m = L12 ⋅ I 1 ,

L12 =

N1 ⋅ N 2 Rm

- međusobna (uzajamna) induktivnost spregnutih namotaja,

N1, N2 - brojevi navojaka primarnog i sekundarnog namotaja, Rm - magnetska otpornost (reluktansa). S obzirom da Rm zavisi od dimenzija i materijala od koga je davač napravljen postoji i širok spektar mogućnosti za pretvaranje neke fizičke neelektrične veličine u promenu međusobne induktivnosti i uopšte primenu ovakvih davača. Prema konstrukciji prikazanoj na slici 2.6.b, pored navedenih faktora od kojih zavisi vrednost međusobne induktivnosti, značajan uticaj ima i ugao α. Napon indukovan u sekundaru u ovom slučaju ima vrednost

11

us =

N2 ω 2

Φm sin α .

2.1.4 DIFERENCIJALNI TRANSFORMATORSKI DAVAČ Diferencijalni transformatorski davač, poznat kao LVDT (Linear Variable Diferential Transformer), pored primarnog ima i dva jednaka i simetrično postavljena sekundarna namotaja vezana u seriju i motana u suprotnim smerovima, na način kako je ilustrovano na slici 2.7.a) i šematski prikazano na istoj slici 2.7.b).

a)

b)

Slika 2.7. Diferencijalni transformatorski davač: a) prikaz delovanja, b) šematski prikaz Rezultujući napon u sekundaru je us = us1 - us2 Diferencijalni transformatorski davači posebno su pogodni za merenje malih mehaničkih pomereaja, a na taj način, indirektno, i za merenje mnogih drugih veličina. Vrlo često davači oovog tipa su sastavni deo drugih davača.

2.1.5 HALOV DAVAČ Halov davač (Hall generator) zasnovan je na Halovom efektu koji se sastoji u tome da se prilikom skretanja elektrona u magnetskom polju zbog Lorencovih sila vrši njihovo grupisanje i na taj način proizvodi razlika potencijala, odnosno napon UH , kako je to ilustrovano na slici pod a). Na istoj slici, pod b), dat je i grafički simbol ovog davača.

a)

b)

Slika 2.8. Halov generator: a) prikaz delovanja, b) grafički simbol Sam Halov elemenat sastoji se od poluprovodničke pločice na bazi slicijuma (Si), indijum arsenida (InAs), indijum antimonida (InSb) ili sličnih materijala. Na pločici se nalaze

12

priključci A1 i A2 na kojima se generiše napon UH u magnetskom polju indukcije B kada kroz pločicu protiče struja In preko priključaka K1 i K2. Kada se kroz Halov generator propusti konstantna struja napajanja In , a istovremeno ortogonalno deluje magnetsko polje indukcije B, zbog skretanja elektrona doći će do neravnomerne raspodele nosilaca elektriciteta. Saglasno prikazu na slici elektroni će se skupljati na priključku A1 a udaljavaće se od priključka A2. Na taj način na A1 se formira negativan, a na A2 pozitivan pol i između njih napon UH vrednosti reda mV. Osnovna jednačina Halovog efekta je K I B sin α UH = H n d gde je: KH - Halova konstanta (kod metala ima malu vrednost, KH ≅ 10 −9 m 3 /As ; kod poluprovodnika je veća za oko 5 redova veličina: kod indijum antimonida, InSb, KH ≅ 2,4 ⋅ 10 −4 m3/As, a kod indijum arsenida, InAs, KH ≅ 1,2 ⋅ 10 −4 m / As), B - vektor magnetske indukcije. α- ugao između vektora magnetske indukcije i vektora gustine struje. d - debljina pločice davača, Može se uočiti da za datu maksimalnu struju kroz pločicu svako smanjenje debljine d je praćeno odgovarajućim smanjenjem struje In. Na taj način maksimalni napon Halovog davača, imajući u vidu maksimalno dozvoljenu gustinu struje, ne zavisi od debljine pločice. Pri tome vrednost generisanog napona UH zavisi od vrste poluprovodničkog materijala, debljine pločice, intenziteta struje napajanja i vrednosti magnetne indukcije, a polaritet tog napona zavisi od smerova magnetnog polja i napojne struje. Ako se vrednosti tri navedena parametara, KH, In i d, održavaju konstantne, vrednost generisanog Hal-ov napon UH direktno je srazmeran vrednosti magnetne indukcije B. Zavisnost vrednosti napona na izlazu Halovog davača, UH, od relativnog položaja pločice davača u odnosu na stalni magnet prikazana je dijagramima na slici. U slučaju pod a) smer magnetskog polja je isti, a menja se samo intenzitet. U slučaju pod b) menjaju se i smer i intenzitet.

Slika 2.9. Zavisnost vrednosti napona UH od položaja pločice davača u odnosu na stalni magnet

13

Signal sa Hall-ovog davača je male amplitude i zbog toga je obično u sklopu davača i pojačavač koji pojačava signal na potreban nivo. Napon na izlazu davača postoji i kada davač i magnetsko polje miruju. Tipičan izgled napona sa Hall-ovog davača sa integrisanim pojačavačem kada se meri ugaona brzina prikazan je na slici 2.10. Sa 1 je obeležena gornja horizontalna linija koja je bliska naponu napajanja davača. Promene napona pod uticajem magnetskog polja, 2, treba da su vertikalne i oštre. Amplituda izlaznog napona, 3, treba da je bliska naponu napajanja. Donji nivo, 4, treba da je blizak masi.

Slika 2.10. Izgled napona sa Hall-ovog davača

2.2. DAVAČ KONCENTRACIJE KISEONIKA - LAMBDA SONDA Davač koncentracije kiseonika u izduvnim gasovima ili "lambda sonda" (naziva se još i "EGO - Exhaust Gas Oxigen sensor" ili prosto "O2 senzor") izvodi se najčešće kao davač generatorskog tipa na principu galvanske kiseoničke koncentracione ćelije sa poroznim platinskim elektrodama i čvrstim elektrolitom na bazi keramike od cirkonijum dioksida (ZrO2) sa dodatkom itrijum oksida (Y2O3) kao stabilizatora. Šematski prikaz konstrukcije lambda sonde oblika čaure, postavljene u izduvnoj cevi oto motora, dat je na slici 2.11. pod a). Na istoj slici, pod b), prikazana je ekvivalentna električna šema lambda sonde.

a) b) Slika 2.11. Lambda sonda: a) šematski prikaz konstrukcije, b) ekvivalentna električna šema Elementi označeni na slici su: 1 zaštitna porozna keramika, 2 spoljašnja porozna elektroda od platine, 3 keramičko telo od metal oksida (čvrsti elektrolit), 4 unutrašnja porozna elektroda od platine, 5 izduvna cev.

14

Spoljašnja elektroda od porozne platine u struji izduvnih gasova deluje kao katalizator obezbeđujući da se produkti nepotpunog sagorevanja, CO i CH, hemijski vezuju sa kiseonikom. Ako je goriva smeša bogatija, t.j. odnos vazduha i goriva ima veću vrednost, što znači da odgovarajući koeficijent sastava smeše λ ima manju vrednost (koeficijent sastava gorive smeše λ predstavlja odnos sastava gorive smeše prema idealnom sastavu gorive smeše pri kojem se vrši potpuno sagorevanje), više atoma kiseonika se u procesu katalitičke oksidacije izvlači iz čvrstog elektrolita gde predstavljaju negativne jone koji na toj elektrodi ostavljaju negativni tovar, zbog čega ona predstavlja katodu. Preko upražnjenih mesta atoma kiseonika u kristalnoj rešetki vrši se transport jona kiseonika. S obzirom na razliku koncentracije kiseonika na elektrodama na njima se javlja razlika potencijala, elektromotorna sila sonde, čija je vrednoast saglasno Nernst-ovoj jednačini p (O ) E s = K Ts ln v 2 p g (O2 ) gde su: R ≅ 0,0496 , 4F R – univerzalna gasna konstanta, F – Faradejev broj, Ts – apsolutna temperatura keramike, pv (O2) – parcijalni pritisak kiseonika u vayduhu, pg (O2) – parcijalni pritisak kiseonika u izduvnim gasovima. K=

Statička radna karakteristika lambda sonde, UL = f(λ), pri radnoj temperaturi 600 oC, prikazana je na slici 2.12.a). Kako se sa slike vidi, u oblasti stehiometrijske gorive smeše (za λ=1, odnosno za odnos vazduh / gorivo = 14,65) napon lambda UL sonde se menja skokovito. U odnosu na primene lambda sonde u sistemima za upravljanje sastavom gorive smeše kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem postoje i primene kod kojih se kontinualno meri koncentracija kiseonika u gasovima – produktima sagorevanja, kao na delu karakteristike prikazanom na slici 2.12.b).

a) b) Sllika 2. 12. Statička karakteristika lambda sonde Napon na lambda sondi dobija se tek kada se sonda zagreje na temperaturu veću od 300 C i u tom intervalu nije moguća regulacija sastava gorive smeše. Da bi se brže postigla o

15

radna temperatura lambda sonda se greje pomoću grejača koji je integrisan u isto kućište, kao što je prikazano na slici 2.13.

2.13. Lambda sonda sa grejačem Planarna širokopojasna lambda sonda je davač sa dve ćelije čija modularna konstrukcija na bazi planarne tehnike, prikazana na slici 2.13.a), omogućuje integrisanje više funkcija. Kombinacija senzorske Nernstove koncentracione ćelije s ćelijom za injektovanje transportnih jona kiseonika omogućuje tačno merenje ne samo u tački λ = 1 (detekciju stehiometrijske smeše), već, takođe, i u oblastima bogate (λ < 1) i siromašne (λ > 1) gorive smeše.

a) b) 2.14. Planarna širokopojasna lambda sonda: a) konstrukcija, b) statička karakteristika Ip = f(λ) Elementi prikazane konstrukcije su: 1 ćelija za injektovanje, 2 difuzioni kanal, 3 senzorska ćelija, 4 referentni kanal za vazduh, 5 grejač, 6 ispitivani gas. Primena ovakvog davača podrazumeva i postojanje odgovarajućih elektronskih kola za senzorsku i injekcionu ćeliju sa injekcionom strujom Ip na izlazu, a takođe i upravljačku elektroniku za regulaciju temperature senzorskog elementa. Na taj način moguća je primena ovog davača u širokom opsegu koncentracija kiseonika ( od 0,1 do 10 %), odnosno od λ < 1 do λ > 1, praktično za upravljanje radom dizel motora, upravljanje radom oto motora u oblasti siromašne smeše, motora s pogonom na tečni gas i dr. Dijagnostika ispravnosti rada lambda sonde moguća je pri radu zagrejanog motora kada se posmatra izgled napona na lambda sondi i upoređuje sa referentnim izgledom napona. Frekvencija oscilacija napona lambda sonde zavisi od broja obrtaja motora.

16

Slika 2.15. Provera ispravnosti lambda sonde i tipičan izgled napona na lambda sondi

17

2. 3. DAVAČI PROTOKA VAZDUHA Ovi merni pretvarači obezbeđuju informaciju o masenom protoku vazduha koja je bitna sa stanovišta programiranog upravljanja sastavom gorive smeše. Poseban problem pri merenju protoka vazduha predstavlja vrlo veliki dinamički opseg promene protoka koji iznosi 30:1. Merenje zapreminskog protoka vazduha u vozilima svodi se na merenje brzine strujanja vazduha v u cevi površine poprečnog preseka S jer je Qv= v S.

2.3.1. DAVAČ PROTOKA SA KLAPNOM Princip merenja protoka pomoću davača s klapnom je na slici 2.16.

Slika 2.16. Davač protoka s klapnom Fluid koji se kreće kroz cev ili kanal deluje na pomična klapnu (1) obrtnim momentom kome se suprotstavlja moment spiralne opruge (2) i moment zbog težine same klapne. Zavisno od brzine protoka fluida v ravnoteža se uspostavlja pri nekom uglu otklona klapne α od vertikalnog položaja. Vrednost dinamičkog pritiska koji deluje na klapnu data je izrazom v2 , 2 gde je k - koeficijent otpora, a odgovarajuća sila koja deluje na klapnu je pd = k ρ f

Fd = p d S = k S ρ f

v2 , 2

pri čemu je S = S0 cos α - efektivna površina krilca čija je ukupna površina S0 . Klapna je spregnuta s pogodnim davačem - mernim pretvaračem ugaonog pomeraja, kao što je, na primer, potenciometar (3), pokazan na slici 2.17.

18

1. Zavrtanj za podešavanje sastava smeše pri praznom hodu, 2.Merna klapna, 3. Graničnik, 4. Kompenzaciona klapna, 5.Prigušna komora, 6. Davač temperature vazduha

Slika 2.17. Davač protoka sa klapnom na automobilu Izlazni napon sa davača dobija se sa potenciometra kao što je prikazano na slici 2.18.

Slika 2.18. Potenciometarska sprega davača protoka vazduha Željena statička karakteristika pri merenju može se postići izborom pogodne karakteristike potenciometra. Merenje protoka vazduha pomoću davača sa klapnom se praktično više ne koristi u savremenim vozilima. 2.3.2. ANEMOMETARSKI DAVAČ PROTOKA Merenje masenog protoka fluida pomoću anemometarskog davača protoka, anemometra, zasniva se na odvođenju toplote sa užarene žice (ili filma) u zavisnosti od brzine protoka fluida. Davač se sastoji od tanke žice (niti) dužine oko 5 mm i prečnika 5 do 10 μm, obično od platine, od volframa, nikla ili od odgovarajuće pogodne legure. U novije vreme umesto grejane žice koristi se metalni film koji se formira naparavanjem metalnog sloja na podlogu od keramike ili kvarca. Izgled anemometarskog davača pokazan je na slici 2.19.

19

a) b) Slika 2.19. Anemometarski davač, a) s užarenom niti, b) s metalnim filmom Anemometri s metalnim filmom imaju bolje mehaničke osobine i pouzdaniji su od užarene niti. Anemometri, uopšte, omogućuju dinamičko merenje brzine protoka s velikom brzinom odziva. Odvođenje toplote sa anemometra zavisi od brzine gasa v, razlike temperature užarene niti ili filma i temparature gasa, θ - θ0, i od fizičkih svojstava gasa (toplotne provodnosti λ, cpecifičnog toplotnog kapaciteta c i gustine ρ. Za merenje protoka gasovitih fluida anemometrom u praksi se široko koristi metoda konstantne temperature. Praktična izvođenja anemometra s konstantnom temperaturom koriste automatsko uravnotežavanje mosta uz pomoć pojačavača velikog pojačanja koji preko kola povratne sprege napaja merni most anemometra. Šematski prikaz anemometra s konstantnom temparaturom dat je na slici.

1.Hibridna elektronska ploča, 2.Poklopac, 3.Metalni nosač, 4.Cev satoplom žicom 5.Kućište, 6.Zaštitna mrežica, 7.Zaptivni prsten

Slika 2.20. Anemometar s konstantnom temperaturom Otpornici R1, R2, Rk u mostu imaju veliku otpornost. Na izlazu pojačavača dobija se struja Ih koja vrši zagrevanje žarne niti otpornosti R(θ) uravnotežavajući most pri različitim brzinama protoka fluida. Pri povećanoj brzini protoka fluida, zbog povećanog odvođenja toplote, temperatura θ i otpornost žarene niti R(θ) teže da se smanje zbog čega se naruši ravnoteža mosta. Izlazni napon mosta se pojačava čime se povećava struja grejanja žarene niti, Ih, njena temperatura θ ponovo dostiže nazivnu vrednost θn i most se vraća u stanje blisko ravnotežnom. Promena temperature fluida θf kompenzira se termoosetljivim kompenzacionim otpornikom Rk.. Pad napona Ui na mernom otporniku R3 u grani mosta predstavlja meru brzine strujanja fluida. Ovom metodom mogu se meriti brzine protoka od 0,5 cm/s.

20

2.4. DAVAČI DETONACIJA Davač detonacija po svojoj konstrukciji sastoji se od piezokermičkog elementa i seizmičke mase sa oprugom, kako je prikazano na slici. To je davač generatorskog tipa koji generiše signal (promenu električnog tovara) samo u uslovima udara i vibracija ali ne i pri statičkim uslovima.

1.Zaptivna masa, 2. Piezokremika, 3.Kontakti, 4.Električni priključak

Slika 2.21. Davač detonacija Zbog generisanja električnog tovara odgovarajući pojačavač mora da ima veliku ulaznu otpornost. Piezoelektrični efekat je svojstvo izvesnih dielektričnih materijala da se pri njihovom mehaničkom opterećenju, odnosno elastičnom deformisanju kristalne rešetke, na određenim površinama javlja električni naboj - otkrili su braća Pjer i Žak Kiri (Curie) 1880. godine, ispitujući osobine kvarca. Ovaj, direktni piezoelektrični efekat, predstavlja oblik konverzije mehaničke energije u električnu; kada se piezoelektrični materijal podvrgne mehaničkoj deformaciji na njegovoj površini se generiše određena količina elektriciteta. Inverzni piezoelektrični efekat se manifestuje kao mehanička deformacija piezoelektričnog materijala kada se taj materijal nalazi u električnom polju. Piezoelektrični efekti imaju polarizujući karakter t.j. sa promenom predznaka pobude menja se i predznak odziva. Ako, na primer, delujuća sila menja smer, generisani elektricitet će da promeni polaritet. Osim toga, pored primarnog, direktnog ili inverznog efekta, istovremeno se javlja i, najčešće zanemarljivo mali, suprotan, sekundarni, respektivno inverzni, odnosno direktni efekat. Na primer, kod mehanički opterećenog piezoelektričnog materijala, zbog generisanog elektriciteta, istovremeno se javlja i električno polje koje uzrokuje inverzni piezoelektrični efekat u suprotnom smeru, odnosno sekundarno deformisanje piezoelektričnog materijala. Najpoznatiji prirodni piezoelektrični materijali su: kvarc (SiO2), senjetova so (kalijumova i natrijumova so vinske kiseline) i turmalin. Najpoznatiji sintetizovani, veštački polarizovani piezoelektrični materijali su barijum titanat (BaTiO3), olovo cirkonat (PbZnO3), poznati pod zajedničkim nazivom piezokeramika, litijum niobat (LiNiO3) i dr. U električnom pogledu piezoelektrični materijali predstavljaju izolatore, a odgovarajući merni davači proizvode se u obliku pločastog kondenzatora i odlikuju se malim

21

dimenzijama, malim intenzitetom otkaza i velikom osetljivošću. Osim toga, piezoelektrični elementi su i dobri generatori napona (i do 100 kV). Merni elementi na bazi piezoelektričnog materijala su davači generatorskog tipa. Količina elektriciteta Q generisana na elektrodama piezoelektričnog mernog davača, koje se formiraju metalizacijom naspramnih površina piezoelektričnog materijala, pri statičkoj deformaciji relativno brzo se prazni preko sopstvene provodnosti samog davača i priključnih veza kao i preko ulazne otpornosti mernog pojačavača i pokazivača. Zbog toga se piezoelektrični merni davači koriste samo za dinamička merenja.

2.5. DAVAČI TEMPERATURE Ovi merni pretvarači daju podatke o temperaturi usisavanog vazduha, temperaturi rashladnog fluida, temperaturi putničkog prostora, spoljašnjoj ambijentalnoj temperaturi... koji se koriste u sistemima upravljanja funkcijama vozila. Davači temperature na automobilu se izvode termoparovi, linerani temperaturno zavisni otpornici na bazi platine i nikla, poluprovodnički PTC termistori ali najširu primenu imaju poluprovodnički PTC i NTC termistori. Poseban problem u vezi sa primenom termistora u sistemima upravljanja predstavlja nelinearnost njihove karakteristike R = f(θ). Linearizacija se vrši hardverski pomoću dodatnih otpornika ili sofverski numeričkom linearizacijom ili pomoću tablica za preračunavanje. Termistori se najčešće koriste u sklopu razdelnika napona sa jednim predotpornikom kojim se može delimično linearizovati njegova karakteristika. Provera ispravnosti termistorskog davača temperature vrši se merenjem otpornosti davača na poznatim temperaturama i upoređivanjem izmerenih vrednosti sa fabričkim podacima.

Slika 2.22. Presek davača temperature i karakteristika NTC termistora

22

2.6. DAVAČI PRITISKA Ovi merni pretvarači su od posebnog značaja za upravljanje funkcijama motora. Po svojoj funkciji dele se na: - davače apsolutnog pritiska u usisnom kolektoru (MAP), koji se koriste za određivanje protoka vazduha u sistemima ubrizgavanja goriva po konceptu brzina/gustina; - davače potpritiska u usisnom kolektoru koji se koriste za određivanje opterećenja motora pri regulaciji ugla pretpaljenja u sistemu za paljenje; - davače apsolutnog atmosferskog pritiska koji se koriste za korigovanje recirkulacije izduvnih gasova i visinsku kompenzaciju. Aneroidni MAP davač na bazi linearno promenljivog diferencijalnog transformatora prikazan je na slici 2.23.

Slika 2.23. Aneroidni davač pritiska Aneroidni potenciometarski davači su najstariji i najjednostavniji davači apsolutnog pritiska koji se sastoje od aneroidne kapsule koja je u sprezi sa potenciometrom. Piezootpornički MAP davači se najviše koriste. Izrađuju se od poluprovodnika obično ¨n¨ tipa. Vezani u mosnoj spregi ovi davači se koriste za merenje deformacija aneroidne kapsule koje su direktno zavisne od pritiska.

Slika 2.24. Poluprovodnički davač pritiska

23

Provera ispravnosti davača pritiska vrši se merenjem izlaznog napona kada se na priključak davača dovede poznati vakuum dobijen pomoću vakuum pumpe.

2.7. DIGITALNI DAVAČI Vrstu apsolutnog digitalnog davača predstavlja elektromehanički A/D konvertor koji pomeraj (translatorni ili ugaoni) kao analognu veličinu na svom ulazu direktno pretvara u digitalni podatak u nekom od uobičajenih kodova. Osnovni deo translatornog kodera je binarno kodirani merni lenjir spregnut sa pomičnim objektom, a obrtnog kodera je kodni disk spregnut sa vratilom čiji se ugaoni položaj meri. Kodni lenjir je podeljen na paralelne trake, a kodni disk na koncentrične prstenove, čiji broj odgovara broju bitova i sa segmentima čiji raspored odgovara primenjenom kodu. S obzirom na konstrukciju translatorni i obrtni koder mogu biti kontaktnog tipa - sa kliznim kontaktima (četkicama) i provodno/neprovodnim segmentima raspoređenim po trakama lenjira odnosno po prstenovima na disku, optičkog tipa - sa optoelektronskim očitavanjem i providnim/neprovidnim segmentima i magnetnog tipa sa magnetnim glavama i magnetno zasićenim segmentima na disku. Koderi beskontaktnog tipa, imaju bolje karakteristike u odnosu na kontaktne kako u pogledu veka trajanja, tako i u pogledu maksimalne brzine lenjira odnosno ugaone brzine diska. Na slici 2.25 a) prikazan je 4-bitni kodni lenjir sa 4 traga koji odgovaraju vrednostima 0 1 2 , 2 , 22 i 23 , a na istoj slici pod b) i 4-bitni kodni disk sa 4 prstena od periferije prema osi respektivno. Elementi za detektovanje segmenata (klizne četkice, fototranzistori odnosno magnetne glave) postavljeni su strogo u liniji, odnosno na istom radijusu.

a)

b)

Slika 2.25. Četvorobitni binarni koder: a) kodni lenjir, b) kodni disk Sa četiri traga na lenjiru moguće je razlikovati ukupno 23 = 16 vrednosti s rezolucijom do 1 μm, a sa istim brojem prstenova na disku moguće je razlikovati ukupno 16 vrednosti punog ugla s rezolucijom 2π/16 rad. Međutim, broj traka odnosno prstenova može biti 8, 10, 12 do 30 čime se postiže rezolucija znatno bolja nego kod mnogih analognih davača slične namene. Tipični komercijalni obrtni koderi su 14-bitni, sa 14 prstenova i s rezolucijom 2π/(214) = 0,1 10-3 π = 0,020 ∠. Obrtni koder kao digitalni davač ugaonih pomeraja koristi se u opsegu 0 ÷ 3600∠, a u kombinaciji dva kodna diska može da meri i preko 1000 punih obrtaja. U slučaju primene binarnog koda moguće su grube greške zbog nepreciznog pozicioniranja elemenata za detekciju segmenata na disku. Na primer, moguće je da se između vrednosti 0 0 1 1 = 310 , kojoj u datom slučaju odgovara ugao 0,375 π rad. (67,50 ∠) i

24

vrednosti 0 1 0 0 = 410 , kojoj odgovara 0,5 π (900 ∠), očita vrednost 0 1 1 1 = 710 , kojoj odgovara ugao 0,875 π (157,50 ∠). Ova mogućnost se eliminiše primenom binarno cikličnog (Grej-ovog) koda čija je bitna karakteristika da se kodovi dva susedna broja međusobno razlikuju samo za po jednu binarnu cifru. U tom slučaju i eventualna greška može imati vrednost samo jednog numeričkog znaka. Na slici 2.26 a) prikazan je obrtni koder na bazi Grejovog koda, a pod b) prevodioc iz Grejovog u binarni kod izveden pomoću ISKLJUČIVOG ILI logičkog kola. D 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

BINARNI 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

GREJOV 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

a) b) Slika 2.26. Koder s Grejovim kodom i prevodioc iz Grejovog u binarni kod Primenom operacije numeričkog diferenciranja obrtni koder može da obavlja i funkciju tahogeneratora s digitalnim izlazom.

25

3. IZLAZNI – IZVRŠNI ORGANI I POKAZIVAČI U elektronskim sistemima merenja i upravljanja na motornim vozilima kao izlazni organi koriste se različite vrste elektroventila, servomotori, koračni motori, indukcioni kalemi, releji, svetlosni i zvučni signalni uređaji i dr. Izlazni član sistema upravljanja čiji je zadatak da neposredno utiče na objekat ili proces upravljanja naziva se izvršni organ ili aktuator.

3.1. ELEKTROVENTILI ZA UBRIZGAVANJE – BRIZGALJKE Brizgaljka predstavlja izvršni organ koji služi za intermitentno ubrizgavanje – raspršivanje goriva koje se na taj način dovodi na ulaz – otvor usisnog ventila (kod MPI sistema ubrizgavanja) ili u usisni kolektor (kod SPI sistema), a na taj način i u cilindre motora ili direktno u cilindar motora. Skica brizgaljke koja se koristi kod MPI sistema ubrizgavanja pokazana je na slici 3.1.

1. Kalibrisana mlaznica, 2. Igla, 3. Armatura, 4. Povratna opruga, 5. Namotaji solenoida, 6. Električni priključak, 7. Sito, 8. Telo ventila, 9. Kućište brizgaljke

Slika 3.1. Brizgaljka

Upravljački naponski impuls trajanja ti u namotaju brizgaljke obrazuje magnetsko polje koje deluje na kotvu podižući iglu brizgaljke za oko 50 mm iz njenog sedišta i na taj način otvarajući kalibrisanu mlaznicu. Podrazumevajući da su fizička svojstva goriva (viskoznost, gustina) nepromenljiva i da regulator pritiska održava konstantan pritisak goriva, količina ubrizganog goriva isključivo zavisi od vremena otvorenosti brizgaljke te. Količina ubrizganog goriva izražava se preko dinamičkog protoka qdin u gramima za 1000 radnih taktova motora ili u miligramima za jedan radni takt: q din = (Q st 60) Δt e

gde su: Qst, g/min – ustaljeni protok koji reprezentuje kapacitet brizgaljke,

26

∆te, ms – vremenski interval,efektivno vreme (trajanje) brizganja. Prema oznaci na dijagramu, slika 3.2, koji predstavlja karakteristiku dinamičkog protoka brizgaljke, ∆te = ti – ts , gde su: ti, ms – vreme trajanja pobudnog naponskog impulsa, ts, ms – vreme kašnjenja (odziva) brizgaljke,

Slika 3.2 Karakteristika dinamičkog protoka brizgaljke Minimalni dinamički protok brizgaljke je q din. min = (Q st 60) Δt 5 , gde je Δt5 =Δte min = timin – ts – minimalno dozvoljeno efektivno trajanje brizganja pri odstupanju realne karakteristike od idealne za ≤ 5 %. Maksimalna vrednost dinamičkog protoka je: q din max = (Q st 60) Δt e max , gde su: Δte max = ti max – Δts – maksimalno dozvoljeno efektivno trajanje brizganja, ti max = T – Δt , T, ms – vreme ponavljanja (perioda) pobudnih impulsa brizgaljke, Δt, ms – vreme neaktivnosti brizgaljke između dva pobudna impulsa (Δt ≥ 1 ms). Uključenje brizgaljki u određenim vremenskim intervalima vrši se pomoću brzih prekidačkih tranzistora koji su sastavni deo elektronske upravljačke jedinice (slika 3.3). Prekidački tranzistori mogu biti integrisani u pogonski poluprovodnički sklop koji

27

istovremeno vrši dijagnostiku ispravnosti brizgaljki merenjem struje koja teče kroz uključenu brizgaljku odnosno napona kada je brizgaljka isključena. Električna provera ispravnosti brizgaljki vrši se prvo proverom ispravnosti namotaja solenoida brizgaljke merenjem otpornosti namotaja solenoida.

Slika 3.3. Električna šema upravljanja radom brizgaljki Merenje ispravnosti brizganja goriva može se vršiti na probnom stolu tako što se dovede napajanje gorivom na brizgaljku a zatim se brizgaljka otvori električnim signalom. Može se tada izmeriti statički protok brizgaljke a vizuelno utvrditi oblik raspršivanja goriva. Brzo utvrđivanje kvaliteta brizganja može se ispitati metodologijom prikazanom na slici 3.4.

Slika 3.4. Ispitivanje brizgaljki a) curenje, b) protok goriva

28

3.2 REGULACIONI PULZIRAJUĆI ELEKTROVENTIL Kao izvršni organ za upravljanje protokom para iz kanistera u usisni kolektor u fazi ispiranja aktivnog uglja koristi se pulzirajući elektroventil. U principu, zavisno od pobude i odgovarajućeg položaja zasuna / kotve elektromagneta elektroventil može da ima dva radna stanja, da bude otvoren ili zatvoren. Pobuđujući namotaj elektroventila impulsima učestanosti f i menjajući odnos između vremena otvorenosti ventila to i vremena zatvorenosti tz, odnosno menjajući relativno trajanje otvorenosti (duti cycle) t t τ = o = o = f to , to + t z T može se menjati i protok fluida kroz elektroventil.

1. Priključne cevi, 2. Nepovratni ventil, 3. Povratna opruga, 4. Zaptivač, 5. Kotva solenoida, 6. Ležište zaptivača, 7. Kalem solenoida

Slika 3.5. Regulacioni pulzirajući elektroventil

Srednji zapreminski protok fluida (para) koji se pri tome ostvari je t qv = µ p qe o , T gde su: mp – koeficijent pulzirajućeg protoka, µo 2∆p qe = – efektivni protok kroz suženje u sedištu ventila, 2 ρ 1−ξ mo – koeficijent kontrakcije strujnica fluida, x – odnos suženja, Δp – razlika pritisaka fluida na suženju, r – gustina fluida. Odgovarajući srednji maseni protok fluida je: qm = qv ρ .

29

Primenom impulsno širinske modulacije (Pulse Width Modulation – PWM) učestanosti oko 10 Hz na ovaj način se može ostvariti regulacija protoka fluida u granicama od oko 10 % do 90 %.

1. Filter za vazduh, 2. Usisni kolektor, 3. Izlaz ka motoru, 4. Regeneracioni ventil, 5. Ventil za uključenje, 6. Filter sa aktivnim ugljem, 7. Rezervoar, 8. Čep rezervoara, 9 Senzor pritiska

Slika 3.6. Tipična primena solenoidnih elektroventila

3.3. INDUKCIONI KALEM Indukcioni kalem je izvršni organ u baterijskim sistemima paljenja čiji je zadatak da obrazuje varnicu na svećici koja ima ulogu varničara. Po svojoj konstrukciji indukcioni kalem predstavlja impulsni transformator, s tim što se izvodi kao uljni (smešten u kućištu ispunjenom transformatorskim uljem) ili kao suvi.

Slika 3.7. Indukcioni kalem

Kod baterijskih sistema za paljenje sa sakupljanjem energije u induktivnosti indukcioni kalem ima zadatak da akumulira energiju kojan treba da se pretvori u visokonaponsku varnicu na elektrodama svećice za paljenje. Elektromagnetska energija sakupljena u magnetskom kolu primara, Wm, u trenutku prekida struje ip ima vrednost

Wm =

L1 i p

2

, 2 gde je L1 – induktivnost primarnog namotaja indukcionog kalema. Kod konvencionalnih sistema za paljenje primar indukcionog kalema se obično izvodi sa N1 = 250 do 300 navojaka bakarne žice preseka 0,7 do 0,8 mm2, ukupne otpornosti obično u granicama R1 = 1,6 do 1,8 W, a sekundar sa oko N2 = 20000 do 25000 navojaka žice prečnika 0,07 do 0,1 mm, ukupne otpornosti R2 = 8000 do 10000 W, pri čemu odnos

30

transformacije iznosi n = N2/N1 = 80 do 100. Induktivnost primara obično ima vrednost u granicama L1 = 6 do 10 mH. Tipične električne karakteristike indukcionog kalema, kakav se koristi u elektronskim sistemima baterijskog paljenja sa sakupljanjem energije u induktivnosti, su: u primaru – R1 = 0,72 W ; L1 = 3,7 mH ; u sekundaru – R2 = 7,7 kW ; L2 = 29 H Klasičan indukcioni kalem u sklopu sa razvodnikom paljenja se sve manje koristi a zamenjuje ga elektronski potpuno kontrolisano paljenje gde se na osnovu položaja kolenastog vratila koji se meri pomoću odgovarajućih davača određuje trenutak formiranja varnice. Najčešća realizacija elektronskog paljenja bez razvodnika kod četvorocilindričnih motora je da se u isto kućište smeste dva indukciona kalema od kojih svaki ima dva visokonaponska kabla koja vode do odgovarajućih svećica. Pobuda tih indukcionih kalemova vrši se pomoću dva posebna izlazna stepena. Pobuđivanjem jednog indukcionog kalema formiraju se dve varnice od kojih jedna ide na cilindar koji je u fazi sabijanja i gde je potrebno upaliti gorivu smešu a drugi ide u cilindar koji je u fazi izduvavanja gde varnica nema nikakvog uticaja (slika 3.8.). Zbog dvostrukog broja varnica u odnosu na potreban broj vreme rada svećice se bitno smanjuje što je mana ovog tipa paljenja.

Slika 3.8. Šema paljenja kod dvostrukog indukcionog kalema

31

Da bi se sprečila pojava nepotrebne varnice za svaki indukcioni kalem u visokonaponsko kolo stavljaju se visokonaponske diode od kojih jedna može da propušta samo pozitivne a druga samo negativne visokonaponske impulse. Posebnom izvedbom izlazog stepena proizvode se visokonaponski impulsi različitog polariteta koji su tako sinhronizovani da stvaraju varnicu samo u cilindru u fazi sabijanja. Kombinacijom dva visokonaponska kabla sa visokonaponskim diodama polarisanim u jednom smeru i dva kabla sa diodama suprotne polarizacije moguće je realizovati elektronsko paljenje bez razvodnika sa samo jednim indukcionim kalemom. To rešenje nije praktično jer se formiraju istovremeno dve varnice i povećana je složenost izlaznog stepena da bi se dobio jedan indukcioni kalem manje. Ovi tipovi elektronskog paljenja bez razvodnika koriste se uglavnom za četvorocilindrične motore jer se ne može primenjivati za trocilindrične i petocilindrične zbog njihove konstukcije a primena kod šestocilindričnih i osmocilindričnih motora je previše komplikovana. 3.4. AKTUATOR PRAZNOG HODA Uloga aktuatora praznog hoda je da preko paralelnog (bypass) voda napaja motor s dodatnim vazduhom saglasno sa odstupanjem broja obrtaja motora u praznom hodu od zadane nazivne vrednosti. Jedno od praktično primenjenih rešenja jeste obrtni elektroventil (elektromotor) sa ograničenim uglom zaokretanja od 90 o u varijantama: ♦ sa jednim namotajem i oprugom (kao kod instrumenta sa kretnim kalemom), ♦ sa dva ukrštena namotaja u opoziciji (logometarski princip), prema prikazu na slici 3.9.

Slika3.9. Aktuator praznog hoda

32

Aktuator praznog hoda sa dva ukrštena namotaja (»otvarajući« i »zatvarajući«) naizmenično se pobuđuje s naponskim impulsima iste amplitude, različitog trajanja t1 i t2, periode T = t1 + t2. Uobičajena vrednost učestanosti pobudnih impulsa je f = 1/T = 100 Hz. Pri tome srednja vrednost struje kroz svaki namotaj ima vrednost

U I =  n  RN

 ti  , T

gde su:

Un – napon napajanja, RN – otpornost namotaja. Kao aktuator praznog hoda mogu da se koriste i solenoidni ventili kod kojih se menjanjem odnosa signal-pauza menja koičina vazduha koja se propušta motoru ali pri ovakvoj regulaciji vazduh ne dolazi kontinualno već u impulsima što može da bude nepovoljno za stabilan rad motora. Kada je elektronska upravljačka jedinica sistema za regulaciju praznog hoda rešena digitalno aktuator praznog hoda je moguće realizovati pomoću koračnog motora koji pomera klip kojim se zatvara i otvara kanal za prolaz vazduha.

Slika 3.10. Aktuator praznog hoda sa koračnim motorom

3.5. KORAČNI MOTOR Po svojoj konstrukciji i funkciji koračni (stepper) motor je elektromehanički pretvarač - izvršni organ koji binarno kodirani naponski signal na svom ulazu pretvara u odgovarajući diskretizovani/inkrementalni ugaoni pomeraj izražen u uglovnim inkrementima. Vrednost uglovnih inkremenata je Δa = 3600/Z , pri čemu broj koraka Z, zavisno od konstrukcije motora, može biti u opsegu od 3 do 200. U praksi se koriste dva osnovna tipa koračnih motora, koračni motori sa magnetskim diskom i koračni motor sa promenljivom reluktansom. Šematski prikaz dvofaznog koračnog motora sa dvopolnim rotorom (magnetskim diskom) dat je na slici. Na istoj slici prikazane su i sekvence pobuđivanja za obrtanje u jednom smeru.

33

KORAK

KA

KB

0

1

1

1

2

1

2

2

2

3

1

2

Slika 3. 11 Dvofazni koračni motor s dvopolnim rotorom Obrtni moment kod ovog motora ostvaruje se elektromagnetskom silom između magnetskog fluksa rotora i magnetskog polja statorskih polova koji se pobuđuju posredstvom kontakta KA i KB u odgovarajućem redosledu, kako je ilustrovano na prethodnoj slici. Broj koraka po jednom obrtaju motora dat je izrazom Z=2pm gde su: p - broj pari polova rotora, m - broj faza u statoru. Kontakti KA i KB, koji su pojednostavljeno prikazani na slici 3.11, su poluprovodničkog tipa, upravljani pomoću signala generisanih u digitalnim kolima. Kod koračnih motora promenljive reluktanse (sa kandžastim polovima) obrtni moment ostvaruje elektromagnetska sila između pobudnih namotaja statora i kratkospojnog rotora. Broj polova rotora je manji od broja polova na statoru zbog čega polovi rotora ne mogu svi istovremeno da budu naspram polova statora. Od redosleda pobuđivanja statorskih namotaja zavise smer, a od učestanosti pobuđivanja zavisi brzina obrtanja rotora motora. Koračni motori su u mernim sistemima našli primenu kao pokazivači, na primer, kao odometar na instrument tabli motornog vozila.

Slika 3.12. Koračni motor u sistemu praznog hoda

34

4. MEHATRONIČKI SISTEMI ZA UPRAVLJANJE FUNKCIJAMA MOTORA

U eksploataciji OTO motor se nalazi u raznim stanjima koja uslovljavaju da režimi rada motora budu veoma različiti. U zavisnosti od režima rada zavisi potreban sastav gorive smeše i moment paljenja. Sastav gorive smeše posmatra se u odnosu na količinu vazduha koja je potrebna da potpuno sagori određena količina goriva i odnos te količine vazduha i goriva naziva se stehiometrijska smeša (stehiometrijski odnos vazduh-benzinske pare je približno 14,6). U zavisnosti od količine vazduha u gorivoj smeši ona može biti siromašna gorivom, kada postoji višak vazduha u odnosu na stehiometrijski odnos, i bogata gorivom, kada postoji manjak vazduha. Odnos količine vazduha u gorivoj smeši u odnosu na stehiomerijsku naziva se koeficijenat viška vazduha i obeležava se sa λ. Od količine vazduha u gorivoj smeši direktno zavisi emisija štetnih gasova. Na Slici Slika 4.1. Emisija izduvnih gasova 4.1. se vidi kako se menja količina štetnih gasova sa promenom sastava benzinske smeše u odnosu na stehiometrijsku (λ=1) kod klasičnih motora i vidi se da je najpovoljnije kada je smeša bliska stehiometrijskoj. Sa druge strane pri startovanju motora i pri punom opterećenju potrebno je da goriva smeša bude bogata. Praktično svaki radni režim zahteva drugačiji sastav gorive smeše što usložnjava regulaciju motora. Na upotrebne karakteristike motora pored sastava gorive smeše utiče i moment paljenja, temperatura motora i okoline kao i mnogi drugi parametri. Zahtevi koji se postavljaju za te parametre da bi se dobile optimalne upotrebne karakteristike su često oprečni zbog čega je upravljanje funkcijama motora veoma složeno. Klasični motori (bez elektronskih uređaja) bili su optimirani u nekoliko radnih tačaka a ostala stanja motora nisu bila optimalno regulisana. Primenom elektronike na automobilu upravljanje funkcijama motora se usložnjava na taj način što se povećava broj radnih tačaka tako da se radna karakteristika motora u mnogome približava optimalnoj radnoj karakteristici uz istovremeno zadovoljavanje nekih zakonskih propisa (uglavnom iz ekologije) koji kod klasičnih motora nisu mogli da budu zadovoljeni. Složeno upravljanje funkcijama motora primenom elektronike može se sa stanovišta automatskog upravljanja uraditi na dva načina: upravljanjem u otvorenoj petlji i upravljanje u zatvorenoj petlji. Upravljanje u otvorenoj petlji zasniva se na memorisanju optimalnih radnih režima motora u memoriji mikroračunara elektronske upravljačke jedinice za svaki broj obrtaja i opterećenje motora. Upotrebne karakteristike motora se na ovaj način poboljšavaju ali nisu optimalne zbog proizvođačkih tolerancija i starenja u toku eksploatacije kao i zbog toga što nepostoji adekvatna povratna informacija o izvršenom upravljanju. Upravljanje u zatvorenoj petlji se koristi u novim sitemima jer se upravljanje vrši na taj način što se u svakom momentu vrši merenje regulacionog parametra i u zavisnosti od njegove

35

vrednosti generiše se upravljanje. Ovakav sistem upravljanja se na primer primenjuje kod upravljanja sastavom gorive smeše sa lambda sondom ili kod sistema za sprečavanje detonacija. Veoma često ova dva sistema se kombinuju na taj način što se pojedinim parametrima vrši upravljanje u zatvorenoj petlji (na primer sastavom gorive smeše) a drugim parametrima vrši se upravljanje u otvorenoj petlji (na primer sistemom za paljenje). Terminološki pojam motor može da označava samo pogonski deo koji neposredno pretvara energiju goriva u mehanički rad (klip, cilindar, radilica, kolenasto vratilo ...) dok ostalo neophodno za rad motora predstavlja opremu motora (sistem za paljenje, sistem za formiranje gorive smeše ...) ili ceo pogonski agregat bez menjača. Ovde se koristi pojam motor kao pogonski agregat koji se sastoji od motora u užem smislu i opreme motora. Globalni model motora kojim se elektronski upravlja veoma je teško napraviti jer se motori zbog različitih konstrukcija veoma razlikuju.

Slika 4.2. Principijelna šema upravljanja funkcijam motora Slika 4.2 prikazuje principijelnu šemu motora sa elektronskim upravljanjem koji treba da zadovolji sve propise radi zaštite čovekove okoline uz optimalne performanse. Na slici je prikazan i trokomponenti katalizator koji ne pripada neposredno motoru ali je neophodan za zadovoljenje ekoloških propisa. Elektronska upravljačka jedinica dobija informacije o sastavu izduvnih gasova (λ), broju obrtaja motora (n), detonacijama i temperaturi motora (Θm), pritisku u usisnom kolektoru (pu), položaju prigušnog leptira (ϕl(t) i ϕl0), temperaturi okoline (Θa), pritisku okoline (pa) i naponu baterije (Ub) na osnovu kojih upravlja izvršnim organima za formiranje smeše (K), uglom predpaljenja (αp), ventilima za recirkulaciju izduvnih gasova i upravljanje benzinskim parama, motorom za uduvavanje vazduha u izduvni sistem i katalizator kao i izvršnim organom za korekciju položaja prigušnog leptira (L). Neki od sistema koji su prikazani na globalnoj šemi ne moraju da postoje kao npr. recirculacija izduvnih gasova ili regulacija benzinskih para ili dodavanje sekundarnog vazduha...

36

4.1. ELEKTRONSKI SISTEMI ZA OBRAZOVANJE GORIVE SMEŠE 4.1.1. ELEKTRONSKA KONTROLA KARBURATORA Kao uređaj za formiranje gorive smeše kod OTO motora do pre dvadesetak godina korišten je gotovo isključivo karburator. Karburator je početna karika u lancu za formiranje smeše goriva i vazduha i svojim karakteristikama ima odlučujuću ulogu u regulaciji odnosa goriva i vazduha u gorivoj smeši. U karburatoru dolazi do intenzivnog isparavanja goriva i njegovog mešanja sa vazduhom. Idealno bi bilo da celokupna potrebna dovedena količina goriva ispari i da se stvori homogena gasna goriva smeša i da se tako formiranom smešom napajaju svi cilindri. Međutim, karburator ne može da stvori idealnu potrebnu gorivu smešu pa zbog toga dolazi do neravnomerne raspodele goriva i smeše po cilindima kao i do varijacija smeše u istom cilindru od jednog do drugog radnog ciklusa. Razlozi za to su kako zbog goriva koje sadrži razne frakcije, pa samim tim ima i različite oktanske i druge karakteristike, tako i zbog složenih gaso i hidrodinamičkih pojava pri formiranju smeše koje su teško ponovljive. Da bi se obezbedile goriva smeša za sva radna stanja motora u karburatoru su integrisani sistemi za hladan start motora, prazan hod, ekonomičan rad (glavni gorivi sistem), prihvatanje opterećenja i rad pod punim opterećenjem koji svoje funkcije vrše dodavanjem nove količine goriva ili vazduha preko posebnih otvora ili leptira za svaki sistem posebno ili istovremeno. Za regulaciju karburator ima praktično samo položaj leptira. Uticajnih parametara za količinu goriva koja se usisa po ciklusu ima više a glavni su podpritisak u usisnom kolektoru, temperatura vazduha na usisu, temperatura rashladnog fluida i broj obrtaja motora. Tokom rada moguće su različite kombinacije ovih parametara i karburatorski sistemi moraju na pravi način da reaguju i koriguju gorivu smešu. Klasični karburatori ne mogu da zadovolje savremene propise koji imaju za cilj povećanje udobnosti, pouzdanosti, bezbednosti i bolje ekološke karakteristike (manja emisija, buka) uz manju potrošnju goriva pa se zato pojedini sistemi karburatora opremaju različitim izvršnim organima kojima upravljaju električni signali. U zavisnosti od broja sistema koji su na taj način regulisani imamo različite stepene primene elektronike na upravljanje funkcijama karburatora. Kod najsloženijih sistema zajedno sa upravljanjem sistemima karburatora upravlja se i drugim funkcijama na motoru i vozilu (paljenje, transmisija, kočenje). U osnovi uvođenje elektronike na karburator je kompromisno rešenje između klasičnih karburatora i sistema za ubrizgavanje goriva kako po karakteristikama tako i po ceni. Karburatori koji imaju elektronsku kontrolu sistema treba da omoguće ugradnju u proizvoljnom pravcu u odnosu na osu vozila, preciznije odmeravanje količina goriva, rad sa raznim vrstama goriva, da imaju manju težinu i cenu, da poboljšaju karakteristike vozivosti (miran prazan hod, brže zagrevanje, olakšano startovanje, veću dinamičnost) a sve to uz poboljšanje ekonomičnosti u svim režimima rada. Pored poboljšanja karakteristika motora elektronika omogućava da se u velikoserijskoj proizvodnji sastav smeše od karburatora do karburatora u istim spoljašnjim uslovima veoma malo razlikuje, da karburator bude dugotrajniji i jednostavniji za održavanje i da ima razne dijagnostičke mogućnosti.

37

Stepen primene elektronike na karburatoru zavisi od toga šta se želi da postigne na taj način i ide od zamene nekih funkcija elektronskim sistemima do kompletne kontrole karburatora i ostalih sistema na motoru i vozilu tako da kod različitih proizvođača karburatora imamo različite stepene primene elektronike mada se koriste slični osnovni principi, davači i izvršni organi. Pojedini proizvođači ponudili su tržištu rešenja za elektronizaciju postojećih klasičnih karburatora koji se naknadno ugrađuju na karburator dok su drugi postojeće karburatore preradili i prilagodili za elektronsko upravljanje. Osnovnu ulogu u kontroli karburatora ima elektronska upravljačka jedinica (EUJ) koja u sebi sadrži algoritme upravljanja funkcijama karburatora. U zavisnosti kakva su elektronska kola upotrebljena za realizaciju EUJ ona može biti analogna i digitalna. Analogne EUJ se upotrebljavaju uglavnom za upravljanje pojedinačnim sistemima karburatora dok digitalne EUJ uglavnom u sebi integrišu više sistema karburatora. Funkcionisanje EUJ zasnovano je na obradi signala sa odgovarajućih davača i akcija preko izvršnih organa a na osnovu zapamćenih stanja. U zavisnosti od načina rada elektronske sisteme za upravljanje sistemima karburatora možemo podeliti na one koji rade u otvorenoj i one koji rade u zatvorenoj petlji. Sistemi u otvorenoj petlji rade na taj način što se akcije izvršnih organa određuju na osnovu parametara dobijenih od davača i zamemorisanih akcija u EUJ za te parametre. Ukoliko ne postoji u memoriji EUJ takvo stanje parametara vrši se interpolacija na osnovu postojećih stanja i određuje odgovarajuća akcija izvršnih organa.

Slika 4.3. Elektronski sistem upravljanja karburatorom u zatvorenoj petlji Sistemi sa zatvorenom petljom (Slika 4.3) imaju takođe zamemorisana stanja za različite parametre davača koja služe za izbor radnog režima i postavljanje početnih uslova ali se akcije izvršnih organa određuju na osnovu stanja nekog parametra koji se neprestano meri i na koji se direktno ili indirektno utiče tim izvršnim organom. Sistemi sa zatvorenom petljom su naročito značajni za smanjenje štetnih izduvnih gasova gde se na osnovu signala senzora kiseonika menja u karburatoru sastav gorive smeše dok se na izlazu ne dobije minimalna emisija. Emisija štetnih gasova nije vezana za karakteristike radnog procesa motora već za nesavršenost realnog motora. Kod motora sastav smeše u različitim cilindrima nije isti pa kada se vrši ista regulacija za sve cilindre onda sastav izduvnih gasova nije isti. Otklanjanje neravnomernosti raspodele smeše po cilindrima motora sa karburatorom zahteva promenu oblika kanala usisnog kolektora ali jedan oblik kanala može biti optimalan samo za jedan režim rada motora dok za neki drugi režim rada nije optimalan. Za motore koji imaju širok dijapazon rada mora da postoji neravnomernost raspodele smeše. To je posebno teško rešiti kod višegrlih karburatora i pri velikim poprečnim presecima usisnog kolektora.

38

Kod motora sa karburatorom u jednom istom cilindru sastav smeše nije ravnomeran od ciklusa do ciklusa što je povezano sa složenim zakonitostima izlaska goriva iz sisaka kao i zbog impulsnih procesa u usisnom sistemu. Zbog toga je nemoguće izbeći periodične emisije štetnih gasova jer da bi se to eliminisalo potrebne su složene rekonstrukcije elemenata sistema. Sastav smeše motora sa karburatorom nije konstantan već zavisi od temperature, pritiska spoljašnje sredine i od temperature motora. Karburator podešen pri jednim uslovima može da zadovoljava uslove za emisiju štetnih izduvnih gasova dok pri drugim uslovima ne zadovoljava. Da bi se zadovoljili zahtevi smanjenja emisije štetnih izduvnih gasova koriste se uglavnom trokomponentni katalitički konvertori ugrađeni u izduvni sistem vozila u kojima se vrše oksidaciono-redukcioni procesi nad izduvnim gasovima iz motora da bi emisija bila minimalna. Efikasnost obrade gasova zavisi od sastava gasova koji izlaze iz motora. Utvrđeno je da je efikasnost obrade trokomponentnim katalitičkim konvertorom najveća kada je sastav gorive smeše koja ulazi u motor stehiometrijski. Primenom elektronike na karburator znatno se smanjuje emisija motora što se može videti kada se analiziraju rezultati merenja CO za klasičan karburator i elektronski upravljani karburator sa upravljanjem u zatvorenoj petlji. Osnovne fizičke veličine koje se mere i na osnovu kojih EUJ vrši regulaciju su: - temperatura rashladnog fluida motora - temperatura vazduha na usisu - podpritisak u usisnim kolektoru - broj obrtaja motora - položaj prigušnog leptira karburatora - količina kiseonika u izduvnim gasovima Elektronska upravljačka jedinica pomoću izvršnih organa upravlja karburatorom da bi se formirala odgovarajuća goriva smeša koja daje najmanju emisiju uz optimalne pogonske performanse za sledeće režime rada motora : - hladan start, - topli start, - prazan hod, - prihvatanje opterećenja, - rad pod oterećenjem, - rad pod maksimalnim opterećenjem, - prinudni prazan hod. Realizacija upravljanja je različita od proizvođača do proizvođača a često se više režima rada reguliše istim izvršnim organom. Osnovni principi za primenu elektronskih sklopova na karburatoru Regulaciju gorive smeše kod karburatora moguće je vršiti kontrolom vazduha u smeši, kontrolom goriva u smeši i kontrolom oba ova parametra istovremeno. Kontrola i goriva i vazduha praktično se ne koristi jer je isuviše komplikovana. U zavisnosti da li se vrši kontrola i regulacija goriva ili vazduha imamo nekoliko osnovnih principa korištenja elektronskih sklopova za regulaciju sistema karburatora. Za regulaciju se koriste ventili koji mogu precizno da odmeravaju vrlo male protoke fluida.

39

Kontrola goriva za formiranje smeše može da se vrši kontrolom dotoka goriva i regulacijom pritiska u lončetu karburatora. Kontrola dotoka goriva (Slika 4.4) vrši se pomoću solenoidnog ventila sa pozicionom ili sa modulisanom, pulsirajućom pobudom. Kod solenoida sa pulsirajućom pobudom dotok goriva se reguliše otvaranjem-zatvaranjem (on-off) kalibrisanog otvora za prolaz goriva a količina koja protekne je direktno proporcionalna vremenu otvorenosti ventila. Radom solenoida upravlja odgovarajuća elektronska upravljačka jedinica koja otvara solenoid na osnovu informacija od davača. Na ovaj način mogu se pojedinačno regulisati svi sistemi karburatora a najčešće se vrši regulacija glavnog sistema i sistema za prazan hod. Kod glavnog sistema kotva solenoida najčešće kontroliše protok na mestu prigušnice u lončetu karburatora. Kada se ovaj sistem koristi za kontrolu praznog hoda onda se može koristiti i za prekid dovoda goriva u režimu kočenja motorom (cut-off) i prilikom zaustavljanja motora.

Slika 4.4. Kontrola dotoka goriva Kontrola pritiska u lončetu karburatora (Slika 4.5) vrši se na taj način što se reguliše pritisak u lončetu karburatora pomoću solenoida sa pulsirajućom pobudom koji reguliše dovod spoljašnjeg vazduha u komoru lončeta i na taj način pritisak komori lončeta. Kako je količina goriva koja u difuzoru formira gorivu smešu direktno proporcionalna razlici pritisaka: ΔP = Pl - Pv gde je Pl pritisak u lončetu karburatora a Pv pritisak u difuzoru, znači da se pegulacijom pritiska u lončetu karburatora vrši kontrola količine goriva u smeši. Kontrola gorive smeše regulacijom vazduha u smeši vrši se kontrolom vazduha za emulgovanje smeše ili osiromašenjem smeše obilaskom vazduha oko difuzora ili karburatora.

Slika 4.5. Kontrola pritiska u lončetu Kontrola vazduha za emulgovanje (Slika 4.6) vrši se pomoću pozicionog servoventila koji reguliše dotok vazduha u emulzionu cevčicu. Od dovedene količine vazduha zavisi sastav

40

emulzije gorivo-vazduh koja se dovodi u difuzor za formiranje gorive smeše a na taj način se reguliše i sastav gorive smeše. Ukoliko se priguši dotok goriva u emulzionu cevčicu goriva smeša je bogatija i obrnuto sa većom količinom vazduha smeša je siromašnija.

Slika 4.6. Kontrola vazduha za emulgovanje Regulacija smeše obilaskom difuzora (Slika 4.7) vrši se na taj način što se pomoću pozicionog servoventila propušta dodatna količina vazduha koja se pre prigušnog leptira karburatora meša sa već pripremljenom gorivom smešom i na taj način se formira siromašnija goriva smeša. Pomoću servoventila može se precizno dozirati potrebna dodatna količina vazduha za optimalnu smešu a upravljanje servoventilom se vrši preko upravljačke elektronske jedinice. Ovaj sistem se uglavnom koristi za kontrolu glavnog sistema karburatora.

Slika 4.7. Regulacija vazduha obilaskom difuzora Regulacija smeše obilaskom karburatora (Slika 4.8) vrši se pomoću pozicionog servoventila koji propušta dodatnu količinu vazduha direktno u usisni kolektor i na taj način vrši osiromašenje gorive smeše. Servoventilom se preko elektronske upravljačke jedinice precizno određuje potrebna količina vazduha za optimalnu smesu. Na ovaj način se mogu regulisati svi sistemi karburatora.

41

Slika 4.8. Regulacija vazduha obilaskom karburatora Različiti proizvođači kako automobila tako i nezavisni proizvođači karburatora na različite načine su realizovali elektronsku kontrolu karburatora. Karkterističan način elektronske kontrole karburatora je sistem ECOTRONIC koji su firme R. Bosch i Pierburg iz Nemačke zajednički razvili. Osnovna verzija tog sistema radi u otvorenoj petlji i ima osnovnu namenu da optimizira karakteristike motora za odgovarajuće režime rada motora uz minimalnu potrošnju goriva. Sa optimiziranjem karakteristika motora smanjuje se emisija štetnih izduvnih gasova mada smanjenje emisije nije osnovni zadatak ovog sistema.

Slika 4.9. Sistem ECOTRONIC U osnovi se koristi klasičan karburator koji ima ugrađene sve sisteme: prigušni leptir, plovak, sistem praznog hoda, sistem za prihvatanje opterećenja, glavni sistem napajanja i sistem

42

za hladni start. Takav karburator može da funkcioniše bez elektronske kontrole što se i koristi ako dođe do kvara u elektronskoj upravljačkoj jedinici. Da bi se poboljšale karakteristike na karburatoru se pomoću potenciometarskog davača meri ugaoni položaj leptira a pomoću prekidača praznog hoda na leptiru određuje se kada je leptir zatvoren. Na karburatoru su ugrađeni izvršni organi pomoću kojih se reguliše goriva smeša a to su elektropneumatski aktuator za upravljanje leptirom i aktuator za upravljanje startnim leptirom. Elektronska upravljačka jedinica na osnovu signala davača ugaonog položaja leptira, položaja prekidača praznog hoda, broja obrtaja motora, temperature motora i položaja kotve elektropneumatskog aktuatora, koji se meri potenciometarskim davačem u samom aktuatoru, komanduje radom elektropneumatskog aktuatora leptira i motorom za upravljanje startnim leptirom. Osiromašenje gorive smeše vrši se elektropneumatskim aktuatorom dok se obogaćenje vrši aktuatorom za upravljanje startnim leptirom. Elektropneumatski aktuator leptira u sebi sadrži dva solenoida od kojih je jedan vezan za atmosferom a drugi za usisni kolektor. EUJ pulsirajućim uključivanjem ta dva solenoida reguliše pritisak u komori aktuatora a u zavisnosti od tog pritiska menja se položaj dijafragme za koju je vezana kotva aktuatora. Kotva aktuatora je vezana za polugu leptira tako da pomeranje kotve izaziva pomeranje leptira što uslovljava promenu količine vazduha u gorivoj smeši. Aktuator za upravljanje hladnim startom sastoji se od elektromotora koji stvara moment koji se suprotstavlja momentu opruge za vraćanje startnog leptira u početni položaj i momentu koji se formira zbog strujanja vazduha koji se usisava na ekscentričnom startnom leptiru i na taj način startni leptir drži u položaju koji je najpovoljniji za režim rada motora. Elektronska upravljačka jedinica u sebi sadrži snimljene podatke koji omogućavaju da se izvrši korekcija karakteristika motora da bi se postigle optimalne karakteristike pri kontroli sledećih režima rada motora: Hladni start. Pri startu na osnovu temperature i broja obrtaja motora aktuator startnog leptira zatvara starnim leptirom prolaz vazduha i na taj način obogaćuje gorivu smešu što je neophodno za hladan start motora. Topli start. Na osnovu temperature motora reguliše se preko elektropneumatskog aktuatora leptira potreban sastav gorive smeše za prazan hod a obogaćenje smeše postiže se regulacijom položaja startnog leptira koji preko igličastog ventila za korekciju vazduha praznog hoda smanjuje količinu vazduha za prazan hod. Ubrzavanje. Obogaćivanje smeše koje je potrebno za dinamički rad motora postiže se preciznim zatvaranjem startnog leptira nezavisno da li je motor hladan ili zagrejan. Usporavanje (cut-off). Kada motor prinudno ima veliki broj obrtaja na osnovu toga što je aktiviran prekidač praznog hoda EUJ zaključuje da se vrši kočenje motorom a tada je potrebno isključiti dovod goriva. Isključenje dovoda goriva vrši se elektropneumatskim aktuatorom leptira koji dovodi leptir u takav položaj da se spreči usisavanje gorive smeše iz otvora praznog hoda. Kada broj obrtaja motora spadne pomera se leptir i ponovo počinje da radi sistem praznog hoda. Zaustavljanje motora. Pri zaustavljanju motora elektropneumatski aktuator leptira dovodi leptir u položaj u kome nema mogućnosti za formiranje gorive smeše da bi se sprečio nekontrolisani rad motora po isključivanju napajanja. Posle zaustavljanja leptir se dovodi u startni položaj.

43

Prazan hod. Sistem praznog hoda održava broj obrtaja motora u praznom hodu konstantnim nezavisno od promene opterećenja motora. Broj obrtaja motora održava se u granici od ±10min-1 a sam broj obrtaja je funkcija temperature motora i on lagano raste ako je temperatura motora niža. Sistem Ecotronic moguće je proširivati dodatnim funkcijama kao što su: izračunavanje potrošnje goriva, rad u zatvorenoj petlji sa davačem kiseonika, sistemska dijagnostika, povezivanje sa sistemom za paljenje i sistemom za recirkulaciju izduvnih gasova u kompleksan sistem za kontrolu motora.

44

4.1.2 SISTEMI ZA UBRIZGAVANJE GORIVA Krajem XIX veka goriva smeša se formirala uglavnom pomoću karburatora sa isparavanjem benzina i ručnom regulacijom sastava smeše. Da bi se otklonili nedostaci tih karburatora jedna od ideja je bila da se u cilindar neposredno unese tečno gorivo to jest da se primeni ubrizgavanje goriva u cilindar i još 1873. godine bio je napravljen motor kod koga se raspršeni benzin uduvavao u radni cilindar. Međutim, sa stvaranjem karburatora pulverzacionog tipa početkom XX veka sistemi sa mehaničkim ubrizgavanjem goriva su postali manje interesantni zbog svoje velike složenosti i cene i njihov dalji razvoj bio je bitno usporen. Posle drugog svetskog rata velike automobilske firme ponovo se vraćaju sistemima sa ubrizgavanjem u cilju formiranja novih tipova motora veće snage. Kao rezultat tih istraživanja u Evropi je firma "Mercedes-Benc" 1954 godine počela proizvodnju automobila sa motorom sa neposrednim ubrizgavanjem. Posle toga razne firme su razvijale sopstvene sisteme za ubrizgavanje goriva koji su bili na mehaničkom, pneumatskom i električnom principu regulacije. Vodeću ulogu u tom razvoju ima nemačka firma "Bosch" koja je 1967. godine počela proizvodnju najperspektivnijih sistema za ubrizgavanje zasnovanih na elektronskoj regulaciji.

4.1.2.1. Podela sistema za ubrizgavanje Zbog velikog broja varijanti ubrizgavanja goriva sistemi za ubrizgavanje goriva mogu se klasifikovati na više načina: 1. Prema mestu ubrizgavanja goriva: - sistemi sa direktnim ubrizgavanjem, - sistemi sa ubrizgavanjem u usisni sistem. 2. Prema načinu dodavanja goriva: - sistemi sa cikličnim ubrizgavanjem goriva, - sistemi sa kontinualnim ubrizgavanjem goriva. 3. Prema tipu sklopova kojima se dozira gorivo: - sistemi sa klipnom pumpom, - sistemi sa elektromagnetnim brizgaljkama, - sistemi sa regulatorom pritiska goriva. Konkretni sistemi za ubrizgavanje mogu istovremeno da se posmatraju po bilo kom kriterijumu klasifikacije. 4.1.2.2 Sistemi sa direktnim ubrizgavanjem 1 Kod tih sistem brizgaljka se postavlja neposredno u glavu bloka ili u blok cilindra tako da se gorivo daje neposredno u cilindar. Kod direktnog ubrizgavanja brizgaljka gorivo raspršuje direktno u cilindar gde se obrazuje goriva smeša. Preoces formiranja smeše zavisi od oblika komore za sagorevanje, položaja brizgaljke, zakona dodavanja goriva i od kretanja gasnog pu1

engleski direct injection

45

njenja u cilindru. Izbor oblika komore za sagorevanje i položaj brizgaljke uslovljeni su zahtevom za rad motora bez detonacija za željenu vrstu goriva. Istovremeno, važni faktori u konstrukciji komore za sagorevanje su i sedišta usisnog i izduvnog ventila čija površina treba da je dovoljno velika da omogući protok gasova pri velikom broju obrtaja motora što ograničava položaj postavljanja brizgaljke.

Slika 4.10. Položaj brizgaljke kod sistema sa direktnim ubrizgavanjem Brizgaljka radi u nepovoljnim uslovima visoke temperature i visokog pritiska u cilindru. Da bi se zaštitila od prevelike temperature i taloženja čađi na nju brizgaljka se postavlja tako da se izlazni kanal prekriva gornjim delom klipa kada se klip nalazi blizu gornje mrtve tačke (Slika 4.10a). Ovaj način postavljanja je karakterističan za trkačke motore sa velikim specifičnim snagama. Kod transportnih vozila motori sa direktnim ubrizgavanjem imaju prostiju konstrukciju. Pogon ventila je u jednom redu i nalazi se sa jedne strane komore za sagorevanje koja ima klinast oblik dok se sa druge strane nalaze svećica i brizgaljka (Slika 4.10b). Ubrizgavanje goriva vrši se u u toku usisavanja a regulacija količine goriva vršena je promenom početka ubrizgavanja goriva. U toku eksploatacije ovih sistema pokazalo se da je pouzdanost brizgaljke nedovoljna zbog nepovoljnih uslova rada pa je kasnije brizgaljka premeštena u usisni sistem.

4.1.2.3. Sistem sa ubrizgavanjem u usisni sistem Prema položaju brizgaljki postoje dve vrste ubrizgavanja u usisni sistem: ubrizgavanje u zonu usisnih ventila2 i ubrizgavanje u usisnu cev3. Kod ubrizgavanja u zoni usisnih ventila (Slika 4.11a) brizgaljke se postavljaju ili u glavu bloka ili u usisni kolektor u neposrednoj blizini sedišta ventila tako da raspršeno gorivo iz brizgaljki dolazi u zonu usisnih ventila gde i počinje proces obrazovanja gorive smeše.

2

engleski: port injection

3

engleski: manifold injection

46

Kod ubrizgavanja u usisnu cev (Slika 4.11b) brizgaljke se postavljaju u usisne cevi na nekom rastojanju od usisnih ventila i obrazovanje smeše počinje već u usisnoj cevi. Ukoliko se brizgaljka postavi pre grananja usisne cevi ka cilindrima moguće je da se jedna brizgaljka koristi za napajanje gorivom dva ili više cilindara. Moguća je varijanta da se jedna brizgaljka koristi za napajanje gorivom svih cilindara na taj način što se gorivo ubrizgava u jednu zajedničku komoru odakle se kanalima vodi do svakog cilindra i ta varijanta se naziva centralno ubrizgavanje.

Slika 4.11. Položaj brizgaljke kod sistema sa ubrizgavanjem u usisni sistem Doziranje goriva kod motora sa ubrizgavanjem u usisni sistem vrši se obično cikličnim doziranjem u toku takta usisavanja da bi se postigla bolja ekonomičnost potrošnje goriva. Kada je brizgaljka postavljena ispred usisnog ventila i kada se gorivo brizga u toku takta usisavanja prilikom usisavanja vazduha vrši se i mešanje ubrizganog goriva. U toku ubrizgavanja deo goriva se taloži na zidove usisnog kolektora i površinu usisnog ventila odakle delimično isparava a delimično se usisava u cilindar u vidu kapljica. Količina goriva koja ostane u usisnom kolektoru posle ciklusa usisavanja je mala, posebno kod motora sa brizgaljkama postavljenim kod usisnih ventila, ali to gorivo biva usisano u sledećem ciklusu rada motora. Kod motora sa brizgaljkama u usisnoj cevi pojava akumuliranja goriva u usisnoj cevi je neizbežna i veća je što je brizgaljka udaljenija od cilindara. Mnogobrojni eksperimenti pokazali su da nije neophodno da se ubrizgavanje vrši samo u toku takta usisavanja već da se ono može da vrši i kada je usisni ventil zatvoren i da se time ne smanjuje ni snaga ni ekonomičnost motora. Glavni parametar koji utiče na upotrebne karakteristike motora je količina ubrizganog goriva. Ta mala osetljivost ovih motora na moment ubrizgavanja goriva omgućava da se gorivo ubrizgava istovremeno sa više brizgaljki (grupno ubrizgavanje) ili čak sa svim brizgaljkama istovremeno (istovremeno ubrizgavanje). Ova osobina omogućava da se formiraju sistemi kod kojih ima manje brizgaljki od broja cilindara na taj način što se brizgaljke postavljaju u prigušne komore usisnog kolektora tako da npr. kod "General motorsa" jedna brizgaljka se koristi za dva cilindra i vrši dva ubrizgavanja goriva za svaka dva obrta motora. Pri ovome stalno postojanje gorive smeše u usisnom kolektoru bitno smanjuje zahteve motora u toku prelaznih režima ali istovremeno se narušava osnovni princip za primenu ubrizgavanja: ravnomerna raspodela goriva po cilindrima.

47

Poboljšanje ekonomičnosti goriva uz istovremeno smanjivanje emisija štetnih izduvnih gasova može se postići samo ubrizgavanjem goriva u tačno određenom momentu radnog ciklusa za svaki cilindar ponaosob. Za realizaciju takvog rešenja potrebno je da se ubrizgavanje ne vrši sukcesivno već sa vremenskim preklapanjem. To rešenje može se postići pomoću složenih elektronskih uređaja sa višekanalnim upravljanjem.

4.1.2.4. Sistemi sa cikličnim ubrizgavanjem goriva Kod ovih sistema gorivo se daje u toku svakog ciklusa rada cilindra ali je dozirana u tačno definisanom trenutku ciklusa4. Kod motora sa direktnim ubrizgavanjem ovakav tip ubrizgavanja je neophodan dok kod motora sa ubrizgavanjem u usisni sistem nije neophodan ali se koristi.

4.1.2.5. Sistemi sa kontinualnim ubrizgavanjem goriva Gorivo kod ovog sistema se brizga stalno pri radu motora5. Ovo rešenje može da se primenjuje samo pri ubrizgavanju u usisni sistem i pri tome se mora strogo voditi računa o odnosu ubrizganog goriva i vazduha koji usisava motor. Da bi se taj odnos mogao da kontroliše koriste se merači protoka vazduha sa klapnom ili zagrejanom žicom za određivanje trenutne količine vazduha koju je usisao motor. Bošov "K-jetronic" koristi ovaj sistem pri čemu se gorivo dozira pomoću klipnog uređaja regulisanog pomoću merača protoka vazduha. Klipni uređaj reguliše protok goriva otvaranjem i zatvaranjem regulacionog otvora. Pritisak goriva se postiže pomoću električne benzinske pumpe a konstantan pritisak u sistemu postiže se pomoću regulacionog ventila koji višak goriva vraća u rezervoar.

4.1.2.6. Sistemi sa klipnom pumpom Ovo je najstariji sistem ubrizgavanja i veoma je sličan sistemima ubrizgavanja koji se koriste kod dizel-motora. Njime se ostvaruje ciklično ubrizgavanje goriva pri direktnom ubrizgavanju ili ubrizgavanju u usisni sistem. Količina goriva koja se ubrizgava u toku jednog ciklusa reguliše se promenom aktivnog hoda klipa što se postiže propuštanjem dela goriva ili smanjenjem podizanja klipa. Zbog male viskoznosti goriva u odnosu na dizel gorivo ovde se mora sprečiti gubitak goriva pri ubrizgavanju između klipa i cilindra zbog čega je potrebno dodati zaptivni prsten i obezbediti dodatno podmazivanje klipa uljem iz motora. Klipna pumpa ne može da usisava gorivo iz rezervoara pa se zato koristi posebna pumpa sa elektromotorom za snabdevanje goriva pod stalnim pritiskom.

4

engleski: timed injection

5

engleski: continious injection

48

4.1.2.7. Sistemi sa elektromagnetnim brizgaljkama Primena elektromagnetnih brizgaljki omogućila je da se u sistemima ubrizgavanja koristi elektronsko upravljanje. Elektronsko upravljanje koristi se kod sistema ubrizgavanja sa cikličnim ubrizgavanjem goriva u usisni sistem. Doziranje količine ubrizganog goriva postiže se promenom vremena otvorenosti brizgaljki. U ovim sistemima potrebno je održavati konstantan pritisak goriva što se postiže pomoću električne benzinske pumpe sa regulacionim redukcionim ventilom koji višak goriva vraća u rezervoar. Elektromagnetne brizgaljke su brzi ventili koji su zatvoreni kada nisu pod naponom. Kada se dovede napon na krajeve kalema brizgaljke otvara se prolaz gorivu u usisnu cev. Količina goriva zavisi od dimenzija otvora brizgaljke, od razlike pritisaka goriva koji se dovodi u brizgaljku i pritiska u sredini gde se gorivo brizga i od vremena otvorenosti brizgaljke odnosno od vremena trajanja naponskog upravljačkog signala. Dimenzije otvora brizgaljke definisane su hodom kotve brizgaljke i on je obično konstantan. Razlika pritisaka se takođe održava konstantnom i tako da se količina goriva koja se brizga može regulisati samo promenom trajanja upravljačkih impulsa koji se formiraju pomoću elektronske upravljačke jedinice. Elektromagnetne brizgaljke, iako su veoma brze, imaju konačno vreme otvaranja i zatvaranja što uslovljava minimalno vreme brizganja goriva. Minimalno vreme brizganja je bitna karakteristika pri maksimalnom broju obrtaja vičecilindričnih motora kod kojih se želi da postigne doziranje u svaki cilindar ponaosob. Brizganje u svaki cilindar teško može da postigne se zbog veoma kratkog potrebnog vremena brizganja pa se tu koristi grupno uključivanje brizgaljki čime se minimalno vreme brizganja produžava.

4.1.2.8. Sistemi sa regulatorom pritiska goriva Sistemi sa regulatorom pritiska goriva koriste se za kontinualno ubrizgavanje u usisni sistem. Pritisak goriva postiže se pomoću zupčastih ili spiralnih pumpi sa elektromotorom. Regulacija količine ubrizganog goriva postiže se promenom pritiska goriva pre brizgaljki. Ovaj sistem je veoma jednostavan a kao brizgaljka može da bude samo sisak koji ponekad može da ima i dovod vazduha za emulgovanje.

4.1.3. REGULISANJE MOTORA SA UBRIZGAVANJEM GORIVA Snaga motora u vozilu reguliše se položajem prigušnog leptira koji je povezan sa pedalom gasa vozila. Dok se kod karburatorskog motora na taj način reguliše količina gorive smeše kod motora sa ubrizgavanjem reguliše se samo količina vazduha u koju se posle leptira ubrizgava potrebna količina goriva. Za obezbeđivanje sastava gorive smeše u određenim granicama potreban je automatski regulator koji dozira količinu goriva u skladu sa propuštenom količinom vazduha u cilindre

49

U zavisnosti od željenih upotrebnih karakteristika motora sastav gorive smeše varira u vrlo širokim granicama. Kada se posmatra zavisnost snage motora (Pe) i specifične potrošnje goriva (ge) u zavisnosti od koeficijenta viška vazduha (slika 4.13) može se videti da je maksimalna snaga motora pri jednom sastavu gorive smeše (bogata smeša) dok je minimalna potrošnja pri drugom sastavu smeše (siromašna smeša). Radni režimi motora ne bi trebalo da izlaze iz šrafirane zone jer izvan nje snaga opada naglo a specifična potrošnja raste a za veća odstupanja od te zone rad motora može postati nestabilan. Sa druge strane kada se posmatraju zahtevi za minimalnom emisijom izduvnih gasova priprema gasova za obradu u katalitičkim konvertorima potrebno je da sastav gorive smeše bude blizak stehiometrijskom Slika 4.13. Regulacione što stvara dodatna ograničenja za formiranje gorive smekarakteristike motora še. Zbog toga se ne može uzeti jedan parametar kao prema sastavu smeše univerzalna osnova regulacije motora već se u zavisnosti od primarnih upotrebnih karakteristika biraju parametri po kojima se vrši regulacija. Sisteme regulacije možemo podeliti prema sledećim parametrima: - regulacija po prosečnoj potrošnji vazduha; - regulacija po prosečnoj potrošnji vazduha i broju obrtaja motora; - regulacija prema položaju leptira i broju obrtaja motora; - regulacija prema podpritisku u usisnom sistemu motora; - regulacija prema podpritisku u usisnom sistemu i broju obrtaja motora; - regulacija prema sastavu izduvnih gasova. Regulacija po prosečnoj potrošnji vazduha. Vrši se na osnovu neposrednog merenja potrošnje vazduha meračem sa klapnom, Venturijevom cevčicom, mernom blendom ili sa usijanom niti. Najprostiji i najprirodniji način regulacije je pri tome da se neposredno poveže količina vazduha koja je ušla u motor sa masom goriva. To se prvenstveno može realizovati kod sistema sa kontinualnim ubrizgavanjem goriva gde se količina goriva reguliše promenom poprešnog preseka otvora kroz koji gorivo dolazi do brizgaljke na taj način što se klapna merača protoka vazduha preko polužnog sistema povezuje direktno sa klipom koji prekriva prolaz goriva i u zavisnosti od protoka vazduha reguliše se i količina goriva. Na tom principu je napravljen pneumatskomehanički sistem regulacije ubrizgavanja firme Bosch K-Jetronic. Regulacija po prosečnoj potrošnji vazduha i broju obrtaja motora. Kako se pri regulaciji po prosečnoj potrošnji vazduha ne uzimaju u obzir promena karakteristika sa promenom broja obrtaja motora uvedni su elekronski sistemi koji vrše regulaciju protoka goriva u zavisnosti i od broja obrtaja. Pri tome koriste se elektromagnetne brizgaljke preko kojih se vrši regulisano ciklično ubrizgavanje goriva. Impulsi se dovode na brizgaljke sinhrono sa brojem obrtaja motora a informacija o broju obrtaja motora dobija se od posebnog davača broja obrtaja ili na osnovu električnih impulsa primarnog kola sistema za paljenje. Protok vazduha se meri pomoću davača sa klapnom (npr. Bosch L-Jetronic) ili davača sa usijanom niti (npr Bosch LHJetronic) koji se postavljen u usisnoj cevi. Kod davača sa klapnom na osovinu klapne stavlja se

50

potenciometar koji meri položaj klapne a samim tim i prosečan protok odnosno potrošnju vazduha. U elektronskoj upravljačkoj jedinici vrši se izračunavanje potrošnje vazduha po ciklusu rada motora i posle korekcije zbog broja motora izračunava se potrebno vreme brizganja. Regulacija prema položaju leptira i broju obrtaja motora. Potrošnja vazduha po ciklusima rada motora vezana je sa položajem leptira ali istovremeno zavisi i od broja obrtaja motora zbog veličine podpritiska u usisnom kolektoru. Ovaj sistem može da se primeni kako kod mehaničke regulacije tako i kod elektronske regulacije. Kod mehaničke regulacije koristi se klipna pumpa kod koje se poluga klipa pomera pomoću mehanizma koji sabira delovanje centrifugalnog regulatora koji rotira ugaonom brzinom jednakoj ugaonoj brzini motora i delovanje sajle papučice gasa. Elektronska regulacija se vrši na taj način što se u elektronsku upravljačku jedinicu dovodi signal položaja leptira sa potenciometarskog davača koji je vezan za osovinu leptira i signal o brzini obrtanja motora sa posebnog davača ili iz primarnog kola sistema za paljenje.Elektronska upravljačka jedinica na osnovu tih signala upravlja radom brizgaljki. Regulacija prema podpritisku u usisnom sistemu motora. Rad ovog sistema zasniva se na činjenici da potrošnja vazduha po ciklusima direktno i linearno zavisi od podpritiska u usisnom kolektoru posle leptira pa se regulacija zasnivala na merenju tog podpritiska. Regulacija samo prema podpritisku korištena je kod mehaničkih sistema ubrizgavanja gde su se koristili membranski ili sifonski merači podpritiska koji su neposredno vezani za polugu klipne pumpe za gorivo. Regulacija prema podpritisku u usisnom sistemu i broju obrtaja motora. Kod elektronske regulacije merenje podpritiska u usisnom kolektoru vrši se najčešće pomoću membranskog induktivnog davača čiji se signal zajedno sa signalom obroju obrtaja motora dovodi u elektronsku upravljačku jedinicu gde se izračunava potrebna dužina ubrizgavanja goriva po ciklusima. Regulacija prema sastavu izduvnih gasova. Sve strožiji zahtevi u pogledu kvaliteta izduvnih gasova uslovljavaju da se primene posebni sistemi za dodatnu obradu izduvnih gasova. Jedan od najčešće primenjivanih sistema je sa trokomponentnim katalizatorom u izduvnom sistemu vozila. Da bi trokomponentni katalizator ispravno radio potrebno je da se vrši regulacija gorive smeše prema sastavu izduvnih gasova odnosno prema količini kiseonika u izduvnim gasovima. Količina kiseonika u izduvnim gasovima meri se pomoću senzora kiseonika koji se često nazivaju i lambda sondama jer zahtevani sastav izduvnih gasova zahteva da sastav gorive smeše bude veoma blizak stehiometrijskom. Regulacija kod ovih sistema se prema tome svodi na formiranje stehiometrijske gorive smeše u širokom dijapazonu rada motora mada ne i u svim režimima jer neki režimi zahtevaju drugačiji sastav gorive smeše (paljenje, zagrevanje, kretanje sa nezagrejanim motorom, ubrzavanje) a i senzor kiseonika radi samo kada se postigne određena radna temperatura. Zato se ova regulacija kombinuje sa još nekim sistemom regulacije po nekom drugom parametru koja se koristi kada nije moguća regulacija po sastavu izduvnih gasova. Regulacija motora zavisi od specifičnih zahteva eksploatacije motora i ima za zadatak da se formira goriva smeša koja omogućava da se postignu optimalne karakteristike motora sa stanovišta ekonomičnosti utroška goriva, snage i sastava izduvnih gasova. Zbog tih raznorodnih zahteva sastav i količina gorive smeše kreće se u vrlo širokom dijapazonu pa se i regulacija vrši na drugačiji način: za dobijanje maksimalne snage sastav smeše mora da se reguliše prema

51

snazi; za stabilan rad u režimu praznog hoda smeša treba da je bogatija gorivom; u režimu kočenja motorom (prinudni prazni hod) dovod goriva može neko vreme da se potpuno isključi čime se povećava ekonomičnost i smanjuje emisija štetnih izduvnih gasova; za ubrzavanje je potrebno da se goriva smeša obogati. U sisteme sa elektronskim upravljanjem ubrizgavanjem uvodi se čitav niz sistema koji poboljšavaju karakteristike ubrizgavanja jer se količina ubrizganog goriva koriguje u zavisnosti od spoljašnjih uslova (atmosferski pritisak i temperatura usisanog vazduha) i od termičkog stanja motora. Obogaćenje smeše u režimu punog opterećenja vrši se povećanjem vremena otvorenosti brizgaljki na osnovu signala položaja leptira koji se dobija od potencimetarskog davača ili od kontakta koji se aktivira pri punom otvoru leptira. Pri pegulaciji praznog hoda potrebno je vršiti regulaciju i količine gorive smeše i njenog sastava. Količina gorive smeše reguliše se otvaranjem i zatvaranjem jednog dodatnog kanala koji premošćava zatvoreni leptir a sastav vremenom otvorenosti brizgaljke. Režim praznoga hida detektuje se uglavnom kontaktom koji se aktivira kada je leptir zatvoren. U režimu prihvatanja opterećenja potrebno je obogatiti gorivu smešu što se postiže dodatnim ubrizgavanjem goriva u momentu kada se detektuje otvaranje kontakata praznog hoda. Startovanje hladnog motora zahteva obogaćenje smeše koje treba da je veće ukoliko je temperatura spoljašnje sredine i samog motora niža. Takođe, da bi se postigao stabilan rad nezagrejanog motora potrebno je obogatiti smešu mada to obogaćenje treba dozirati tako da omogući stabilan rad a da se ne emituju mnogo štetni izduvni gasovi jer kod savremenih voznih ispitivanja emisija kumulativno se mere emisije tako da zagrevanje motora bitno utiče na konačan rezultat merenja. Obogaćivanje smeše pri startovanju i zagrevanju vrši se veoma često pomoću dodatnih startnih brizgaljki koje ubrizgavaju kontinualno gorivo a količina ubrizganog goriva zavisi od porečnog preseka siska brizgaljke i vremena rada brizgaljke. Rad startne brizgaljke može biti nezavisan od ostalog sistema regulacije rada motora i tada se brizgaljka upravlja termoreleom ili analognim uređajem koji zatvara brizgaljku kada se postigne određena radna temperatura motora. Neki elektronski sistemi iste brizgaljke koriste za sve režime rada motora pa i za startovanje i zagrevanje motora a one tada prema komandama upravljačke jedinice proizvode potrebnu bogatu smešu. Vreme zagrevanja motora određuje se na osnovu signala temperature rashladnog fluida motora.

4.1.4. ELEKTRONSKI SISTEMI UBRIZGAVANJA GORIVA Velika primena elektronskih sistema ubrizgavanja na savremenim automobilima uslovljena je zakonskim propisima u vezi sastava izduvnih gasova jer klasični motori sa karburatorom i električnim paljenjem nisu mogli da zadovolje te propise. Jedan veliki deo istraživanja i usavršavanja motora išao je u smeru poboljšanja karakteristika elektronskog ubrizgavanja goriva mada nisu izostavljena ni usavršavanja sistema paljenja i oblika komore za sagorevanje. Kada se vrše ispitivanja jednog ciklusa monocilindričnog motora može se utvrditi da pri tačno definisanom sastavu smeše i savršenom obrazovanju smeše izduvni gasovi praktično nemaju štetnih komponenti. To nam govori da je visoka emisija štetnih gasova nije vezana za

52

principijelne karakteristike radnog procesa motora već za nesavršenost realnog motora. Kod realnih motora sastav smeše u različitim cilindrima nije isti pa kada se vrši ista regulacija za sve cilindre onda sastav izduvnih gasova nije isti. Neravnomernost raspodele i sastava gorive smeše po cilindrima i ciklusima su osnovni problemi koji postoje kod motora sa karburatorom i ti problemi mogu da se prevaziđu primenom ubrizgavanja jer se količina goriva može dozirati od ciklusa do ciklusa tako da zavisi samo od karakteristika brizgaljke i algoritma upravljanja. Na taj način sastav gorive smeše može da se održava u veoma uskim granicama pri čemu je moguća korekcija sastava smeše u zavisnosti od spoljašnje temperature, pritiska i temperature motora. Takođe lako može da se prekine napajanje gorivom u režimu prinudnog praznog hoda. Mada je ubrizgavanje moguće ostvariti pomoću mehaničkih ili pneumatskih sistema najčešće se koriste elektronski sistemi ubrizgavanja kod kojih se složeni sistemi regulacije izvode programski a moguće je primenom odgovarajućih davača uzeti u obzir uticaj svih relevantnih faktora na rad motora. Posebna karakteristika elektronskih upravljačkih sistema je što se relativno lako mogu priključiti razni dijagnostički uređaji što omogućava lako održavanje motora.

4.1.4.1. Elektronski sistem ubrizgavanja sa cikličnim doziranjem goriva i regulacijom prema protoku vazduha Karakteristični primeri za ovaj sistem ubrizgavanja su Bosch-ovi sistemi L-Jetronic i LH-jetronic. U sistemu L-Jetronic vrši se elektronska regulacija sastava gorive smeše koja se formira pomoću brzih elektromagnetnih brizgaljki. Ubrizgavanje goriva se vrši ciklično u zonu usisnih ventila, jedanput po obrtaju kolenastog vratila, što znači da se istovremeno vrši aktiviranje dve brizgaljke kod četvorocilindričnog motora.

53

10 Davač protoka vazduha, 11 λ senzor, 12 Termo-vremenski prekidač, 13 Davač temperature motora, 14 Razvodnik paljenja, 15 Ventil dodatnog vazduha, 16 Baterija, 17 Prekidač paljenja.

1 Rezervoar za gorivo, 2 Električna pumpa za gorivo, 3 Filter za gorivo, 4 Elektronska upravljača jedinica, 5 Brizgaljka, 6 Regulator pritiska goriva, 7 Usisni kolektor, 8 Brizgaljka hladnog starta, 9 Prekidač leptira,

Slika 4.14. L-Jetronic Slika 4.14 šematski prikazuje sistem L-Jetronic. Gorivo iz rezervoara se zupčastom benzinskom pumpom preko filtera dovodi do brizgaljke za startovanje motora i radnih brizgaljki. Konstantni pritisak goriva u brizgaljkama reguliše se regulatorom pritiska koji višak goriva vraća u rezervoar. Regulator pritiska je sa dijafragmom koja je spojena sa usisnim sistemom motora tako da obezbeđuje konstantnu razliku pritiska na brizgaljkama pa zbog toga protok goriva kroz brizgaljku ne zavisi od promena podpritiska u usisnom sistemu već samo od vremena otvorenosti brizgaljke. Upravljački impulsi otvaranja brizgaljki formiraju se u elektronskoj upravljačkoj jedinici koja se napaja direktno od akumulatora. Sinhronizacija upravljačkih impulsa sa okretanjem kolenastog vratila vrši se pomoću impulsa koji se dobijaju od prekidača u kolu paljenja. Količina vazduha koju uzima motor reguliše se leptirom a merenje protoka vrši se davačem sa klapnom koji na osovini ima ugrađen potenciometar. Napon na tom potenciometru proporcionalan je uglu položaja klapne a položaj klapne je proporcionalan protoku vazduha tako da je napon na potenciometru proporcionalan protoku vazduha koji

54

usisava motor. Na osnovu napona sa potenciometra elektronska upravljačka jedinica određuje kolika je količina usisanog vazduha i koliko je potrebno vreme otvorenosti brizgaljki pri jednom ciklusu brizganja goriva da bi se dobila željena goriva smeša. U režimu parcijalnih opterećenja vrši se regulacija u zatvorenoj petlji po sastavu izduvnih gasova na osnovu signala senzora kiseonika u izduvnom kolektoru. Rad motora u praznom hodu određuje se na osnovu davača položaja leptira koji u sebi ima dva para kontakata od kojih je jedan zatvoren pri položaju leptira u praznom hodu a drugi pri punom opterećenju. Za startovanje motora koristi se posebna startna brizgaljka koja u proširenje usisne cevi iza leptira brizga gorivo u impulsima koji su nezavisni od položaja kolenastog vratila. Dužina brizganja u toku impulsa zavisi od temperature rashladnog fluida i što je ta temperatura niža vreme brizganja je duže. Vreme brizganja određuje se posebnim termovremenskim prekidačem i pri temperaturama većim od 15°C brizgaljka se potpuno zatvara. Sistem može pouzdano da startuje do temperature od -30°C. Zagrevanje motora vrši se obogaćivanjem gorive smeše pomoću osnovnih brizgaljki a veličina obogaćivanja zavisi od temperature motora koja se meri posebnim davačem temperature. Za stabilan rad nezagrejanog motora pri praznom hodu dodaje se vazduh pomoću ventila dodatnog vazduha. Regulacija količine vazduha koja se dodaje ventilom dodatnog vazduha vrši se pomoću bimetalne spirale sa elektrogrejačem koja pri zagrevanju zatvara ventil. LH-Jetronic je usavršena verzija L-Jetronica koja u sebi umesto davača protoka vazduha sa klapnom ima davač mase vazduha sa usijanom niti ali su ostale osnovne funkcije zadržane. Izmene su se sastojale i u tome što je izbačena startna brizgaljka i njenu ulogu je preuzela osnovna brizgaljka i umesto pomoćnog vazdušnog ventila ugrađen je aktuator praznog hoda kojim direktno upravlja elektronska upravljačka jedinica. Elektronska upravljačka jedinica je usavršena i u sebi sadrži mikroprocesor.

4.1.4.2. Elektronski sistem ubrizgavanja sa cikličnim doziranjem goriva i regulacijom prema pritisku u usisnom sistemu Kod sistema ove klase koristi se veza između podpritiska u usisnom kolektoru motora i količine vazduha koju motor uzima u toku radnog ciklusa. Ovaj sistem koristi se na primer kod sistema za ubrizgavanje D-Jetronic i MP-Motronic firme Bosch kao i na vozilima firme Cadilac u koje se ugrađuje sistem ubrizgavanja firme Bendix. Sistem firme Bendix (Slika 4.15) koristi se za ciklično, grupno ubrizgavanje goriva. Gorivo iz rezervoara pumpom preko filtera za gorivo dovodi se do brizgaljki koje ubrizgavaju gorivo u zonu usisnih ventila svakog cilindra. Gorivo je pod pritiskom koji je konstantan i reguliše se pomoću regulatora pritiska koji višak goriva vraća u rezervoar. Vreme otvorenosti brizgaljki, odnosno sastav smeše, određuje se na osnovu podpritiska u usisnom kolektoru koji se meri pomoću aneroidnog diferencijalnog davača pritiska koji se nalazi u okviru elektronske upravljačke jedinice i broja obrtaja motora koji se određuje na osnovu davača broja obrtaja sa rid relejima koji je postavljen na osovinu razvodnika paljenja. Sastav smeše koriguje se u elektronskoj upravljačkoj jedinici na osnovu signala temperature vazduha koji ulazi u motor, temperature rashladnog fluida i položaja leptira. Regulacija praznog hoda vrši se pomoću vazdušnog ventila u zavisnosti od temperature motora. 55

1 Rezervoar za gorivo, 2 Pumpa za gorivo, 3 Filter za gorivo, 4 Regulator pritiska goriva, 5 Razvodnik paljenja, 6 Davač broja obrtaja, 7 Baterija, 8 Davač temperature rashladnog fluida, 9 Davač temperature vazduha, 10 Davač položaja leptira, 11 Elektronska upravljačka jedinica, 12 Leptir, 13 Regulator praznog hoda, 14 Brizgaljka. Slika 4.15. Bendix-ov sistem ubrizgavanja

4.1.4.3. Elektronski sistem ubrizgavanja sa cikličnim doziranjem goriva i regulacijom prema položaju leptira Regulacija prema položaju leptira se uglavnom primenjuje na najjednostavijim sistemima za ubrizgavanje. Krakterističan primer za taj sistem je Bosch-ov Mono-Jetronic.

1 Električna pumpa za gorivo, 2 Rezervoar za gorivo, 3 Filter za gorivo, 4 Regulator pritiska goriva, 5 Brizgaljka, 6 Davač temperature vazduha, 7 Elektronska upravljačka jedinica, 8 Aktuator leptira, 9 Davač položaja leptira, 10 λ sezor, 11 Davač temperature rashladnog fluida, 12 Razvodnik paljenja, 13 Baterija, 14 Prekidač paljenja. Slika 4.16. Mono-Jetronic

56

Mono-Jetronic je sistem kod koga se koristi princip centralnog ubrizgavanja u vazduh usisnog sistema. Fino raspršeno gorivo iz jedine brizgaljke se razvodi usisnim kolektorima do cilindara i po tome je ovaj sistem veoma sličan sa karburatorskim sistemima. Ovaj sistem koriste i drugi proizvođači vozila pod drugim proizvođačkim nazivima kao što su Chrysler-ov CFI (Central Fuel Injection) ili General Motors-ov TBI (Throttle Body Injection). Brizgaljka dobija gorivo iz rezervoara pomoću električne pumpe preko finog filtera za gorivo i ubrizgava ga ciklično u usisni sistem pre leptira. Raspršeno gorivo sa vazduhom kroz procep između leptira i cevi usisnog sistema razvodi se do cilindara. Ubrizgavanje goriva je sinhronizovano sa brojem obrtaja motora. Gorivo mora da bude pod pritiskom da bi se izbegli vazdušni čepovi u napajanju gorivom i da bi protok goriva pri ubrizgavanju bio konstantan. Vreme ubrizgavanja određuje elektronska upravljačka jedinica. U EUJ je ugrađen algoritam koji na osnovu signala davača temperature vazduha za formiranje smeše, davača temperature motora, davača položaja leptira, senzora kiseonika i signala broja obrtaja motora dobijenog iz primarnog kola paljenja uz korekciju zbog promena napona napajanja određuje vreme ubrizgavanja. Količina vazduha koju je usisao motor izračunava se na osnovu položaja leptira. Da bi se obezbedio miran rad hladnog motora i smanjila emisija štetnih gasova pri praznom hodu koristi se poseban aktuator koji reguliše položaj leptira pri praznom hodu u zavisnosti od temperature. Isti sistem se koristi i za prekid goriva pri prinudnom praznom hodu. Stanje praznog hoda detektuje se na osnovu položaja potenciometarskog davača leptira.

4.2 SISTEMI ZA PALJENJE Funkcija sistema za paljenje je da upali smešu gorivo-vazduh u pogodnom trenutku i izazove sagorevanje smeše. Kod OTO motora to se postiže pomoću električne varnice koja nastaje između elektroda svećice u cilindru. Varnica pali jedan mali deo smeše koji predstavlja jezgro plamena od koga se plamen širi obrazujući front plamena pri čemu sagoreva ostali deo gorive smeše u cilindru. Veoma je važno da do paljenja gorive smeše dođe u pravom trenutku da bi se postigao maksimalni pritisak u cilindru u momentu kada je klip u gornjoj mrtvoj tački. Trenutak paljenja treba da se odabere tako da se dobije maksimalna snaga motora, ekonomična potrošnja goriva, izbegnu detonacije u motoru i da se emituje minimalna količina štetnih emisija. Za svaki radni režim motora treba posebno odrediti optimalan trenutak paljenja jer su uslovi upaljenja u svakom režimu različiti. Optimalan trenutak paljenja zavisi od broja obrtaja motora, opterećenja, konstrukcije motora, goriva i radnog režima motora (startovanje, prazan hod, parcijalno opterećenje, puno opterećenje...). Da bi se postiglo kvalitetno paljenje i sagorevanje gorive smeše koje rezultira velikom izlaznom snagom i dobrom ekonomičnošću potrebno je da brzina sagorevanja bude velika ali kontrolisana (da nema samopaljenja gorive smeše). Na brzinu sagorevanja gorive smeše utiče više parametara od kojih su najvažniji stepen kompresije, odnos gorivo-vazduh, položaj svećice, trenutak paljenja, stepen turbulencije i količina zaostalih izduvnih gasova u cilindru. Veći stepen kompresije povećava brzinu sagorevanja jer je veća količina gorive smeše sabijena u cilindru pa zbog povećane količine goriva brže i gori u manjoj zapremini.

57

Odnos gorivo-vazduh utiče na taj način što se pri bogatijoj smeši dobija pouzdaniji plamen i velika snaga ali je brzina nešto manja zbog manjka kiseonika dok se pri siromašnijoj smeši brzina plamena povećava ali je snaga manja zbog smanjene količine goriva. Svećica treba da zauzima položaj u kome se najbolje prihvata varnica za paljenje i formiranje najpovoljnijeg prostornog rasporeda jezgra plamena od koga se širi front plamena. Kod svećice bitno utiče i rastojanje između elektroda jer ako je ono veće veća je i varnica pa je upaljenje pouzdanije mada se to rastojanje ne može proizvoljno povećati. Za pouzdano paljenje neophodno je da varnica traje dok se ne upali goriva smeša. Prerano paljenje izaziva da se maksimalni pritisak u cilindru postigne pre gornje mrtve tačke. Zbog razređene gorive smeše sagorevanje je veoma brzo i može preći u detonantno sagorevanje. Prekasno paljenje izaziva da sagorevanje traje i u fazi širenja tako da gorivo nije maksimalno iskorišteno a zbog kasnijeg sagorevanja izduvni gasovi imaju jako visoke temperature što stvara velika termička opterećenja motora. Oblik komore za sagorevanje je važan jer od njega zavisi stepen turbulencije gasova u cilindru a sa povećanjem turbulencije raste i brzina prostiranja plamena. Povećanje količine zaostalih izduvnih gasova u cilindru izaziva smanjenje brzine prostiranja plamena jer se smanjuje količina nove smeše a samiim tim smanjuju se i temperature u cilindru. Kada se posmatraju faktori koji utiču na paljenje i sagorevanje vidi se da položaj svećice, stepen kompresije i stepen turbulencije zavise od kostrukcije cilindra a trajanje varnice i trenutak paljenja zavise od sistema za paljenje. Vreme potrebno za normalno sagorevanje u cilindru je oko 2ms i ono vrlo malo zavisi od broja obrtaja motora. Da bi se obezbedilo vreme potrebno za sagorevanje potrebno je da varnica bude toliko vremena pre gornje mrtve tačke. Pri različitim brojevima obrtaja motora za potrebno vreme sagorevanja kolenasto vratilo napravi različiti ugaoni pomeraj. Kako taj ugaoni pomeraj odgovara momentu kada treba upaliti gorivu smešu pre gornje mrtve tačke onda se taj ugao naziva ugao pretpaljenja. Za paljenje stehiometrijske gorive smeše potrebno je da varnica ima energiju od 0,2 mJ dok je za paljenje bogate i siromašne smeše potrebna mnogo veća energija (i preko 3 mJ). Energija varnice mora da bude mnogostruko veća jer se ne koristi sva energija za paljenje gorive smeše. Ukoliko je energija varnice nedovoljna neće doći do paljenja ili će se plamen ugasiti. Do varnice dolazi kada se na elektrode svećice dovede napon koji je dovoljno visok da izazove jonizaciju gasa između elektroda zbog čega se pojavljuje varnica koja pali gorivu smešu. Slika 4.17. prikazuje izgled napona na svećici. Pri vrednosti napona 1 (oko 15 kV) dolazi do proboja i formira se luk koji ima mnogo manji napon 2 (300 - 500 V) koji traje vreme T u toku koga se pouzdano pali goriva Slika 4.17. Napon na svećici smeša. Visoki napon koji je potreban za paljenje dobija se pretvaranjem napona iz baterije u sistemu za paljenje. U zavisnosti od načina obrazovanja i elemenata od kojih je formiran sistem za paljenje postoji više vrsta sistema za paljenje od kojih su najkarakterističniji: klasično

58

paljenje, tranzistorsko paljenje, tiristorsko paljenje, elektronsko paljenje, integralno paljenje, paljenje sa kontrolom detonacija ...

4.2.1. Klasično baterijsko paljenje Pod klasičnim baterijskim paljenjem podrazumeva se sistem za paljenje sa nizom elektromehaničkih komponenti koji se koristio u relativno dugom vremenskom periodu pre uvođenja elektronskih sistema a potrebna energija za paljenje uzima se iz akumulatorske baterije.

1. Baterija (BT) 2. Prekidač sa ključem (KK) 3. Indukcioni kalem (IK) 4. Razvodnik paljenja (RP) 5. Kondenzator (C1) 6. Prekidač paljenja (PP) 7. Svećice (SV)

Slika 4.18. Klasično baterijsko paljenje BT

KK

R1

R2 IK

PP

C1

L1,n1

L2,n2

C2

SV

Slika 4.19. Ekvivalentna električna šema baterijskog sistema paljenja Kod baterijskih sistema za paljenje varnica se dobija pomoću indukcionog kalema. Indukcioni kalem radi na sličnom principu kao autotransformator koji u sebi akumulira energiju iz baterije i u potrebnom trenutku je transformiše u visokonaponske impulse potrebne za formiranje varnice. Akumuliranje energije se vrši u periodu između varnica a veličina akumulisane energije je mnogostruko veća od energije koja je potrebna za paljenje i iznosi od 59

60-120 mJ. Maksimalni napon koji može da se obrazuje na sekundaru je 25-30 kV i mnogostruko je veći od napona potrebnog za stvaranje varnice (oko 15 kV). Velika rezerva energije i napona je potrebna da bi se nadoknadili svi mogući električni gubitci i da bi se omogućilo paljenje i u najnepovoljnijim uslovima (na primer pri hladnom startu). Pored indukcionog kalema, IK, u sklopu baterijskog sistema paljenja nalaze se prekidač paljenja, PP, kondenzator, C1, razvodnik paljenja, RP, sa visokonaponskim kablovima, svećice, SV, i mehanizam za promenu ugla predpaljenja. Slika 4.18. prikazuje principijelnu šemu a slika 4.19. ekvivalentnu električnu šemu baterijskog sistema paljenja. Razvodnik paljenja služi da razvede preko visokonaponskih kablova visokonaponske impulse do svećica. Obično se u istom kućištu sa razvodnikom nalaze i prekidač paljenja i mehanizam za pomeranje ugla predpaljenja. Prekidač paljenja ("platinska dugmad") predstavljaju kontakti koji prekidaju primarno kolo indukcionog kalema. Otvaranje i zatvaranje kontakata vrši se pomoću osovine sa grebenima smeštene u razvodniku paljenja koja je direktno spregnuta sa kolenastim vratilom. Kondenzator C1 je paralelno vezan sa prekidačem paljenja i njegova namena je da spreči pojavu luka pri otvaranju prekidača paljenja kao i da omogući transformisanje akumulirane energije u kalemu u visokonaponske impulse. Mehanizam za promenu ugla predpaljenja uglavnom se sastoji iz dva dela: centrifugalnog mehanizma koji menja ugao predpaljenja u zavisnosti od broja obrtaja motora i vakuumskog korektora koji menja ugao predpaljenja u zavisnosti od podpritiska u usisnom kolektoru odnosno od opterećenja motora. Kada su kontakti prekidača paljenja zatvoreni kroz primarno kolo indukcionog kalema teče struja čiji jačina raste sa vremenom stvarajući jako magnetno polje u namotajima kalema. U momentu paljenja prekidač paljenja prekida strujno kolo primara i u sekundarnom namotaju indukcionog kalema indukuje se visokonaponski impuls koji se preko razvodnika paljenja odvodi do svećice gde dolazi do varnice koja pali gorivu smešu. Prema slici 4.19. Ub je napon baterije BT, L1 induktivnost a R1 ukupna otpornost primarnog kola indukcionog kalema, C1 kapacitivnost kondenzatora, C2 ukupna kapacitivnost sekundarnog kola indukcionog kalema (parazitna kapacitivnost sekundarnog namotaja i kapacitivnost svećice), n1 broj navojaka primarnog kola indukcionog kalema, n2 broj navojaka sekundarnog kola indukcionog kalema. Jačina struje u primarnom kolu indukcionog kalema zavisi od vremena proticanja struje kroz kalem to jest od vremena zatvorenosti platinskih dugmadi. To vreme je definisano ugaonim položajem grebena na osovini pa se mesto vremena zatvorenosti prekidača paljenja kao parametar uzima ugao zatvorenosti prekidača paljenja. Pomoću ugla zatvorenosti i broja obrtaja motora uvek je moguće odrediti vreme zatvorenosti prekidača paljenja. Struja u primarnom kolu indukcionog kalema, ip, menja se približno prema diferencijalnoj jednačini: di L1 p + R1i p = U b dt Rešavanjem diferencijalne jednačine dobija se zavisnost promene struje primarnog namotaja indukcionog kalema kada su kontakti prekidača paljenja zatvoreni. R − 1t  U b  ip = 1 − e L1   R1  

60

Maksimalna struja je posle vremena tz neposredno pre otvaranja kontakata prekidača paljenja: i p max

R − 1 tz  U b  1 − e L1  =  R1  

Pri razdvajanju kontakata prekidača paljenja akumulirana elektromagnetna energija se transformiše u elektrostatičku energiju primarnog i sekundarnog kola indukcionog kalema i Džulove gubitke. L1i p2 max

C1U12max C2U 22max = + + WJ 2 2 2 Ako se zanemare Džulovi gubici WJ i kako je prenosni odnos indukcionog kalema: U1 n1 = U 2 n2

dobija se teorijska procena visine sekundarnog napona indukcionog kalema:

U 2 max

R − 1 tz  U b  1 − e L1  =   R1  

L1 2

n  C1  1  + C2  n2  Iz izraza se vidi da na visinu sekundarnog napona u eksploataciji utiču napon baterije i vreme zatvorenosti prekidača paljenja. Pri malim brojevima obrtaja motora vreme zatvorenosti je veliko pa je i vrednost sekundarnog napona velika. Sa porastom brzine smanjuje se i vreme zatvorenosti prekidača paljenja a samim tim smanjuje se i sekundarni napon i akumulisana energija u kalemu. Ukoliko je izolacija svećica loša dolazi do kapacitivnih i otpornih premošćenja svećice koja pri visokim brojvima obrtaja mogu da izazovu izostanak paljenja. Centrifugalni mehanizam za korekciju ugla predpaljenja ima ulogu da sa porastom broja obrtaja motora poveća ugao predpaljenja. Taj mehanizam se realizuje pomoću opruga i tegova koji rotiraju i zavisnost promene ugla predpaljenja od broja obrtaja je ili linearna ili se sastoji od nekoliko pravolinijskih segmenata sa različitim koeficijentima pravca. Vakuumski korektor vrši korekciju ugla predpaljenja sa opterećenjem na osnovu podpritiska u usisnom kolektoru. Pri praznom hodu količina zaostalih gasova u cilindru je velika pa je brzina sagorevanja gorive smeše mala zbog čega je potrebno povećati ugao predpaljenja da bi se povećala snaga motora. Pri tome potpritisak u usisnom kolektoru je veliki jer je prigušni leptir zatvoren. Osnovni nedostaci klasičnog baterijskog sistema paljenja su smanjenje sekundarnog napona sa brojem obrtaja motora, erozija kontakata prekidača paljenja zbog velikih struja kroz kontakte, promena ugla predpaljenja zbog habanja kliznih delova prekidača paljenja i nemogućnost prekidača paljenja pri velikim brojevima obrtaja zbog svoje inercije da prati osovinu sa grebenima. 4.2.2. Tranzistorsko paljenje Osnovni nedostatak klasičnog sistema paljenja je u ograničenosti maksimalne struje koja sme da teče kroz kontakte prekidača paljenja jer bi se sa povećanjem struje moglo za kraće vreme da akumulira veća energija u indukcionom kalemu. Povećanje struje kod baterijskih sistema nije moguće jer povećanje struje drastično povećava eroziju kontakata a samim tim 61

smanjuje i pouzdanost sistema paljenja. Da bi se taj problem rešio kao energetski prekidač uvodi se tranzistor snage ili neki drugi složeniji elektronski sklopovi koji beskontaktno mogu pouzdano da prekinu primarno kolo indukcionog kalema i takvi sistemi paljenja se zbog toga nazivaju tranzistorski sistemi paljenja. Pobuda prekidačkih tranzistora vrši se pomoću okidnih kola koja mogu da koriste za određivanje položaja kolenastog vratila prekidač paljenja (kao kod klasičnog sistema) ili beskontaktne davače. KK Vb R2

KK Vb R1

Tr1

SV IK

R3

R1 Tr1

R4

SV IK

Tr2

PP R6 PP

R5

Tr3

D1

C1

R7

Slika 4.20. Tranzistorski sistemi za paljenje sa prekidačem paljenja Tranzistorski sistemi za paljenje sa prekidačem paljenja (slika 4.20) koriste se za osavremenjavanje vozila u eksploataciji jer ne zahtevaju značajnije izmene instalacije vozila. Pomoću njih rešava se problem prekidanja velikih struja tako da se akumuliše veća energija u indukcionom kalemu za kraće vreme ali se ne rešava problem habanja kliznih delova prekidača paljenja.

1. Baterija 2. Prekidač sa ključem 3. Indukcioni kalem 4. Elektronski izlazni stepen 5. Razvodnik paljenja 6a Indukcioni davač 6b Hall-ov davač 7. Svećice

Slika 4.21. Beskontaktni tranzistorski sistem paljenja

62

D2

KK Vb

R1

R2 Tr1

SV IK

R8

R10

R14

R15

R3 R4

C5 D3

R12 Tr2

C2

D2

Tr5

Tr4

C3 R9

R6 Tr6

C4 R11

R5

Tr3

D1

C1

R7

R13

D4

ID1 S

N

Davac

Slika 4.22. Beskontaktni tranzistorski sistem paljenja Beskontaktno tranzistorsko paljenje ima prednosti jer rade bez ikakvih kliznih delova tako da nema habanja pa samim tim i ne zahtevaju posebno održavanje a trenutak paljenja je precizno određen. Beskontaktni tranzistorski sistemi paljenja imaju davač položaja kolenastog vratila koji obično radi na magnetnom principu mada postoje prvenstveno laboratorijski sistemi koji rade optički. Davači koji rade na magnetnom principu su obično indukcionog tipa ili rade na principu Hall-ovog efekta. Davač se najčešće pobuđuje pomoću stalnog magneta ili nazubljenog točka koji rotira i zajedno su smešteni u razvodnik paljenja. Slika 4.21. prikazuje principijelnu šemu beskontaktnog tranzistorskog sistema paljenja. Slika 4.22 prikazuje elektronsku realizaciju bskontaktnog tranzistorskog sistema paljenja. Signal sa beskontaktnog davača se prvo obrađuje da bi se dobio pogodan naponski signal za okidanje izlaznog stepena u okviru koga je prekidački tranzistor. Ta obrada je neophodna jer magnetski sistemi ne daju impulse pravilnog oblika a kod induktivnih davača napon na izlazu davača zavisi od broja obrtaja pa ga treba pojačati ili oslabiti u zavisnosti od broja obrtaja. Izlazni stepen tranzistorskog paljenja gotovo obavezno sadrži kolo za ograničavanje maksimalne struje. To kolo služi da zaštiti prekidački tranzistor i indukcioni kalem od prevelike struje jer pri malim brojevima obrtaja motora vreme trajanja struje kroz indukcioni kalem može da bude jako veliko pa se može uspostaviti velika struja i pri malom baterijskom naponu zbog jako male otpornosti primarnog namotaja indukcionog kalema. Pored ograničavanja maksimalne struje kod ovih sistema veoma često ograničava se i vreme proticanja struje kroz indukcioni kalem. Za pouzdano paljenje zna se količina energije koja treba da se akumulira u indukcionom kalemu. Za određenu jačinu struje potrebno je tačno određeno vreme za akumulisanje energije i to vreme je pri malim brojevima obrtaja mnogo manje od vremena između dve varnice. Zato se do srednjih brojeva obrtaja vreme trajanja struje ograničava a kod viših brojeva obrtaja vreme trajanja struje zavisi od međuvremena dve varnice. Ograničavanje vremena trajanja struje indukcionog kalema koriguje se u zavisnosti od baterijskog napona jer je za male napone potrebno veće vreme trajanja struje. 63

Posebno kolo potpuno isključuje struju ako je broj obrtaja motora manji od startnog što odgovara uključenom napajanju motora koji ne radi. Promena ugla predpaljenja kod tranzistorskog paljenja vrši se na isti način kao kod klasičnog sistema paljenja pomoću centrifugalnog mehanizma i vakuumskog korektora. Neki tranzistorski sistemi paljenja sadrže dodatne sklopove koji utiču na ugao predpaljenja. Primer za takav sklop je regulator broja obrtaja motora pri praznom hodu koji povećava ugao predpaljenja kada padne broj obrtaja motora da bi povećao moment motora i na taj način sprečio dalji pad broja obrtaja. Drugi primer je sklop koji pri velikim brojevima obrtaja smanjuje ugao predpaljenja da bi se sprečile detonacije u motoru. Indukcioni kalem za tranzistorske sisteme paljenja se razlikuje od indukcionog kalema za klasične sisteme po tome što ima veći prenosni odnos i mnogo manji omski otpor primarnog kola. Povećanje prenosnog odnosa je potrebno zbog smanjenog napona na primaru indukcionog kalema zbog pada napona na izlaznom tranzistoru koji je naročito izražen kada je izlazni tranzistor vezan u darlingtonovom spoju. Smanjenje omskog otpora primara indukcionog kalema je neophodno da bi se povećala struja primarnog kola što je neophodno kod šesto cilindričih i osmocilindričnih motora jer je kod njih vreme između dve varnice mnogo kraće. Indukcioni kalem klasičnog paljenja nikada ne sme da se menja indukcionim kalemom tranzistorskog paljenja.

4.2.3. Sistem za paljenje sa kapacitivnim pražnjenjem Sistem za paljenje sa kapacitivnim pražnjenjem se veoma često naziva "tiristorsko paljenje" jer se kao prekidački elemenat koristi tiristor. Osnovna karakteristika sistema za paljenje sa kapacitivnim pražnjenjem je da se energija potrebna za stvaranje varnice akumulira u električnom polju kondenzatora. Akumulisana energija u kondenzatoru je: 2

W=U 2C gde je C kapacitivnost kondenzatora a U napon na krajevima kondenzatora. Pražnjenjem kondenzatora kroz primarno kolo indukcionog kalema u sekundaru se indukuje visokonaponski impuls potreban za stvaranje varnice.

Slika 4.22. Sistem za paljenje sa kapacitivnim pražnjenjem

64

Slika 4.22. prikazuje principijelnu blok šemu sistema za paljenje sa kapacitivnim pražnjenjem. U okviru elektronske upravljačke jedinice nalazi se DC/DC pretvarač koji jednosmerni napon baterije (12V) pretvara u mnogo veći jednosmerni napon (oko 400V) kojim se preko diode D puni kondenzator C. Povećavanje napona je neophodno da bi se povećala energija akumulirana u kondenzatoru. Kada se pomoću davača položaja odredi potreban moment varnice upravljačko kolo okida tiristor pri čemu dolazi do pražnjenja kondenzatora kroz primarno kolo indukcionog kalema i stvaranja visokonaponskog impulsa paljenja na svećici. Davač položaja može biti kontaktnog tipa (kao prekidač paljenja) ili beskontaktan (kao kod tranzistorskog paljenja). Regulacija ugla predpaljenja vrši se obično pomoću centrifugalnog regulatora i vakuumskog korektora. Glavna prednost ovog sistema paljenja je što se energija akumulira u veoma kratkom vremenskom intervalu zbog čega je ovakvo paljenje pogodno za visokoturažne i višecilindrične motore. Ovaj sistem paljenja je veoma otporan na kapacitivna i otporna premošćenja svećice. Najveća mana sistema za paljenje sa kapacitivnim pražnjenjem je veoma kratko trajanje varnice (0,1 do 0,3 ms), nedovoljno za pouzdano paljenje kod standardnih četvorocilindričnih motora što uslovljava primenu ovog sistema samo kod posebnih vrsta motora.

4.2.4. Elektronsko paljenje Elektronsko paljenje dobilo je ime po tome što se trenutak paljenja i trajanje struje kroz indukcioni kalem određuje pomoću elektronskih sklopova bez bilo kakvih centrifugalnih i vakuumskih korektora ugla paljenja. Potpuno elektronsko određivanje ugla predpaljenja uslovilo je da elektronska upravljačka jedinica bude veoma složena i da u sebi sadrži mikrokompjuter. Određivanje ugla predpaljenja u svim radnim režimima motora zahteva da se znaju određeni radni parametri svakog trenutka pa je zbog toga kod elektronskog paljenja uveden čitav niz davača raznih fizičkih veličina koje bliže određuju pojedine radne režime. Slika 4.23. prikazuje blok šemu elektronskog paljenja kod koje su prikazane osnovne fizičke veličine koje se mere i davači koji se koriste za ta merenja. U zavisnosti od vrste signale koji se dobijaju od davača neophodno je obraditi pre izračunavanja potrebnog ugla predpaljenja i dovesti u oblik koji je pogodan za izračunavanja u mikrokompjuteru. Za primenu u mikrokompjuteru svi signali treba da su impulsnog tipa ili prikazani pomoću binarnih brojeva. Broj obrtaja motora se najčešće određuje pomoću indukcionog davača (mada se koristi i Hall-ov davač) čiji impulsni signal se oblikuje i naponski prilagođava (napon tog davača zavisi od broja obrtaja) za primenu u mikrokompjuteru. Prekidački signali (npr. položaj leptira pri praznom hodu, temperaturni prekidači...) se samo naponski prilagođavaju jer su to po svojoj prirodi binarni signali.

65

1. Davač broja obrtaja 2. Prekidački signali 3. Pritisak u usisnom kolektoru 4. Temperatura motora 5. Temperatura vazduha u usisnom kolektoru 6. Napon baterije 7. Mikrokompjuter 8. A/D konvertori 9. Izlazni stepen Slika 4.23. Blok šema elektronskog paljenja Analogni signali temperature motora, temperature vazduha u usisnom kolektoru, podpritiska u usisnom kolektoru se prvo dovode u pretvarač koji signale tih fizičkih veličina pretvara u analogni naponski signal a zatim se taj naponski signal dovodi u analogno-digitalni konvertor koji analogni signal prikazuje pomoću binarnih brojeva. Signal napona baterije nije potrebno posebno pretvarati ali ga je neophodno preko A/D konvertora predstaviti u obliku binarnog broja. Na osnovu obrađenih signala davača mikrokompjuter na osnovu algoritma ugrađenog u njegovu memoriju i zamemorisanih mapa određuje optimalan ugao predpaljenja. Zamemorisane mape (Slika 4.24.) predstavljaju optimalne vrednosti ugla predpaljenja za veliki broj vrednosti broja obrtaja Slika 4.24. Mapa paljenja motora i veliki broj vrednosti opterećenja. Te tačke dobijene su pri fabričkim ispitivanjima motora uz poštovanje svih ograničenja koja unose granice detonacije, emisija izduvnih gasova ili vozivost. Dobijanje radnih parametara za one vrednosti brojeva obrtaja motora i opterećenja koja ne postoje u mapama vrši se interpolacijom susednih tačaka u mapi. Korekcija mapa vrši se zbog promena temperatura ili napona napajanja kao i zbog ulaska u neki specifični režim (prinudan prazan hod, puno opterećenje, hladan start). Ukoliko napon baterije varira potrebno je izvršiti korekciju vremena trajanja struje kroz indukcioni kalem da bi akumulisana energija u kalemu uvek bila optimalna uz minimalno zagrevanje indukcionog kalema i izlaznog stepena. Izlazni stepen u sebi sadrži prekidački tranzistor u darlingonovoj sprezi i može se nalaziti u okviru elektronske upravljačke jedinice a može biti to poseban modul da bi se smanjilo zagrevanje mikrokompjutera jer se prekidački tranzistor u svom radu greje.

66

6. Davač položaja leptira 7. Induktivni davač broja obrtaja 8. Baterija 9. Prekidač sa ključem

1. Indukcioni kalem 2. Visokonaponski razvodnik 3. Svećice 4. Elektronska upravljačka jedinica 5. Davač temperature motora

Slika 4.25. Elektronsko paljenje sa razvodnikom paljenja Slika 4.25. prikazuje šemu jednog tipa elektronskog paljenja. Kod ovog tipa elektronskog paljenja broj obrtaja motora i položaj kolenastog vratila određuju se pomoću istog induktcionog davača koji se pobuđuje zupcima nazubljenog točka vezanog za zamajac motora. Podpritisak u usisnom kolektoru se ne meri direktno već se koristi veza između položaja prigušnog leptira i podpritiska u usisnom kolektoru a položaj leptira određuje se pomoću potenciometarskog davača. Razvođenje visokog napona sa indukcionog kalema do svećica vrši se pomoću mehaničkog razvodnika koji vrši precizno razvođenje. Razvodnik je direktno spregnut sa kolenastim vratilom. Zamenom mehaničkog, rotacionog razvodnika paljenja statičkim elektronskim komponentama elektronsko paljenje postaje potpuno elektronizirano i takvo paljenje se naziva elektronsko paljenje bez razvodnika. U tom tipu paljenja u odnosu na paljenje sa mehaničkim razvodnikom izmene su izvršene na indukcionom kalemu i eventualno na izlaznom stepenu. Slika 4.26. prikazuje šemu elektronskog paljenja bez razvodnika kod koga se napajanje svećica visokim naponom vrši direktno iz indukcionog kalema. Najčešća realizacija elektronskog paljenja bez razvodnika kod četvorocilindričnih motora je da se u isto kućište smeste dva indukciona kalema od kojih svaki ima dva visokonaponska kabla koja vode do odgovarajućih svećica. Pobuda tih indukcionih kalemova vrši se pomoću dva posebna izlazna stepena. Pobuđivanjem jednog indukcionog kalema formiraju se dve varnice od kojih jedna ide na cilindar koji je u fazi sabijanja i gde je potrebno upaliti gorivu smešu a drugi ide u cilindar koji je u fazi izduvavanja gde varnica nema nikakvog uticaja. Zbog dvostrukog broja varnica u odnosu na potreban broj vreme rada svećice se bitno smanjuje što je mana ovog tipa paljenja.

67

1. Svećice 2. Indukcioni kalem 3. Potenciometarski davač položaja leptira 4. Elektronska upravljačka jedinica

5. Davač temperature motora 6. Indukcioni davač broja obrtaja 7. Baterija 8. Prekidač sa ključem

Slika 4.26. Elektronsko paljenje bez razvodnika paljenja Da bi se sprečila pojava nepotrebne varnice za svaki indukcioni kalem u visokonaponsko kolo stavljaju se visokonaponske diode od kojih jedna može da propušta samo pozitivne a druga samo negativne visokonaponske impulse. Posebnom izvedbom izlazog stepena proizvode se visokonaponski impulsi različitog polariteta koji su tako sinhronizovani da stvaraju varnicu samo u cilindru u fazi sabijanja. Kombinacijom dva visokonaponska kabla sa visokonaponskim diodama polarisanim u jednom smeru i dva kabla sa diodama suprotne polarizacije moguće je realizovati elektronsko paljenje bez razvodnika sa samo jednim indukcionim kalemom. To rešenje nije praktično jer se formiraju istovremeno dve varnice i povećana je složenost izlaznog stepena da bi se dobio jedan indukcioni kalem manje. Ovi tipovi elektronskog paljenja bez razvodnika koriste se uglavnom za četvorocilindrične motore jer se ne može primenjivati za trocilindrične i petocilindrične zbog njihove konstukcije a primena kod šestocilindričnih i osmocilindričnih motora je previše komplikovana. Elektronsko paljenje ne zahteva posebno održavanje i podešavanje u toku radnog veka motora. 4.2.5. Sistemi za paljenje sa regulacijom detonacija Brzina prostiranja plamena u cilindru pri normalnom sagorevanju je relativno mala ali pri određenim uslovima može doći do naglog sagorevanja u cilindru i brzina plamena pri tome može dostići brzine veće od brzine zvuka. Usled te prevelike brzine dolazi do pojave eksplozija 68

(detonacija) u cilindru koje su takvog intenziteta da mogu da oštete cilindar ili klip. Takvo sagorevanje se naziva detonantno sagorevanje. Uzroci pojave detonacija u cilindru mogu biti različiti a osnovni su: preveliki stepen kompresije, konstrukcija komore za sagorevanje, neadekvatna goriva smeša, neadekvatno gorivo i preveliki ugao predpaljenja. Povećanje stepena kompresije izaziva povećanje brzine plamena ali prekomerno povećanje izaziva povećanje temperature u cilindru i pojavu samopaljenja smeše u tačkama koje nisu u frontu plamena što rezultuje detonacijama. Konstrukcija komore za sagorevanje utiče na pojavu detonacija na taj način što reguliše turbulenciju gasa koji omogućava ravnomernije sagorevanje. Neadekvatno gorivo je uzrok detonacija ako se umesto deklarisanog goriva koristi gorivo manje oktanske vrednosti. Oktanska vrednost goriva predstavlja otpornost goriva na detonacije. Motori sa većim stepenom kompresije zahtevaju gorivo sa većim oktanskim brojem. Siromašna goriva smeša zbog više kiseonika u njoj brže gori uz povećanje temperature što su preduslovi za pojavu detonacija. Povećanjem ugla predpaljenja goriva smeša u cilindru pre gornje mrtve tačke se stvara veliki pritisak i temperatura u cilindru što pogoduje pojavi detonacija. Kod izvedenih motora stepen kompresije i oblik komore za sagorevanje je konstruktivno definisan (mada se radi na motorima sa promenljivim stepenom kompresije) tako da se na sprečavanje pojave detonacija može uticati korištenjem samo deklarisanog goriva, promenom sastava smeše i promenom ugla predpaljenja. Obogaćivanjem gorive smeše smanjuje se brzina plamena i sprečavaju detonacije ali se kvare drugi parametri motora (prvenstveno povećavaju se emisije). Pravi parametar za najbrže sprečavanje detonacija je promena ugla predpaljenja. Određivanje ugla predpaljenja sa stanovišta sprečavanja pojave detonacija je veoma često protivurečno sa zahtevima minimalne potrošnje ili minimalne emisije jer se tu često zahteva ugao predpaljenja koji izaziva detonacije. Zbog toga, mora se kompromisno smanjiti željena vrednost ugla predpaljenja na vrednost ugla predpaljenja koji je na granici detonacija umanjen za vrednost neke zone sigurnosti. Da bi se smanjila zona sigurnosti ugla predpaljenja tj. da ugao predpaljenja uvek ima vrednost koja je na granici detonacija potrebno je da se obrazuje sistem upravljanja koji će eliminisati detonacije u svim režimima rada motora uz maksimalni ugao predpaljenja. Sistem za regulaciju detonacija mora da radi u zatvorenoj petlji. On mora da otkriva pojavu detonacija na motoru i da na osnovu pojave detonacija vrši promenu ugla predpaljenja. Motor se ovde javlja sa jedne strane kao objekat upravljanja a sa druge kao izvor detonacija. Utvrđivanje pojave detonacija na motoru vrši se pomoću davača detonacija koji najčešće mere detonacije za svaki cilindar ponaosob. Davači detonacija su najčešće piezoelektričnog tipa i smešteni su ispod svećica ili na glavi motora u neposrednoj blizini svećica.

Slika 4.27. Blok šema sistema za regulaciju detonacija 69

Slika 2.27. prikazuje blok šemu sistema za regulacija u zatvorenoj petlji. Davač detonacija detektuje vibracije motora i formira signal koji se u elektronskoj upravljačkoj jedinici filtrira pomoću filtra propusnika učestanosti da bi se izdvojili signali detonacija ukoliko postoje. Izdvajanje signala detonacija vrši se poređenjem obrađenog signala davača sa zamemorisanim signalima motora bez detonacija za isti broj obrtaja i isto opterećenje motora. Ukoliko se utvrdi pojava detonacija elektronska upravljačka jedinica smanjuje ugao predpaljenja u sistemu za paljenje.

Slika 4.28. Regulacija ugla predpaljenja Slika 4.28. prikazuje princip regulacije ugla predpaljenja za četvorocilindrični motor. Na apscisi su trenutci gornje mrtve tačke u pojedinim cilindrima a na ordinati je ugao predpaljenja. Velikim slovom K obeležena je pojava detonacija u cilindru a indeksom broj cilindra. Regulacija se vrši na taj način što se smanjuje ugao predpaljenja za fiksnu vrednost "b" samo za cilindar u kome je došlo do detonacija. Ukoliko u toku vremena "c" određenog tajmerom u elektronskoj upravljačkoj jedinici ne dođe do ponovnih detonacija ugao predpaljenja se povećava za vrednost "d" koja je manja od "b". Ukoliko u sledećem periodu dužine "c" ponovo ne dođe do pojave detonacija povećava se ugao predpaljenja za vrednost "d". Ukoliko se detonacije pojave ponovo posle vremena "a" koje je manje od "c" ugao predpaljenja se smanjuje za vrednost "b". Regulacija se vrši za svaki cilindar posebno čime se eliminiše uticaj nejednake raspodele smeše po cilindima i razlike u konstrukciji cilindara. U primeru detonacije se nisu pojavljivale na četvrtom cilindru. Sistem za regulaciju radi uvek na granici detonacija nezavisno od primenjenog goriva tako da se u vozilima sa ovim sistemom može koristiti gorivo manje oktanske vrednosti na račun ekonomičnosti i maksimalne snage motora. Najčešće sistem za regulaciju detonacija je integrisan u okviru elektronskog paljenja.

70

4.3. UPRAVLJANJE POJEDINIM FUNKCIJAMA MOTORA Osavremenjavanje postojećih vozila u eksploataciji i vozila koja se dugo proizvode u cilju poboljšavanja njihovih performansi, smanjenja potrošnje ili zbog zadovoljenja zakonskih propisa dovela je do toga da se formiraju nezavisni sistemi za upravljanje pojedinim funkcijama motora. Nezavisni sistemi su uglavnom kod savremenih vozila integrisani sa sistemom paljenja ili formiranja gorive smeše ili u integralne sisteme mada se i dalje razvijaju nezavisni sistemi i to posebno oni koji predstavljaju vezu vozila i motora (kao regulacija brzine vozila). 4.3.1. REGULACIJA PRAZNOG HODA U ZATVORENOJ PETLJI Pri praznom hodu broj obrtaja motora zavisi od količine vazduha koju usisava motor, odnosa gorivo-vazduh i ugla predpaljenja. Najlakše je pri praznom hodu regulisati u zatvorenoj petlji količinu vazduha koju usisava motor jer ona odgovara punjenu cilindara. Regulacijom u zatvorenoj petlji postiže se niži stabilan broj obrtaja motora čime se postiže i ekonomičniji rad motora koji se ne menja u toku eksploatacije motora.

Slika 4.29. Blok šema sistema za regulaciju praznog hoda Jedan od načina regulacije praznog hoda u zatvorenoj petlji je dovođenjem dodatnog vazduha u motor posebnim kanalom kojim se zaobilazi prigušni leptir (0). Elektronska upravljačka jedinica prima signale o broju obrtaja motora, temperaturi motora, položaju leptira i naponu napajanja i na osnovu njih otvara kanal kojim se propušta vazduh u motor zaobilazeći pri tome leptir. EUJ, kada se kontakt praznog hoda na leptiru zatvori, prelazi u režim regulacije kada poredi trenutni broj obrtaja motora sa vrednošću koja je programski definisana. Ukoliko je broj obrtaja motora manji EUJ otvara kanal omogućavajući prolaz većoj količini vazduha čime se povećava broj obrtaja a ukoliko je broj obrtaja veći kanal se zatvara. Ovim se kompenzuju promene broja obrtaja motora pri praznom hodu zbog uključenja ili isključenja dodatnih potrošača (klima uređaj i sl.). Brzina i veličina zatvaranja kanala određuje se u zavisnosti od temperature motora i napona baterije. Regulator je realizovan kao proporcionalno-integralni regulator da bi se izbegle nagle promene upravljačkog, izlaznog, signala na aktuatoru ukoliko se naglo promeni neki ulazni signal. 71

Za ovu regulaciju Bosch je razvio poseban aktuator praznog hoda koji u sebi sadrži stalni magnet i dva namotaja. U zavisnosti od jednosmernih komponenti napona na tim namotajima u namotajima se formira polje koje sa poljem stalnih magneta formira spreg koji okreće rotor aktuatora pri čemu se otvara i zatvara kanal u zavisnosti od odnosa jednosmernih napona na namotajima. Veći jednosmerni napon na jednom kalemu izaziva otvaranje kanala a na drugom zatvaranje kanala. Regulacija jednosmernog napona postiže se menjanjem odnosa signal-pauza na impulsnim komplementarnim naponima koji se dovode na namotaje. Pod komlementarnim naponima podrazumeva se da kada je napon na jednom namotaju visok na drugom namotaju je nizak i obrnuto. Problemi kod ovog aktuatora mogu da se jave kada su potrebni mali protoci vazduha jer na tačnost regulacije utiče histerezis od oko 10% u magnetnom kolu aktuatora.

Slika 4.30. Bosch-ov aktuator praznog hoda

Kao aktuator praznog hoda mogu da se koriste i solenoidni ventili kod kojih se menjanjem odnosa signal-pauza menja koičina vazduha koja se propušta motoru ali pri ovakvoj regulaciji vazduh ne dolazi kontinualno već u impulsima što može da bude nepovoljno za stabilan rad motora. Kada je elektronska upravljačka jedinica sistema za regulaciju praznog hoda rešena digitalno aktuator praznog hoda je moguće realizovati pomoću koračnog motora (0) koji pomera klip kojim se zatvara i otvara kanal za prolaz vazduha.

72

Slika 4.31. Aktuator praznog hoda sa koračnim motorom Drugi način regulacije praznog hoda moguće je vršiti direktnim pomeranjem leptira pomoću električnih ili elektropneumatskih aktuatora. Taj princip se koristi kod regulacije praznog hoda karburatorskog motora sistemom Ecotronic. 4.3.2. RECIRKULACIJA IZDUVNIH GASOVA Emisija azotovih oksida (NOx) može se smanjiti recirkulacijom izduvnih gasova, redukcijom NOx pomoću katalitičkog konvertora u izduvnom sistemu vozila i kombinacijom oba predhodna načina. Emisija azotovih oksida drastično raste sa porastom temperature u cilindru. Recirkulacija izduvnih gasova zasniva se na vraćanju vazduha iz izduvnog sistema vozila, tj na vraćanju izduvnih gasova, u usisni kolektor što prouzrokuje smanjenje temperature u cilindru jer je manja količina kiseonika u gorivoj smeši. Sa smanjenjem temperature smanjuje se i emisija NOx. Recirkulacija izduvnih gasova može da se ostvari internom i eksternom regulacijom.

Slika 4.32. Recirkulacija izduvnih gasova (blok šema) 73

Interna regulacija recirkulacije izduvnih gasova zasniva se na podešavanju vremena istovremene otvorenosti usisnog i izduvnog ventila čime se u toku takta usisavanja usisava i izvesna količina izduvnih gasova. Eksterna regulacija recirkulacije izduvnih gasova zasniva se na regulaciji količine i vremena vraćanja izduvnih gasova pomoću elektromagnetnog ventila koji otvara i zatvara kanal koji spaja izduvni i usisni kolektor. Radom elektromagnetnog ventila upravlja elektronska upravljačka jedinica koja na osnovu informacija o broju obrtaja motora, temperaturi rashladnog fluida, količini usisanog vazduha i pritisku u usisnom kolektoru određuje periode otvorenosti i zatvorenosti kanala za recirkulaciju izduvnih gasova. Recirkulacija izduvnih gasova nije dozvoljena pri radu motora na praznom hodu, pri zagrevanju motora i pri punom opterećenju motora jer su to režimi koji traže bogatiju gorivu smešu a recirkulacijom se vrši osiromašenje gorive smeše. 4.3.3. UPRAVLJANJE ISPARLJIVIM EMISIJAMA Gorivo u rezervoaru isparava nezavisno od toga da li motor radi ili ne radi. Da bi se isparavanja iz vozila smanjila pojedine zemlje su zakonski regulisale količinu isparljivih emisija od vozila. Sistem za upravljanje isparljivim emisijama treba da sakuplja emisije kada motor ne radi i da ih se oslobađa sagorevanjem u motoru kada motor radi.

1 Rezervoar za gorivo, 2 Jednosmerni ventil, 3 Kanister sa aktivnim ugljem, 4 Dovod vazduha, 5 Prekidački ventil, 6 Upravljački ventil, 7 Elektronska upravljačka jedinica, 8 Vod prema usisnom kolektoru Slika 4.33. Sistem za upravljanje isparljivim emisijama Osnovni elemenat sistema za upravljanje isparljivim emisijama je kanister sa aktivnim ugljem koji ima osobinu da upija te emisije pri normalnom pritisku i da ih ispušta kada postoji podpritisak. Zbog toga je kanister spojen sa vodom za ventilaciju rezervoara, odakle upija isparljive emisije, i usisnim kolektorom motora gde ispušta upijene emisije. Spajanje kanistera sa aktivnim ugljem i rezervoara vrši se preko jednosmernog ventila koji ima zadatak da spreči prelivanje goriva iz rezervoara u kanister prilikom punjenja rezervoara gorivom ili prilikom prevrtanja vozila. Usisni kolektor je sa kanisterom spojen preko jednog ili dva solenoidna ventila kojima se reguliše protok isparljivih emisija koje izvlači motor iz aktivnog uglja u kanisteru. U sistemu sa dva solenoidna ventila (0) jedan se koristi za prekid veze između kanistera i usisnog kolektora kada motor ne radi (prekidački ventil) i on je zatvoren kada nije pod naponom tj. kada motor ne radi, a drugi (upravljački) dozira količinu emisija koju uzima motor preko usisnog

74

kolektora taktnim otvaranjem i zatvaranjem te veze. Upravljački ventil je otvoren kada motor ne radi. Radom ventila upravlja elektronska upravljačka jedinica koja reguliše protok isparljivih emisija tako da količina goriva koja se kroz te emisije usisa ne obogati prekomerno gorivu smešu tj. da motor može normalno da radi. Protok isparljivih emisija EUJ vrši promenom odnosa vremena otvorenosti i zatvorenosti upravljačkog ventila. Upravljanje isparljivim emisijama vrši se samo kada je motor u normalnom radnom režimu: motor zagrejan ali ne i pregrejan, broj obrtaja veći od nekog unapred definisanog broja obrtaja, prigušni leptir nije zatvoren i proteklo je neko unapred definisano vreme od starta rada motora.

4.4. INTEGRALNI SISTEMI UPRAVLJANJA FUNKCIJAMA MOTORA Motor je kompleksan objekat upravljanja čijim pojedinim sistemima može da se upravlja nezavisno od drugih sistema pri čemu se za regulaciju veoma često koriste isti ulazni parametri. Primena mikroprocesora u upravljanju različitim funkcijama motora omogućila je da se pomoću jedne elektronske upravljačke jedinice istovremeno vrši regulacija više sistema na motoru uz korištenje istih ulaznih podataka a upravljanja realizovana na taj način nazivamo integralnim sistemima upravljanja funkcijama motora. Najjednostavniji i najčešći integralni sistem upravljanja je onaj kod koga se vrši upravljanje paljenjem i pripremanjem gorive smeše. Kompleksniji sistemi pored ova dva sistema u sebi sadrže i sisteme za regulaciju praznog hoda, sprečavanje detonacija, recirkulaciju izduvnih gasova, kontrolu isparljivih emisija. Najsloženiji integralni sistemi u sebi sadrže pored sistema za upravljanje motorom i upravljanje sistemima koji pripadaju vozilu kao što su transmisija i kočenje. Proces sagorevanja u cilindru nije funkcija samo od sastava goriva, količine smeše i odnosa vazduh-gorivo već i od ugla predpaljenja i energije koja je akumulirana u varnici. Da bi se vršilo upravljanje motorom treba kontrolisati odnos vazduh-gorivo (λ), vreme doziranja goriva (tj. količinu goriva), ugao predpaljenja i vreme (odgovara uglu pomeraja kolenastog vratila) akumuliranja energije u indukcionom kalemu. Parametri koji utiču na proces sagorevanja se mere i u EUJ obrađuju tako da se dobije optimum vremena paljenja i doziranja goriva u datom trenutku. Proces obrade signala sa davača u EUJ zahteva da se stanje motora na osnovu izmerenih veličina jednoznačno odredi i na osnovu toga izračunaju potrebne akcije izvršnih organa. Prosto izračunavanje po nekim formulama tih akcija nije moguće jer nije moguće egzaktno, preko formula, odrediti ponašanje motora zbog čega se pribegava snimanju karakteristika motora i formiranje mnogobrojnih višedimenzionih optimiziranih mapa (4.34) koje se unose u stalnu memoriju EUJ. Kada postoje mape stanja motora informacije davača mogu da se porede sa informacijama koje se nalaze u mapama i na osnovu toga se određuje optimalno upravljanje. Kako se mape sastoje od diskretnih tačaka stanja sva moguća stanja motora nisu uneta u njih ali se interpolacijom od postojećih bliskih tačaka može precizno da odredi stanje motora i optimalno upravljanje izvršnim organima.

75

Slika 4.34. Primeri radnih mapa Broj obrtaja motora i opterećenje su glavne izlazne veličine. Kako jednom uglu predpaljenja i jednom vremenu doziranja goriva odgovara neka tačka na mapi broj obrtajaopterećenje važno je da sve promenljive koje odgovaraju toj tački budu uzete za tu vrednost broja obrtaja i za to opterećenje. Ako se iste mape koriste za seriju motora stvaraju se statističke greške koje potiču od više faktora (tolerancije davača, tolerancije motora, starenje). Svako odstupanje pri parcijalnim opterećenjima izaziva porast potrošnje goriva ili porast emisija dok se pri punim opterećenjima u blizini granice detonacija detonacije mogu pojaviti. Tačno određivanje vremena paljenja i vremena ubrizgavanja, da bi se postigle optimalne dinamičke performanse, mora da se koriguje u toku rada što se i vrši u EUJ. Veliki broj ulaznih parametara kao i složeni i brzi dinamički procesi u motoru zahtevaju da se u EUJ u veoma kratkom vremenu izvrši izračunavanje potrebnih parametara da bi se postiglo upravljanje motorom u realnom vremenu. Integralni sistemi sadrže niz podsistema od kojih su osnovni podsistem za paljenje i podsistem za ubrizgavnje. Kombinovanje podsistema omogućava veću fleksibilnost upravljanja i omogućava upravljanje sa više funcija motora nego kada se primenjuju nezavisni sistemi za upravljanje pojedinim funkcijama motora. Veoma je jednostavno dodati nove mape sa određenim zavisnostima i na taj način uvesti nove podsisteme ili poboljšati kvalitet upravljanja podsistemima koji već postoje. Pored osnovnih podsistema paljenja i ubrizgavanja veoma često se integrišu: - podsistem za recirkulaciju izduvnih gasova koji se koristi kao dopuna sistema kontrole izduvnih gasova u zatvorenoj sprezi sa λ sondom, - podsistem za sprečavanje detonacija koji može da da radi u otvorenoj petlji na osnovu mapa koristeći informacije davača koji se koriste za paljenje i ubrizgavanje ili u zatvorenoj petlji 76

kada se pravi posebna zatvorena petlja sa davačima detonacija koja se povezuje sa ostalim podsistemima, - podsistem za regulaciju praznog hoda, - podsistem za regulaciju isparljivih emisija rezervoara za gorivo i motora.

Slika 4. 35. Blok šema integralnog sistema upravljanja Integralni sistemi upravljanja funkcijama motora zbog svoje složenosti zahtevaju ispravnost svih davača i izvršnih organa. Da bi se to obezbedilo u elektronskim upravljačkim jedinicama ugrađuje se sistem za dijagnostiku ispravnosti davača i izvršnih organa koji u toku rada po posebnom algoritmu kontroliše ispravnost rada svih podsistema i u slučaju neispravnosti signalizira vozaču o neispravnosti uz istovremeno unošenje koda neispravnosti u radnu memoriju EUJ da bi se neispravnost lako mogla utvrditi i otkloniti u servisu. Kada se detektuje neispravnost EUJ prelazi u prinudni režim koji omogućava dalji rad motora koji više nije optimalan ali koji omogućava da vozilo dođe do servisa. Najsloženiji integralni sistemi u sebi sadrže i podsisteme za upravljanje transmisijom i podsistem za upravljanje kretanjem (kočenje i sprečavanje proklizavanja) jer ova dva sistema su u uskoj vezi sa opterećenjem motora tj. prvenstveno sa sistemom za ubrizgavanje. Slika 4.35 77

prikazuje principijelnu blok šemu jednog složenog integralnog sistema upravljanja motorom i vozilom.

Slika 4.36. Blok šema Elektronske upravljačke jedinice Osnovni deo integralnog sistema upravljanja funkcijama motora je elektronska upravljačka jedinica (EUJ) koja u sebi sadrži mikrokompjuter. 4.36. pokazuju principijelnu blok šemu EUJ kod koje može da se uoče tri celine: ulazni stepen, izlazni stepen i mikrokompjuter. Mikrokompjuter se sastoji od centralne procesorske jedinice na bazi mikroprocesora koji radi sa određenim taktom, memorije (stalne - ROM ili EPROM i promenljive RAM) i magistrala za komunikaciju između delova mikrokompjutera i za komunikaciju sa spoljanjim ulazima i izlazima. Cela EUJ se napaja dodato stabilisanim naponom iz baterije. Na ulazne priključke EUJ dolazi veliki broj informacija o stanju motora od mnogobrojnih davača koje mikrokompjuter obrađuje u veoma kratkim intervalima (reda milisekunde). Da bi svi signali bili u istom naponskom opsegu i pogodni za obradu u mikrokompjuteru u ulaznom stepenu EUJ vrši se oblikovanje ulaznih signala i to ako su diskretni vrši se njihovo dodatno oblikovanje pomoću kola za oblikovanje impulsa a ako su analogni 78

prevode se u digitalni oblik pomoću analogno digitalnih konvertora. Tačnost obrade analognih signala zavisi od konstantnosti i preciznosti referentnog napona koji se koristi pri analognodigitalnoj konverziji i od komponenti koje su korištene u ulaznom stepenu (npr. rezolucija analogno-digitalnog konvertora, linearnost pojačavača). Obrada ulaznih signala vrši se u centralnoj procesorskoj jedinici mikrokompjutera pomoću programa i mapa smeštenih u stalnoj memoriji mikrokompjutera. Tačnost obrade digitalnih signala zavisi od dužine reči sa kojima radi mikrokompjuter, od radne frekvencije (clock) mikrokompjutera i od algoritma koji se koristi za obradu signala. Program treba da ima takav algoritam da omogući obradu signala u veoma kratkom vremenskom intervalu jer je kod maksimalnih brzina obrtanja motora potrebno vreme između dve akcije izvršnih organa jako kratko, tj. potrebno je sinhronizovati vreme obrtanja kolenastog vratila sa vremenom potrebnim za izračunavanje akcija. Da bi se sva bitna izračunavanja izvršila u realnom vremenu vrši se formiranje prioriteta signala i akcija koji se obrađuju na osnovu određenih signala prekida (interrupt) koji se formiraju na osnovu ulaznih signala. Mikrokompjuter daje izlazne signale koji se pojačavaju i naponski prilagođavaju u izlaznom stepenu jer niskonaponski signali iz mikrokompjutera ne odgovaraju izvršnim organima i ne mogu se direktno koristiti. Posebna karakteristika integralnih sistema upravljanja je osobina adaptabilnosti. Zbog tolerancija u izradi davača i samog motora u serijskoj proizvodni postoje odstupanja u određenim granicama koje EUJ u toku eksploatacije detektuje i vrednosti koje su karakteristične za vozilo upisuju se u RAM memoriju mikrokompjutera EUJ pa se za primenu u programskim algoritmima nadalje koriste te vrednosti. Na taj način se na primer određuju krajni položaji leptira. Ovim se istovremeno vrši korekcija karakteristika elemenata sistema zbog starenja. Osobina adaptabilnosti integralnih sistema je karakteristična za sisteme koji u sebi sadrže podsistem za sprečavanje detonacija u zatvorenoj petlji sa davačem detonacija. U toku rada ovi sistemi formiraju sami mape u RAM memoriji tako da motor uvek radi na granici detonacija. Određivanje optimalnog ugla predpaljenja vrši se za svaki cilindar posebno. Te novoformirane mape koriste se do pojave detonacija ili pogoršanja opteretnih karakteristika motora kada se koriguju. Na ovaj način mogu da se kompenzuju i promene u oktanskom broju goriva. Tipičan primer integralnog sistema upravljanja je Bosch-ov sistem Motronic. 0 prikazuje osnovnu verziju sistema kod koje su integrisani samo sistem za ubrizgavanje i sistem za paljenje. Davači za merenje opterećenja i temperature kao i izvršni organi koji se koriste kod LJetronica primenjeni su i ovde samo što su nešto pojednostavljeni jer je izbačena startna brizgaljka i termički prekidač a umesto informacije o broju obrtaja motora iz primarnog kola paljenja koristi se informacija od posebnog induktivnog davača koji meri brzinu i ugaoni položaj kolenastog vratila na taj način što detektuje prolazak zuba sa nazubljenog točka koji je vezan za kolenasto vratilo. Takođe ne koristi se ventil za dodatni vazduh već poseban aktuator praznog hoda. U okviru podsistema paljenja nalaze se indukcioni kalem i visokonaponski razvodnik koji je direktno vezan za kolenasto vratilo dok trenutak paljenja određuje EUJ na osnovu signala davača u zavisnosti od opterećenja i broja obrtaja motora. U osnovi sistem Motronic radi u zatvorenoj petlji na osnovu sastava izduvnih gasova prema signalu davača kiseonika i mapa u memoriji elektronske upravljačke jedinice. Rad u zatvorenoj petlji nije moguć u fazi startovanja hladnog motora, u slučaju naglog ubrzavanja

79

vozila, pri maksimalnoj snazi i pri prinudnom praznom hodu kada se upravljanje vrši samo na osnovu zamemorisanih mapa. Sistem Motronic moguće je proširiti za upravljanje drugim funkcijama motora kao što su recirkulacija izduvnih gasova, sprečavanje detonacija, upravljanje automatskim menjačem ...

11. Davač položaja leptira, 12. Davač protoka vazduha, 13. Davač temperature vazduha, 14. λ sonda, 15. Davač temperature rashladnog fluida, 16. Aktuator praznog hoda, 17. Indukcioni davač položaja kolenastog vratila, 18. Akumulatorska baterija, 19. Prekidači.

1. Rezervoar za gorivo, 2. Električna pumpa za gorivo, 3. Filter za gorivo, 4. Regulator pritiska, 5. Elektronska upravljačka jedinica, 6. Indukcioni kalem, 7. Razvodnik paljenja, 8. Svećica, 9. Brizgaljka, 10. Leptir,

Slika 4.37. Blok šema Motronic-a

80

5. MEHATRONIČKI SISTEMI NA MOTORNOM VOZILU 5.1. PROTIVBLOKIRAJUĆI KOČNI SISTEMI (ABS) Kočenje je složen proces koji se odvija u sistemu vozač - vozilo - okolina. Proces kočenja ostvaruje se dovođenjem kočnog momenta koji deluje u suprotnom smeru od smera obrtanja točka. Kočni momenat dobija se trenjem u kočnom mehanizmu točka (u spoj obloga - doboš odnosno pločica - disk) i prianjanjem između podloge i pneumatika točka. Zbog delovanja kočnog momenta u spoju pneumatik - podloga javlja se tangentna reakcija koja uravnotežava translatornu i rotacionu inercijalnu silu vozila.

Slika 5.1. Uprošćeni vremenski dijagram kočenja Proces kočenja vozila vremenski može da se podeli na nekoliko intervala kao što je prikazano na uprošćenom dijagramu kočenja na slici 5.1. Na slici 5.1 a predstavlja usporenje a Fp silu kojom vozač deluje na papučicu kočnice. Prvi interval, t1, je vreme reagovanja vozača, drugi interval, t2, je vreme kašnjenja odziva kočnog sistema na pobudu, treći interval, t4, je vreme porasta usporenja do postizanja maksimalnog usporenja i četvrti interval, t5, je vreme intenzivnog kočenja do potpunog zaustavljanja vozila. Ukupno vreme kočenja tu je: tu = t1 + t2 + t4 + t5 Ako se vozilo kretalo brzinom v u momentu kada se ukazala potreba za kočenjem i ako je maksimalno usporenje amax zaustavni put vozila su može se približno prikazati jednačinom: t4  v2  su = v  t1 + t2 +  + 2  2amax  Za ocenu karakteristika kočnih sistema koristi se relativno usporenje koje predstavlja odnos usporenja koje se ostvaruje kočnim sistemom i ubrzanja zemljine teže g: a q= g Relativno usporenje može da se prikaže kao odnos ukupne kočne sile i težine vozila:

q=

Fk = mg 81

∑F ∑Z

ki i

gde su Fki sile kočenja pojedinih kočenih točkova a Zi odgovarajuće normalne reaktivne sile na točku. U toku procesa kočenja dolazi do pojave klizanja. Klizanje predstavalja razliku translatorne brzine kretanja točka v i obimne brzine točka (koja zavisi od ugaone brzine točka ω). Umesto apsolutnog klizanja za analizu se koristi relativno klizanje koje je definisano odnosom: v − ω rd 100% λ= v gde je rd stvarni poluprečnik kotrljanja odnosno dinamički poluprečnik točka. Kod točka koji se slobodno kotrlja klizanje je λ = 0 % a kod blokiranog točka klizanje je λ = 100 %. Dinamika kretanja točka pri kočenju prikazana je na slici 5.2. Primenjene su sledeće oznake: Gt = mtg - normalno opterećenje točka zbog delovanja mase mt, Fa - inerciona sila, Mok - pogonski moment koji deluje u toku kočenja, Mk - moment koji ostvaruje kočnica, Mft - moment otpora kotrljanja točkova, v - translatorna brzina točka, rd - dinamički poluprečnik točka, Zt - normalna reaktivna sila, Slika 5.2. Sile i momenti koji X - tangentna reaktivna sila. deluju na kočeni točak Ako se pogonski moment Mok koji deluje u toku kočenja zanemari (tj. ako se smatra da je kočenje sa isključenom spojnicom) i ako se zanemari moment otpora kotrljanja dobija se da je tangentna reaktivna sila približno jednaka sili kočenja i da njena vrednost iznosi: X k = ϕ s Zt gde je ϕs koeficijent iskorišćenog prianjanja. Kada na točak deluje i bočna sila prianjanje na spoju pneumatik - podloga prilagođava se pravcu klizanja točka. Pravac klizanja točka je pod uglom δ u odnosu na pravac kretanja točka i taj ugao se naziva ugao bočnog klizanja. Koeficijenat prianjanja u pravcu klizanja može se rastaviti na dve komponente od kojih jedna deluje u pravcu kretanja točka (tangentno) a druga u normalno na pravac kretanja (bočno).

82

Zavisnost koeficijenta prianjanja od relativnog klizanja u pravcu kretanja točka ϕx i pravcu upravnom na kretanje  točka ϕy prikazana je na slici 5.3. za dve vrednosti ugla bočnog klizanja δ. Sa slike se vidi da koeficijent prianjanja u pravcu kretanja točka raste sa porastom klizanja relativno brzo do neke maksimalne vrednosti ϕmax a da posle te vrednosti sa porastom klizanja dolazi do smanjenja koeficijenta prianjanja u pravcu kretanja. U bočnom pravcu koeficijent prianjanja opada sa porastom klizanja. Proces klizanja do postizanja maksimalne vrednosti koeficijenta prianjanja je Slika 5.3. Zavisnost koeficijenta prianjanja stabilan a posle je nestabilan. od relativnog klizanja Parametri od kojih zavisi funkcija koeficijenta prianjanja od klizanja su: karakteristike pneumatika (veličina, konstrukcija, materijal, oblik šare, pohabanost), karakteristike podloge (priroda materijala i njegova kompozicija, karakteristike površine (vlažnost, led, sneg, prašina, masnoća) i karakteristike spoja pneumatik - podloga (normalno opterećenje, brzina i pravac klizanja u odnosu na teorijski pravac kretanja točka). Zavisnost koeficijenta prianjanja od karakteristika kolovoza i pneumatika je složena što se vidi sa slici 5.4. na kojoj je sa 1 označen koeficijent prianjanja radijalnih pneumatika, sa 2 dijagonalnih pneumatika sa "klinovima" na Slika 5.4. Zavisnost koeficijenta prianjanja od relativnog klizanja za različite vlažnom asfaltu, sa 3 radijalnih pneumatika na pneumatike i podloge snegu i sa 4 radijalnih pneumatika na suvom zaleđenom putu. Uočava se da se maksimum koeficijenta prianjanja pomera u zavisnosti od klizanja tj. da ne postoji jedna vrednost klizanja za koju je koeficijent prianjanja maksimalan. Slično pomeranje maksimuma koeficijenta prianjanja u zavisnosti od klizanja dešava se i pri promeni opterećenja i brzine vozila. Kada se kočenje vrši na granici prianjanja dolazi do blokiranja točkova na jednoj ili obe osovine vozila. Blokiranje točkova može da izazove gubljenje stabilnosti i upravljivosti vozila zbog delovanja spoljašnjih (bočni vetar, centrifugalna sila ...) i unutrašnjih (nejednake sile kočenja na istoj osovini...) poremećaja. Do gubitka stabilnosti vozila teorijski dolazi ako se pri delovanju bočne sile blokiraju zadnji točkovi pre prednjih. Ukoliko se pri kočenju uz delovanje bočne sile prvo blokiraju prednji točkovi teorijski dolazi do stabilizacije kretanja vozila ali u praksi dolazi pogoršanja upravljivosti vozila što je nepovoljno sa stanovišta bezbednosti saobraćaja. Zbog narušavanja stabilnosti i upravljivosti vozila poželjno je da se izbegne blokiranje točkova pri kočenju što 83

se može postići izborom kočnih sila prednjih i zadnjih točkova. Da bi vozilo bilo stabilno pri kočenju potrebno je da odnos kočnih sila zadovoljava relaciju: Fkp Z pϕ p = Fkz Z zϕ z gde je Fkp kočna sila prednjih točkova, Fkz kočna sila zadnjih točkova, Zp normalna reakcija prednjih točkova, Zz normalna reakcija zadnjih točkova, ϕp koeficijent prianjanja prednjih točkova i ϕz koeficijent prianjanja zadnjih točkova. Iz jednačine se zaključuje da se za konstantan odnos kočnih sila ne može postići stabilnost i upravljivost s obzirom na široke granice promene koeficijenta prianjanja. Za pouzdano i stabilno kočenje potrebno je obezbediti da se točkovi ne blokiraju pri kočenju tj. odgovarajuće sile kočenja prednjih i zadnjih točkova i istovremeno što je moguće veće koeficijente prianjanja da bi se postiglo efikasnije kočenje odnosno minimalan zaustavni put. S obzirom da je potrebno obezbediti da se odnos kočnih sila prednjih i zadnjih točkova menja u širokom rasponu što se ne može rešiti klasičnim kočnim sistemima kao rešenje koriste se protivblokirajući kočni sistemi koji se često nazivaju ABS sistemi (od Antilock Braking Systems).

5.1.1. PROTIVBLOKIRAJUĆI KOČNI SISTEMI Protivblokirajući kočni sistemi mogu da se realizuju na različite načine ali nezavisno od načina izvođenja potrebno je da se zadovolje sledeći kriterijumi: - održavanje stabilnosti vozila, - održavanje upravljivosti vozila, - smanjenje zaustavnog puta u odnosu na zaustavni put pri kočenju sa blokiranim točkovima, - brzo podešavanje kočnih sila pri nagloj promeni koeficijenta prianjanja točkova, - sprečavanje vibracija vozila zbog delovanja kočnih sila na točkove. Protivblokirajući kočni sistemi rade u zatvorenoj petlji. Za upravljanje u zatvorenoj petlji neophodno je da se mere neke od veličina koje karakterišu proces kočenja kao što su: ugaona brzina točka, translatorna brzina vozila, koeficijent prianjanja... Matematička analiza protivblokirajućih kočnih sistema na osnovu može se uraditi ako se izvrši uprošćenje zavisnosti uzdužnog prianjanja od klizanja kao što je prikazano na slici 5.5. a što se analitički Slika 5.5. Idealizovana kriva može prikazati kao: uzdužnog prianjanja

84

 kλ λ < λm ϕx =  ϕ xm λ ≥ λm k=

ϕ xm λm

Dinamika kretanja točka koji nije blokiran može se opisati jednačinom: dω J = Mϕ − M k dt gde je J moment inercije točka i rotirajućih masa svedenih na točak, ω ugaona brzina točka, Zt normalna reakcija točka, Mk moment kočenja i Mϕ moment prianjanja. Uzimajući u prethodne jednačine za stabilnu oblast kočenja u kojoj je λ < λm za točak koji ima translatornu brzinu v dobija se diferencijalna jednačina kretanja: Jv dω v v +ω = − Mk 2 kZ t rd dt rd kZ t rd2 Umesto ugaone brzine točka pogodnije je da se posmatra promena ugaone brzine točka u odnosu na ugaonu brzinu točka u početnom trenutku kočenja ω0: ω = ω 0 + ∆ω gde je ∆ω promena ugaone brzine točka. Onda je: Jv d (∆ω ) v + ∆ω = − Mk 2 kZ t rd dt kZ t rd2 Ako se predpostavi da moment kočenja linearno raste sa vremenom tj. M k = ct gde je c konstanta rešavanjem diferencijalne jednačine i diferenciranjem dobijenog rešenja može se odrediti brzina promene ugaone brzine točka odnosno ugaono usporenje točka kao: kZ t rd  t d (∆ω ) dω cv  1 − e Jv  = =− 2  dt dt kZ t rd   2

Kako eksponencijalni član veoma brzo postaje zanemarljivo mali vidi se da je ugaono usporenje točka proporcionalno sa brzinom porasta kočnog momenta. Ugaono usporenje točka (odnosno promena ugaone brzine točka) u nestabilnoj oblasti kočenja ( λ ≥ λm ), zamenom vrednosti za momente u jednačini dinamičke ravnoteže, određuje se kao:

d (∆ω ) dω ϕ xm rd Z t M k ϕ xm rd Z t ct = = − = − J J dt dt J J Iz prethodne jednačine vidi se da ugaono usporenje za kratko vreme postiže veoma velike vrednosti jer raste sa vremenom. Na ugono usporenje u ovoj oblasti veoma bitno utiče moment inercije točka zbog čega se javlja velika razlika pri kočenju točka sa isključenom spojnicom (moment inercije točka mali) i sa uključenom spojnicom (moment inercije točka veliki zbog uticaja momenta inercije motora i transmisije). Kada je uključena spojnica kod pogonskih točkova se smanjuje razlika u ponašanju u stabilnoj i nestabilnoj oblasti kočenja tj. smanjuje se osetljivost usporenja točka od momenta kočenja.

85

Predhodne relacije predstavljaju osnovu za realizaciju protivblokirajući kočnih sistema. Za automatsko upravljanje kod protivblokirajućih uređaja mogu se koristiti sledeće veličine: - klizanje točkova, - ugaono usporenje točkova, - kombinacija ugaonog usporenja i klizanja točkova i - kombinacija ugaonog usporenja i klizanja točkova i translatornog usporenja vozila, - koeficijent prianjanja. Klizanje kao jedinu upravljačku veličina nije pogodno koristiti u protivblokirajućim kočnim sistemima jer se maksimum koeficijenta prianjanja u zavisnosti od klizanja zbog delovanja više parametara menja se u širokim granicama pa se ne može se odrediti jedinstveni prag klizanja u odnosu na koji se vrši upravljanje. Za merenje klizanja potrebno je da se meri ugaona brzina točka i translatorna brzina vozila (što znači da su potrebna dva davača) . Ugaono usporenje kao upravljačka veličina može se koristiti zbog razlike koja postoji u uslovima kočenja u stabilnoj i nestabilnoj oblasti posebno kod točkova koji nisu pogonski. Kod pogonskih točkova sa uključenom spojnicom razlika je mala pa je upravljanje na ovaj način otežano.

1. Hidraulični modulator sa solenoidnim ventilima, 2. Glavni kočni cilindar, 3. Kočni cilindar točka, 4. Upravljačka jedinica, 5. Davač ugaone brzine točka.

Slika 5.6. Sistem upravljanjaABS sistemom u zatvorenoj petlji Optimalno ali istovremeno i najkomplikovanije upravljanje protivblokirajućim kočnim sistemima ostvaruje se ako se kao upravljačke veličine koriste ugaono usporenje i klizanje točkova. Za takvo upravljanje je neophodno da se meri ugaona brzina točka i translatorna brzina vozila odnosno potrebna su dva nezavisna davača. Kompromisno rešenje je da se pomoću induktivnih davača meri ugaona brzina točkova i da se na osnovu te brzine izračunava ugaono usporenje točkova i približno izračunava brzina vozila i klizanje točkova. Ovaj princip je primenjen na ABS sistemima firme Bosch. Princip upravljanja protivblokirajućih kočnih sistema sa povratnom spregom pomoću davača ugaone brzine prikazan je na slici 5.6. Vozač delovanjem na glavni kočni cilindar 2 deluje preko hidrauličkog modulatora 1 na kočni cilindar točka 3 i započinje proces kočenja. Davačem ugaone brzine točka 5 neprestano se meri ugaona brzina točka a rezultat merenja se prosleđuje u elektronsku upravljačku jedinicu 4. U elektronskoj upravljačkoj jedinici se izračunava ugaono usporenje točka, brzina vozila i klizanje točkova i koriguje pomoću 86

hidrauličnog modulatora pritisak u kočnim cilindrima na osnovu unapred definisanog algoritma. Karakteristične veličine u toku kočenja u uslovima visokog prianjanja kod protivblokirajućih sistema prikazane su na slici 5.7. Sam proces kočenja podeljen je u osam faza. Translatorna brzina vozila vv, koja je neophodna za izračunavanje klizanja, ne meri se direktno već se zamenjuje referentnom brzinom vozila vr. Referentna brzina vozila vozila vr predstavlja brzinu koja se određuje na osnovu izmerene ugaone brzine pre početka i u toku kočenja svih točkova koji imaju davač ugaone brzine i zamemorisanog dinamičkog poluprečnika točkova. Obično se za određivanje referentne brzine vozila koriste davači ugaone brzine na dijagonalnim točkovima, ako postoje davači na svim točkovima, i kao referentna brzina vozila uzima se veća brzina. Referentna brzina u prvoj fazi kočenja malo se razlikuje od stvarne brzine vozila. Sa 0 je označena ugaona brzina vozila u početnom trenutku kočenja.

Slika 5.7. Proces kočenja u uslovima visokog prianjanja sa protivblokirajućim sistemom kočnja U prvoj fazi kočenja sa linearnim porastim pritiska u kočnom cilindru kočenog točka usporenje vozila ostaje približno konstantno. Kada pritisak u kočnom cilindru poraste toliko da usporenje počne naglo da se povećava, što odgovara povećanju klizanja točkova, pri programski definisanom usporenju -a prelazi se u drugu fazu procesa kočenja. U drugoj fazi kočenja pritisak u kočnom cilindru održava se konstantnim što izaziva dalje povećanje usporenja vozila. Za referentnu brzinu za izračunavanje klizanja uzima se obimna brzina točka u momentu dostizanja usporenja -a. Obimna brzina točka vt razlikuje se 87

od referentne brzine vr. Referentna brzina se smanjuje u daljem toku kočenja sa nagibom koji je imala u prvoj fazi kočenja. Istovremeno, pomoću referentne brzine izračunava se prag klizanja λ koji ne bi trebao da se premaši u toku kočenja a trenutno klizanje se izračunava na osnovu stvarne obimne brzine točka i izračunate referentne brzine. Ukoliko klizanje pređe vrednost λ prelazi se u treću fazu kočenja. U trećoj fazi kočenja pritisak u kočnom cilindru se linearno smanjuje što dovodi do ubrzavanja točka. Smanjivanje pritiska u kočnom cilindu vrši se dok ubrzanje ponovo ne postigne vrednost -a kada se prelazi u četvrtu fazu procesa kočenja. U četvrtoj fazi pritisak u kočnom cilindru održava se konstantnim dok se ne pređe programski definisano ubrzanje +A. Kao dodatni kriterijum u ovoj fazi koristi se vreme da se postigne ubrzanje +a jer ako je klizanje preveliko za postizanje tog ubrzanja treba dosta vremena pa da bi se smanjilo klizanje smanjuje se dalje pritisak u kočnom cilindru. Zbog povećanja ubrzanja raste i obiman brzina točka vt Kada se ubrzanje +A postigne prelazi se u petu fazu kočenja. U petoj fazi kočenja linearno se povećava pritisak u kočnom cilindru sve dok je ubrzanje točka iznad vrednosti +A. Kada se ubrzanje smanji ispod vrednosti +A prelazi se u šestu fazu kočenja. U šestoj fazi kočenja pritisak u kočnom cilindru se održava konstantnim što izaziva dalje smanjenje ubrzanja i povećanje obimne brzine točka. Obimna brzina točka jednog momenta postiže brzinu koja je veća od referentne brzine (koja se programski određuje) pa se od tog momenta ponovo za referentnu brzinu točka uzima stvarna obimna brzina točka. Kada ugaono ubrzanje točka postigne vrednost +a prelazi se u sedmu fazu kočenja. U sedmoj fazi kočenja pritisak u kočnom cilindru se stepenasto povećava što izaziva povećanje ugaonog usporenja sve dok ugaono usporenje ne pređe prag -a. Referentna brzina ponovo uzima vrednost obimne brzine točka u trenutku postizanja ugaonog usporenja -a. Kada ugaono usporenje pređe prag -a prelazi se u osmu fazu kočenja. Osma faza kočenja je identično drugoj ili trećoj fazi u zavisnosti od razlike referentne brzine i obimne brzine točka. Proces kočenja se dalje ciklično vrši po fazama do završetka procesa kočenja. Ukoliko u procesu kočenja dođe do nagle promene koeficijenta prianjanja dolazi do naglog smanjenja obimne brzine točka i izračunati koeficijent klizanja prelazi u tom slučaju i mnogo širi prag klizanja λ2. Upravljanje u protivblokirajućem sistemu smanjuje pritisak u kočnom cilindru sve dok se ne postignu zadovoljavajuće vrednosti klizanja uz odgovarajuće usporenje. Protivblokirajući uređaji za kočenje mogu se na vozilo ugraditi tako da se reguliše pritisak u kočnom cilindru jednog ili više točkova a upravljanje protivblokirajućim uređajima može da se vrši na osnovu signala davača ugaone brzine koji se nalazi na točku koji se upravlja (direktno upravljanje) ili na osnovu signala davača ugaone brzine sa nekog drugog točka ili diferencijala (indirektno upravljanje). Različite mogućnosti ugradnje protivblokirajućih uređaja i različiti načini upravljanja uslovili su da se razvije više različitih tipova protivblokirajućih uređaja. Na slici 5.8. prikazne su osnovne varijante protivblokirajućih sistema kočenja kod putničkih vozila. Kod varijante 1 davačem brzine u diferencijalu određuje se srednja brzina točkova i na osnovu te informacije vrši se upravljanje jednim ventilom koji reguliše kočni pritisak u oba kočna cilindra zadnjih točkova. Često se ovakvo upravljanje naziva upravljanje jednim 88

kanalom jer se vrši upravljanje samo jednim ventilom. Prednji točkovi kod ovakvog sistema kočenja nisu regulisani. Pomoću ovakvog tipa protivblokirajućih sistema kočenja postižu se bolje karakteristike kočenja na klizavim putevima.

Slika 5.8. Varijante protivblokirajućih sistema kočenja Alternativa varijanti 1 je da se umesto jednog davača u diferencijalu koriste dva davača na zadnjim točkovima dok se zadržava jedan regulacioni kanal. Upravljanje se kod takvih sistema najčešće se vrši po principu "select-low" na osnovu koga se pritisak u kočnim cilindrima reguliše prema točku koji ima nepovoljnije uslove prianjanja. Time se poboljšava stabilnost pri kočenju ali se na klizavim putevima put kočenja znatno produžava. Varijante 2, 3 i 4 predstavljaju upravljanje sa dva regulaciona kanala tj. vrši se regulacija kočenja i prednjih i zadnjih točkova. Varijanta 2 se koristi kod kočnih sistema kod kojih su kočni cilindri dijagonalno povezani. Davači brzine se nalaze na prednjim točkovima i upravljanje se vrši regulacijom kočnog pritiska u prednjim točkova ali time se istovremeno reguliše i pritisak u zadnjim točkovima. Upravljanje je realizovano po principu "select-low". Varijante 3 i 4 se razlikuju po broju davača a karakteristike su slične. Imaju dva nezavisna upravljačka kanala: kanal za prednje i kanal za zadnje točkove. Razlika je u tome što se kod varijante 3 koeficijenti prianjanja određuju na osnovu davača koji se nalaze na dijagonalnim točkovima dok se kod varijante 4 davači nalaze na oba prednja točka i u diferencijalu. Upravljanje se realizuje na principu "select-high", što znači da se upravljanje realizuje prema točku koji ima bolje uslove prianjanja. Upravljanje na ovaj način dozvoljava da se jedan točak blokira. Put kočenja se smanjuje a zadržava se stabilnost i upravljivost na putu sa konstantnim koeficijentom prianjanja. Prilikom nagle promene koeficijenta prianjanja zbog blokiranog točka može doći do nestabilnosti vozila. Varijanta 5 ima isti raspored davača kao varijanta 4 ali se posebnim kanalima nezavisno upravlja prednjim točkovima a zadnji točkovi se upravljaju jednim kanalom (trokanalno upravljanje). Prednji točkovi se upravljaju nezavisno a zadnji točkovi se upravljaju po principu "select-law". Pri kočenju na kolovozu sa niskim koeficijentom prianjanja može doći do nestabilnosti vozila male mase i malog međuosovinskog razmaka zbog kratkog vremena potrebnog za realizaciju upravljanja. Varijante 6 i 7 predstavljaju najkompleksnije i istovremeno najkvalitetnije protivblokirajuće sisteme kočenja jer imaju davač brzine na svakom točku i svaki točak ima nezavisan regulacioni kanal. Najčešće zadnji točkovi se regulišu po principu "select-low". Iako je ovo 89

najbolji protivblokirajući sistem kočenja do nestabilnosti vozila može doći na kolovozu kod koga se koeficijent prianjanja naglo menja. ϕ = 0,1

Fk2 M

ϕ = 0,8

Fk1

Slika 5.9. Pojava momenta zaokretanja pri kočenju U slučaju da se koeficijenti klizanja ϕ razlikuju kod levog i desnog točka, na primer zbog leda na ivici ali ne i na sredini kolovoza, kao što je ilustrovano na slici 5.9, kočenje bez ABS proizvodi veliki moment zaokretanja oko vertikalne ose vozila što naročito utiče na stabilnost i upravljivost vozila. Najbolje performanse i najveću efikasnost u slučaju različitih koeficijenata klizanja pokazuju ABS sistemi sa 4 kanala i 4 davača.

5.2. AUTOMATSKO UPRAVLJANJE POGONOM - A T C Sa ulaznim informacijama istim kao kod ABS ali sa drugačijom upravljačkom logikom može se identifikovati razlika u ugaonoj brzini između pogonskih i pogonjenih točkova, ili između samih pogonskih točkova, i na taj način se identifikuje pojava gubitka snage zbog proklizavanja a takođe i pogoršana upravljivost i stabilnost vozila. U tom slučaju korekcije se vrše i u pogonskom sistemu podešavanjem količine vazduha i goriva a takođe i promenom ugla pretpaljenja što predstavlja automatsko upravljanje pogonom ATC (Automatic Traction Control). Primer kompleksnog ATC sistema pokazan je na slici 5.10.

1 - davači ugaone brzine točkova, 2 - hidromodulator ABS, 3 - elektronska upravljačka jedinica ATC, 4 - elektronska upravljačka jedinica leptira, 5 - elektronsko upravljanje funkcijama motora, 6 - leptir za vazduh. Slika 5.10. Sistem za automatsko upravljanje pogonom 90

5.3 ELEKTRONSKO UPRAVLJANJE AUTOMATSKOM TRANSMISIJOM Obrtni moment u zavisnosti od ugaone brzine (ili broja obrtaja u minuti) koji motor SUS daje na svom izlazu nije sposoban da savlada sve otpore u raznim uslovima vožnje motornog vozila. Zadatak menjača je da promenom momenta i broja obrtaja motora u skladu sa prenosnim odnosom obezbedi potrebnu vrednost obrtnog momenta na pogonskim točkovima. Pogodnim izborom prenosnog odnosa (stepena prenosa) moguće je obezbediti snagu na pogonskim točkovima potrebnu za savlađivanje otpora kretanja ali takođe i minimalnu potrošnju goriva. Te mogućnosti su ilustrovane odgovarajućim karakteristikama motora na slici 5.11.

Slika 5.11. Karakteristike motora SUS: Pe = f(v), n = f(v), Pe = f(n) i be = f(Pe,n) Ucrtana kriva M-O-N predstavlja karakteristiku minimalne specifične potrošnje, bemin. Automatska transmisija podrazumeva automatsko upravljanje prenošenjem snage motora na pogonske točkove isključivanjem i uključivanjem spojnice, izborom i promenom stepena prenosa. Na taj način se smanjuje angažovanje vozača, povećava bezbednost saobraćaja i poboljšava komfor. Elektronsko upravljanje automatskom transmisijom realizuje se na osnovu informacija o uslovima kretanja motornog vozila na takav način da se postigne smanjenje potrošnje goriva i/ili poboljša vozivost. Automatsku transmisiju u osnovi sačinjavaju hidraulični/mehanički sistem za prenos pogonskog momenta motora na točkove uz promenu stepena prenosa i upravljački sistem. Osnovni elementi tog sistema su hidraulični pretvarač momenta, skup planetarnih zupčanika i skup spojnica, kočnica i hidrauličnih ventila. Elektronski upravljački sistem obuhvata merne davače, upravljačku jedinicu (ECU) i izvršne organe. Blok šema elektronskog upravljačkog sistema automatskom transmisijom pokazana je na slici 5.12. Zadatak upravljačkog sistema je da izvrši izbor i upravlja promenom stepena prenosa saglasno radnim uslovima (brzini vozila i opterećenju motora) i želji vozača. Na bazi relevantnih ulaznih signala ECU aktivira elektromagnetne ventile hidrauličnog sistema isključujući i uključujući spojnicu i menjajući stepen prenosa.

91

1 - selektor (ručica) za izbor vrste rada i stepena prenosa, 2 - potenciometarski davač ugaonog položaja leptira (opterećenja motora), 3 - kontakt/funkcija (kickdown) koji(a) se aktivira u krajnjem položaju leptira, 4 - davač brzine vozila, 5 - ECU - elektronska upravljačka jedinica,

6 - elektroventili, 7 - komanda za smanjenje ugla pretpaljenja, 8 - dijagnostička lampa, 9 - selektor programa Economy - Sport – Manual, 10 – davač broja obrtaja motora, 11 – regulator pritiska

Slika 5.12. Blok šema sistema elektronskog upravljanja automatskom transmisijom Želja vozača se iskazuje preko pedale za gas i posredstvom selektora bi koji može da bude u jednom od, izabranih položaja: P (Park) - položaj u kojem su blokirani transmisija i pogonski točkovi vozila, R (Reverse) - položaj za hod unazad, N (Neutral) - položaj u kojem su transmisija i točkovi vozila mehanički odvojeni od motora, D (Drive) - radni položaj transmisije, u kojem elektronska upravljačka jedinica vrši izbor jednog od tri stepena prenosa i upravlja odgovarajućom promenom. 2 - položaj u drugom stepenu prenosa sa automatskom promenom između prvog i drugog stepena prenosa i sa blokiranim trećim stepenom, 1 - položaj u prvom stepenu prenosa za kočenje motorom. Informacija o opterećenju motora se dobija posredstvom potenciometarskog davača ugaonog položaja leptira φl ili od davača protoka vazduha. Kick down funkcija se postiže kada vozač pritisne pedalu gasa u njen krajnji položaj. Pri tome se vozilo ubrzava na poseban način, prevođenjem u niži stepen prenosa. Davač brzine vozila v je indukcionog tipa, postavljen tako da detektuje zube zupčanika sa operacionim pojačavačem - aktivnim niskopropusnim filtrom kao interfejsom na ulazu ECU, čime se obezbeđuje izlazni signal nezavisan od učestanosti odnosno od brzine vozila. Upravljanje promenom stepena prenosa je programsko, po unapred određenom algoritmu, saglasno dijagramu prikazanom na slici 5.13. Na dijagramu su ilustrovane promene iz prvog u drugi i iz drugog u treći stepen prenosa pri otvoru leptira αl = 50°, a takođe i promene iz trećeg u drugi i iz drugog u prvi stepen prenosa pri αl = 17°.

92

Slika 5.13. Upravljanje promenom stepena prenosa Kvalitetna, blaga promena stepena prenosa, bez trzanja, postiže se odgovarajućim smanjenjem efektivnog momenta posredstvom smanjenja ugla pretpaljenja za Δαp kod oto motora u intervalu u kojem se vrši promena stepena prenosa. Selektor programa ESM omogućuje vozaču da izabere alernativno program E (Economy) optimiran za ekonoičnu vožnju sa minimalnom potrošnjom goriva, program S (Sport) sa boljim voznim karakteristikama, ili M (Manuell), za ručno upravljanje, na primer u zimskim uslovima vožnje. Pri korišćenju S programa, kako je prikazano na slici 5.14, kriva S, prebacivanje u viši stepen prenosa se vrši na većim brzinama nego pri korišćenju programa E kojem odgovara kriva E.

Slika 5.14. E i S karakteristike promene stepena prenosa Posebna funkcija u mikroprocesoru elektronske upravljačke jedinice, t.zv "watch dog" obezbeđuje nadzor nad funkcionisanjem sistema. U slučaju pojave otkaza pali se dijagnostička lampa (DL) i aktivira se poseban program za nuždu (vožnja do servisa).

93

5.4 ELEKTRONSKI UPRAVLJANO AKTIVNO VEŠANJE Kod savremenih sistema za vešanje opruga izoluje kretanje točka u odnosu na karoseriju vozila a amortizer prigušuje oscilatorno kretanje uzrokovano razvlačenjem ili sabijanjem opruge. U stvari, karoserija nije nikad apsolutno izolovana od vertikalnog kretanja točkova. Sve dok kompenzacioni uređaj apsorbuje i prenosi kinetičku energiju zbog neravnina na kolovozu na šasiju karoserija će da prati vertikalno kretanje točkova sa nekim kašnjenjem i svakako sa manjim pomerajima. Alternativa za takav mehanički, pasivan sistem vešanja jeste t.zv. "aktivni sistem vešanja" kod kojega je kombinacija amortizera sa oprugom zamenjena kombinacijom hidrauličnog aktuatora sa oprugom. Kao i kod amortizera, cilindar aktuatora vezan je za karoseriju. Unutar cilindra nalazi se klip vezan za oscilujuće rame (sponu) točka, kako je pokazano na slici 5.15. Procesor elektronske upravljačke jedinice (ECU) upravlja smerom i brzinom kretanja klipa posredstvom elektroventila sa 4 priključka. Njegov upravljački algoritam koristi više ulaznih podataka radi određivanja upravljačkog signala za aktuator na svakom točku posebno.

3 2

4

9 5

7

1 8 11

6 10

1 - rezervoar fluida, 2 - pumpa, 3 - akumulator fluida pod pritiskom, 4 - elektro-razvodni ventil sa četiri priključka, 5 - aktuator, 6 - davač sile,

7 - davač položaja, 8 - opruga, 9 - davač ubrzanja, 10 - točak, 11 - elektronska upravljačka jedinica.

Slika 5.15. Sistem upravljanja aktivnim vešanjem Davač sile (6) na aktuatoru (5) daje informaciju o vrednosti vertikalne sile. Davač položaja (7) daje informaciju o položaju klipa u odnosu na određeni reper, a davač ubrzanja (9) postavljen na donjoj sponi točka daje informaciju o trenutnoj promeni brzine vertikalnog kretanja. Na osnovu tih informacija procesor u elektronskoj upravljačkoj jedinici (11) raspoznaje da li točak ponire u udubljenje ili se podiže zbog izbočine na podlozi. Ako točak ponire u udubljenje, upravljački sistem može da usmeri fluid brzo u gornji deo aktuatora radi potiskivanja klipa sa točkom naniže, na taj način održavajući vertikalni položaj karoserije na nepromenjenom nivou. Ako se detektuje kretanje točka naviše ECU usmerava fluid u donji

94

deo cilindra da uvlači klip sa točkom, opet održavajući nepromenjen vertikalni položaj karoserije. Krajnji efekat ovog upravljanja sa praćenjem je mirno kretanje karoserije vozila, bez udara i oscilacija, bez obzira na neravnine na podlozi. Na taj način je ispunjen jedan od osnovnih zahteva u pogledu udobnosti u vožnji.

95

6. ARHITEKTURA ELEKTRONSKIH SISTEMA NA VOZILU Vozilo, kao složeni distribuirani elektronski sistem, se sastoji od više mrežno povezanih podsistema koji se nazivaju grupe (clusters). Svaka grupa realizuje jednu posebnu funkciju. Primeri za grupe su elektronski sistemi za upravljanje pogonskim agregatom i dinamikom vozila, elektronski sistemi karoserije (signalizacija i komfor), multimedijalni i navigacioni elektronski sistemi i td. Grupa se sastoji od više čvorova (node). Na primer, sistem za upravljanje pogonskim agregatom i dinamikom vozila ima čvor sa elektronskim sistemom za upravljanje motorom, čvor sa elektronskim sistemom za upravljanje kočnim sistemom, čvor sa elektronskim sistemom za upravljanje vozilom, čvor sa elektronskim sistemom za upravljanje transmisijom, čvor za komandni panel vozača, čvor za povezivanje sa drugim grupama, i td. U cilju razmene podataka svi čvorovi se povezuju komunikacionim kanalima pomoću kojih se informacije razmenjuju po odgovarajućem protokolu. Komunikacioni kanal kod sistema koji su kritični sa stanovišta bezbednosti ima redundansu dobijenu dupliranjem komunikacionog kanala pri čemu se ista informacija prenosi po oba kanala. Šematski prikaz jedne grupe dat je na slici 6.1. Grupa navigacije

Grupa karoserije

Komandni panel vozača

Informacije za pomoć vozaču

Razmena sa grupom karoserije

Komunik. kontroler

Komunik. kontroler

Komunik. kontroler

Ulaz Izlaz

Komunikacioni kanali

Komunik. kontroler Uprav. jedinica motora

Komunik. kontroler

Komunik. kontroler

Komunik. kontroler

Uprav. jedinica kočnica

Uprav. jedinica upravljača

Uprav. jedinica vešanja

Ulaz Izlaz

Ulaz Izlaz

Ulaz Izlaz

Ulaz Izlaz

Slika 6.1. Mrežno povezani podsistemi, grupe Na slici 6.2. dat je šematski prikaz jednog čvora. Čvor se sastoji od tri glavna dela: 1. Ulazno-izlazni podsistem za prikupljanje informacija od inteligentnih senzora i aktuatora koji pripadaju tom čvoru. Više senzora i aktuatora mogu biti povezani lokalnom mrežom a zatim povezani na ulazno-izlazni podsistem. 2. Upravljački računar sa odgovarajućim softverom koji u realnom vremenu izračunava i šalje aktuatorima komande na osnovu podataka od senzora i podataka dobijenih preko komunikacionog kanala. Za povezivanje sa Ulazno-Izlaznim podsistemom i komunikacionim kontrolerom koriste se odgovarajući interfejsi. 3. Komunikacioni kontroler povezuje čvor preko komunikacionog kanala sa ostalim čvorovima u grupi radi razmene informacija. Hardverska realizacija komunikacionog kontrolera zavisi od komunikacionog kanala. Komunikacioni kanal kao hardverska komponenta mreže može biti realizovan primenom žičanih veza (jednožično, dvožično, četvorožično, i td.) ili optičkim provodnicima uz unapred definisane nivoe korisnog signala. 96

Razmena informacija, odnosno softverski oblik poruke, obavlja se prema unapred definisanom standardizovanom postupku - protokolu. Aktuatori Senzori

Lokalna mreža

Ulazno-izlazni podsistem Ulazno-izlazni interfejs Upravljački računar Komunikacioni interfejs Komunikacioni kontroler

Komunikacioni kanal

Slika 6.2. Šematski prikaz čvora Mreža na vozilu treba da omogući i vezu sa drugim kompjuterskim sistemima koji su van vozila (navigacija, dijagnostika, kontrola ekoloških parametara vozila, itd.), zbog čega mora da zadovolji i opšte standarde povezivanja kompjuterske opreme date standardom ISO 7498 koji definiše otvoreni sistem povezivanja OSI (Open System Interconection) sa sedam osnovnih nivoa povezivanja. U Tabeli 6.1. dat je pregled nivoa povezivanja i njihova osnovna funkcija polazeći od najvišeg nivoa. Tabela 6.1. Nivo

Naziv nivoa 7

Nivo aplikacije (Application layer)

6

Nivo prikazivanja (Presentation layer)

5

Nivo povezivanja (Session layer)

4

Nivo transporta (Transport layer)

3

Mrežni nivo (Network layer)

2

Nivo podataka (Data link layer)

1

Fizički nivo (Physical layer)

97

Funkcija Omogućava vezu između korisnika i OSI okoline. Sadrži funkcije koje su neophodne za upravljanje sistemom Prikazuje podatke u odgovarajućem obliku (na primer u ASCII obliku) Obezbeđuje dijalog između komunikacionih uređaja u mreži Obezbeđuje pouzdan prenos podataka izmeću udaljenih jedinica mreže Definiše povezivanje podsistema koji se razlikuju na nivou podataka i fizičkom nivou Omogućava povezivanje i razmenu podataka između uređaja koji su na istom fizičkom nivou pomoću odgovarajućih protokola Određuje fizičke karakteristike kabla za povezivanje i izlaznog dela upravljačkog uređaja. Definiše nivoe i oblike električnih signala.

Kod vozila je dovoljno realizovati tri nivoa povezivanja u mrežu: 1. nivo: fizički nivo; 2. nivo: nivo podataka i 7. nivo: nivo aplikacije, mada postoje protokoli koji definišu svih sedam nivoa povezivanja (SAE J1939).

6.1. MREŽE I MREŽNI PROTOKOLI NA VOZILIMA Vozilo obično ima više mreža koji imaju različite hardverske i softverske realizacije odnosno funkcionišu primenjujući različite protokole. Mreža i mrežni protokol za primenu na vozilu moraju da imaju sledeće osnovne karakteristike: visoka integrabilnost ukomponovana sa ostalim komponentama i sistemima vozila u celinu, tj. verovatnoća pojave slučajnih grešaka treba da je beznačajna i da ne utiče na fukcionisanje vozila, funkcionalna prilagođenost, tj. maksimalno vreme čekanja na prenos i prenos informacije treba da bude dovoljno kratko tako da ne ometa upravljanje, konfigurabilnost mreže tj. mreža se može lako proširivati i modifikovati, otpornost na greške tj. komunikacija se mora obnoviti kada se otkloni greška a postojanje rezervnog kanala je poželjno a ponekad i neophodno, minimalan broj međuveza tj. svaka dodatna veza odnosno konektor povećava verovatnoću pojave greške, dimenziono i funcionalno prilagođeni konektori, elektromagnetska kompatibilnost, otpornost na uticaje okoline - temperaturu, vlažnost, vibracije, prašinu, kapljice goriva, ulja, maziva i td, niska cena. Klasifikacija mreža može se izvršiti po različitim kriterijumima. Američko društvo automobilskih inženjera (Society of Automotive Engineers – SAE) u zavisnosti od brzine prenosa informacija kroz mrežu, a samim tim i od primene na vozilima, podelilo je u svojim standardima mreže na vozilima u tri klase: A, B, i C. Brzi razvoj multimedijskih aplikacija (Internet, navigacija, digitalna televizija) kao i takozvano “upravljanje pomoću žice”, tj. XBy-Wire, (gde se upravljanje, “X”, odnosi na upravljač, kočnicu, menjač, motor i sl.), zahtevaju veće brzine prenosa podataka što uslovljava da se formira još nestandardizovana klasa D. Osnovne karakteristike i namene tih klasa date su u Tabeli 6.2. Primena mreža u sistemima upravljanja sistemima vozila uslovila je potrebu za odgovarajućim protokolom za razmenu informacija između čvorova u mreži. Pojavilo se više tipova protokola jer su proizvođači različito realizovali i nazvali protokole: Volkswagen je razvio ABUS protokol, Renault & PSA - VAN protokol, Toyota – BEAN protokol, General Motors - J1850VPW protokol, Ford - J1850PWM protokol, itd. Lider u oblasti mrežnih protokola za primenu na vozilima postao je Bosch sa svojim CAN (Controller Area Network) protokolom koji je formiran 1985.godine, a aktuelni oblik dobio 1991. godine. Bosch je omogućio da njegov protokol bude otvoren za sve korisnike zbog čega je brzo prihvaćen i postao osnova za ISO i SAE standarde kako na vozilima tako i u industriji i drugim oblastima. Prema načinu na koji se pojavljuju informacije na mreži protokole možemo podeliti na protokole upravljane događajem i vremenski upravljane protokole.

98

Klasa mreže A

B

C

D

Tabela 6.2. Brzina prenosa Primena Komfor vozača i putnika: 1Mb/s bezbednost putnika i vozača; multimedijalne aplikacije

6.2. PROTOKOL UPRAVLJAN DOGAĐAJEM (CAN PROTOKOL) Protokoli upravljani događajem rade na principu da se informacija iz nekog čvora u mreži generiše kada dođe do promene informacije koju šalje taj čvor. U jednom trenutku samo jedan čvor u mreži emituje poruku koju primaju svi čvorovi u mreži pa i onaj koji je emituje. Ako se informacija ne menja čvor je ne šalje pa samim tim i ne opterećuje mrežu. Svi čvorovi u mreži imaju odgovarajući prioritet i pri istovremenom slanju poruke iz dva čvora odbacuje se poruka nižeg prioriteta. Ovakav tip protokola obično se implementira pomoću serijske mreže. Protokoli upravljani događajem su CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconection Network), Byteflight, i td. CAN protokol je postao osnova za standarde za mreže u vozilima u Evropi: ISO 115192 standard za spore aplikacije, ISO 11898 za brze aplikacije i ISO 9141 za dijagnostiku, kao i u Americi: SAE J1939 za mreže klase C na teretnim vozilima, SAE J2284 za putnička vozila (zasnovan na ISO 11898) i SAE J1850 za mreže klase A i B i dijagnostiku. Povezivanje upravljačkih jedinica, inteligentnih senzora i inteligentnih aktuatora, koji čine čvorove mreže, na električni vod zahteva da te jedinice imaju strukturu koja je prikazana na slici 6.3, u skladu sa OSI modelom povezivanja. Mreža zasnovana na CAN protokolu ima sledeće osobine: svaka poruka koje se šalje pomoću mreže ima odgovarajući prioritet, za poruke nižeg prioriteta garantuje se slanje posle određenog vremena čekanja, mreža mora da ima fleksibilnost pri dodavanju novih čvorova u mrežu, vremenski sinhronizovan prijem i predaju svih čvorova u mreži, promenljiv format podataka koji se šalju mrežom, više glavnih (master) čvorova u mreži, detekcija grešaka i njihovu signalizaciju, automatsko ponavljanje neispravnih poruka čim je mreža slobodna, 99

razdvajanje privremenih od trajnih grešaka u čvorovima i autonomno isključivanje neispravnih čvorova. Mikrokontroler sa softverom za obradu podataka, upravljanje, nadzor,

Aplikacioni nivo

Nivo povezivanja

CAN Kontroler T

Rx

Primopredajnik (Transceiver) CAN L CAN H

Fizički nivo R

Slika 6.3. Struktura čvora mreže na vozilu 6.2.1. Fizički nivo CAN protokola Fizičko nivo CAN protokola sastoji se od linije i primopredajnika (tj. transceiver) sa odgovarajućim konektorom. Linija kao medijum je najčešće dvožični kabal sa upredenim provodnicima ili sa oklopom. Postoje varijante linija sa samo jednim provodnikom gde se kao drugi provodnik koristi masa. Linija mora biti zatvorena karakterističnom otpornošću od oko 120 Ω. Dužina linije može biti od nekoliko metara do nekoliko kilometara ali povećanje brzine prenosa podataka utiče na dužine linije tako da je maksimalna dužina linije za brzinu prenosa od 1 Mb/s 25 metara a pri dužini linije od 1000 m maksimalna brzina prenosa je 50 kb/s. Transceiver je deo čvora u mreži i predstavlja elektronsko kolo koje se neposredno priključuje na liniju i preko koga se ostvaruje dvosmerna komunikacija. On razdvaja ostale elektronske delove čvora od linije. Ako je linija dugačka vrši galvansko odvajanje čvora od linije na kojoj se zbog velike dužine mogu pojaviti različite smetnje. Transceiver vrši naponsku obradu signala sa linije pri prijemu podataka i postavljanje linije u odgovarajuće stanje pri predaji podataka. CAN komunikacija se obavlja preko bitova koji mogu biti u dominantnom (logičko 1) ili recesivnom stanju (logička nula) pa se od fizičkog nivoa mreže zahteva da ima dva različita naponska nivoa za definisanje tih bitova. S obzirom da su svi čvorovi istovremeno priključeni na liniju pri istovremenom emitovanja dominantnog i recesivnog bita iz dva različita čvora na liniji se mora nalaziti dominantni naponski nivo. Ako je linija ostvarena dvožično onda transceiver ima dva priključka na liniju za svaki provodnik posebno. Jedan priključak se naziva CAN H i ima dominantni naponski nivo približno jednak naponu napajanja (obično 5V) a drugi CAN L i ima dominanti naponski nivo 0 V. Pri recesivnom bitu CAN H i CAN L se nalaze na približno istom potencijalu od oko polovine napona napajanja. Zbog eliminisanja šumova u liniji dominantni bit se prepoznaje 100

sve dok je razlika između CAN H i CAH L veća od 0,9 V a recesivni bit ako je ta razlika manja od 0,5 V. Na slici 6.4. su prikazane margine naponskih nivoa transceivera. U CAN H 3,5 V 2,5 V 1,5 V CAN L Recesivni bit

Dominantni bit

t Recesivni bit

Slika 6.4. Margine naponskih nivoa primopredajnika

6.2.2. Nivo podataka CAN protokola Osnovna pretpostavka za nesmetano funkcionisanje mreže zasnovane na CAN protokolu je da su svi čvorovi u mreži podešeni da emituju i primaju informacije istom brzinom, odnosno da su vremenski sinhronizovani. Poruka u mreži mora da ima tačno određeni format i sastoji se iz segmenata. Poruka počinje sa jednim dominantnim bitom, a zatim sledi adresa, odnosno identifikator čvora sa koga se emituje poruka, pa upravljački deo poruke (dužina i tip podataka), podaci, ključ za proveru ispravnosti poruke i na kraju potvrda o ispravnosti poruke od svih čvorova u mreži. Posle poruke je neophodan jedan period neaktivnosti mreže da bi se mreža pripremila za obradu sledeće poruke. Osnovni segmenti poruke prikazani su na slici 6.51. SOF IDENTIFIER CONTROL DATA CRC ACK EOF

Početak poruke Identifikator Upravljački deo Podaci Provera ispravnosti Potvrda prijema Kraj poruke

Slika 6.5. Format CAN poruke Definisane su dve vrste osnovnog CAN protokola u zavisnosti od dužine identifikatora: Standardni CAN protokol (Standard CAN) sa identifikatorom dužine 11 bitova kroz protokol CAN 2.0A, a prošireni CAN protokol (Extended CAN) sa identifikatorom dužine 29 bitova kroz protokol CAN 2.0B. U okviru iste mreže čvorovi koji podržavaju CAN 2.0B protokol mogu da razmenjuju informacije sa čvorovima koji podržavaju CAN 2.0A dok razmena u obrnutom smeru nije moguća. 101

Identifikatorom se određuje prioritet poruka jer svaki čvor ima jedinstveni identifikator. Ako u trenutku kada je linija slobodna dva ili više čvorova počnu da emituju poruku prioritet dobija onaj čvor kod koga je na mestu razlike u identifikatoru dominantni bit. Čvorovi manjeg prioriteta prestaju da emituju poruku i prelaze u režim prijema a emitovanje njihove poruke biće kada linija bude slobodna. Dužina podataka u poruci može da bude od 1 do 64 bita i definiše se kontrolnim bitovima koji se šalju pre podatka. Ispravnost primljene poruke kontroliše se pomoću niza od 15+1 bitova koje generiše pošiljalac poruke na osnovu standardom definisanog algoritma a koja je segment poruke (CRC – Cyclic Redundancy Check). Greške koje se pojavljuju pri prenosu mogu da imaju različiti oblik i poreklo a detektuju se hardverskom i softverskom obradom primljenog signala. Osnovnu hardversku detekciju greške vrši čvor koji emituje poruku upoređujući bit koji šalje sa onim koji se očitava sa linije. Sledeći nivo detekcije grešaka je ispitivanje da li ima 6 uzastopnih bitova istog tipa jer je to zabranjeno protokolom. Greška se signalizira i u slučaju kada se na kraju sekvenci fiksne dužine (identifikator, CRC, kraj poruke i td.) pojavi nelegalni bit. Softverska detekcija greške vrši se proverom poruke pomoću CRC sekvence. Greške u CAN 2.0B protokolu čvorovi mogu da podržavaju u dva oblika: kao aktivni i kao pasivni. Aktivni čvorovi u slučaju greški šalju šest uzastopnih dominantnih bitova, dok pasivni šalju šest recesivnih bitova. Pri pojavi greške čvorovi mreže odbacuju poruku uz registrovanje pojave greške u internom brojaču. Poruka se ponovo emituje kada je linija slobodna. Ukoliko se posle određenog broja ponavljanja ne pošalje ispravna poruka čvor koji emituje poruke se isključuje. Linija je slobodna kada se detektuje bar 10 uzastopnih recesivnih bitova od kojih 7 predstavlja kraj prethodne poruke, a 3 i više su razmak za pripremu sledeće poruke.

6.2.3. Aplikacioni nivo CAN protokola Aplikacioni nivo je specifičan za svaki čvor mreže. Ako je čvor mreže "inteligentni" senzor onda se u njemu vrši obrada signala odgovarajućeg davača radi dovođenja u željeni oblik (linearizacija, pojačavanje), samoprovera ispravnosti, samokalibracija i priprema podataka za slanje mrežom. U aplikacionom nivou "inteligentnog" aktuatora obrađuje se komandni signal dobijen preko mreže i na osnovu njega generiše odgovarajuća akcija aktuatora. Tu se vrši i samoprovera ispravnosti aktuatora i samopodešavanje. Upravljačke jedinice u mreži u aplikacionom nivou vrše obradu podataka dobijenih preko mreže, kao i podataka dobijenih od senzora koji su lokalno vezani za tu upravljačku jedinicu i generiše podatke neophodne za upravljanje lokalnim ili "inteligentnim" aktuatorima. Problem kod protokola upravljanog događajem je što opterećenje mreže nije konstantno tako da se može desiti da poruke čvorova nižeg prioriteta budu potiskivane toliko dugo da postanu neaktuelne.

102

6.3. VREMENSKI UPRAVLJAN PROTOKOL Poruke kod vremenski upravljanih protokola, TTP (Time Trigered Protocol) šalju se u unapred definisanim vremenskim intervalima. Ukupno vreme u kome moraju da se pojave sve poruke deli se na intervale, odeljke, i svakom čvoru se određuje odeljak u kome treba da šalje poruku. Svi čvorovi u mreži pri tome imaju pristup mreži i mogu da čitaju sve ostale poruke pa i svoju poruku. Zbog vremenske definisanosti trenutka slanja poruke, mreža mora biti vremenski sinhronizovana, što se postiže obično posebnim čvorom koji šalje sinhronizacione impulse svim čvorovima. Vremenski upravljani protokoli su TTP/C, FlexRay® i td. Nihova osnovna primena je predviđena za sisteme kritične sa stanovišta bezbednosti, kao što su sistemi za “upravljanje pomoću žice” (X-by-Wire), gde se postojeći mehanički sistemi zamenjuju mehatroničkim sistemima. Mehatronički sistemi nemaju rezervni mehanički sistem kojim se preuzima kontrola u slučaju otkaza elektronskog sistema pa je zbog toga neophodno da elektronski sistemi sa svojim komunikacionim kanalima budu tako napravljeni da su imuni na greške bilo koje vrste. Da bi vremenski upravljan protokol mogao da funkcioniše potrebno je da svaki čvor ima poseban TTP kontroler za kontrolu protokola koji je nezavisan od procesa koji se kontroliše u čvoru. TTP kontroler ima opis i spisak poruka u mreži, MEDL (Message Descriptor List). Opis poruka sadrži vremenski položaj odeljka u kome se šalje poruka, dužinu poruke i broj poruke koja se šalje jer se u jednom odeljku mogu slati poruke različitog sadržaja ali po unapred određenom redu. Na slici 6.6. dat je šematski prikaz pristupa čvorova mreži. Odeljak O1

O2 O3

O4

O1

Vremenski ciklus

O2 O3

O4

O1

O2

Vremenski ciklus

Slika 6.6. Pristup čvorova mreži kod vremenski upravljanog protokola Poruka ima unapred definisani format, slika 6.7. Zaglavlje sadrži informaciju o tipu podataka koji se šalju jer postoje dva osnovna tipa informacija koja se šalju u DATA polju poruke: normalni podaci koji služe za slanje informacija neophodnih za upravljanje i inicijalizacioni podaci koji služe za slanje informacija o stanju TTP kontrolera i sinhronizaciju mreže. SOF HEDER Zaglavlje DATA CRC Provera

Slika 6.7. Format poruke vremenski upravljanog protokola

103

Kod vremenski upravljanih protokola najopasnija je takozvana “glupa greška” (Bubling idiot failure) koja se manifestuje u nekontrolisanom slanju poruka iz nekog čvora izvan definisanih odeljaka. Taj problem se rešava postavljanjem čvora koji nadgleda saobraćaj u mreži (BUS Guardian) i koji po potrebi može da isključi čvor iz mreže ili da izvrši reinicijalizaciju mreže. Determinisanost vremenski upravljanog protokola stvara veliku pouzadanost u sistemima upravljanja uz ravnomerno opterećenje mreže, ali otežava priključenje novih čvorova u mrežu. Dodavanje novih čvorova zahteva potpuno rekonfigurisanje cele mreže. Dobre karakteristike vremenski upravljanih protokola i protokola upravljanih događajima su pokušali u Bosch-u da integrišu u TTCAN protokolu. TTCAN deli vreme pristupa mreži tako da u određenim odeljcima mreži imaju pristup određeni čvorovi, bitni za pouzdano funkcionisanje sistema upravljanja, dok se u drugim odeljcima primenjuju standardni režimi CAN protokola.

104

7. ELEKTRONSKI DIJAGNOSTIČKI SISTEMI Elektronizacija automobila omogućila je da automobil ima bolje performanse i da bude pouzdaniji u eksploataciji ali i komplikovaniji pri održavanju zbog velikog broja različitih funkcija, davača i izvršnih organa koji nisu postojali kod automobila bez ugrađenih elektronskih sistema. Zbog toga pri održavanju elektroniziranih automobila potrebni su posebno obučeni i visokokvalifikovani radnici i specijalna oprema za dijagnostikovanje otkaza pojedinih sistema vozila. Vozila sa elektronskim sistemima da bi se olakšalo otkrivanje kvarova, posebno tehnički nedovoljno obrazovanim vozačima, u elektronskoj upravljačkoj jedinici sadrže program koji vrši testiranje ispravnosti rada pojedinih davača i motora u celini u toku startovanja i rada motora. Signalizacija neispravnosti nekog sistema na vozilu vrši se pomoću posebne signalne sijalice na vozačevoj instrument tabli. Različiti sitemi imaju različite načine signalizacije kvarova. Uobičajeni način signalizacije kvarova je onaj koji se koristi pri startovanju motora kada se signalna sijalica upali u toku nekog kratkog vremena čime se vrši provera njene ispravnosti i započinje testiranje ostalih sistema na vozilu. Ukoliko se utvrdi bilo kakva neispravnost signalna sijalica se pali. Ukoliko je neispravnost takve prirode da vozilo može da se koristi posle nekoliko sekundi sijalica se gasi a ukoliko je neispravnost veća sijalica ostaje trajno uključena i vozilo treba odmah da se servisira. U nekim zemljama (Kalifornija npr.) pod neispravnostima koje odmah treba otkloniti spadaju sve neispravnosti koje smanjuju efikasnost sistema za smanjenje štetnih emisija. Sve utvrđene neispravnosti se pomoću kodova greški beleže i pamte u RAM memoriji elektronske upravljačke jedinice. Razvoj vozila i njegovih agregata praćen je i odgovarajućim razvojem dijagnostičkih sredstava. U tom razvoju dijagnostičkih sredstava za motorna vozila mogu da se uoče sledeće faze koje reprezentuju uređaji različite složenosti i namene: 1. Uređaji za ispitivanje pojedinih funkcija i za merenje pojedinih parametara i stanja kao što su: lambda tester, obrtomer, vakuummetar, CO analizator, i dr. 2. Uređaji za integralno ispitivanje pojedinih sistema i agregata: za ispitivanje funkcija motora, dinamometarski valjci za merenje snage na točkovima, brzine, potrošnje goriva... 3. Uređaji za integralno testiranje ispravnosti pojedinih sistema i agregata, s kompjuterskom obradom podataka i izdavanjem odgovarajućih protokola. 4. Samodijagnostički sistem na vozilu za upozorenje vozača, a posredstvom odgovarajućeg konektora s interfejsom - i za komuniciranje sa servisnom službom i nadležnim inspekcijskim organima, poznat kao OBD (On-Board Dijagnostic). Danas najsofisticiranija rešenja elektronskog upravljanja funkcijama motora, transmisije, vešanja i dr. bazirana su na primeni digitalnog mikroračunara. Digitalni sistemi upravljanja prilagođavaju se specifičnim karakteristikama vozila u postupku aplikacije modifikovanjem upravljačkih algoritama, parametara, karakterističnih krivih i upravljačkih mapa. Dijagnosticiranje otkaza tako složenih sistema velikih mogućnosti zahteva novi pristup, nove metode i postupke uz primenu nove tehnologije i novih tehničkih sredstava. U tu svrhu pored standardne dijagnostičke opreme, kao što su osciloskopi - moto-testeri i sl., koriste se i specijalni, namenski orijentisani uređaji koje za te potrebe razvijaju proizvođači elektronskih uređaja na vozilu (Bosch, Siemens-Alied, AVL, Marelli, Lucas i dr.) ili proizvođači specijalne opreme (Snap-on Tools Corp., Matco Tools, Ferret, IGM Automotive Tooing, Inc. i dr.). 105

Pretpostavka za uspešno korišćenje dijagnostičkih sredstava i primenu dijagnostike jeste adekvatna obučenost nadležnog osoblja. U cilju poboljšanja ekoloških karakteristika vozila doneti su odgovarajući propisi koje vozilo mora da zadovoljava u eksploataciji. Da bi ti propisi bili zadovoljeni moraju se nadzirati i kontrolisati svi elementi, priključeni na elektronsku upravljačku jedinicu, čiji otkaz prouzrokuje prekoračenje graničnih vrednosti emisija a svaka neispravnost mora da se zabeleži u memoriji elektronske upravljačke jedinice i signalizira vozaču pomoću odgovarajuće signalne sijalice (slika 7.1). Precizno očitavanje navedenih neispravnosti iz memorije mora biti moguće pomoću definisanih kodova.

Slika 7.1. Signalna sijalica na instrument tabli Metode za očitavanje kodova grešaka su se vremenom razvijale tako da postoje tri osnovna načina za očitavanje grešaka: 1. Signalna sijalica na instrument tabli (CHECK ENGINE) se pri startovanju motora koristi i za očitavanje koda greške. Kod greške se očitava na osnovu paljenja i gašenja signalne sijalice. Broj grešaka koji se na ovaj način mogao prikazati je mali. Izgled napona na sijalici prikazan je na slici 7.2.

Slika 7.2. Očitavanje kodova grešaka pomoću signalne sijalice na instrument tabli 2. Očitavanje se vrši pomoću dijagnostičke sijalice koja se priključuje na poseban dijagnostički konektor. Kod greške se očitava na osnovu paljenja i gašenja dijagnostičke sijalice. Svaki kod neispravnosti ima drugačiji raspored uključivanja i isključivanja signalne sijalice tako da se može tačno utvrditi registrovana neispravnost na osnovu tablice neispravnosti koja važi za to vozilo. Izgled napona na dijagnostičkoj sijalici prikazan je na slici 7.3.

106

Slika 7.3. Očitavanje kodova grešaka pomoću dijagnostičke sijalice

3. Očitavanje se vrši pomoću posebnog test uređaja koji se priključuje na odgovarajući standardizovani, lako dostupan, dijagnostički konektor. Dijagnostički konektor je predviđen za razmenu podataka preko jednog od standardizovanih protokola sa dijagnostičkim uređajima u cilju čitanja i brisanja kodova greški koji su zamemorisani u sistemu za dijagnostiku, korigovanja pojedinih parametara sistema na vozilu i očitavanja stanja davača u vozilu. Dijagnostički konektor je prikazan na slici 7.4. Standardizovani protokola su SAE J1850 koji ima dve osnovne podvrste VPW (Variable Pulse With Modulation) i PWM (Pulse With Modulation), CAN (Controller Area Network) J-2284 i evropski standard ISO 9141-2. Kontakt 02 - J1850 Sabirnica+ Kontakt 04 – Masa vozila Kontakt 05 – Masa signala Kontakt 06 - CAN Visoki nivo (J-2284) Kontakt 07 - ISO 9141-2 K Vo Kontakt 10 - J1850 Sabirnica Kontakt 14 - CAN Niski nivo (J-2284) Kontakt 15 - ISO 9141-2 L Vod Kontakt 16 - Napajanje

Slika 7.4. Dijagnostički konektor Pomoću dijagnostičkog uređaja očitavaju se kodovi grešaka koji imaju 5 znakova. Osnovna značenja pojedinih znakova u kodu greške prikazana su na slici 7.5.

107

Slika 7.6. Osnovna značenja pojedinih znakova u kodu greške

108