Sisteme Electrice Si Electronice Ale Autovehiculeor [PDF]

Zitiervorschau

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Cuprins VOLUMUL 1 1 introducere ________________________________________________ 7 2 Dezvoltarea echipamentului electric şi electronic auto ____________ 9 3. SISTEMUL DE ALIMENTARE ELECTRIC _______________________ 13 3.1 Alternatorul _______________________________________________________ 18 3.1.1 Condiţii de funcţionare _________________________________________________ 18 3.1.2 Variante constructive ___________________________________________________ 19 3.1.3 Particularităţi privind modul de excitare şi de semnalizare la bord a funcţionării corecte a alternatorului ________________________________________________ 28 3.1.4 Caracteristicile electrice ale alternatoarelor _______________________________ 30 3.1.5 Perspective privind evoluţia alternatoarelor _______________________________ 40

3.2 Releul regulator de tensiune ________________________________________ 43 3.1.3 Generalităţi __________________________________________________________ 43 3.1.4 Principiul reglării tensiunii ______________________________________________ 43 3.2.3 Variante constructive __________________________________________________ 45

3.3 Bateria de acumulatori _____________________________________________ 52 3.1.3 Generalităţi __________________________________________________________ 52 3.1.3 Bateria de acumulatori acidă cu plăci de plumb ___________________________ 54

4 Sistemul de pornire electric_________________________________ 73 4.1 Generalităţi ________________________________________________________ 73 4.2 Demarorul _________________________________________________________ 74 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4

Construcţia motorului de curent continuu _________________________________ 75 Construcţia mecanismului de cuplare ____________________________________ 79 Alegerea demarorului __________________________________________________ 86 Caracteristicile electrice ale demarorului _________________________________ 87

4.3 Dispozitive auxiliare de pornire _____________________________________ 89 4.3.1 Dispozitive amplasate în galeria de admisie ______________________________ 90 4.3.2 Dispozitive amplasate în camera de ardere _______________________________ 94

VOLUMUL 2 1 RETEAUA ELECTRICĂ DE BORD, MULTIPLEXAREA____________ 99 1.1 Multiplexarea ______________________________________________________ 99 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4

Principiul de funcţionare _______________________________________________ 99 Protocolul de comunicare _____________________________________________ 100 Gestionarea priorităţilor; coliziunea TRAMELOR nedistructive ______________ 101 Protocoalele VAN şi CAN _____________________________________________ 102

1.2 Diagnosticare: detectarea defecţiunilor _____________________________ 102

2 Managementul motorului cu aprindere prin scânteie ___________ 103 2.1 Controlul parametrilor funcţionali ai motorului ______________________ 103 2.2 Sistemul de aprindere _____________________________________________ 105

2.2.1 Clasificarea sistemelor de aprindere. Evoluţia sistemelor de aprindere. ______ 110 2.2.2 Bujia _______________________________________________________________ 126

2.3 injectia de benzină comandată electronic ___________________________ 130

3

Cuprins 2.3.1 Generalităţi _________________________________________________________ 130 2.3.2 Injecţia indirectă de benzină ___________________________________________ 132 2.3.3 Injecţia directă de benzină_____________________________________________ 148

2.4 Managementul comun aprindere - injecţie___________________________ 150 2.4.1 Generalităţi _________________________________________________________ 150 2.4.2 Organizarea sistemului _______________________________________________ 151 2.4.3 Variante de sisteme de management aprindere – injecţie __________________ 152

3 Managementul motorului Diesel ____________________________ 157 3.1 Introducere _______________________________________________________ 157 3.2 Controlul electronic al pompei de injecţie ___________________________ 158 3.3 Traductori utilizaţi_________________________________________________ 160 3.4 Funcţiile calculatorulu _____________________________________________ 161 3.5 Sistemul pompă unitară cu control electronic _______________________ 165 3.6 Sistemul unitar pompă-injector cu control electronic ________________ 166 3.7 Sistemul de injecţie directă cu rampă comună_______________________ 168 3.7.1 Organizarea sistemului de comandă ____________________________________ 169 3.7.2 Principiul de funcţionare ______________________________________________ 172

3.8 Soluţii noi ________________________________________________________ 182

4 Alte sisteme electronice ale motorului _______________________ 185 4.1 Clapeta de acceleraţie acţionată electric ____________________________ 185 4.2 Distribuţia varibilă ________________________________________________ 186 4.3 Controlul poluării – diagnosticarea la bord. _________________________ 190 4.3.1 Diagnosticarea rateurilor înregistrate la arderea combustibilului ____________ 190 4.3.2 Diagnosticarea catalizatorului __________________________________________ 191 4.3.3 Diagnosticarea sondei de oxigen _______________________________________ 192

5 SISTEME DE SIGURANTA ACTIVA __________________________ 193 5.1 Sisteme electronice antiblocare ____________________________________ 193 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5

Justificarea şi concepţia sistemului _____________________________________ 193 Componentele sistemului ABS _________________________________________ 195 Pincipiul reglării forţei de frânare _______________________________________ 198 Variante ABS ________________________________________________________ 200 Sisteme moderne ABS _______________________________________________ 202

5.2 Noi sisteme de frânare ____________________________________________ 206 5.2.1 Sistemul SBC (Sensotronic Break Control) ______________________________ 206 5.2.2 Sistemul EMB (Electro Mechanical Break) _______________________________ 207

6 SISTEME DE SIGURANTA PASIVĂ __________________________ 209 6.1 Conceptul air bag _________________________________________________ 209 6.2 Pretensionatoare pentru centuri de siguranţă _______________________ 214

7 Bibliografie _____________________________________________ 217

4

1 INTRODUCERE În condiţiile actuale în care automobilului i se impun exigenţe sporite privind fiabilitatea, confortul, securitatea, ca şi constrângeri severe privind consumul de combustibil, poluarea şi zgomotul, toate acestea la un cost cât mai redus, echipamentul electric şi electronic a căpătat un rol deosebit şi a suferit o evoluţie spectaculoasă. Dacă în cca. 100 de ani, echipamentul electric de bază a rămas cam acelaşi, suferind doar mici îmbunătăţiri, iar o carte despre acest echipament era foarte subţire, în ultimii 15 ani s-au produs atât de multe schimbări încât o carte devine neîncăpătoare pentru noile echipamente apărute. Practic evoluţia este atât de rapidă încât din momentul în care începe redactarea unei cărţi în acest domeniu şi până la finalizarea ei, deja au apărut o serie de evoluţii şi schimbări importante. În contextul actual în care echipamentul electric şi electronic al automobilului capătă o importanţă deosebită, practic nemaiexistând nici un subansamblu care să nu fie comandat, monitorizat sau optimizat prin mijloace electrice şi electronice, lucrarea prezintă o importanţă deosebită. În lucrare s-a acordat o atenţie deosebită atât cunoaşterii, calculului şi construcţiei echipamentelor analizate cât şi corelării acestora cu parametrii specifici ai unui autovehicul dat, respectiv funcţionării în comun a echipamentului electric cu agregatele deservite. S-au analizat condiţiile impuse echipamentului electric şi parametrii ce trebuie asiguraţi pentru a se realiza o funcţionare sigură, fiabilă şi economică. În acelaşi timp, având în vedere evoluţia dinamică din acest domeniu, în cadrul fiecărui capitol se face o analiză a direcţiilor posibile de evoluţie viitoare. Lucrarea a fost elaborată astfel încât să urmărească în principal cursul predat studenţilor, dar prin conţinut şi modul de prezentare este utilă tuturor celor cu preocupări în domeniul automobilului. Modul concis de prezentare, ponderea redusă acordată descrierii şi modului de funcţionare a componentelor analizate, schematizarea principială, dau lucrării o utilitate maximă şi o notă de generalizare în tratarea problemelor. Ţinând cont de numărul mare de echipamente electrice şi electronice utilizate în prezent pe automobile, de diversificarea acestora, de volumul mare de cunoştinţe în domeniu, lucrarea a fost structurată în două volume. Primul volum cuprinde echipamente electrice şi electronice „clasice” adică sistemul de alimentare cu energie electrică (alternatorul, releul regulator, bateria) şi sistemul de pornire electric, iar al doilea volum, sistemele electronice complexe: managementul motoarelor, sisteme de siguranţa activa, sisteme de siguranţa pasiva, etc.

7

Dezvoltarea echipamentului electric şi electronic auto

2 DEZVOLTAREA ECHIPAMENTULUI ELECTRIC ŞI ELECTRONIC AUTO Încă de la apariţia automobilului, echipamentul electric a fost prezent şi s-a dezvoltat o dată cu evoluţia acestuia.

Figura 2.1 Principalele funcţii asigurate de echipamentul electric şi electronic auto

9

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Dacă în primii cca. 100 de ani evoluţia a fost lentă, ca de altfel şi evoluţia automobilului, în ultimii 10 – 15 ani echipamentul electric şi electronic auto a înregistrat o evoluţie fără precedent, iar rata schimbării continuă în acelaşi ritm alert. Exigenţelor de bază privind fiabilitatea, securitatea şi confortul, li s-au adăugat în ultimii ani constrângeri severe privind poluarea şi consumul de combustibil. Aceste cerinţe din ce în ce mai severe nu puteau fi satisfăcute decât cu ajutorul electronicii. Astfel, s-a ajuns ca la automobilele moderne echipamentele electrice şi electronice să comande, să acţioneze sau să monitorizeze toate componentele mecanice ale automobilului. În fig. 2.1 se prezintă grafic complexitatea echipamentului electric şi electronic auto, grupând componentele în patru mari categorii: • comandă – control; • comunicaţii; • siguranţă; • confort Creşterea numărului şi complexităţii componentelor electrice şi electronice dispuse la bordul automobilelor poate fi ilustrată şi prin creşterea lungimii şi a complexităţii fasciculelor de cabluri electrice ca şi a numărului de conexiuni. În fig. 2.2 se prezintă evoluţia lungimii şi a numărului de conexiuni a cablajelor electrice în ultimii 35 de ani.

Figura 2.2 Evoluţia cablajului electric auto

Se observă că în anul 2000, lungimea cablajului de bord auto a ajuns la valoarea impresionantă de cca. 2000 m. Această evoluţie a determinat: o complexitate mare a fasciculelor de cabluri, creşterea masei şi volumului acestora, creşterea numărului de conexiuni. În prezent, un autoturism de clasă superioară înglobează cca. 40 kg de cabluri şi se estimează că în următorii 10 ani această valoare se va dubla. Creşterea complexităţii cablajelor ridică probleme privind concepţia de fabricaţie, costuri, gabarit, fiabilitate, posibilitatea depistării defecţiunilor. Rezolvarea acestei probleme este o temă de actualitate şi de perspectivă pentru producătorii de automobile. O primă etapă în acest domeniu o constituie integrarea mai multor funcţii electronice într-un singur modul. 10

Dezvoltarea echipamentului electric şi electronic auto

Un autoturism de clasă superioară fabricat la nivelul anului 2000, prevăzut cu toate sistemele electronice moderne ar trebui să fie echipat cu cca. 20 – 40 calculatoare electronice. Mai puţine calculatoare ar însemna mai puţine cablaje şi conexiuni, lucru ce poate fi obţinut prin concepţia de integrare a mai multor funcţiuni. Integrarea mai multor funcţiuni electrice şi electronice într-un singur modul are ca efect: ameliorarea confortului utilizatorului, ameliorarea gestionării energiei în scopul protejării bateriei, ameliorarea posibilităţii depistării defecţiunilor cu ajutorul autodiagnosticării calculatoarelor, etc.

11

Sistemul de alimentare electric

3. SISTEMUL DE ALIMENTARE ELECTRIC Sistemul de alimentare electric asigură necesarul de energie electrică pentru toţi consumatorii existenţi pe autovehicul. Sistemul se compune din: alternator, releu regulator, baterie de acumulatori. Exigenţele mereu crescute în privinţa măririi confortului, a siguranţei în circulaţie, reducerea consumului de combustibil şi a poluării, au determinat creşterea spectaculoasă a consumatorilor electrici, respectiv a necesarului de energie electrică solicitat sistemului de alimentare. În fig. 3.1 se prezintă principalii consumatori electrici, cu puterea solicitată şi frecvenţa de utilizare: consumatori alimentaţi permanent, consumatori alimentaţi perioade lungi şi consumatori alimentaţi pentru perioade scurte de timp. Creşterea puterii şi a numărului consumatorilor s-a datorat dezvoltării unor funcţii noi, inexistente la autovehiculele clasice. Aceste funcţii vizează: • ameliorarea combustiei, reducerea consumului de combustibil şi a emisiilor poluante: • managementul motorului • injecţia de aer post-ardere • încălzirea catalizatorului, etc. • creşterea confortului pasagerilor: • sisteme de încălzire sofisticate; • sisteme de climatizare • servoasistarea unor comenzi • sisteme de navigaţie, etc. • creşterea gradului de securitate: • sisteme antiblocare pentru frâne; • sisteme antipatinare; • airbag-uri, etc. Puterea necesară alimentării consumatorilor variază mult pe durata utilizării autovehiculului. Ea este mai mare în primele minute de funcţionare după pornire, determinată în principal de intrarea în funcţiune a sistemelor de încălzire sau climatizare. Din rândul marilor consumatori, se remarcă: • reîncălzirea electrică a catalizatorului. Acesta necesită o putere de 1-2 Kw, imediat după pornirea motorului. Având în vedere rezistenţa internă a catalizatorului, se au în vedere concepte de tensiune la bord obişnuite sau 36-42Vparbrizul încălzit electric conduce la o situaţie similară. Valoarea rezistenţei de încălzire este de cca. 2 Ω. pentru o putere de 1000 W, tensiunea necesară este de aproximativ 45 V, tensiune ce nu poate fi pusă la dispoziţie decât prin măsuri speciale. Ca şi reîncălzirea electrică a catalizatorului, parbrizul încălzit consumă cea mai mare putere imediat după pornire. • aparatura de comunicaţii şi navigaţie, constituie de asemenea consumatori noi apăruţi la bordul autovehiculului. 13

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.1 Consumatori electrici, puteri şi frecvenţe de utilizare

Influenţe asupra alternatorului şi a bateriei de acumulatori. rotaţie.

Curentul debitat de alternator este foarte dependent de regimul său de

Motoarele cu consum redus au în principiu un regim de relanti redus, care are tendinţa de a scădea în continuare. În ultimii 10 ani procentul de funcţionare la relanti în regim urban a crescut de la 35% la 45%. Acest procent rămâne inferior cu cca. 10% în cazul regimului interurban. Funcţionarea automobilului în concepţia “stop and go” (oprirea automată a motorului în timpul staţionării), reduce regimul de funcţionare şi debitul alternatorului la zero când autovehiculul s-a oprit, făcând şi mai grele condiţiile de alimentare cu energie electrică a autovehiculului. 14

Sistemul de alimentare electric

Dimensionarea alternatorului trebuie să permită alimentarea corespunzătoare a tuturor consumatorilor, ţinând cont de frecvenţa lor de utilizare dar în acelaşi timp să permită încărcarea corespunzătoare a bateriei pentru a se putea asigura o pornire fiabilă a autovehiculului. Forţarea bateriei este accentuată de următoarele aspecte: • încărcare ciclică mărită; • curentul în repaus solicitat de diverşi consumatori mărit; • reîncărcare rapidă. Mărirea numărului de consumatori determină redimensionarea şi îmbunătăţirea randamentului alternatorului şi bateriei. Astfel, se constată următoarele evoluţii: • reducerea accentuată a alternatoarelor de 70 A • generalizarea alternatoarelor de 90 A • apariţia în unele situaţii a alternatoarelor de 150 – 160 A. Puterea maximă restituită de alternator depinde de talia sa, de definiţia electrică reţinută în dimensionare şi de raportul de transmitere al sistemului de antrenare care a crescut de la 2 - 2,5 la 2,2 - 3,2. Dar gabaritul alternatorului este limitat de locul disponibil pe motor. Ca urmare trebuie avute în vedere şi alte soluţii: • o justă dimensionare şi ameliorare a randamentului consumatorilor; • reducerea sau decuplarea automată a consumatorilor în anumite situaţii (exemplu încălzirea sau climatizarea); • gestionarea inteligentă a consumatorilor; • gestionarea regimului alternatorului, de la simpla mărire a regimului la relanti, până la conceptul de decuplare a regimului alternatorului de cel al motorului; • alte configuraţii ale reţelei de bord. Dacă se adoptă definirea unui alternator pentru menţinerea puterii furnizate la un regim de rotaţie coborât (50 – 70% din puterea maximă) se degradează puterea sa maximă şi randamentul. Din contră, se poate decupla puterea maximă şi randamentul unui alternator (la o greutate constantă) cu o definire a începutului debitării întârziat. Ameliorarea randamentului este legată de faptul că pierderile rămân neschimbate pentru o curbă de debit superioară. Pierderile la redresor, care cresc proporţional cu curentul necesită o răcire mărită. În plus, avantajele privind zgomotul şi randamentul incită la reducerea regimurilor de rotaţie maximă. O turaţie de antrenare constantă de cca. 5000 rot/min va fi ideală pentru funcţionarea alternatorului. În aceste condiţii optimizarea sistemului de antrenare permite modificarea raportului de transmitere între motor şi alternator. Dintre soluţiile avute în vedere se remarcă: • antrenare hidrostatică la regim constant; • antrenare prin intermediul unui variator; • antrenare cu două rapoarte etajate; • antrenare printr-o turbină, etc. Influenţe asupra releului regulator. Şi releul regulator a suferit modificări importante, acesta devenind multifuncţional. 15

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.2 Configuraţia obişnuită a reţelei de bord

Pentru dezvoltarea funcţiilor auxiliare, obiectivul este de a utiliza pentru regulator şi alternator o serie de informaţii existente. Funcţiile suplimentare ale regulatorului multifuncţional pot fi grupate astfel: • ameliorarea funcţionării motorului având ca efect reducerea consumului; • ameliorarea bilanţului încărcării, având ca efect îmbunătăţirea funcţionării reţelei de bord; • semnalarea defectelor. Ideal pentru sistemul alternator – regulator – baterie – consumatori va fi de a reuşi să se controleze direct capacitatea reziduală a bateriei şi de a utiliza acest parametru în strategia de gestionare a reţelei de bord. Parametrii avuţi în vedere în acest scop ar putea fi: • tensiunea bateriei; • temperatura bateriei; • curenţii de încărcare – descărcare; • gradul de utilizare al alternatorului. Influenţe asupra reţelei de bord Configuraţia obişnuită a reţelei de bord (fig. 3.2) prezintă o serie de inconveniente: • definirea bateriei constituie un compromis între: • livrarea unui curent ridicat (300 – 500 A) la pornire; • asigurarea unei rezerve de capacitate de curent redus pentru susţinerea alternatorului şi alimentarea consumatorilor după pornire. Cele două condiţii nu pot fi asigurate optim cu o singură baterie având în vedere următoarele aspecte: • căderea de tensiune la pornire este un inconvenient pentru unii consumatori; este cazul în special ai acelor consumatori care includ un microprocesor care necesită o tensiune de alimentare minimă de 5 V; • încărcarea bateriei variază puternic între 50 – 90%, urmărind regimul de utilizare al autovehiculului, o parte a masei bateriei nefiind utilizată; • capacitatea de pornire scade în cazul unei baterii încărcate parţial, fenomen accentuat la temperaturi scăzute. Rezolvarea acestor probleme se poate face cu o nouă configuraţie a reţelei de bord, existând mai multe posibilităţi: 16

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.3 Configuraţia reţelei de bord cu două baterii

Utilizarea a două baterii, fiecare cu un regim optimizat (fig. 3.3) • bateria de pornire livrează un curent mare doar la pornire, mărimea sa este redusă, ea are prioritate la reîncărcare; • bateria de alimentare a reţelei trebuie să-şi pună capacitatea la dispoziţia celorlalţi consumatori. Bateria de pornire este amplasată în apropierea demarorului, legătura făcându-se printr-un cablu foarte scurt. Funcţie de configuraţia reţelei de bord se poate obţine o reducere de masă de până la 2,5 kg. Pentru ca încărcarea să fie întotdeauna totală, bateria de pornire va avea o tensiune de 10 V, ecartul de tensiune permiţând generarea uşoară a priorităţii de încărcare. Modulul de gestiune separă circuitul de pornire de restul reţelei atunci când autovehiculul este oprit şi în faza de pornire evitându-se astfel următoarele situaţii: • o scădere puternică de tensiune în restul reţelei în timpul pornirii; • descărcarea bateriei de pornire când autovehiculul este oprit cu consumatorii în funcţiune. În acest fel, este posibilă pornirea la temperaturi scăzute, chiar şi atunci când bateria de alimentare a reţelei este descărcată, situaţie în care solicitarea ei nu este mai mare de cca. 20 A necesari controlului motorului. Pe de altă parte, consumatorii pot fi definiţi pentru o tensiune minimă mai ridicată (de exemplu 10 V în loc de 6 V). Utilizarea de tensiuni superioare (multi-tensiuni). Soluţia cu reţele superioare valorii de 12 V au apărut deja şi constituie o preocupare importantă şi în domeniul autoturismelor. Avantajul creşterii tensiunii îl constituie reducerea secţiunii cablurilor la o putere neschimbată a consumatorilor, cu efecte pozitive asupra reducerii masei şi a preţului. Dar, o tensiune ridicată atrage în acelaşi timp o creştere a pierderilor de putere pentru unii consumatori cum ar fi calculatoarele de bord. Trebuie avut în vedere însă costul generat de redefinirea diverşilor consumatori. Se poate imagina că mărirea puterii electrice consumate poate conduce la realizarea unei reţele de tensiuni multiple, unde grupe de consumatori vor fi 17

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

alimentaţi la tensiuni optime pentru funcţionarea lor. În acest caz, pentru acoperirea nevoilor ridicate de energie, soluţia utilizării a două alternatoare se poate dovedi a fi necesară.

3.1 Alternatorul 3.1.1 Condiţii de funcţionare Generatorul de curent utilizat în prezent pe toate tipurile de autovehicule este alternatorul. Acesta este un generator sincron de curent alternativ trifazat care lucrează împreună cu un sistem de redresare. Rolul alternatorului trifazat constă în furnizarea unui curent suficient de mare, reţelei de bord, la toate regimurile, pentru a asigura în orice situaţie încărcarea eficientă a bateriei de acumulatori. În acelaşi timp alternatorul trebuie să producă un curent suficient de mare pentru a alimenta consumatorii, chiar şi atunci când motorul funcţionează la relanti. Pentru o bună conlucrare cu bateria de acumulatori şi consumatorii tensiunea la bornele alternatorului trebuie să fie constantă, indiferent de regimul de funcţionare al acestuia. Cerinţele impuse alternatorului sunt: • alimentarea cu curent continuu a tuturor consumatorilor conectaţi la un moment dat; • asigurarea unei puteri suplimentare pentru încărcarea rapidă a bateriei, chiar şi atunci când receptorii permanenţi sunt conectaţi şi când motorul funcţionează la o turaţie scăzută; • asigurarea unei tensiuni constante la toate regimurile de funcţionare a motorului; • să aibă o construcţie solidă, să reziste la toate solicitările exterioare cauzate de vibraţii, variaţii de temperatură, poluare, umiditate, carburanţi şi lubrifianţi; • să aibă o greutate şi un gabarit cât mai redus; • să fie silenţios şi să asigure o fiabilitate ridicată; Regimul de funcţionare al alternatorului este foarte sever fiind determinat de regimul de funcţionare al motorului şi de numărul de consumatori conectaţi: • turaţie de antrenare variabilă (în raport de 1:8 până la 1:12); • sarcină variabilă (de la zero la sarcina maximă); • variaţii bruşte ale turaţiei de antrenare şi ale sarcinii. Gradul de utilizare al unui alternator (energia produsă, raportată la masă), creşte o dată cu turaţia de antrenare. Pentru aceasta în sistemul de antrenare se utilizează un raport de 1:2 până la 1:3 între arborele motor şi alternator. Alternatorul trebuie să facă faţă unor condiţii contradictorii: • forţe centrifuge importante la turaţiile ridicate ale motorului; • durată de viaţă ridicată a lagărelor şi a altor piese supuse uzurii; • posibilităţi mari de accelerare la schimbarea bruscă a treptelor de viteze, etc.

18

Sistemul de alimentare electric

Alternatorul fiind montat pe motor este supus unor condiţii de mediu grele: acceleraţii de ordinul a 50 ÷ 80 g, umezeală, vapori de ulei, carburant, acid care provoacă coroziunea, temperaturi ridicate, etc. 3.1.2 Variante constructive Gama de fabricaţie a alternatoarelor trifazate este foarte largă: tensiuni de 14 şi 28V, puteri cuprinse între 200 W şi 5000 W, turaţia de început a debitării 850 ÷ 1000 rot/min, turaţia maximă 20000 rot/min. Alternatoarele diferă între ele prin următoarele caracteristici: • forma polilor; • modul de realizare a excitaţiei; • locul de amplasare a excitaţiei; • modul de legare a fazelor statorice; • modul în care este dispus releul regulator de tensiuni; • modul în care se face ventilaţia (răcirea); • modul de antrenare; • gradul de protecţie, etc. Având în vedere aceste caracteristici se poate face următoarea clasificare: • după forma polilor: • cu piese polare în formă de ghiare • cu poli aparenţi • după modul de realizare a excitaţiei: • cu excitaţie electromagnetică • cu excitaţie alimentată de la baterie • cu autoexcitaţie • cu excitaţie cu magneţi permanenţi • după locul de amplasare a înfăşurării de excitaţie • pe rotor • pe stator • după modul de legare a fazelor statorice: • în stea • în triunghi • după modul de dispunere a releului regulator: • separat de alternator • încorporat în alternator • după modul de realizare a ventilaţiei: • cu ventilaţie exterioară • cu ventilaţie interioară • după modul de antrenare: • cu curea • cu sistem hidrostatic • cu ajutorul unui variator, etc. Modelele cele mai utilizate sunt: • alternatorul cu excitaţie electromagnetică şi rotor în formă de ghiare; • alternatorul cu excitaţie electromagnetică şi poli aparenţi; • alternatorul cu excitaţie cu magneţi permanenţi. 19

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

3.1.2.1 Alternatorul cu rotor în formă de gheare Aceasta reprezintă varianta clasică de alternator, cunoscută de foarte mult timp. Utilizarea pe autovehicule a devenit posibilă doar în anii 1960 – 1965 când s–a putut realiza un redresor compatibil cu condiţiile de pe autovehicul, o dată cu fabricarea diodelor pe bază de siliciu, de dimensiuni reduse, performante şi economice.

Figura 3.4 Schema de principiu a alternatorului cu rotor în formă de gheare

Schema de principiu a alternatorului este prezentată în fig. 3.4, iar construcţia acestuia în fig. 3.5. Statorul este format din pachetul de tole şi bobinajul statorului. Pachetul de tole este construit din tole de oţel electrotehnic asamblate prin sudură. Partea interioară a statorului este prevăzută cu crestături în care se asamblează bobinajul. Izolaţia crestăturilor se realizează de obicei cu ajutorul unui lac electroizolant iar bobinajul se fixează în crestături cu ajutorul penelor. După bobinare statorul se impregnează pentru consolidarea şi protecţia înfăşurărilor. Alternatorul cu rotor în formă de ghiare se compune din: stator (1), rotor (2), scutul dinspre antrenare (3), scutul dinspre partea opusă antrenării (4), redresorul (5) şi fulia de antrenare (6). În fig. 3.6 se prezintă variante constructive ale statorului. Majoritatea alternatoarelor au în stator o înfăşurare trifazată legată în stea cu sau fără diode auxiliare. Uneori se foloseşte şi legarea în triunghi în special când în aceeaşi construcţie se doreşte reducerea tensiunii debitate în condiţiile menţinerii puterii generatorului (fig.3.7).

20

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.5 Construcţia alternatorului cu rotor în formă de gheare

Figura 3.6 Variante constructive ale statorului

21

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.7 Legarea înfăşurărilor statorului

În fig. 3.8 este reprezentată o schemă de înfăşurare tipică pentru statoarele alternatoarelor. Înfăşurarea de curent alternativ este în două straturi cu bobine egale iar capetele înfăşurării, sunt uniform repartizate.

Figura 3.8 Schema de înfăşurare a alternatoarelor

Începutul celor trei faze este notat A, B, C iar sfârşitul lor cu x, y, z. La legarea în stea sfârşitul celor trei faze se leagă împreună, formând nulul înfăşurării. Începutul celor trei faze se leagă la cele trei borne ale redresorului trifazat. Nulul înfăşurării se scoate la exterior sau rămâne izolat, aceasta depinde de tipul redresorului şi de modul în care se face semnalizarea încărcării bateriei de acumulatoare la bord. În timp ce statorul alternatoarelor cu poli în formă de gheare nu diferă din punct de vedere constructiv, de cel al generatoarelor sincrone care au altă destinaţie, rotorul diferă fundamental de acestea. În fig. 3.9 este redată o vedere desfăşurată a unui rotor cu poli în Figura 3.9 formă de ghiare. Rotor cu poli în formă de gheare Rotorul se compune din: ax, cele două piese polare în forme de ghiare, înfăşurarea 22

Sistemul de alimentare electric

de excitaţie şi inele colectoare. Înfăşurarea de excitaţie este o înfăşurare concentrată fixată pe o bucşă metalică între cele două piese polare. Piesele polare se execută din oţel forjat cu conţinut redus de carbon şi cu permeabilitate magnetică ridicată. Forma pieselor şi a polilor are o influenţă mare asupra caracteristicilor electrice ale alternatorului. În fig. 3.10 se prezintă câteva variante constructive.

Figura 3.10 Rotoare cu piese polare în formă de gheare

După asamblare rotorul se impregnează pentru o mai bună rigidizare mecanică a bobinei. La majoritatea alternatoarelor se utilizează inele colectoare radiale însă în unele cazuri (ex. alternatorul din fig. 3.5), inelele se amplasează frontal. Excitaţia poate fi alimentată de la baterie (excitaţie alimentată separat) sau prin autoexcitaţie. Arborele rotorului se roteşte în rulmenţi de tip capsulat ceea ce elimină necesitatea gresării lui în timpul exploatării. Scuturile se execută din aliaje neferomagnetice pentru a se reduce fluxurile magnetice de dispersie. Forma scuturilor este foarte variată fiind specifică fiecărei construcţii. Pe scutul din partea opusă antrenării se montează redresorul şi suportul periilor. Redresorul este format din diodele redresoare şi radiatoarele lor. Pentru asigurarea unui montaj mai simplu se utilizează două tipuri de diode: pozitive, cu catodul (minus) legat la carcasă şi negative, cu anodul (plus) legat la carcasă. Diodele pozitive se montează pe un radiator comun şi constituie borna plus a alternatorului, iar cele negative se montează pe un alt radiator şi constituie borna minus a alternatorului. 23

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Din punct de vedere al gradului de protecţie aceste alternatoare pot fi de construcţie deschisă sau închisă. Cele de construcţie deschisă sunt prevăzute cu ventilator de răcire iar cele de construcţie închisă de obicei nu sunt prevăzute cu ventilator. Alternatoarele de construcţie deschisă au cea mai largă utilizare. Cele de construcţie închisă se utilizează pe autovehicule care lucrează în medii cu densitate mare de praf şi umiditate (ex. tractoarele agricole). Din punct de vedere al condiţiilor climatice în care pot funcţiona, alternatoarele pot fi construite pentru a funcţiona în climă temperată, rece, tropicală sau pentru toate condiţiile. Alternatoarele sunt surse puternice de paraziţi radio. Din acest punct de vedere alternatoarele pot fi de construcţie normală, când nu se iau măsuri de reducere a paraziţilor radiofonici sau de construcţie specială când se iau măsuri pentru antiparazitarea parţială sau totală. Aceste măsuri constau în montarea unor condensatoare sau realizarea unei construcţii care să ecraneze toate părţile alternatoarelor care emit paraziţi radio. 3.1.2.2 Alternatorul cu poli aparenţi Alternatoarele cu poli aparenţi se construiesc pentru puteri mai mari de 5000 W şi sunt destinate unui număr restrâns de autovehicule care au un consum ridicat de energie electrică (ex. autocarele de lux).

Figura 3.11 Schema de principiu a alternatorului cu poli aparenţi

Diferenţa faţă de alternatorul cu rotor în formă de ghiare constă în faptul că rotorul este prevăzut cu poli magnetici individuali, prevăzuţi cu înfăşurări de excitaţie (fig. 3.11). Numărul polilor rotorului este de 4,6 sau 12. Aceşti poli magnetici se rotesc într-un stator a cărui lungime, raportată la diametru este mult mai mare decât la alternatorul cu rotor sub formă de ghiare. Soluţia, permite obţinerea de puteri superioare raportat la un diametru identic. Curentul de excitaţie este în acest caz mai mare decât la alternatorul cu rotor sub formă de ghiare, motiv pentru care, de obicei, releul regulator este dispus separat. În fig. 3.12 se prezintă construcţia unui astfel de alternator. 24

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.12 Construcţia alternatorului cu poli aparenţi

3.1.2.3 Alternatorul fără inele şi perii colectoare La ambele tipuri de alternatoare analizate, apare o singură piesă de uzură, reprezentată de sistemul de alimentare a excitaţiei prin inele şi perii colectoare. Pentru a înlătura aceste piese supuse uzurii şi a realiza o îmbunătăţire considerabilă a fiabilităţii, au apărut variante de alternatoare fără inele şi perii. Dintre acestea se remarcă: • alternatorul cu excitaţie electromagnetică “cu piese conducătoare”; • alternatorul cu magneţi permanenţi. a. Alternatorul cu piese conducătoare Alternatorul cu rotor cu piese conducătoare constituie o versiune a alternatorului cu rotor în formă de ghiare. În acest caz, rotorul are o construcţie specială care permite ca doar platoul cu ghiare să se rotească, în timp ce înfăşurarea de excitaţie cu piesele conducătoare inelare pentru fluxul magnetic să fie staţionară, fig. 3.13. Înfăşurarea de excitaţie a acestui tip de demaror poate fi alimentată direct de la redresor, prin intermediul releului regulator de tensiune, inelele şi periile nemaifiind necesare.

25

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.13 Alternatorul cu piese conducătoare, fără perii şi inele

Greutatea alternatorului este superioară alternatorului cu rotor în formă de ghiare clasic, deoarece, pentru aceeaşi putere, fluxul magnetic va traversa întrefieruri suplimentare. b. Alternatorul cu magneţi permanenţi Spre deosebire de alternatoarele cu excitaţie electromagnetică, alternatoarele cu magneţi permanenţi reprezintă o construcţie simplă şi deci şi o întreţinere simplă. În funcţie de modul de aşezare al magnetului permanent aceste alternatoare se construiesc în următoarele variante: • magnetul permanent se montează pe rotor şi are forma unei roţi polare; • magnetul permanent are forma cilindrică, iar piesele polare se execută sub forma unei roţi cu ghiare; • magnetul permanent se aşează în stator, iar rotorul reprezintă un comutator magnetic. În toate cele trei cazuri înfăşurările de sarcină sunt aşezate în stator, trifazate şi legate în stea. Astfel de generatoare nu au alte organe de uzură decât rulmenţii lagărelor. 26

Sistemul de alimentare electric

În fig. 3.14 a se prezintă schema de principiu a alternatorului cu magneţi permanenţi sub formă de roată polară. Generatorul se compune din rotorul 1 pe care se fixează magnetul permanent 2. În statorul 3 se montează fie pe piese polare, fie pe poli înecaţi, înfăşurările statorice 4. Dezavantajul construcţiei constă în dificultăţile tehnologice pe care le creează prelucrarea magnetului permanent.

Figura 3.14 Schemele generatoarelor de c.a. cu magnet permanent

În fig. 3.14 b se reprezintă schema rotorului pentru generatorul la care magnetul permanent are forma cilindrică. Rotorul se compune din magnetul permanent 3 şi roţile polare 1 şi 2. Piesele polare se montează pe arbore prin intermediul izolatorului magnetic 4 astfel încât liniile de câmp magnetice să se închidă prin întrefier şi piesa polară a statorului. În fig. 3.14 c se reprezintă schema electrică de principiu a unui generator la care rotorul îndeplineşte rolul unui comutator magnetic. Generatorul se compune din statorul 1 în care se montează magneţii permanenţi2, iar rotorul este executat dintr-un oţel moale sub forma unei roţi polare. Variaţia fluxului magnetic care străbate înfăşurările statorice 3 se realizează prin rotirea rotorului. 27

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În poziţia II-II sensul de parcurgere al înfăşurărilor statorice de către fluxul magnetic este cel indicat prin linie plină. La rotirea în poziţia I-I sensul de parcurgere al înfăşurării rotorice se schimbă. Principalul neajuns al generatoarelor de curent alternativ cu magnet permanent constă în demagnetizarea magnetului permanent de către câmpul de reacţie longitudinal. O reducere a acestui fenomen se poate obţine prin utilizarea înfăşurării compound alimentate de la un transformator şi redresor. Acest efort constructiv suplimentar reduce însă avantajul principal al generatoarelor de acest tip şi anume simplitatea construcţiei. Un alt mare dezavantaj îl reprezintă greutăţile legate de reglarea tensiunii care trebuie făcută fie cu ajutorul unor şunturi magnetice fie prin reglarea pe partea de curent alternativ. Domeniul de utilizare al acestor generatoare rămâne numai cel al puterilor mici unde apare fenomenul de autoreglare a tensiunii dacă curentul de sarcină e constant. 3.1.3 Particularităţi privind modul de excitare şi de semnalizare la bord a funcţionării corecte a alternatorului După modul de alimentare a excitaţiei, alternatoarele cu excitaţie electromagnetică pot fi: cu excitaţie independentă (alimentată de la baterie) sau cu autoexcitaţie. Indiferent de numărul de faze statorice, alternatoarele cu excitaţie independentă sunt prevăzute cu un singur dispozitiv de redresare care serveşte atât la alimentarea înfăşurării de excitaţie cât şi a celorlalţi consumatori, iar alternatoarele cu autoexcitaţie sun prevăzute cu două redresoare: unul secundar pentru alimentarea excitaţiei şi altul principal pentru alimentarea celorlalţi consumatori. Dispozitivele redresoare ale alternatoarelor trifazate cu excitaţie independentă sunt în general punţi redresoare trifazate de tip Larionov. Schema electrică a unui astfel de alternator este dată în fig. 3.15. G – alternator format din generatorul sincron cu redresor; RS – rezistenţa totală a consumatorilor; B – baterie de acumulatoare; K – comutator principal; R r – rezistenţă de reglaj. Bornele accesibile ale alternatorului sunt: B+ = borna “+” a alternatorului; D– = borna “-“ a alternatorului; DF – borna de alimentare a excitaţiei; C – nulul înfăşurării statorului; W – borna de c.a.

28

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.15 Schema electrică a unui alternator cu excitaţie independentă, cu borna C şi W accesibile

Acest tip de alternator prezintă avantajul că are numai 6 diode redresoare şi că turaţia de început de debitare nu este influenţată de magnetismul remanent însă prezintă dezavantajul că nu se poate evita în mod raţional descărcarea bateriei de acumulatoare B prin înfăşurarea de excitaţie “E X ” la o staţionare prelungită. Borna “C” se utilizează pentru semnalizarea la bord a funcţionării corecte a alternatorului. Atât timp cît tensiunea debitată de alternator este sub valoarea prescrisă lampa L i de pe bord este alimentată prin contactele normal închise ale releului R i , legat între borna “C” şi “B+”. Borna “W” se utilizează de obicei pentru alimentarea unui turometru electronic utilizat pentru măsurarea turaţiei motorului termic, în special în cazul motoarelor cu aprindere prin compresie. Dispozitivele redresoare ale alternatoarelor cu autoexcitaţie conţin în plus pe lângă cele 6 diode D 1 … D 6 ale redresorului principal încă un redresor format din 3 diode suplimentare D 7 … D 9 care servesc la alimentarea înfăşurării de excitaţie şi uneori a releelor de protecţie împotriva pornirii accidentale a demarorului în timpul funcţionării motorului termic şi a altor aparate de bord cum ar fi contorul de ore de funcţionare al motorului termic, etc. Curentul maxim debitat de redresorul suplimentar nu depăşeşte 1 A. În fig. 3.16 este reprezentată schema de principiu a unui astfel de alternator. G – alternator format din generatorul sincron şi redresor; R S – rezistenţa totală a consumatorilor; B – bateria de acumulatoare; R r – rezistenţa de reglaj. Bornele accesibile ale alternatorului sunt: B+ – borna “+”; D– – borna “–“; DF – borna de alimentare a excitaţiei; W – borna de c.a.; D+ – plusul de la redresorul suplimentar. 29

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.16 Alternator cu autoexcitaţie cu bornele D+ şi W accesibile

La aceste alternatoare se înlătură neajunsurile prezente la alternatoarele cu excitaţie independentă. Lampa de control L i are rol dublu: la începutul funcţionării permite trecerea unui curent de premagnetizare în circuitul de excitaţie pentru ca turaţia de început de debitare n 0 să nu fie influenţată de magnetismul remanent şi de a semnaliza regimul de funcţionare al alternatorului. Când alternatorul nu este rotit de motorul termic după închiderea contactului K, va lua naştere un curent prin circuitul bateriei, lampa L i , rezistenţa R r , înfăşurarea de excitaţie şi înapoi la baterie. Ca urmare, alternatorul se premagnetizează, iar lampa L i se aprinde. După punerea în funcţiune a motorului termic când tensiunea de la borna “D+” devine egală cu cea de la borna “B+” lampa se va stinge semnalizând că alternatorul funcţionează corect. La unele alternatoare pe lângă cele 9 diode amintite se mai utilizează încă două notate în schemă cu D 10 şi D 11 care se folosesc pentru recuperarea armonicelor de ordinul trei simfazice din înfăşurările statorice legate în stea. La alternatoarele cu regulator de tensiune înglobat se utilizează cu precădere excitaţia independentă. În acest caz borna DF nu mai este accesibilă. 3.1.4 Caracteristicile electrice ale alternatoarelor Comportarea alternatorului montat pe autovehicul este evidenţiată prin caracteristica de curent I=f(n) la U=ct, după redresare. Caracteristica de curent este o caracteristică artificială a alternatorului şi reprezintă dependenţa dintre curentul maxim redresat pe care îl poate debita alternatorul şi turaţie, atunci când tensiunea redresată la bornele lui se menţine constantă. În cazul alternatorului determinarea caracteristicii de curent se poate face pornind de la ecuaţiile generale ale generatorului sincron şi ale redresorului asociat. 30

Sistemul de alimentare electric

În fig. 3.17 este reprezentată schema electrică a unui alternator trifazat cu înfăşurare statorică legată în stea, cu excitaţie electromagnetică şi redresor cu punte hexafazată.

Figura 3.17 Schema electrică a unui alternator

Determinarea caracteristicii de debit a alternatorului se face pornind de la caracteristica externă. Având în vedere că de fapt alternatorul este compus din două părţi distincte: generatorul sincron şi redresorul, pentru determinarea caracteristicii externe şi a caracteristicii de debit în cele ce urmează se va analiza separat generatorul sincron şi separat redresorul. 3.1.4.1 Caracteristicile generatorului sincron pentru alternatoare Alternatorul se compune în principal dintr-un rotor care creează câmpul magnetic inductor şi un stator pe care este amplasată înfăşurarea indusă. Câmpul magnetic este fix faţă de rotor şi are o repartiţie aproape sinusoidală în întrefier (în cele ce urmează se va considera numai armonica fundamentală a câmpului magnetic). Prin antrenarea rotorului, acest câmp învârtitor, care se roteşte împreună cu rotorul, va induce în înfăşurările statorice un sistem de tensiuni alternative simetrice. Alternatoarele auto au în rotor un număr mare de poli, însă pentru determinarea caracteristicii exterioare se consideră cazul unui generator sincron, bipolar, concluziile fiind similare şi pentru generatoarele multipolare. În fig. 3.18 a este prezentată schema desfăşurată a unui generator sincron bipolar la care s-a desenat pentru simplificare numai înfăşurarea fazei OA printr-o singură bobină a acestei faze.

31

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.18 Reacţia indusului generatorului sincron pentru ψ = 0

Se presupune că rotorul se roteşte în sensul săgeţii, care este şi sensul de succesiune a fazelor. După cum este cunoscut din teoria generală a maşinilor electrice în înfăşurarea trifazată amplasată în statorul generatorului se va induce un sistem de tensiuni trifazate simetric şi defazate în timp cu 120° electrice. Acest sistem de tensiuni este reprezentat în planul complex din fig. 3.18 b. Când generatorul lucrează în gol valoarea eficace a t.e.m. indusă în fiecare fază este dată de relaţia: (3.1) U eE = 4,44 fwKφ eE unde: pn - frecvenţa tensiunii induse; f = 60 p - numărul perechilor de poli; n - turaţia rotorului; w - numărul de spire al unei faze; K - factorul de înfăşurare; φ eE - fluxul inductor (dat de curentul de excitaţie) util la mers în gol Când generatorul sincron lucrează în sarcină, respectiv prin înfăşurările statorice începe să circule curent, ca urmare a căderilor de tensiune care apar în stator cât şi a reacţiei de indus, apare o scădere a tensiunii induse în fazele statorice faţă de tensiunea de mers în gol, în funcţie de valoarea curentului debitat. Reacţia indusului influenţează puternic şi multilateral funcţionarea maşinii sincrone. Din punct de vedere fizic fenomenul reacţiei indusului generatorului sincron corespunde fenomenului reacţiei indusului maşinii de c.c. Ea are însă un caracter mai complex deoarece, aici apar simultan două reacţii: una transversală şi una longitudinală.

32

Sistemul de alimentare electric

Pentru înţelegerea fenomenului de reacţie a indusului se prezintă în cele ce urmează reacţia indusului în trei cazuri, determinate de caracterul sarcinii generatorului. Dacă se notează cu unghiul de defazaj dintre curentul I al unei faze statorice şi tensiunea U eE indusă în faza respectivă, acest unghi poate varia între

−

π

2

şi +

π

2

. Cazurile limită care se vor analiza sunt =0 (când sarcina are caracter

pur rezistiv) şi ϕ =

π

(când sarcina are caracter pur inductiv). 2 Se analizează comportarea generatorului numai în aceste două cazuri, deoarece generatorul sincron pentru autovehicule lucrează numai împreună cu un dispozitiv de redresare, astfel că unghiul de defazaj va fi cuprins întotdeauna în acest domeniu. În cazul în care=0, (vezi fig. 3.18 a, b) curentul indus I A atinge valoarea maximă o dată cu tensiunea U eEA , şi anume în momentul când axele polilor inductori se găsesc în dreptul mănunchiurilor de conductoare ale fazei, adică în poziţia din fig. 3.18 a. Acest curent indus creează la rândul lui o t.m.m., numită de reacţie, care se va suprapune peste t.m.m. inductoare. După cum reiese din fig. 3.15 a, amplitudinea maximă a t.m.m. de reacţie se obţine în acest caz în dreptul axei transversale a generatorului, şi se demonstrează că această undă a t.m.m. în cazul înfăşurărilor trifazate, se roteşte sincron cu rotorul. Prin urmare, în cazul sarcinii rezistive, câmpul magnetic de reacţie al indusului este un câmp transversal (cu amplitudinea maximă în axa transversală) şi este deplasat în spaţiu cu 90° electrice (90/p grade geometrice) în urma t.m.m. a rotorului.

Figura 3.19 Reacţia indusului generatorului sincron pentru ψ = π/2

Dacă cele două t.m.m. ar lucra separat, prima ar produce fluxul util de mers în gol φ eE , iar cea de-a doua fluxul de reacţie transversală a indusului. Curbele 1 şi 2 se însumează algebric dând t.m.m. rezultantă (curba 3). Se vede că amplitudinea t.m.m. a curbei rezultante este deplasată faţă de t.m.m. a 33

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

rotorului cu un anumit unghi spre marginea de fugă a polului. Acest unghi depinde de amplitudinea curbei 2, deci de curentul de sarcină. Rezultă că, t.m.m. de reacţie produce o deformare a distribuţiei t.m.m. inductoare de-a lungul întrefierului. În cazul când ϕ =

π

, curentul I A , fiind defazat cu unghiul ϕ =

π

în urma 2 2 t.e.m. U eE (fig. 3.19 b) el atinge valoarea maximă cu un sfert de perioadă mai târziu decât această t.e.m. adică după ce polii inductori s-au deplasat cu 90° electrice sau cu jumătate pasului polar (fig. 3.19 b). Liniile de câmp ale câmpului de reacţie se închid de data aceasta prin doi poli vecini pe care îi parcurg în acelaşi sens cu câmpul propriu al acestor poli. Deci t.m.m. de reacţie este de data aceasta o t.m.m. longitudinală demagnetizată. Semnificaţia curbelor 1,2,3 din fig. 3.19 a, este aceeaşi cu cea din fig. 3.18 a. În cazul când 0 ≤ ψ ≤ +

π

2

componentă defazată cu + ϕ =

, curentul prezintă o componentă în fază cu U eE şi o

π

faţă de U eE . În aceste condiţii în înfăşurarea 2 indusului apar simultan două t.m.m.: una transversală F aq produsă de componenţa activă a curentului I = I A cos ϕ şi una longitudinală F ad , produsă de componenta longitudinală a curentului I d = I A sin ϕ , care vor produce câmpurile magnetice aq şi ad de reacţie transversală şi longitudinală. În fig. 3.20 este prezentată vectorial t.m.m. rotorică F eE respectiv la altă scară fluxul inductor  eE de reacţie transversală şi longitudinală. Defazat în urmă cu

π

este 2 reprezentat vectorul U eE al t.m.m. de mers în gol, şi defazat cu ϕ în urma acestuia vectorul curentului I A . Prin descompunerea lui I A se obţin componentele I q şi I d respectiv F q şi F d . T.e.m. corespunzătoare t.m.m. F q şi F d vor fi U eaq şi U ead şi vor fi defazate în urma acestora cu

Figura 3.20 Reacţia indusului pentru ψ ≠ π/2

π

. 2 Cu aceste precizări, pentru o fază statorică se poate scrie ecuaţia în complex: − −

−

−

U A = − z I A + U ead + U eaq unde:

(3.2)

−

U eE = t.e.m. a câmpului inductor; −

U ead = t.e.m. a câmpului de reacţie longitudinală; −

U eaq = t.e.m. a câmpului de reacţie transversală; −

z −

−

= impedanţa de scăpări;

U A, I A

34

= tensiunea şi curentul fazei considerate;

Sistemul de alimentare electric

T.e.m. din formula (3.2) pot fi scrise în complex în funcţie de curenţii şi impedanţele respective astfel: −

−

−

U eE = − z Em I E −

−

−

−

−

−

U ead = − I dm I d

(3.3)

U eaq = − z qm I q unde: - impedanţa de z Em = REm + JX Em excitaţie cu rezistenţa, respectiv reactanţa de excitaţie; z dm = Rdm + JX dm - impedanţa de reacţie longitudinală cu rezistenţa, respectiv reactanţa de reacţie longitudinală; z qm = Rqm + JX qm - impedanţa de reacţie

Figura 3.21

Diagrama în complex sub formă transversală cu rezistenţa, respectiv reactanţa obişnuită, a maşinii sincrone de reacţie transversală; I E se consideră dat sub forma: I − I E = j E U A e jQ0 U z = R + jX = impedanţa de scăpări cu rezistenţa, respectiv reactanţa de scăpări. Reprezentarea în planul complex a relaţiei (3.2) este dată în fig. 3.21 şi reprezintă diagrama în complex a maşinii sincrone în regim de generator. Se observă corelaţia univocă între U A şi I A . Această corelaţie reprezintă caracteristica externă a alternatorului.

Figura 3.22 Caracteristicile externe ale generatorului sincron

În fig. 3.22 sunt reprezentate grafic caracteristicile externe ale alternatorului la diferite turaţii de antrenare constante, curenţi de excitaţie constanţi şi cos ϕ = ct . Din cauza redresorului la alternatorul pentru autovehicule cos ϕ ≅ 0,92 .

35

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Dacă se trasează după fig. 3.22 variaţia I sc = f (n) se obţine caracteristica de scurtcircuit din fig. 3.23. Se observă că la turaţii mari se produce limitarea curentului de scurtcircuit datorită saturaţiei magnetice a circuitului. Prin urmare caracteristicile externe ale alternatoarelor sunt căzătoare la turaţii mici şi converg spre un punct la turaţii mari.

Figura 3.23 Caracteristica de scurtcircuit a generatorului sincron

3.1.4.2 Caracteristicile redresorului Cea mai răspândită schemă de redresare folosită la alternatoarele auto, este schema de redresare în punte trifazată. Redresorul în punte trifazată are şase diode şi redresează ambele alternanţe, din sistemul de tensiuni trifazate dat de generatorul sincron.

Figura 3.24 Redresor hexafazat cu diode presate

36

Sistemul de alimentare electric

În fig. 3.24 şi 3.25 sunt redate două dintre tipurile de redresoare trifazate mai des utilizate. În fig. 3.24 este redat un redresor cu diode presate. Se observă că redresorul este format în principal din două radiatoare, care formează de altfel şi bornele „+” şi „–” ale redresorului, în care sunt presate două tipuri de diode şi anume: cu anodul la carcasă şi cu catodul la carcasă. În fig. 3.25 este redat un redresor cu diode buton. Acest redresor este format în principal din cele două radiatoare, o piesă izolantă şi diodele buton care de obicei sunt lipite pe radiatoare. Ambele tipuri de redresoare sunt montate în interiorul alternatorului. În fiecare moment funcţionează dioda din grupa diodelor pozitive care are potenţialul anodului (bornei pozitive) cel mai ridicat şi dioda din grupa diodelor negative care are potenţialul catodului (bornei negative) cel mai scăzut.

Figura 3.25 Redresor hexafazat cu diode buton

În fig. 3.26 şi 3.27 sunt reprezentate variaţiile în timp ale tensiunilor şi curentului înainte de redresare (fig. 3.26 a) şi după redresare (fig. 3.26 b, c şi fig. 3.27 a, b, c). După cum se poate vedea tensiunea urmăreşte vârfurile tensiunilor între faze şi are o frecvenţă de 6 ori mai mare ca frecvenţa de bază. Curentul redresat (fig. 3.27 a, b, c) urmăreşte de asemenea pulsaţiile tensiunii redresate având o frecvenţă de 6 ori mai mare. Legătura dintre valorile efective ale tensiunii U A şi curentului I A de pe o fază a generatorului sincron (înainte de redresare) şi valoarea tensiunii U şi a curentului I după redresare se determină după cum urmează. Relaţia dintre tensiuni se determină la mersul în gol pentru cazul ideal al unor tensiuni alternative sinusoidale având durata perioadei T (fig. 3.26 a).

U=

1 T

2T 6 T 6

∫

U AB dt =

3 3

π

2U A

(3.4)

37

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

unde:

Figura 3.26

Figura 3.27

2π t T Relaţia dintre valoarea efectivă a curentului alternativ de pe o fază a generatorului I A şi valoarea medie a curentului mediu redresat I se determină la mersul în sarcină pentru cazul ideal al neglijării curenţilor inverşi şi a neglijării pulsaţiilor curentului. 1 2T 2 (3.5) I I A2 = T 3 I = 1,234 I A Având în vedere cele de mai sus şi ţinând seama de relaţiile (3.4) şi (3.5) înseamnă că atât caracteristica exterioară a generatorului sincron din fig. 3.21 cât şi caracteristica de scurtcircuit din fig. 3.22 (înainte de redresare) reprezintă la o altă scară chiar caracteristica externă a alternatorului şi caracteristica de scurtcircuit a alternatorului (după redresare). U AB = 2 ( 3U A ) sin

3.1.4.3 Caracteristicile de curent ale alternatorului Caracteristica de curent a alternatorului se obţine intersectând familia de caracteristici externe cu o dreaptă U=U R =ct. Începând de la turaţia n 0 alternatorul începe să debiteze curent, iar curentul creşte pe măsură ce creşte turaţia. 38

Sistemul de alimentare electric

La turaţia n max alternatorul debitează curentul maxim pentru care este dimensionat. Dar aşa cum se vede, în fig. 3.21, din cauza caracteristicii externe, acest curent este foarte apropiat de curentul de scurtcircuit al alternatorului. Din acest motiv alternatoarele nu mai au nevoie de un releu de limitare automată a curentului. În fig. 3.28 este reprezentată caracteristica de curent a unui alternator adică posibilităţile maxime ale alternatorului. În fig. 3.28 s-a notat cu „a” caracteristica alternatorului în stare caldă şi cu „b” în stare rece. Diferenţa dintre cele două caracteristici apare în special datorită modificării curentului de excitaţie din cauza încălzirii. Semnificaţia notaţiilor din fig. 3.28 este următoarea: Figura 3.28 n 0 – turaţia de început de debitare. Această turaţie se poate obţine din formula (3.1) şi (3.3), punând U R :

UR =

3 3

π

2U eE

UR 20πU R (3.6) = 25,65 p.w.kθ eE 3 2 p.w.kθ eE I max – curentul maxim pe care îl poate debita alternatorul; 2/3 I max – curentul pe care îl poate debita în regim de lungă durată; n max – turaţia maximă admisibilă; n d – turaţia la care se obţine curentul de durată. Încărcarea alternatorului, în timpul funcţionării pe autovehicule nu este întotdeauna maximă, deci punctele de funcţionare nu se situează întotdeauna pe caracteristica de curent. Punctele de funcţionare se pot găsi în întreg domeniu aflat sub această caracteristică, depinzând de starea de încărcare a bateriei de acumulatori şi de consumatorii de pe autovehicul conectaţi la un moment dat (în cazul extrem alternatorul funcţionează în gol cu toată gama de turaţii cuprinsă între n 0 şi n max ). În aceste cazuri pentru menţinerea constantă a tensiunii la bornele alternatorului este necesară modificarea în mod corespunzător a curentului de excitaţie. Pentru realizarea acestei modificări, alternatoarele trebuie să lucreze pe autovehicule împreună cu un regulator automat de tensiune (regulator de curent aşa cum s-a arătat nu mai este necesar). Acest regulator realizează modificarea continuă a curentului de excitaţie, astfel încât tensiunea la bornele alternatorului se menţine constantă şi egală cu U R , în întreg domeniul de turaţii şi Figura 3.29 curent. n0 =

39

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Modul în care trebuie să varieze curentul de excitaţie pentru a menţine tensiunea constantă se poate determina analitic sau experimental. Dependenţa I E =f(n) la U=ct şi I=ct redată în fig. 3.29 se numeşte caracteristica de reglaj. Pentru menţinerea constantă a tensiunii la turaţia maximă şi sarcina zero este necesar ca valoarea curentului de excitaţie să fie minimă ( I Emin ), iar pentru menţinerea tensiunii constante la turaţia minimă şi sarcina maximă este necesar ca valoarea curentului de excitaţie să fie maximă ( I Emax ). Raportul dintre I Emax şi I Emin se numeşte factor de reglaj. În cazul în care reglarea curentului de excitaţie se face prin înserierea unei rezistenţe cu înfăşurarea de excitaţie factorul de amplificare este dat de relaţia: UR IE Re R + Rr (3.7) K i = max = = e UR I Emin Re Re + Rr unde: U R – tensiunea redată; R e – rezistenţa înfăşurării de excitaţie; R r – rezistenţa înseriată cu înfăşurarea de excitaţie. Cunoscând valorile I Emax , I Emin şi R e se poate determina rezistenţa R r , reprezentând valoarea maximă care trebuie înseriată cu înfăşurarea de excitaţie pentru menţinerea constantă a tensiunii la borne. Caracteristica externă şi caracteristica de scurtcircuit a alternatoarelor cu magneţi permanenţi sunt similare cu cele ale alternatoarelor cu excitaţie electromagnetică. La aceste alternatoare reglarea tensiunii la borne este mai dificilă, făcânduse prin modificarea fluxului de excitaţie, care se realizează prin modificarea reluctanţei circuitului magnetic, fie direct prin modificarea tensiunii pe partea de curent alternativ cu ajutorul unor redresoare comandate. 3.1.5 Perspective privind evoluţia alternatoarelor Creşterea numărului de consumatori, necesitatea reducerii greutăţii, a gabaritului ca şi a zgomotului şi consumului de combustibil determină evoluţia permanentă a alternatoarelor. a. Randamentul Randamentul maxim al unui alternator răcit cu aer atinge 65%, dar poate creşte rapid la turaţii ridicate de antrenare. În condiţii normale de utilizare a autovehiculului, alternatorul funcţionează cel mai des în plaja de încărcare parţială, randamentul mediu fiind de 55%. Randamentul alternatorului este influenţat de pierderile înregistrate: Utilizarea unui alternator mai mare (şi mai greu) permite funcţionarea acestuia într-o plajă mai avantajoasă de randament pentru aceeaşi încărcare. Dar creşterea gabaritului şi a greutăţii constituie un handicap pentru alternator, astfel încât trebuie vizate îmbunătăţiri de natură electrică, magnetică şi termică. b. Sistemul de răcire Ventilaţia interioară 40

Sistemul de alimentare electric

Înlocuirea sistemului de ventilaţie clasic prevăzut cu un ventilator amplasat la exterior cu două mici ventilatoare amplasate în interior, la capetele rotorului, are ca efect, pe lângă o răcire mai bună şi o reducere cu cca. 50% a pierderilor prin frecări aerodinamice. Efectul pozitiv al acestei soluţii se manifestă de asemenea prin atenuarea zgomotului cu cca. 5 – 10 db (A). Răcirea cu aer forţat Înlocuirea ventilaţiei normale cu soluţia cu aer forţat are ca efect creşterea puterii şi scăderea importantă a temperaturii componentelor. În plus, zgomotul produs de alternator este atenuat chiar şi la turaţii mari. Inconvenientele sunt legate atât de creşterea gabaritului cât şi de creşterea costurilor determinate de ventilator, tubulaturi, etc. Răcirea cu lichid Răcirea cu lichid a alternatorului, şi dispariţia ventilatorului, are ca efect o diminuare semnificativă a zgomotului aerodinamic. Un alt avantaj al acestei soluţii constă în posibilitatea utilizării căldurii disipate de alternator pentru a încălzi mai rapid lichidul de răcire al motorului şi

Figura 3.30 Alternatorul răcit cu aer

încălzirea mai rapidă a habitaclului, mai ales în cazul motoarelor cu aprindere prin compresie. Conceptul acesta, cu capsulare completă a alternatorului determină reducerea considerabilă a zgomotului. O astfel de soluţie este prezentată în fig. 3.30. 41

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

c. Sistemul de antrenare Evoluţia raportului de transmitere dintre alternator şi arborele motor la sistemul de antrenare clasic a înregistrat o creştere de la 2 – 2,5 la 2,2 – 3,2, cu efect favorabil asupra debitului alternatorului. Creşterea a fost determinată atât de necesarul crescut de curent cât şi de faptul că motoarele moderne, cu consum redus de combustibil, au un regim de relanti din ce în ce mai scăzut. Dacă se adoptă definirea unui alternator pentru menţinerea puterii furnizate la un regim de rotaţie scăzut (50 – 70% din puterea maximă), se va degrada puterea maximă şi randamentul. Din contra, se poate decupla puterea maximă şi randamentul unui alternator (la masă constantă), cu o definire a începutului de debitare întârziată. Ameliorarea randamentului este legată de faptul că pierderile rămân neschimbate pentru o curbă superioară a debitului. Pierderile la redresor cresc proporţional cu curentul necesitând o răcire mai intensă. În plus avantajele ţinând de zgomot şi randament, determină reducerea regimurilor de turaţie maximă. O turaţie de antrenare constantă de cca. 5000 rot/min va fi ideală pentru funcţionarea alternatorului. Diferite sisteme de antrenare permit modificarea raportului de transmitere între arborele motor şi alternator pe plaja de regimuri utilizate. Antrenarea hidrostatică la regim constant Acest sistem, cu o pompă hidraulică antrenată de motor şi un motor hidrostatic de antrenare a alternatorului permite adaptarea la un regim ideal. Mărirea regimului de rotaţie al alternatorului la regimul de mers în gol al motorului are ca efect benefic reducerea dimensiunilor alternatorului sau creşterea randamentului cu 5 – 10%. Dar, este dificil de atins randamentul mediu obţinut cu o antrenare directă cu curea, având în vedere pierderile de 15 – 25% determinate de sistemul hidraulic. În plus, zgomotul produs de alternator poate creşte sensibil la mersul în gol al motorului. Antrenarea cu variator de turaţie În acest caz, raportul de transmitere variază continuu între anumite limite. Inconvenientul principal este reprezentat de gabaritul variatorului şi de randamentul mediu de maxim 80 – 85%. Antrenarea cu două rapoarte etajate Soluţia cuprinde două variante constructive: • cu reductor planetar • cu două fulii de antrenare Reductorul planetar, cuplat cu un ambreiaj poate fi integrat alternatorului. Trebuie însă examinate: costul, durata de viaţă şi zgomotul. Sistemul cu două fulii, foloseşte cele două turaţii diferite existente la arborele motor şi la arborele de distribuţie, utilizând în plus un ambreiaj de cuplare. Ambreiajul trebuie să permită o cuplare lină a celor două rapoarte. Punctele de schimbare a raportului pot fi determinate funcţie de turaţie, putere sau chiar de reducerea zgomotului. Antrenarea cu ajutorul unei turbine Este o soluţie, probabil de viitor în care antrenarea se face cu o turbină antrenată de gazele din eşapament d. Zgomotul produs de alternator 42

Sistemul de alimentare electric

Alternatorul contribuie la zgomotul general produs de autovehicule, deci şi reducerea acestuia capătă importanţă în cazul autovehiculelor moderne. Principalele surse de zgomot sunt: • zgomotul aerodinamic; • zgomotul magnetic; • zgomotul mecanic. Zgomotul aerodinamic, apare la turaţii mai mari de 3000 rot/min şi depinde în principal de ventilaţie.. Zgomotul magnetic, se datoreşte forţelor magnetice alternante din întrefier şi se manifestă mai puternic între turaţia de mers în gol şi cca. 2500 rot/min. Zgomotul mecanic este influenţat de: frecările din rulmenţi, vibraţiile transmise prin suport. Atenuarea acestora se poate face prin utilizarea de lubrifianţi superiori şi prin îmbunătăţirea construcţiei suportului.

3.2 Releul regulator de tensiune 3.1.3 Generalităţi Generatorul de curent electric montat pe autovehicul lucrează la un regim de turaţie şi sarcină variabil. Ca urmare şi tensiunea la bornele acestuia va fi variabilă. În plus este necesar să se modifice tensiunea de încărcare funcţie de temperatura mediului. Nivelul tensiunii trebuie să fie mărit iarna pentru a permite ameliorarea încărcării bateriei iar vara este necesar ca tensiunea să fie limitată la un nivel inferior pentru a se înlătura pericolul supraîncărcării bateriei. În vederea asigurării funcţionării normale a consumatorilor şi a bunei conlucrări cu bateria de acumulatori, alternatorul este echipat cu un releu regulator de tensiune. În cazul, alternatoarelor cu Figura 3.31 autoexcitaţie şi relee regulatoare de Relee regulatoare de tensiune tensiune electronice, în vederea protejării echipamentului electronic, se prevede şi un dispozitiv de protecţie faţă de supratensiunile care pot apare la scurtcircuite sau variaţii bruşte de sarcină. În fig. 3.31 se prezintă câteva variante de relee regulatoare de tensiune. 3.1.4 Principiul reglării tensiunii În cazul alternatoarelor cu excitaţie electromagnetică, reglarea tensiunii se realizează prin modificarea valorii curentului de excitaţie iar în cazul releelor electronice prin întreruperea cu o anumită frecvenţă a alimentării excitaţiei. 43

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.32 Schema logică a releului regulator de tensiune

În fig. 3.32 se prezintă schema logică de funcţionare a releului regulator de tensiune. Releul regulator de tensiune, prin dispozitivul său de măsurare, compară permanent tensiunea la bornele alternatorului cu valoarea de referinţă (ex. 14 V). În momentul în care apare o variaţie a tensiunii U R faţă de mărimea de referinţă, dispozitivul de măsurare transmite o comandă dispozitivului de reglare care modifică valoarea curentului de excitaţie în sensul creşterii sau micşorării lui (sau întrerupe alimentarea excitaţiei), până când dispare diferenţa dintre mărimea de referinţă şi tensiunea U R . În acest fel, dacă se menţine o valoare constantă a mărimii de referinţă, se va menţine în mod automat constantă şi tensiunea reglată U R . Cu cât reglarea se face cu frecvenţă mai mare, cu atât calitatea reglării este superioară iar pulsaţiile curentului de excitaţie sunt mai mici. În fig. 3.33 se prezintă grafic funcţionarea releului regulator de tensiune pentru două cazuri: turaţie de antrenare joasă (n 1 ) şi turaţia de antrenare înaltă (n 2 ). S-au utilizat următoarele notaţii: I exc – curentul de excitaţie, T F – timpul de funcţionare, T C – timpul de cuplare, I m – curentul de excitaţie mediu, A – alimentare, ÎA – întreruperea alimentării. 44

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.33 Funcţionarea releului regulator de tensiune

3.2.3 Variante constructive După modul în care este realizat dispozitivul de reglare a curentului de excitaţie şi dispozitivul de măsură, releele regulatoare de tensiune pot fi: electromecanice (cu contacte), electronice şi hibride. 3.2.3.1 Releul regulator de tensiune electromecanic (cu contacte) Acest tip de releu se utiliza la modelele mai vechi de automobile. Funcţionarea lui se bazează pe introducerea unei rezistenţe de reglare în serie cu înfăşurarea de excitaţie a alternatorului, când tensiunea la bornele acestuia depăşeşte o anumită valoare dată. Comanda se realizează prin intermediul contactelor acţionate de înfăşurarea de comandă. Din punct de vedere constructiv acest tip de releu poate fi cu o singură treaptă sau în două trepte. Schema de principiu este prezentată în fig. 3.34. În această figură se prezintă schema electrică a alternatorului 1, echipat cu redresorul 2 şi regulatorul de tensiune 4 alimentat prin intermediul a trei diode de excitaţie 3. Existenţa releului regulator în circuitul electric al generatorului modifică caracteristica generatorului U=f(n) fapt prezentat în fig. 3.35. Figura 3.34 Schema releului regulator de tensiune electromecanic

45

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.35 Caracteristica generatorului echipat cu regulator de tensiune

Figura 3.36 Caracteristica releului regulator de tensiune în două trepte

Domeniul de lucru al regulatorului de tensiune este caracterizat de turaţiile n min şi n max . Turaţia maximă trebuie să fie mai mare decât turaţia alternatorului la turaţia maximă a motorului. În cazul în care această condiţie nu poate fi îndeplinită se adoptă un regulator de tensiune cu contacte în două trepte. În acest caz contactul mobil cuprinde două trepte. În prima treaptă se scurtcircuitează sau introduce rezistenţa de reglare R r prin contactul fix. Dacă tensiunea are tendinţa de creştere şi în continuare, sub acţiunea forţei magnetice a înfăşurării Bu se parcurge al doilea segment până la închiderea celui de-al doilea contact. În acest caz, înfăşurarea de excitaţie este scurtcircuitată şi valoarea curentului de excitaţie devine practic nulă. În fig. 3.36 se prezintă Figura 3.37 caracteristica U=f(n) pentru un Schema constructivă a releului regulator de generator echipat cu regulator de tensiune electromecanic tensiune în două trepte. Domeniul de funcţionare al acestui regulator se caracterizează prin cele trei turaţii corespunzătoare celor două trepte. În fig. 3.37 se prezintă schema de principiu a regulatorului de tensiune electromecanic. Pe jugul 1 se fixează miezul 2 din oţel moale şi izolat faţă de el contactul fix 6. lama mobilă 4, fixată elastic de jugul 1 este echilibrată cu arcul de reglare 5 astfel încât contactele 10 să fie normal închise. Pe miezul 2se aşează înfăşurarea 3. Între miez şi armătura lamei mobile există întrefierul+ 0 . Întrefierul poate fi reglat cu şurubul 9. Forţa de deschidere a contactelor 10 se reglează cu ajutorul arcului 5. La construcţiile mai noi, se utilizează arcuri lamelare care se reglează prin îndoirea suportului de sprijin. Pentru introducerea rezistenţei de reglaj în circuitul de excitaţie al generatorului, prin deschiderea contactului este necesar ca cuplul creat de arc să fie echilibrat de cuplul creat de înfăşurarea de comandă. 46

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.38 Variaţia tensiunii reglate funcţie de temperatură

Pornind de la acest echilibru se poate determina expresia tensiunii reglate de releu. Tensiunea reglată de releu depinde de valoarea întrefierului, de forţa exercitată de arc, de parametrii înfăşurării de comandă şi de temperatură. Influenţa temperaturii asupra tensiunii reglate este un fenomen nedorit deoarece, la scăderea temperaturii scade şi tensiunea reglată (fig. 3.38). Din punct de vedere practic este de dorit o variaţie inversă, deoarece iarna creşte rezistenţa internă a bateriei iar curentul de încărcare scade. Din aceste considerente, trebuie redusă influenţa temperaturii asupra tensiunii reglate. Se pot utiliza următoarele metode de

compensare: • utilizarea pentru înfăşurarea de comandă a unor conductori cu coeficientul termic al rezistivităţii α=0; • modularea forţei arcului funcţie de temperatură; • utilizarea shuntului magnetic; • utilizarea de termistoare. În cazul multor relee se utilizează metode combinate de compensare. Releu regulator de tensiune electromecanic cu contacte duble. În fig. 3.39 a se prezintă schema constructivă iar în fig. 3.39 b, schema electrică a unui releu regulator de tensiune electromecanic cu contacte duble.

Figura 3.39 Releu regulator de tensiune cu contacte duble

Principalele componente sunt: electromagnetul cu miezul magnetic şi înfăşurarea de comandă 1, armătura mobilă cu contactele mobile şi arcul lamelar 2, suportul ce conţine contactele fixe 3. În afară de rezistenţa de reglaj R r , conectată între borna principală D+ şi borna de excitaţie DF, releul mai cuprinde o rezistenţă de absorbţie (stingere) R s , conectată în paralel cu înfăşurarea de excitaţie, care are rolul de a micşora supratensiunile ce apar datorită variaţiei curentului de excitaţie în momentul deschiderii contactelor. În serie cu înfăşurarea de tensiune a releului se introduce rezistenţa de compensare termică R CT , cu coeficientul termic al rezistivităţii negativ, 47

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

pentru a se realiza compensarea influenţei temperaturii asupra reglării tensiunii. Între contactul fix (de masă) 3 al treptei a doua şi masă, se conectează rezistenţa de protecţie R p , sub forma unui fir calibrat care are rol de protecţie în cazul unei conectări greşite. Contactul mobil are forma de „L” rotit cu 90° iar arcul de sprijin este lamelar. Releul dispune de un reglaj brut constând în modificarea întrefierului, prin reglarea poziţiei suportului celor două contacte fixe cu şurubul lateral 4 şi un reglaj fin constând în tensionarea arcului lamelor cu ajutorul camei 5. În fig. 3.40 se prezintă diagrama de reglaj a unui releu regulator de tensiune cu contacte duble (model Electroprecizia 1410).

Figura 3.40 Reglajul realizat de releul cu contacte duble

Reglajul se realizează în două trepte, turaţia de antrenare fiind de 5000 rot/min. La treapta a II a, curentul debitat trebuie să fie între 2 – 12 A, iar tensiunea în limitele 13,9 – 14,5 V. În treapta I curentul prescris este 25 ... 35 A, iar tensiunea de 13,2 – 14,3 V. Releele regulatoare de tensiune electromecanice sunt caracterizate printr-un preţ de fabricaţie scăzut, construcţie simplă, posibilitate de reglaj, dar prezintă şi o serie de limite: • prezenţa maselor în mişcare introduce o inerţie care limitează frecvenţa de lucru şi prin aceasta domeniul de reglare este larg; • existenţa contactelor mecanice limitează valoarea curentului de excitaţie ce poate fi comandat. Datorită creşterii valorii curentului de excitaţie care trebuie comandat şi condiţiilor de reglare precisă a valorii tensiunii, la automobilele moderne s-a trecut la utilizarea releelor regulatoare de tensiune electronice.

3.2.3.2 Relee regulatoare de tensiune electronice Aceste relee s-au generalizat fiind utilizate pe toate tipurile de autovehicule. Avantajul lor constă în capacitatea de a comanda curenţi de excitaţie mari, de a realiza frecvenţe de lucru foarte mari, cu efect asupra reducerii plajei de reglaj, permiţând totodată utilizarea de dispozitive de protecţie contra supratensiunilor. 48

Sistemul de alimentare electric

Releele regulatoare de tensiune electronice pot fi dispuse separat sau integrate alternatorului, soluţie ce determină reducerea cablurilor de legătură. Principiul de funcţionare În principiu, funcţionarea acestor relee se bazează pe utilizarea unei diode Zener, capabilă să se blocheze sau să conducă funcţie de un nivel precis al tensiunii, ea constituind elementul sensibil de comandă al releului. Pentru puteri mici se utilizează scheme cu două tranzistoare cu germaniu sau siliciu.

Figura 3.41 Schema de principiu a releului regulator de tensiune electronic

În fig. 3.41 este prezentată schema de principiu a unui regulator de tensiune electronic şi modul de legare la alternator. Componentele electronice principale sunt: un tranzistor de putere T 1 (p-n-p), un tranzistor de comandă T 2 (p-n-p) şi o diodă stabilizatoare Zener DZ, alimentată potenţiometric prin intermediul divizorului de tensiune format de rezistenţele R 1 şi R 2 . Emiterele celor două tranzistoare sunt alimentate (pozitivate) la borna „D+” a alternatorului, iar colectoarele se racordează la borna „D–” prin intermediul rezistenţei R 3 , respectiv diodei de descărcare D. Colectorul tranzistorului T 2 se racordează la baza tranzistorului T 1 , formând un circuit basculant, iar tranzistorul de putere se înseriază în circuitul înfăşurării de excitaţie a alternatorului prin borna DF. Principiul de reglare a tensiunii constă în întreruperea periodică, cu o frecvenţă ridicată, a curentului de excitaţie al alternatorului. Funcţionarea releului este caracterizată prin două regimuri: • la tensiuni mici ale alternatorului, aplicate diodei stabilizatoare DZ (ex. sub 13 V), prin intermediul divizorului de tensiune format de R 1 şi R 2 , aceasta nu conduce, astfel încât tensiunea de polarizare, aplicată pe rezistenţa R 1 tranzistorului T 2 să fie mică, cu efect asupra blocării tranzistorului T 2 . Deoarece prin rezistenţa R 3 nu trece curent, tensiunea de polarizare a tranzistorului T 1 , este practic egală cu tensiunea la bornele alternatorului, ceea ce face ca tranzistorul T 1 să intre în conducţie, permiţând trecerea curentului de la emiter la colector şi borna DF, excitaţia alternatorului fiind alimentată. • când tensiunea alternatorului creşte peste o anumită valoare prescrisă (ex. 14,2 V), dioda stabilizatoare DZ intră în conducţie determinând creşterea tensiunii de polarizare a tranzistorului de comandă T 2 şi intrarea acestuia în conducţie. Tensiunea de polarizare a tranzistorului de putere T 1 va scădea determinând blocarea acestuia şi întreruperea curentului de excitaţie. Prin micşorarea tensiunii la bornele alternatorului, dioda stabilizatoare va reveni la starea iniţială de blocare, tranzistorul de comandă T 2 se blochează, iar 49

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

tranzistorul de putere T 1 va comanda alimentarea cu curent a excitaţiei alternatorului. Dioda de descărcare D, conectată în paralel cu înfăşurarea de excitaţie este necesară în toate schemele deoarece, la întreruperea curentului de excitaţie pot apare supratensiuni care periclitează semiconductoarele. Dioda D este astfel conectată, încât la aplicarea tensiunii directe ea conduce, în schimb, după întreruperea circuitului, ea permite trecerea curentului de excitaţie. În fig. 3.42 se prezintă o serie de variante utilizate în practică, prevăzute în plus cu o serie de elemente care au rolul de a îmbunătăţi caracteristicile de funcţionare, creşterea gradului de sensibilitate, securitatea sau anduranţa.

Figura 3.42 Variante de scheme de relee regulatoare de tensiune electronice

Pentru compensarea variaţiilor de tensiune în funcţie de variaţiile de temperatură, se poate utiliza un termistor R CT (fig. 3.42 a), a cărui rezistenţă variază cu temperatura. El se va conecta în paralel cu una din rezistenţele divizorului de tensiune. Divizorul de tensiune prin care se alimentează dioda stabilizatoare DZ cuprinde mai multe rezistenţe, dintre care, o parte servesc drept potenţiometru pentru reglarea fină, iar celelalte pot fi scoase parţial din circuit pentru a putea modifica în trepte tensiunea aplicată diodei stabilizatoare, şi o dată cu aceasta, pentru a putea modifica tensiunea reglată a releului (fig. 3.42 c şi d). De obicei, între emiterul şi baza tranzistorului de comandă se prevede o rezistenţă R 4 (fig. 3.42 b), care evită apariţia curentului rezidual de colector, atunci când circuitul bazei tranzistorului se întrerupe. Pentru accelerarea blocării tranzistorului de putere T 1 , în unele scheme, în circuitul emiterului se conectează o diodă de polarizare inversă D 1 (fig. 3.42 b). În timp ce tranzistorul de comandă este blocat, tranzistorul de putere conduce, având potenţialul bazei mai mic decât potenţialul emiterului. Când tranzistorul de comandă intră în conducţie, căderea de tensiune pe dioda D 1 produce o polarizare inversă a 50

Sistemul de alimentare electric

bazei tranzistorului de putere, determinând blocarea activă a acestuia. Dioda are şi rolul de protecţie în cazul aplicării unei tensiuni inverse. La unele variante, (fig. 3.42 a), alimentarea tranzistorului de putere se face printr-o rezistenţă R S , conectată în circuitul emiterului, care determină o reacţie pozitivă şi o compensare a curentului invers al tranzistorului la creşterea temperaturii. Pentru îmbunătăţirea comutaţiei tranzistoarelor prin micşorarea inerţiei, evitarea pierderilor şi încălzirii inutile a tranzistoarelor, se pot utiliza circuite de reacţie. Un astfel de circuit se compune dintr-un condensator C r şi o rezistenţă R r , conectate în serie, între baza tranzistorului de comandă T 2 şi colectorul tranzistorului de putere T 1 (fig. 3.42 b şi c). În cazul unor curenţi de excitaţie mari se pot utiliza relee cu trei tranzistoare. 3.2.3.3 Relee regulatoare de tensiune hibride Releele regulatoare de tensiune moderne sunt realizate în tehnologie hibridă, cuprinzând circuite integrate şi componente discrete dispuse într-o carcasă ermetică amplasată direct pe alternator. În fig. 3.43 a se prezintă construcţia unui releu regulator de tensiune hibrid iar în fig. 3.43 b schema electrică de principiu.

a) construcţie

Figura 3.43 Releul regulator de tensiune b) schema electrică de principiu

Pe o placă ceramică sunt dispuse toate componentele iar conectarea lor se realizează printr-un circuit imprimat. Elementul principal al releului îl constituie un circuit integrat (C.I.) care cuprinde toate funcţiile de comandă şi reglare, inclusiv compensarea termică. Circuitul integrat controlează mărimea de ieşire prin care se comandă circuitul basculant format din cei doi tranzistori, realizându-se întreruperea cu o anumită frecvenţă a alimentării înfăşurării de excitaţie a alternatorului. Tranzistorii şi dioda de protecţie sunt lipiţi direct pe un soclu metalic pentru a se garanta o bună răcire.

Figura 3.44 Compensarea termică a tensiunii reglate

51

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În fig. 3.44 se prezintă compensarea termică realizată de acest releu. Soluţia asigură o schemă simplă şi compactă, cu un număr redus de componente şi conexiuni, o funcţionare sigură, realizând o compensare termică precisă. 3.2.3.4 Relee regulatoare multifuncţionale Rolul releului regulator multifuncţional nu este limitat doar la reglarea tensiunii, obiectivul avut în vedere fiind de a utiliza pentru alternator şi releu unele informaţii prezente la bord. Caracteristicile funcţionale ale releelor regulatoare multifuncţionale pot fi cuprinse în trei grupe: • Ameliorarea funcţionării motorului prin: • excitaţia întârziată a alternatorului după pornire; • excitaţia întârziată a alternatorului după o creştere a încărcării; • întreruperea alimentării excitaţiei alternatorului în etapa de demaraj. • Ameliorarea bilanţului încărcării prin: • măsurarea tensiunii reale a bateriei; • măsurarea temperaturii bateriei; • mărirea regimului de relanti când tensiunea în reţea este prea scăzută; • reglarea regimului termic al alternatorului pentru o mai bună exploatare a acestuia. • Semnalarea la bord a defecţiunilor, diagnosticarea acestora prin: • semnalizarea întreruperii alimentării excitaţiei; • semnalizarea supratensiunilor; • controlul funcţionării lămpilor martor de la bord. Pentru sistemul alternator – regulator – baterie – consumatori, ideal ar fi să se poată controla direct capacitatea reziduală a bateriei şi de a utiliza acest parametru în strategia generală de gestionare a reţelei de bord, prin măsurarea cu precizie a tensiunii şi temperaturii bateriei, a curenţilor de încărcare – descărcare, a gradului de utilizare a alternatorului.

3.3 Bateria de acumulatori 3.1.3 Generalităţi Bateriile de acumulatori sunt pile electrice reversibile care au proprietatea de a înmagazina energia electrică prin transformarea ei în energie chimică şi reciproc. Transformarea energiei chimice în energie electrică implică un cuplu electrochimic, doi electrozi plasaţi într-un electrolit corespunzător, cu o valoare cât mai ridicată a diferenţei de potenţial, valoare care se păstrează cât mai constantă în tot intervalul de descărcare. Un cuplu electrochimic se caracterizează prin: • tensiunea la borne, în circuit deschis şi în sarcină; • energie disponibilă; 52

Sistemul de alimentare electric

• numărul de cicluri încărcare – descărcare; • puterea şi energia specifică, respectiv puterea sau energia raportată la unitatea de masă sau la unitatea de volum (Wh/kg, Wh/dm3); • durata de conservare a energiei potenţiale, în stare încărcată, respectiv prin valoarea cât mai redusă a autodescărcării. După rolul pe care îl îndeplinesc pe autovehicul, bateriile de acumulatori pot fi: baterii pentru pornire şi baterii pentru tracţiune. Bateriile de pornire Denumite şi baterii de pornire, iluminat şi aprindere, cunoscute în literatura de specialitate ca baterii S.L.I. (Starting – Lighting - Ignition), sunt conectate în paralel cu generatorul de curent şi îndeplinesc următoarele funcţii: alimentează demarorul şi sistemul de aprindere la pornirea motorului, alimentează consumatorii când motorul este oprit, preiau vârfurile de sarcină când consumul de curent depăşeşte posibilităţile generatorului, contribuie la menţinerea unei tensiuni constante în instalaţia electrică, indiferent de regimul de lucru al generatorului. La alimentarea demarorului bateria de pornire trebuie să asigure un curent foarte mare, de ordinul sutelor de amperi, dar pentru o durată scurtă. Pentru a putea debita curenţi atât de mari, fără ca tensiunea la borne să scadă prea mult, se impun următoarele condiţii: • plăcile electrod să fie subţiri (0,8÷1,3 mm) şi numeroase (5 ÷ 15 bucăţi pentru fiecare polaritate); • distanţa între electrozii de polaritate diferită cât mai mică (0,5 ÷ 1,0 mm); • separatori cu o bună porozitate; • o stare permanentă de încărcare, prin funcţionarea în tampon cu sursa de încărcare antrenată de motor; • o greutate specifică redusă; • o durată de funcţionare cât mai mare. În utilizarea lor nu se înregistrează cicluri complete de încărcare – descărcare. Ca baterii de pornire se utilizează cu precădere baterii acide cu plăci de plumb, care corespund cerinţelor impuse. Bateriile de tracţiune Servesc ca sursă autonomă pentru alimentarea motoarelor de curent continuu destinate tracţiunii electrice. Acestea trebuie să asigure un curent mai mic însă pentru o durată mare. Sunt solicitate în cicluri zilnice de încărcare – descărcare. Descărcarea se face în timp de 5 – 8 ore până la limita capacităţii disponibile, sub curenţi de ordinul a 10 – 100 A, iar încărcarea, la curent sau tensiune constantă, timp de 7 – 14 ore. Durata de viaţă fiind de ordinul a 500 – 2500 cicluri (5 – 12 ani) se impun construcţii adecvate: • monocelulare (rareori unităţi de 3 – 4 celule), înseriate în baterii cu tensiuni adecvate (12, 24, 36, 48 V) pentru a se putea înlocui elementele defecte; • plăci electrod cu grosimi mari (3 – 10 mm) în construcţie robustă; • separatori (mono sau dublu strat), cu grosime mai mare pentru a se asigura rezerva de electrolit necesară unor descărcări profunde; • înălţimi mai mari pentru a se putea utiliza plăci de suprafeţe corespunzătoare unor capacităţi mai ridicate şi pentru o rezervă mai pronunţată de electrolit deasupra nivelului plăcilor. 53

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Drept baterii de tracţiune se utilizează baterii cu plăci de plumb şi electrolit acid sau baterii alcaline. 3.1.3 Bateria de acumulatori acidă cu plăci de plumb Apărută în 1859 ea a suferit o serie de modificări ce au vizat optimizarea parametrilor funcţionali şi reducerea operaţiilor de întreţinere. Prin aceasta, firmele producătoare urmăresc menţinerea poziţiei de lider absolut în domeniul automobilelor, atât ca baterie de pornire cât şi ca baterie de tracţiune. 3.3.2.1 Construcţia bateriei Bateria este formată dintr-o carcasă confecţionată din material plastic rezistent la acid sulfuric, compartimentată în 6 elemente (celule), fig. 3.45. Fiecare element constituie un acumulator având tensiunea nominală de 2 V, format dintr-un ansamblu de plăci pozitive şi negative izolate între ele prin separatori. Plăcile de aceeaşi polaritate sunt legate între ele prin punţi de plumb sub formă de pieptene, prin care se realizează şi înserierea dintre celule. Plăcile de plumb Plăcile pozitive şi negative pot fi obţinute prin turnare sau prin ştanţare. Plumbul destinat plăcilor cuprinde o serie de elemente de aliere care contribuie la îmbunătăţirea caracteristicilor fizice şi chimice. Aliajele Pb – Sb, au un conţinut de Sb cuprins între 2 – 7%. Aliajele cu un conţinut mediu de Sb (4-7%) se foloseau la bateriile cu întreţinere normală. Aliajele cu conţinut redus de Sb (2-3%) au în prezent o largă utilizare în cazul bateriilor cu întreţinere redusă. Prezenţa stibiului conferă plumbului caracteristici fizice superioare: rigiditate şi rezistenţă la întindere superioară, turnabilitate mai bună, aderenţă îmbunătăţită a masei active. Aliajele de Pb – Ca s-au impus după 1950, iar în prezent constituie soluţia agreată în cazul bateriilor „fără întreţinere”. Calciul în cantitate redusă (0,06 – 0,09%) ridică valoarea supratensiunii cu 0,2 V, faţă de cea a aliajelor Pb – Sb şi prin aceasta acumulatorul are o autodescărcare redusă şi în acelaşi timp pierderi reduse de apă. Pentru reducerea coroziunii, grătarele de Pb – Ca se pasivizează prin acoperirea superficială cu un strat de sulfat de plumb care împiedică pătrunderea electrolitului în profunzime şi o corodare succesivă. Aliajele Pb – Ca favorizează tehnologii noi, de mare productivitate şi condiţii de lucru superioare: în loc de procesul de turnare cu atmosferă viciată, se pot utiliza procese de obţinere a plăcilor din folii prin ştanţare sau prin expandare, se pot realiza grătare cu structuri dense şi omogene. Conductivitatea electrică a acestor aliaje este superioară conductivităţi aliajelor Pb – Sb cu 15 – 20%, atribut important pentru acumulatoarele de pornire pentru care căderea de tensiune la alimentarea demarorului trebuie să fie cât mai redusă.

54

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.45 Bateria de acumulatori acidă cu plăci de plumb

În scopul realizării unor acumulatoare cu parametrii superiori şi durată de viaţă mare, cercetările au condus la obţinerea unor aliaje binare şi ternare cu proprietăţi remarcabile: • dacă în aliajul Pb – Ca se adaugă staniu în proporţie de 0,5 – 1% se măreşte fluiditatea materialului şi grătarele se toarnă sau se laminează mai uşor, având proprietăţi tehnologice şi funcţionale superioare; • aliajele de plumb cu adausuri reduse de telur, arsen sau argint, conduc la realizarea unor electrozi cu degajări foarte reduse de gaze; • litiul, folosit în aliajele de plumb binare sau terţiare, în proporţie redusă, măreşte rezistenţa la coroziune. Un aliaj de plumb cu litiu sub 0,03% şi staniu în proporţie de 0,05 – 0,5% este indicat pentru acumulatoarele fără întreţinere; • prezenţa cuprului în aliajul binar Pb – Sb măreşte rezistenţa grătarelor, conductivitatea, rezistenţa la coroziune şi conduce la creşterea duratei de viaţă, a capacităţii funcţionale şi reduce autodescărcarea. Plăcile pozitive având o durabilitate mai redusă, şi în plus tendinţa de a se curba la sarcini neuniforme, se aşează întotdeauna între două plăci negative, astfel încât, în fiecare celulă va exista cu o placă negativă mai mult. Prin aceasta se asigură o descărcare uniformă a plăcilor pozitive pe ambele feţe. Grosimea plăcilor negative este în general mai mică decât a celor pozitive. Atât plăcile pozitive cât şi cele negative sunt prevăzute în partea superioară cu o proeminenţă, prin care plăcile de aceeaşi polaritate sunt legate între ele prin intermediul unei armături sub formă de pieptene (baretă), care serveşte atât la fixarea plăcilor, cât şi la înserierea lor, fig. 3.46. Înserierea dintre celule se realizează cu ajutorul baretelor care sunt prevăzute la capete cu o proeminenţă care serveşte la înseriere direct prin pereţii despărţitori cu ajutorul unor piese de plumb. 55

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Baretele celulelor extreme fac legătura cu bornele principale ale bateriei. Bornele principale sunt standardizate şi dimensionate în aşa fel încât să permită fixarea sigură a cablurilor de secţiune mare ce fac legătura cu masa autovehiculului, respectiv demarorul. Masa activă Ochiurile (alveolele) grătarului plăcilor de plumb se umplu cu o pastă poroasă activă. Pasta se prepară prin malaxarea componentelor. Reţelele pentru masa activă pozitivă diferă de cele pentru masa activă negativă. În principiu, prepararea pastei constă în malaxarea unui amestec de oxizi de plumb, având o anumită fracţiune de plumb metalic împreună cu apă în care se introduce acidul sulfuric cu densitatea de 1,4 g/cm3. Drept aditivi se adaugă în procente reduse: negru de fum, fulgi de sticlă, sulfat de bariu, oxilignină, acid humic. Procentul acestor componenţi Figura 3.46 diferă la cele două plăci astfel încât şi densitatea pastei rezultante este diferită: 3,8 – 4,2 g/cm3 pentru plăcile pozitive şi 4,25 – 4,5 g/cm3 pentru plăcile negative. Formarea plăcilor Tehnologia de obţinere a plăcilor este un proces complex care cuprinde ca etape principale: pastarea (dispunerea materiei active în ochiurile grătarelor de plumb), uscarea şi maturizarea. Formarea diferă funcţie de starea în care se livrează bateria: încărcată cu electrolit (IE), uscat încărcată (UI) sau uscat descărcată (UD). Plăcile pastate pot fi folosite pentru realizarea acumulatorilor cu plăci neformate. Plăcile pastate şi maturizate sunt supuse în continuare formării în cuve în vederea realizării acumulatoarelor de tip UI sau UD. Plăcile pozitive şi negative se fixează în ghidaje după care în cuvă se introduce electrolit cu densitatea redusă (1,05 – 1,10 g/cm3) şi se supun procesului de încărcare la o tensiune constantă. În urma procesului de formare plăcile negative au o culoare cenuşie (oxizii de plumb şi sulfaţii transformându-se în plumb spongios) iar plăcile pozitive de culoare brun – roşcată, şi-au convertit componentele active (oxizii şi sulfaţii) în două tipuri cristaline de oxid de plumb. Separatorii Plăcile de polaritate diferită se izolează între ele şi se distanţează cu ajutorul separatoarelor. Materialul utilizat poate fi: policlorura de vinil (PVC), polietilenă, 56

Sistemul de alimentare electric

polipropilenă sau răşini fenolice rezultate din pulberi fine aglomerate şi sinterizate, materiale cu o porozitate foarte bună. Separatorii pot fi sub formă de plăci sau plicuri. Cele două feţe ale separatorului sunt asimetrice, suprafaţa cu nervuri proeminente fiind dispusă către plăcile pozitive, pentru a nu face contact pe o suprafaţă mare de masă activă. În acest fel oxidarea plăcilor pozitive se face mai greu iar circulaţia electrolitului spre plăcile pozitive este mai intensă, având în vedere că acestea, în timpul reacţiilor consumă de 1,5 ori mai mult electrolit decât plăcile negative. Grosimea redusă şi porozitatea mare a separatorilor trebuie să uşureze circulaţia ionilor de electrolit asigurând o rezistenţă internă cât mai mică a bateriei. Deoarece în timpul funcţionării sau manipulării se poate desprinde pasta activă de pe plăci care ar putea scurtcircuita plăcile, fundul cuvei este prevăzut cu nervuri pe care se aşează plăcile şi care are rolul de a colecta materialul desprins de pe plăci. La bateriile moderne, în acelaşi scop se utilizează separatori sub formă de plicuri în care se introduc plăcile de o anumită polaritate, care reţin materia activă desprinsă, permiţând totodată reducerea înălţimii bateriei, nemaifiind necesare nervurile de pe fund. Electrolitul Interiorul celulelor se umple cu electrolit. Acesta este o soluţie de apă distilată şi acid sulfuric. Acidul sulfuric trebuie să fie foarte pur (concentraţie 92 – 94%), densitatea 1,84 g/cm3 şi să nu conţină fier. Din combinarea cu apa distilată va rezulta un electrolit cu densitatea de 1,28 g/cm3. Alegerea densităţii depinde de o serie de factori dintre care cei mai importanţi sunt rezistivitatea specifică, temperatura de îngheţ, capacitatea specifică şi viteza reacţiilor chimice. În fig. 3.47 se prezintă variaţia rezistivităţii specifice ρ şi a coeficientului termic al rezistivităţii α funcţie de densitatea electrolitului. Figura 3.47 Se constată că pentru o densitate 3 Variaţia rezistivităţii specifice ρ şi a de cca. 1,3 g/cm , rezistivitatea specifică a coeficientului termic α al rezistivităţii electrolitului este minimă. În tabelul 3.1 se prezintă variaţia capacităţii specifice a electrolitului funcţie de densitatea electrolitului. Tab. 3.1Capacitatea specifică a electrolitului funcţie de densitatea electrolitului la temperatura de +25° Densitate [ 3 g/cm ] ,14 ,18 ,22 ,26 ,3 ,34 Capacitate specifică [ electrolit Ah/1] 2 1 00 20 41 62 Se constată că, capacitatea specifică creşte cu densitatea iar în jurul densităţii de 1,3 g/cm3 are o valoare convenabilă.

57

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Un alt factor important, legat de condiţiile în care se foloseşte bateria, este temperatura de îngheţ a electrolitului care variază cu densitatea conform tabelului 3.2. Tab. 3.2 Variaţia temperaturii de îngheţ, funcţie de densitatea electrolitului Densit [ 3 ate electrolit g/cm ] ,0 ,05 ,1 ,15 ,2 ,25 ,3 ,35 ,4 ,45 Temp [ eratura de °C] 3,3 7,7 15 27 52 70 49 36 29 îngheţ La temperaturi joase viteza de reacţie scade, iar la temperaturi ridicate reacţiile se accelerează, reducând durata de viaţă a bateriei. Pe baza acestor considerente, densitatea electrolitului va fi: pentru zone nordice 1,28 – 1,3 g/cm3, pentru zone tropicale 1,2 – 1,23 g/cm3, iar pentru zone temperate 1,28 g/cm3. Acoperirea celulelor se face cu un capac comun rămânând la exterior doar bornele principale. Acest capac este lipit de carcasa inferioară. În dreptul fiecărei celule există un buşon necesar completării nivelului electrolitului şi ventilării bateriei. 3.3.2.2 Funcţionarea bateriei Funcţionarea bateriei are loc în baza reacţiilor chimice reversibile de încărcare, descărcare care se produc în interiorul celulelor, fig. 3.48.

Fura 3.48 Procesul de încărcare-descărcare a bateriei

Încărcarea. Procesul de încărcare are loc dacă la bornele bateriei (celulei) se aplică o tensiune electrică de polaritate corespunzătoare. La trecerea curentului electric prin electrolit, de la plăcile pozitive la cele negative, soluţia de acid sulfuric disociată se descompune în ioni de hidrogen (H 2 ) care sunt atraşi de placa negativă şi de ioni negativi de radical acid (SO 4 ) care se deplasează la palca pozitivă, conform reacţiilor: • la placa negativă Pb SO4 + H 22+ + 2e → Pb + H 2 SO4 • la placa pozitivă Pb SO4 + SO42− + 2 H 2O → Pb O2 + 2H 2 SO4 + 2e , reacţia globală fiind: 2 Pb SO4 + 2 H 2O → Pb + 2H 2 SO4 + Pb O2 În timpul încărcării are loc transformarea apei şi sulfatului de plumb în plumb care se depune pe plăcile negative, peroxid de plumb care se depune pe plăcile 58

Sistemul de alimentare electric

pozitive şi acid sulfuric care face să crească densitatea electrolitului. Substanţele rezultate regenerează bateria (atât pasta activă cât şi densitatea electrolitului), paralel cu diminuarea sulfatului de plumb, mărindu-se durabilitatea. Prin încărcare, concentraţia electrolitului creşte, tensiunea electrică pe element creşte şi rezistenţa electrică interioară scade. Descărcarea. Procesul de descărcare are loc dacă la borne se conectează un consumator. În acest caz, în interiorul celulei ia naştere un curent electric având sensul de la plăcile negative la plăcile pozitive. Prin dizolvarea acidului sulfuric în apă distilată, moleculele acidului sulfuric se disociază în ioni de hidrogen (H 2 ), încărcaţi cu sarcini pozitive şi ioni radicali acid (SO 4 ), încărcaţi cu sarcini negative. La trecerea curentului electric, ionii pozitivi de hidrogen sunt transportaţi la placa pozitivă unde intră în combinaţie cu peroxidul de plumb şi acidul sulfuric, iar ionii negativi de radical acid sunt transportaţi la placa negativă unde reacţionează cu plumbul metalic, conform reacţiilor: • la placa negativă Pb + SO42− → Pb SO4 + 2e • la placa pozitivă Pb O2 + H 22+ + H 2 SO4 + 2e → Pb SO4 + 2 H 2O reacţia globală: Pb + 2 H 2 SO4 + Pb O2 → 2 Pb SO4 + 2 H 2 O În timpul descărcării, la ambele plăci, atât pasta activă cât şi acidul sulfuric se consumă, transformându-se în sulfat de plumb şi apă, fenomen cu consecinţe dăunătoare asupra durabilităţii bateriei. Concentraţia electrolitului scade, tensiunea electrică pe element scade iar rezistenţa internă creşte. Procesul de formare a sulfatului de plumb (sulfatarea plăcilor) prin acoperire cu sulfat de plumb cristalin rău conducător de electricitate şi insolubil în electrolit, este cu atât mai intens cu cât elementul este mai descărcat şi invers. Limita inferioară de descărcare pe element este de 1,75 V. Caracteristic pentru acumulatoarele cu plumb este faptul că prezintă şi un fenomen de autodescărcare relativ mare, motiv pentru care ele trebuie păstrate în stare încărcată. 3.3.2.3 Caracteristicile electrice ale bateriilor acide cu plăci de plumb Energia necesară pornirii electrice a motorului termic cât şi alimentarea consumatorilor trebuie furnizată de către baterie. În general mărimea bateriei este determinată de puterea necesară pentru pornire, caracteristicile demarorului, momentul de torsiune pe care trebuie să-l asigure demarorul şi turaţia necesară pornirii motorului. Din cauza condiţiilor de pornire variate şi în special din cauza influenţei temperaturii, se cer cunoştinţe precise asupra proprietăţilor bateriei. Tensiunea pe element Forţa electromotoare a unui acumulator în condiţii date (concentraţia electrolitului şi temperatură) este numeric egală cu tensiunea la borne măsurată în circuit deschis, în aceleaşi condiţii. La descărcare, acumulatorul debitează un curent electric care depinde de mărimea rezistenţei totale a circuitului electric. Acest curent traversând şi acumulatorul, rezultă o cădere de tensiune proporţională cu valoarea rezistenţei interne (R i ), în care rezistenţa de polarizare creşte cu intensitatea lui: (3.8) ∆U = IRi 59

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Tensiunea la borne este: (3.9) U d = E − ∆U = E − IRi Pe măsură ce acumulatorul se descarcă, pe suprafaţa plăcilor se depune un strat de sulfat de plumb a cărui grosime creşte treptat. Sulfatul de plumb fiind rău conducător contribuie la creşterea componentei ohmice a rezistenţei interne. Şi reducerea densităţii electrolitului are ca efect micşorarea tensiunii la borne prin creşterea rezistenţei interne şi diminuarea valorii lui E. În procesul de descărcare acidul sulfuric intervine direct. Pentru fiecare amper - oră se consumă 3,65 g acid sulfuric şi se produc 0,67 g apă, fapt ce contribuie la micşorarea densităţii 3 3 electrolitului de la 1,28 0,01 g/cm , în stare încărcată la 1,03  0,01 g/cm în stare descărcată. Tensiunea electromotoare variază şi cu temperatura modificând sensibil tensiunea la borne. Valoarea tensiunii U la descărcare este mai mică decât tensiunea electromotoare E din cauza căderii de tensiune pe rezistenţa internă U. În regimuri de descărcare lentă se limitează tensiunea în stare descărcată la 1,75 – 1,80 V/element, când densitatea electrolitului este aproximativ 1,03  0,01 3 g/cm şi electrozii sunt sulfataţi. Sub această valoare cristalele de sulfat se măresc şi conversia lor, la încărcare, în Pb, respectiv PbO 2 se face mai greu şi în unele cazuri numai parţial, echivalând cu o pierdere cronică de capacitate. Pentru regimuri rapide, tensiunea de prag inferior poate scădea sub această valoare, fără ca densitatea electrolitului să fi atins 1,03 g/cm3 datorită valorii mai mari a lui U. Cu cât regimul de descărcare este mai lent, cu atât se transformă o mai mare cantitate de acid monohidrat în sulfat de plumb şi în apă iar densitatea scade sub limita admisibilă. De aceea descărcarea se opreşte la o tensiune de prag mai înaltă. La încărcare, din contră, tensiunea la borne este mai mare decât tensiunea electromotoare a elementului pentru concentraţia şi temperatura respectivă. Variaţia de tensiune pe element depinde de valoarea curentului de încărcare şi de rezistenţa internă a elementului în stadiul respectiv de încărcare. (3.10) U i = E + ∆U Cu cât valoarea curentului de încărcare este mai ridicată cu atât U este mai mare şi U i creşte în aceeaşi măsură. Numai o parte din energie se consumă în conversia chimică a electrozilor, iar pentru valoarea de 2,3 V/element apare fenomenul de electroliză a apei cu degajare de hidrogen la anod şi oxigen la catod. De aceea se recomandă la începutul încărcării curenţi mai mari iar după ce s-a atins o valoare a tensiunii de 2,30 – 2,35 V/element o reducere a valorii curentului la jumătate. Caracteristica de încărcare – descărcare la curent constant Aceasta prezintă variaţia tensiunii la bornele bateriei în funcţie de timp, fig. 3.49, în care s-a prezentat şi variaţia corespunzătoare a densităţii electrolitului. În general, valoarea curentului se ia egală cu 0,05 C 20 [A]. La descărcare se constată că tensiunea la borne U scade la început rapid la 1,95 – 2 V, apoi lent până la 1,8 V, unde se menţine aproape constantă, în timp ce densitatea scade liniar funcţie de timp. La sfârşit, când bateria este descărcată, tensiunea scade brusc la 1,7 V şi apoi spre zero. Când tensiunea devine instabilă şi începe să scadă brusc, se întrerupe descărcarea (de obicei la 1,7 V şi o densitate a 60

Sistemul de alimentare electric

Figura 3.49 Caracteristicile de descărcare (a) şi încărcare (b) ale bateriei de acumulatori

electrolitului de 1,12 g/cm3). Dacă descărcarea ar continua vor apare reacţii ireversibile şi pericolul sulfatării. La încărcare tensiunea la borne creşte la început rapid la 2,2 V, apoi lent până la 2,3 V. La sfârşitul încărcării tensiunea creşte brusc la 2,7 – 2,8 V. Dacă se continuă încărcarea reacţiile chimice normale iau sfârşit apărând reacţii electrochimice secundare care provoacă descompunerea apei şi scăderea nivelului electrolitului prin eliminarea de hidrogen şi oxigen. La sfârşitul încărcării tensiunea la bornele celulei va fi de 2,7 V iar densitatea electrolitului 1,28 g/cm3. Capacitatea bateriei Mărimea unei baterii este caracterizată în general de capacitate, adică de curentul pe care-l poate furniza într-o anumită perioadă de timp. Capacitatea bateriei (C), reprezintă cantitatea de sarcini electrice măsurate convenţional prin produsul dintre curentul de descărcare I d (sau încărcare I i ), exprimat în amperi şi timpul t în ore, într-un regim anume determinat, până la limitele admisibile ale descărcării (sau încărcării). Ci = I i ti [Ah] (3.11) Cd = I d t d [ Ah] Capacitatea unei baterii depinde de: • numărul şi mărimea plăcilor dintr-un element (cantitatea de masă activă); • densitatea şi temperatura electrolitului; • valoarea curentului de încărcare (descărcare). Utilizarea masei active este limitată de creşterea rezistenţei interne şi a reacţiilor electrochimice ireversibile. În general coeficientul de utilizare a masei active (cantitatea de masă activă ce participă la Figura 3.50 Variaţia capacităţii bateriei funcţie de reacţie) nu depăşeşte 60%. temperatură

61

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Capacitatea efectivă a unui acumulator variază sensibil cu temperatura (fig. 3.50). o dată cu scăderea temperaturii scade şi capacitatea bateriei. La scăderea temperaturii, creşte vâscozitatea electrolitului îngreunând difuziunea acestuia în profunzimea porilor plăcilor. Tensiunea electromotoare şi capacitatea bateriei scad crescând rezistenţa interioară astfel că tensiunea la borne este mai mică la descărcare iar la încărcare mai mare. Temperaturile înalte favorizează descărcarea Figura 3.51 Variaţia capacităţii bateriei funcţie de rapidă. curentul de descărcare Capacitatea bateriei scade când curentul de descărcare creşte (fig. 3.51). Capacitatea nominală (C 20 ), ţine cont de condiţiile în care are loc descărcarea bateriei, impunând valori precise asupra valorii curentului şi a timpului de descărcare (încărcare). Capacitatea nominală se obţine pentru un curent constant de descărcare I d =0,05C 20 , care trebuie să descarce bateria timpul t d =20 h, de la starea complet încărcată până la tensiunea de 1,75 V pe element, la o temperatură de +25° C. De exemplu, pentru o baterie de 45 Ah, valorile standard ale curentului (I d ) şi (3.12) timpului (t d ) sunt: I d =0,05xC 20 =0,05x45=2,25 A t d =20 h C 20 =I d xt d =2,25Ax20h=45 Ah (3.13) Caracteristica externă Caracteristica externă reprezintă variaţia tensiunii la bornele bateriei funcţie de curent. Ea se trasează în două cadrane, pentru încărcare şi descărcare şi este prezentată în fig. 3.52.

Figura 3.52 Caracteristica externă a bateriei

Modificarea caracteristicii la temperaturi scăzute este realizată de către compensatorul termic al releului regulator. Randamentul bateriei Reprezintă raportul dintre cantitatea de electricitate (sau energie electrică) cedată în timpul descărcării şi cea consumată în timpul încărcării. 62

Sistemul de alimentare electric

Randamentul, reprezintă gradul de valorificare a energiei electrice consumate la o încărcare completă şi se exprimă prin randamentul de sarcină s , şi randamentul energetic e . td

ηs =

∫i

d

dt

0 ti

100

(3.14)

∫ i dt i

0

td

∫i U d

ηe =

d

0 ti

dt 100

(3.15)

∫ i U dt i

i

0

unde: t d /t i – timpul de încărcare / descărcare i d /i i – curentul de încărcare / descărcare Randamentul de sarcină este 80 – 90%, iar randamentul energetic 65 – 75%.

Tensiunea şi puterea bateriei La pornire contează în primul rând puterea bateriei adică produsul dintre curentul furnizat şi tensiunea la bornele bateriei. Tensiunea la bornele bateriei scade o dată cu creşterea curentului de sarcină din cauza rezistenţei interioare a bateriei. Această rezistenţă nu este constantă ci depinde printre altele de temperatură şi de starea de încărcare a bateriei. La creşterea temperaturii rezistenţa electrică a metalelor creşte puţin pe când cea a electrolitului scade mult; rezistenţa plăcilor în stare descărcată este de cca. 3 ori mai mare decât în stare încărcată, datorită prezenţei sulfatului de plumb care este rău conducător de electricitate. Rezistenţa electrică a legăturilor creşte substanţial când nu sunt strânse sau sudate corespunzător, fapt ce produce căderi mari de tensiune, în special la pornire când curentul are valori foarte mari. La pornire rezistenţa internă are o importanţă deosebită, deoarece la trecerea curenţilor mari au loc căderi mari de tensiune. Tensiunea electromotoare în gol (când nu circulă curent) a unei celule U 0 , depinde de densitatea electrolitului şi se exprimă cu relaţia: (3.16) U 0 = 0,84 + ρ [ g / cm3 ] 3 Rezultă că, pentru valorile uzuale ale densităţii =1,12 ÷1,29 g/cm , tensiunea electromotoare a unei celule va fi U 0 =1,96 ÷ 2,13 V. Tensiunea la bornele bateriei U B , depinde de regimul de funcţionare. Astfel, pentru încărcare va fi valabilă ecuaţia: (3.17) U B = U 0 + I i RB iar pentru descărcare: (3.18) U B = U 0 − I d RB unde: I i – curentul de încărcare; I d – curentul de descărcare; R B – rezistenţa internă a bateriei; Tensiunea electromotoare de mers în gol U 0 se poate obţine prin extrapolare din curba caracteristicii de sarcină, fig. 3.53 63

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.53 Curbele caracteristice de sarcină şi putere la o baterie de 12 V

Puterea bateriei este maximă la acel curent de sarcină la care tensiunea bateriei scade la jumătate din tensiunea în gol. Notând acest curent de sarcină cu I 0,5U 0 , se obţine puterea maximă a bateriei. PBmax = I 0,5U 0

I 0,5U 0

U0 = 2 RB

U0 2

(3.19)

(3.20)

U 02 (3.21) 4 RB Capacitatea de descărcare rapidă, caracterizează proprietăţile bateriei de acumulatori la pornirea electrică a motoarelor la temperaturi scăzute de -181°C. Pentru aceasta bateria se descarcă timp de 3 minute sub un curent de descărcare I p =3,5C 20 . După 30 de secunde de la începerea descărcării tensiunea pe celulă trebuie să fie U C 1,4 V, iar după 3 minute de descărcare, tensiunea pe celulă să fie UC 1 V. Deci, după trei minute de descărcare, tensiunea bateriei trebuie să fie de minimum 6 V pentru bateriile cu tensiunea nominală de 12 V. Autodescărcarea. Autodescărcarea (S) sau pierderea capacităţii bateriei pe durata depozitării sau nefolosirii se exprimă în procente şi se determină cu relaţia: C − C' (3.22) S= 100 [%] C unde: C – capacitatea medie obţinută în cursul a două descărcări iniţiale [Ah]; C’ – capacitatea măsurată după un anumit număr de zile de depozitare [Ah]; Normele prevăd ca după 28 de zile de depozitare la temperatura de +20 5° C, autodescărcarea să nu fie mai mare de 20%. PBmax =

64

Sistemul de alimentare electric

3.3.2.4 Întreţinere – exploatare Exploatarea bateriilor cuprinde: prepararea electrolitului, punerea în funcţiune a bateriei, depozitarea, verificarea şi diagnosticarea stării tehnice. De modul cum se efectuează aceste operaţii depind durata de viaţă şi parametrii funcţionali ai bateriei. a. Prepararea electrolitului Electrolitul se prepară din acid sulfuric pur pentru acumulatori şi apă distilată (aproximativ 3 părţi acid la 8 părţi apă), prin turnare treptată, cu grijă a acidului în apă şi niciodată invers, pentru a nu apare pericolul de explozie. Acidul sulfuric are proprietatea de a absorbi apa din toate substanţele cu care vine în contact, absorbţie însoţită de puternică degajare de căldură. La preparare se folosesc numai vase din sticlă, ceramică, material plastic, plumb, care nu intră în reacţie cu acidul sulfuric şi care nu produc impurităţi sau compuşi care în prezenţa electrolitului formează mici elemente galvanice care produc autodescărcarea timpurie a bateriilor. În timpul preparării, electrolitul se amestecă în permanenţă cu o vergea de sticlă şi se urmăreşte ca temperatura să nu depăşească 40 – 45° C, măsurându-se densitatea obţinută şi făcându-se corecţia de temperatură a densităţii, pentru cunoaşterea densităţii corespunzătoare temperaturii de +25° C. În final, densitatea corespunzătoare temperaturii de +25° C trebuie să fie 1,28 0,01 g/cm3. b. Punerea în funcţiune a bateriei Punerea în funcţiune a bateriei (încărcarea) este o operaţie specifică stării în care se livrează bateria. Bateriile pot fi livrate în trei variante tehnologice: • uscat descărcate (UD); • uscat încărcate (UI); • încărcate cu electrolit (IE). Bateriile uscat descărcate (UD): se umplu cu electrolit cu densitatea 1,26 g/cm3, a cărui temperatură trebuie să fie cuprinsă între 10 şi 25° C. Nivelul de umplere este cu 10 – 15 mm deasupra separatorilor. După un repaus de 3 – 4 ore se completează nivelul cu acelaşi electrolit. Încărcarea se face cu un curent I 1 =1/10xC 20 până ce tensiunea ajunge la 2,4 V/element. Se reduce curentul la I 2 =1/20xC 20 şi se menţine constant până la sfârşitul încărcării. Încărcarea se face de la redresor 35 – 40 h. Sfârşitul încărcării se consideră atunci când tensiunea este 2,6 – 2,75 V/element şi densitatea electrolitului 1,28  0,005 g/cm3 rămâne constantă timp de 3 – 4 ore. Bateriile uscat încărcate (UI): se umplu cu electrolit având densitatea 1,28 g/cm3 până la 10 – 15 mm deasupra separatorilor. Se lasă în repaus 2 – 3 h după care, dacă este cazul se completează nivelul cu electrolit de aceeaşi densitate. Dacă bateria are mai puţin de 6 luni de la fabricaţie şi dacă se montează pe un autovehicul ce parcurge distanţe mari, bateria poate fi încărcată de alternator, fără a mai fi necesară o încărcare prealabilă. Dacă bateria are mai mult de 6 luni de la data fabricaţiei, ori a stat în repaus mai mult de 12 h după umplere cu electrolit, ea trebuie supusă încărcării cu un curent I 2 =1/2xC 20 până ce tensiunea ajunge la 2,5 – 2,75 V/element şi rămâne constantă timp de 2 h. Bateriile încărcate cu electrolit (IE) (formate bloc), dacă au stat în repaus după formare mai mult de 10 zile se supun unei încărcări de completare cu un curent I=1/20xC 20 până ce tensiunea ajunge la 2,6 – 2.75 V/element, respectiv 15,6 – 16,5 V/baterie şi rămâne constantă 2 – 3 h. 65

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

c. Conservarea şi depozitarea bateriilor Timpul cât o baterie poate fi stocată depinde de starea în care se livrează. Astfel, bateriile umede încărcate pot fi conservate 3 luni, cele uscat încărcate 6 luni, iar cele uscat descărcate timp de un an. d. Verificarea şi diagnosticarea bateriilor Pentru verificarea stării tehnice cât şi a caracteristicilor bateriilor de acumulatori se execută următoarele operaţii: Controlul nivelului electrolitului În timpul funcţionării nivelul electrolitului scade datorită electrolizei apei, prin eliminarea de hidrogen şi oxigen. Pentru ca plăcile bateriei să nu vină în contact cu aerul, fenomen ce duce la sulfatarea lor, refacerea nivelului electrolitului la 10 – 15 mm peste nivelul plăcilor se face prin adăugare de apă distilată. Când scăderea nivelului se datoreşte pierderilor de electrolit din cuvă prin vărsare, fisuri, etc., completarea se va face cu electrolit de aceeaşi densitate ca cel din cuvă. Controlul densităţii electrolitului Starea de încărcare a bateriei poate fi apreciată prin măsurarea densităţii electrolitului, operaţie ce se execută cu ajutorul densimetrului. Densimetrul se compune dintr-un tub de sticlă prevăzut în partea superioară cu o pară de cauciuc. În interiorul tubului se află un plutitor gradat în unităţi de densitate. Cu ajutorul parei se absoarbe electrolit din celulă şi se citeşte valoarea densităţii în dreptul nivelului de pe plutitor. Aprecierea stării de încărcare se poate face conform tabelului 3.3. Tab. 3.3 Indici de apreciere a stării tehnice a bateriei Starea de Densitatea Tensiu încărcare a bateriei electrolitului nea pe celulă [g/cm3] [V] 100% 1,28 1,7 – 1,8 75% 1,24 1,6 – 1,7 50% 1,20 1,5 – 1,6 25% 1,16 1,3 – 1,4 descărcat sub 1,16 sub 1,3 Dacă electrolitul are o temperatură diferită de +25° C, indicaţiile date de densimetru trebuie corectate cu un coeficient funcţie de temperatura reală. Câteva exemple sunt prezentate în tabelul 3.4. Tab. 3.4.Corecţii de densitate pentru diferite temperaturi ale electrolitului Temperatura 40 25 10 5 20 electrolitului (°C) Valoarea corecţiei de 0,01 0,01 0,02 0,03 densitate Dacă bateria este descărcată mai mult de 25% iarna, sau mai mult de 50% vara, ea trebuie scoasă de pe autovehicul, verificată şi pusă la încărcat. 66

Sistemul de alimentare electric

Măsurarea tensiunii în sarcină În cazul bateriilor de tip clasic (cu punţile de înseriere la exterior), aprecierea stării de încărcare, comportarea în sarcină şi depistarea defectelor se poate face prin măsurarea tensiunii în sarcină pe elemente cu ajutorul voltmetrului cu furcă. Între dinţii furcii este prevăzută o rezistenţă de sarcină, astfel încât încercarea să corespundă unui curent foarte mare (minimum 100 A). Funcţie de rezultatul obţinut se pot face aprecieri asupra stării de descărcare a fiecărui element conform tabelului 3.5 sau se pot diagnostica defectele (scurtcircuite între plăci, deformări, ruperi de plăci, sulfatări, etc.). Diferenţa de tensiune între elemente nu trebuie să depăşească 0,1 V. La bateriile capsulate, aceste măsurători nu se pot efectua decât global, între bornele principale ale bateriei. Pe autoturism, încercarea în sarcină se poate efectua în felul următor: se întrerupe aprinderea prin scoaterea fişei centrale, se racordează un voltmetru la bornele bateriei, se cuplează demarorul, urmărindu-se valoarea căderii de tensiune la voltmetru. În cazul unei baterii bune, încărcate normal, tensiunea la borne nu trebuie să scadă sub 9,5 – 10 V. Verificarea unei baterii insuficient încărcate, se poate face foarte simplu prin aprinderea fazei mari în situaţia când motorul este oprit. Dacă filamentul este gălbui şi luminează slab, bateria este descărcată sub limita normală. e. Durata de funcţionare Încărcarea completă, urmată de o descărcare completă, constituie la acumulatorul electric un ciclu funcţional. Pentru acumulatoarele care nu lucrează ciclic, durat de viaţă se exprimă în luni sau ani de activitate, până la atingerea pragului limită al capacităţii. Capacitatea acumulatoarelor acide cu plăci de plumb are o anumită dinamică: creşte în prima treime a duratei de viaţă, atingând un maxim care depăşeşte cu 15 – 20% valoarea nominală a capacităţii iar apoi scade treptat până la 80% din valoarea nominală, când se consideră epuizată. În prezent, durata de viaţă a bateriilor acide cu plăci de plumb este apreciată la 250 – 400 cicluri convenţionale de încărcare – descărcare sau cca. 4 ani. 3.3.2.5 Baterii acide performante a. Baterii cu întreţinere redusă sau fără întreţinere Costurile ocazionate de întreţinerea unui acumulator auto clasic pentru o durată medie de viaţă de 4 ani sunt aproximativ egale cu preţul de achiziţie, iar neglijarea întreţinerii sau o defectuoasă întreţinere poate duce la degradarea prematură. Operaţiile de întreţinere ale unei baterii clasice constau în completarea nivelului electrolitului şi eventuale încărcări de la redresor. Bateriile cu întreţinere redusă şi mai ales cele fără întreţinere reprezintă soluţia la care nu mai sunt necesare operaţii de întreţinere. S-a constatat că pierderea de apă şi autodescărcarea sunt cu atât mai mari cu cât conţinutul de stibiu din aliajul Pb – Sb pentru grătare este mai ridicat. Pierderea de apă pentru acelaşi tip de grătar creşte cu vechimea acumulatorului. În cazul unui conţinut de stibiu sub 3% pierderile de apă scad considerabil, dar procentul nu poate scădea sub 2,5% deoarece: turnabilitatea se înrăutăţeşte, 67

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

durabilitatea plumbului se micşorează, scade rezistenţa la coroziune şi implicit durata de viaţă. O parte din producătorii de baterii auto au abordat această soluţie ea fiind mai comodă pentru tehnologia clasică iar rezultatele obţinute sunt apropiate de cele ale bateriilor fără întreţinere. O altă soluţie o reprezintă utilizarea grătarelor din aliaje Pb – Ca sau Pb – Li, cu reţea adecvată de masă activă şi electrolit, tehnologie ce stă la baza bateriilor fără întreţinere. Principalele caracteristici ale bateriilor de înaltă performanţă sunt: • o construcţie închisă complet (capsulată), fără nici un aport de apă pe parcursul vieţii; • plăci din aliaj plumb – calciu, pentru un consum minim de apă, o autodescărcare foarte redusă şi o putere de pornire constant ridicată; • separatoare din plăci microporoase în formă de buzunar pentru o putere de pornire ridicată şi o mare protecţie la scurtcircuitarea plăcilor, o durată de viaţă ridicată; • posibilitatea stocării bateriei încărcate şi plină cu electrolit pentru o perioadă de 18 luni. Având o suprafaţă activă a plăcilor mai mare şi separatori cu rezistenţă internă redusă, noua concepţie a bateriilor permite creşterea capacităţii de pornire la temperaturi scăzute cu ca. 40% dar prin păstrarea aceluiaşi gabarit exterior. Acest progres poate constitui un avantaj fie pentru ameliorarea capacităţii de pornire a motorului, fie pentru reducerea gabaritului şi a greutăţii bateriei cu cca. 20 – 25%. Bateriile cu întreţinere redusă sunt definite (în normele DIN) ca baterii cu eliminare redusă de apă, la care nivelul electrolitului trebuie verificat doar la 15 luni de exploatare, respectiv la 25.000 de km parcurşi. Bateriile fără întreţinere, sunt definite (în normele DIN) ca baterii la care nivelul electrolitului trebuie verificat doar la 25 de luni de exploatare, respectiv la 40.000 km parcurşi. Dacă o baterie fără întreţinere este încărcată de la o sursă exterioară automobilului, este necesar ca tensiunea de alimentare să fie limitată la 2,3 – 2,4 V/element. De la bateria auto fără întreţinere, la cea complet etanşă (fără buşoane) se poate trece uşor dacă se rezolvă problema recombinării totale, la nivelul celulelor a degajărilor de hidrogen şi oxigen prin utilizarea unui catalizator. b. Baterii rezistente la cicluri alternante Prin concepţia lor, (grosimea plăcilor, materialul separatorilor), bateriile de pornire nu corespund decât cu anumite restricţii aplicaţiilor în care bateria este supusă unor descărcări profunde şi repetate. Efectul unui astfel de regim ar fi o uzură puternică a plăcilor pozitive având ca urmări dezagregarea şi sedimentarea pastei active. În cazul bateriilor de pornire, rezistente la cicluri alternante, masa activă pozitivă este susţinută de o împletitură de fibră de sticlă din care este confecţionat separatorul, aceasta împiedicând sedimentarea precoce pe fundul bateriei a pastei active. În acest caz, durata de viaţă, exprimată în cicluri complete de încărcare – descărcare, este de ouă ori mai mare comparativ cu bateriile standard. Aceste baterii sunt marcate convenţional cu litera „Z”. c. Baterii rezistente la vibraţii 68

Sistemul de alimentare electric

În acest caz, mişcările relative ale blocurilor de plăci faţă de carcasă sunt împiedicate cu ajutorul unei răşini sau cu ajutorul unor materiale plastice. Conform normelor (DIN) aceste baterii trebuie să reziste la un regim de încercare la vibraţii sinusoidale cu frecvenţa de 22 Hz timp de 20 de ore, cu o acceleraţie maximă de 6 g, aplicată pe direcţie verticală. Aceste condiţii sunt de cca. 10 ori mai severe decât condiţiile impuse bateriilor standard. Bateriile sunt destinate autovehiculelor utilitare şi industriale care lucrează de obicei pe şantier. Ele sunt marcate cu litera „R f ”. d. Baterii de tip HD (Heavy Duty) Aceste baterii reprezintă o combinare între bateriile rezistente la cicluri alternante şi bateriile rezistente la vibraţii. Ele sunt destinate vehiculelor industriale supuse unor condiţii grele de exploatare. Sunt marcate cu indicativul „HD”. e. Baterii de tip „S” Concepţia lor este asemănătoare celor rezistente la cicluri alternante dar plăcile lor sunt mai groase, şi deci mai puţin numeroase. În acest caz nu se specifică valoarea curentului de descărcare la rece. Puterea lor de pornire este cu 35 – 40% mai mică decât a bateriilor de pornire de acelaşi gabarit. Sunt utilizate în cazul în care solicitarea ciclică este foarte puternică, putând fi destinate tracţiunii electrice. 3.3.2.6 Alte tipuri de baterii În afară de bateriile acide cu plăci de plumb mai există şi alte variante, unele deja consacrate, altele aflate în faza de cercetare. a. Baterii alcaline În situaţiile în care o baterie necesită încărcări şi descărcări frecvente, sau este menţinută în stare descărcată mai mult timp, bateriile acide cu plăci nu sunt recomandate, acestea fiind înlocuite cu baterii alcaline. Bateriile alcaline au o întreţinere minimă şi sunt capabile să facă faţă unor excese privind descărcarea sau supraîncărcarea puternică şi prelungită. Dezavantajul bateriilor alcaline este acela că, la aceeaşi parametrii funcţionali au un gabarit mai mare, având o densitate de energie mai joasă, fiind în acelaşi timp mai scumpe decât bateriile acide cu plăci de plumb. În schimb prezintă o durată de viaţă net superioară. Bateriile alcaline au apărut în urmă cu cca. 80 de ani şi de atunci tehnologia lor a evoluat continuu şi s-a diversificat în raport de varietatea tipurilor de electrozi impusă de modificarea concepţiilor constructive şi mai ales de exigenţele funcţionale. Alături de electrozii masivi necesari acumulatoarelor de mare capacitate au apărut electrozi tot mai subţiri, până la dimensiunea unei folii, destinaţi aparaturii electronice. Electrolitul utilizat este alcalin şi poate fi NaOH sau KOH. În cazul bateriilor alcaline clasice există două tipuri de electrozi catod: de nichel şi de argint, şi trei tipuri de electrozi anod: de fier, de cadmiu, de zinc. Din combinarea acestora rezultă principalele cupluri electrochimice: Ni-Fe, Ni-Cd, Ni-Zn, Ag-Zn, Ag-Cd. Dintre acestea mai utilizate în cadrul autovehiculelor sunt bateriile Ni-Cd (NICAD). 69

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În cazul bateriilor Ni-Cd pentru autovehicule, fig. 3.54, electrodul pozitiv este hidroxidul de nichel (NiOOH), electrodul negativ este cadmiul iar electrolitul este hidroxidul de potasiu. Electrozii sunt de tip sinterizat. Procesul de încărcare implică migrarea oxigenului de la plăcile – la plăcile + şi invers la descărcare. La încărcare completă la placa – se formează cadmiu pur (spongios) iar la placa + hidrat de nichel, în baza reacţiei următoare: Apa este evacuată sub formă de Figura 3.54 Schema de principiu a bateriei alcaline Ni-Cd hidrogen şi oxigen, pe tot parcursul încărcării. În timpul încărcării şi descărcării densitatea electrolitului se menţine neschimbată, deci starea bateriei nu poate fi apreciată prin măsurarea densităţii electrolitului. Tensiunea pe fiecare celulă în stare complet încărcată este 1,4 V, dar aceasta scade rapid la 1,3 V scurt timp după începerea descărcării. Bateria se consideră descărcată când tensiunea pe celulă este 1,1 V. În concluzie, principalele calităţi ale bateriei alcaline Ni-Cd sunt: • durată mare de viaţă; • posibilitatea reîncărcării rapide; • putere şi energie masică ridicată, iar ca inconveniente: • preţ ridicat; • posibilităţi reduse de cunoaştere a gradului de încărcare; • toxicitate ridicată; • rezerve limitate de cadmiu (cca. 20.000 tone/an). Multe cercetări au avut ca scop obţinerea de baterii care să realizeze o mare densitate de energie, necesară în cazul tracţiunii electrice. În tabelul 3.5 se prezintă comparativ densitatea de energie pentru mai multe tipuri de baterii. tab. 3.5 tipul bateriei densitatea de energie wh/kg acidă cu plăci de Pb 30 nichel – fier 45 sodiu – sulf 90 zinc – aer 180 hidrogen – oxigen (celulă 500 combustibilă) b. Bateria sodiu - sulf Dezvoltată în ultimii 30 de ani, bateria a depăşit stagiul experimental echipând în prezent o serie de automobile electrice europene. 70

Sistemul de alimentare electric

În afară de energia masică (densitatea de energie) superioară bateriei acide cu plăci de plumb şi a bateriei Ni-Cd, aceasta prezintă şi alte avantaje: • autodescărcare inexistentă; • funcţionare fără întreţinere între -20 ... +60° C; • determinare uşoară a gradului de încărcare. iar ca principale dezavantaje: • putere masică redusă; • fragilitate mecanică determinată de existenţa pieselor ceramice; • necesitatea de a se asigura o temperatură ridicată (350° C); • problema de securitate (aprinderea sodiului). Schema constructivă a bateriei este prezentată în fig. 3.55. Bateria cuprinde un catod format din sodiu lichid, în care este amplasat un colector de curent. Acesta este un electrod solid de β – alumină. Întreg ansamblul este înconjurat de o cutie de metal, care este în contact cu anodul constituit dintr-un electrod de sulf. Reacţia specifică este: 2 Na + 3S → Na 2 S ← incarcare

descarcare

Celulele sunt foarte mici, utilizând doar 15 g de sodiu. Aceasta prezintă două avantaje importante: securitate mărită, ţinând cont de posibilitatea aprinderii Figura 3.55 sodiului şi posibilitatea distribuirii celulelor în Bateria Sodiu - Sulf cadrul automobilului. Capacitatea fiecărei celule este de 10 Ah iar tensiunea 2 V. Un motor electric alimentat de o astfel de baterie constituie în prezent o concurenţă serioasă pentru motorul cu ardere internă. c. Bateria sodiu – clorură de nichel Este asemănătoare cu bateria sodiu – sulf d. Bateria zinc – aer După ce a fost neglijată mult timp a revenit în actualitate prin cercetările efectuate în SUA (DEMI) şi Israel (Luz EFL). Destinată electromobilelor permite o autonomie de 300 km asigurând o energie masică de 300 wh/kg. e. Bateria zinc – brom (ZnBr 2 ) Studiul a început în anii 70, prezentând avantajul posibilităţii fabricării în serie mare. Principalele componente sunt din material plastic (electrozi din carbon – plastic, separatori din polietilenă). Funcţionează la temperatura mediului dar prezintă şi o serie de limite constând în complexitatea dispozitivului mecanic, nocivitatea bromului gazos, durată de viaţă limitată. Permite obţinerea unei autonomii a electromobilelor de 260 km, la o viteză de 50 km/h. f. Bateria LiAl – FeS (FeS 2 ) Temperatura de funcţionare este ridicată (350 – 500° C). Este sigură, nu posedă componenţi periculoşi. Energia masică este 100 wh/kg pentru varianta FeS şi 225 wh/kg pentru FeS 2 . Debutul industrial este prevăzut pentru 2002 – 2005. g. Bateria Litiu - polimer 71

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Electrodul negativ de LiAl de la varianta precedentă a fost înlocuit cu un electrod organic, sau litiul este intercalat în reţeaua polimerică. Pe termen lung se preconizează un succes deosebit al acestei baterii prezentând următoarele calităţi: energia masică 300 wh/kg, putere masică 300 w/kg, durata de viaţă: 1000 cicluri de încărcare – descărcare, timp de reîncărcare: 20 minute. O baterie având 20 – 30 kwh asigură automobilului electric o autonomie de peste 300 km.

72

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

4 SISTEMUL DE PORNIRE ELECTRIC 4.1 Generalităţi Sistemul de pornire are rolul de a antrena motorul cu ardere internă cu o anumită turaţie şi un cuplu corespunzător, din starea de repaus până în momentul creării condiţiilor aprinderii amestecului carburant şi pornirii acestuia. În cazul motorului cu aprindere prin scânteie, sistemul de pornire cuprinde doar demarorul. În cazul motorului cu aprindere prin compresie, sistemul cuprinde pe lângă demaror şi dispozitive care permit pornirea la temperaturi scăzute. Aceste dispozitive realizează încălzirea aerului aspirat la pornire (rezistenţa de încălzire, termostarterul) sau creează suprafeţe incandescente în camera de ardere de la care amestecul se aprinde forţat (bujii cu incandescenţă). Condiţiile impuse sistemului de pornire sunt: • asigurarea turaţiei şi cuplului de pornire pentru cele mai grele condiţii; • funcţionarea sigură pe un domeniu cât mai larg de temperatură (-20° C până la +60° C); • decuplarea automată a demarorului, după pornirea motorului; • componentele sistemului de pornire trebuie să prezinte gabarit redus, greutate redusă, fiabilitate bună şi o întreţinere cât mai simplă. Fiind montat pe motor, demarorul este supus unor condiţii de funcţionare foarte severe: • vibraţii puternice (50 – 60 g); • temperaturi ridicate (150 – 180° C); • coroziune (apă, sare, praf, etc.); Funcţionarea demarorului este strâns legată de calitatea bateriei de acumulatori. Puterea dezvoltată de demaror este invers proporţională cu suma rezistenţelor dispozitivului de pornire, urmărindu-se reducerea la cel mai jos nivel posibil a: rezistenţei interne a bateriei, a rezistenţei cablurilor, a pierderilor prin întrefier şi frecărilor. Având în vedere preocuparea generală privind reducerea consumului de combustibil, a poluării şi a zgomotului, există soluţii în acest sens legate de sistemul de pornire. Printre acestea se remarcă următoarele: Sistemul „stop and go”, constituie concepţia potrivit căreia motorul termic este oprit în situaţia în care autovehiculul staţionează (ex. la stop, etc.), după care este pornit automat de către demaror la apăsarea pedalei de acceleraţie. În acest caz, demarorul trebuie să fie conceput în aşa fel încât să poată rezista la un număr foarte mare de cicluri de pornire. Sistemul permite o reducere a consumului de combustibil în regim urban cu 10 – 20%. Pornirea automată, are în vedere un control electronic al autorizării pornirii şi o optimizare a duratei acţionării demarorului funcţie de o serie de parametrii 73

Sistemul de pornire electric

(temperatură, etc.). Avantajele acestei concepţii sunt: creşterea fiabilităţii, reducerea zgomotului, utilizarea de sisteme antifurt. De asemenea se poate realiza o reducere a gabaritului şi greutăţii demarorului care nu va mai fi expus la condiţii atât de severe de funcţionare. Sistemul de pornire rapidă, are în vedere asigurarea unei porniri rapide a motorului cu efect asupra reducerii zgomotului şi a emisiilor poluante. Timpul de pornire poate fi redus prin următoarele soluţii: • optimizarea ansamblului baterie – demaror – control motor; • ameliorarea comportamentului dinamic al demarorului; • optimizarea pornirii prin utilizarea de informaţii în strategia pornirii (ex. poziţie arbore motor); • oprirea automată a demarorului.

4.2 Demarorul Demarorul constituie principalul element al sistemului de pornire. El se compune dintr-un motor electric de curent continuu şi un dispozitiv de cupare. Alimentarea se face de la baterie prin intermediul unui releu dispus separat sau direct pe demaror, fig. 4.1. Din punct de vedere constructiv, demaroarele se aseamănă între ele în privinţa motorului electric dar diferă în ceea ce priveşte dispozitivul de cuplare.Motorul electric care Figura 4.1 corespunde cel mai bine condiţiilor Circuitul de comandă al demarorului impuse pornirii este motorul de curent continuu cu excitaţie serie, care, pe lângă alte avantaje, realizează cel mai puternic cuplu de pornire, fapt prezentat în caracteristica cuplu – turaţie (fig. 4.2). La cupluri mici (mersul în gol), turaţia motorului creşte foarte mult. Din acest motiv se prevede un dispozitiv mecanic de frânare sau o înfăşurare suplimentară cu scopul de a limita turaţia. Construcţia unui demaror clasic este prezentată în fig. 4.3. După cum se observă, demarorul cuprinde trei subansamble principale: motorul electric de curent continuu (a), mecanismul de cuplare (b), Figura 4.2 mecanismul electromagnetic de comandă (c).

Caracteristica mecanică a motorului electric serie

74

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În fig. 4.4 se prezintă construcţia unui demaror modern. Acesta se remarcă prin existenţa excitaţiei cu magneţi permanenţi şi a reductorului planetar (amplificator de cuplu).

Figura 4.3 Construcţia demarorului auto

Figura 4.4 Construcţia demarorului prevăzut cu excitaţie cu magneţi permanenţi

4.2.1 Construcţia motorului de curent continuu Principalele componente ale motorului electric sunt: • statorul prevăzut cu poli şi înfăşurări de excitaţie sau magneţi permanenţi; 75

Sistemul de pornire electric

• rotorul, cu arbore, pachet de tole, înfăşurare rotorică, colector şi eventual reductorul planetar; • scutul dinspre colector cu lagăr şi suportul port - perie; • scutul dinspre pinion cu lagărul respectiv. Statorul este dispus într-o carcasă confecţionată din ţeavă de oţel sau tablă ştanţată, roluită şi sudată. Constructiv, statorul poate fi prevăzut cu excitaţie cu

Figura 4.5 Înfăşurări de excitaţie statorice

magneţi permanenţi sau cu excitaţie electromagnetică formată din poli şi înfăşurări de excitaţie. Numărul de perechi de poli se alege funcţie de puterea demarorului. În general se utilizează două perechi de poli confecţionaţi din bare de oţel sau forjaţi, fixaţi de carcasă cu şuruburi. Înfăşurarea de excitaţie principală se dispune pe polii statorului şi se execută din bare de cupru de secţiune mare, având un număr redus de spire. Izolaţia între spire se realizează cu benzi de preşpan sau leteroid, iar la exterior izolarea se face cu benzi de bumbac impregnate în lac (fig. 4.5). În cazul în care se utilizează înfăşurări de excitaţie auxiliare, acestea se dispun, în general, pe poli diferiţi de cei principali pentru reducerea numărului de legături la bobine. Înfăşurările auxiliare serie se execută din bare de cupru iar cele derivaţie din sârmă. După fixarea pe carcasă, polii se calibrează la interior, pentru a realiza un întrefier cât mai redus. 76

Figura 4.6 Legarea înfăşurărilor de excitaţie

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În fig. 4.6 se prezintă două variante de legare a înfăşurărilor de excitaţie. În trecut, toate demaroarele erau prevăzute cu excitaţie electromagnetică. Progresele realizate în domeniul magneţilor permanenţi au permis în prezent utilizarea acestora ca sursă de excitaţie pentru demaroarele cu putere până la 2 kw utilizate la autoturisme şi autoutilitare. Pentru puteri mai mari se utilizează soluţia de excitaţie electromagnetică. O soluţie foarte modernă o reprezintă magneţii bicomponenţi creaţi în scopul de a ameliora stabilitatea şi insensibilitatea la efectele demagnetizării. Aceştia cuprind două zone distincte: • o zonă, în partea de atac, cu mare inducţie remanentă; • o zonă, în partea de fugă, cu câmp coercitiv puternic care creează insensibilitate la efectele demagnetizării. În fig. 4.7 se prezintă câmpul magnetic de excitaţie creat în cazul unui demaror cu patru poli (excitaţie electromagnetică sau cu magneţi permanenţi).

Figura 4.7 Câmpul magnetic de excitaţie

Creşterea numărului de perechi de poli are efecte pozitive constând în: diminuarea diametrului carcasei, reducerea greutăţii, creşterea puterii şi reducerea costurilor. Pentru reducerea pierderilor de linii de câmp magnetic, determinate de lăţimea redusă a polilor, o soluţie modernă o constituie utilizarea unor piese metalice conducătoare ale fluxului magnetic, numite ghidaje de flux. Rotorul cuprinde un arbore executat din oţel de calitate, capabil să reziste la solicitări mecanice repetate. Pe acesta se dispune un pachet de tole ştanţate din tablă cu grosimea de cca. 1 mm, prevăzute la exterior cu crestături în care se montează înfăşurarea rotorică. În cazul crestăturilor deschise, înfăşurările se introduc separat, după care crestăturile se închid parţial prin sertizare, iar în cazul celor semiînchise, înfăşurările se introduc axial simultan. Înfăşurările sunt confecţionate din bare de cupru, de secţiune dreptunghiulară, rotunjită la colţuri, izolate cu leteroid. În cazul demarorului, înfăşurarea rotorică este de tip ondulat, fig. 4.8. 77

Sistemul de pornire electric

Colectorul este confecţionat din lamele de cupru profilate, izolate între ele, care, din motive tehnologice, sunt de obicei, compuse din două bucăţi, prevăzute cu proeminenţe (steguleţe), între care se fixează capetele secţiunilor înfăşurării rotorice.

Figura 4.8 Schema înfăşurării rotorice

În contact cu lamelele colectorului se află periile, ghidate într-un suport port – perii. Periile sunt de tip metal – grafit, obţinute prin sinterizare. Pentru combaterea salturilor de tensiune la colector, o soluţie modernă constă în utilizarea de perii realizate din două materiale: • o parte de putere, având un conţinut mare de cupru; • o parte de colector, având un conţinut mare de grafit, rezultând două zone distincte (zona de comutaţie şi zona de putere), fig. 4.9. Utilizând această soluţie durata de funcţionare a periilor creşte mult, obţinându-se o bună mentenanţă a demarorului.

Figura 4.9 Perii moderne bicomponente

Scutul dinspre colector, are o formă simplă, se execută din tablă sau aliaje turnate sub presiune. În centru se dispune lagărul din spate confecţionat de obicei din bronz grafitat sinterizat. Pe acest scut se fixează suporţi port – perii confecţionaţi din tablă precum şi bornele principale ale demarorului. 78

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Scutul dinspre pinion, are forme diferite, funcţie de tipul mecanismului de cuplare. Are o construcţie masivă fiind obţinut prin turnare. Conţine celălalt lagăr de sprijin a rotorului şi este prevăzut cu flanşa de fixare a demarorului. Reductorul. Gabaritul rotorului este proporţional cu cuplul realizat. Pentru reducerea greutăţii şi a gabaritului demarorului este necesar un raport de transmitere cât mai mare între pinion şi coroana volantului. Având în vedere că diametrul pinionului şi al coroanei volantului sunt limitate, se poate obţine o majorare considerabilă a raportului de transmitere prin utilizarea unui reductor planetar (amplificator de cuplu) între rotor şi pinion. Ca efect, se obţine un motor electric subdimensionat, care lucrează la o turaţie mai ridicată, deci într-un regim mai stabil. Ţinând cont de limitele mecanice, termice şi electromagnetice, se recomandă următoarele valori ale raportului de transmitere al reductorului: 4 – 5, pentru demaroare de putere mică (pentru autoturisme) 3 – 4, pentru demaroare de putere mare (camioane, autobuze) Pentru o putere egală, în cazul unu demaror de 2,2 kw greutatea demarorului se poate reduce cu 40%. 4.2.2 Construcţia mecanismului de cuplare Dispozitivul de cuplare are rolul de a realiza deplasarea pinionului pe o traiectorie elicoidală până la intrarea în angrenare cu coroana volantului, de a transmite cuplul dezvoltat de demaror şi de a împiedica supraturarea demarorului în momentul pornirii motorului termic, prin întreruperea legăturii rotor – pinion, precum şi de a retrage pinionul în poziţia de repaus. După modul de realizare a mişcării de cuplare, se poate face următoarea clasificare a demaroarelor: • demaror cu cuplare prin inerţie; • demaror cu servomecanism electromagnetic; • demaror cu rotor deplasabil; • demaror cu arbore deplasabil. După felul în care se face decuplarea automată a pinionului după pornirea motorului termic, pot exista următoarele soluţii: • cu decuplare prin retragere pe filet cu pas mare, • cu decuplare prin cuplaj unisens cu role, • cu decuplare prin cuplaj unisens cu discuri. Pinionul demarorului constituie una din piesele cele mai solicitate ale dispozitivului de cuplare, el trebuind să aibă o rezistenţă mecanică ridicată. Pinioanele se execută din oţel cementat, duritatea fiind corelată cu cea a coroanei volantului. Numărul de dinţi este de obicei 9 – 13, modulul între 2 şi 3,5 iar unghiul de angrenare 15 sau 20°. Pentru a întări baza dintelui se face o corecţie a profilului de 1 ... 1,3 mm iar pentru uşurarea cuplării se majorează distanţa dintre axa pinionului şi coroanei cu 0,5 – 1 mm. Jocul lateral între dinţi se alege 0,3 ... 0,9 mm. 4.2.2.1 Demarorul cu cuplare prin inerţie Demaroarele cu cuplare prin inerţie au o construcţie simplă. Mişcarea elicoidală de cuplare prin inerţie a pinionului cu coroana se obţine cu ajutorul dispozitivului prezentat în fig. 4.10. 79

Sistemul de pornire electric

Mişcarea de rotaţie a arborelui demarorului se transmite elastic, prin intermediul unui arc amortizor şurubului cu pas mare montat liber pe arbore. În contact cu şurubul este montată o piuliţă care transmite mişcarea pinionului.

Figura 4.10 Schema dispozitivului de cuplare prin inrţie

În momentul pornirii motorului electric direct la turaţia maximă, ansamblul piuliţă – pinion, datorită inerţiei, are tendinţa de a rămâne în repaus. Ca efect ia naştere un mecanism şurub – piuliţă prin care pinionul va fi deplasat pe traiectoria elicoidală impusă de filetul cu pas mare al şurubului până la angrenarea cu coroana volantului. Cursa axială este limitată de inelul elastic montat pe filet. Deoarece cuplarea se face cu şoc a fost necesară utilizarea arcului amortizor cu secţiune dreptunghiulară care lucrează la torsiune. După pornirea motorului, coroana volantului supraturează pinionul, sensul forţelor se schimbă şi se produce decuplarea. În fig. 4.11 este prezentată schema electrică a demarorului. Dispozitivele de cuplare prin inerţie se folosesc în general pentru demaroare

Figura 4.11 Schema de principiu a demarorului cu cuplare prin inerţie

80

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

de putere mică (sub 0,5 kw). Ele prezintă avantajul că sunt foarte simple, nu necesită dispozitive auxiliare (ex. cuplaj unisens, înfăşurări auxiliare, etc.) şi realizează o angrenare uşoară datorită traiectoriei elicoidale a pinionului. Ca dezavantaj, nu pot fi transmise cupluri prea mari iar cuplarea se face cu şoc puternic dând naştere la uzuri premature. 4.2.2.2 Demaror cu servomecanism electromagnetic Demaroarele cu cuplare cu servomecanism electromagnetic au în prezent cea mai mare utilizare la motoarele autovehiculelor obişnuite. La acestea, mişcarea de angrenare a pinionului cu coroana este comandată de către un electromagnet auxiliar montat la exterior pe carcasa demarorului şi care acţionează asupra pinionului prin intermediul unei pârghii. O imagine de ansamblu a acestui tip de demaror este prezentat în fig. 4.3, iar schema de principiu în fig. 4.12.

Figura 4.12 Schema de principiu a demarorului cu servomecanism electromagnetic

Electromagnetul de acţionare a pinionului (c), fig. 4.3 are o înfăşurare serie (de apel) şi una derivaţie (de menţinere). Funcţionarea are loc în două etape. Prin închiderea contactului de pornire se alimentează atât înfăşurarea serie cât şi înfăşurarea derivaţie a electromagnetului, câmpul magnetic creat deplasând axial miezul care acţionează pârghia de comandă imprimând pinionului o mişcare axială. Deoarece în această etapă alimentarea excitaţiei se face prin intermediul înfăşurării serie, curentul de excitaţie este mic, iar rotorul se va roti lent. Din combinarea celor două mişcări rezultă cursa, elicoidală de intrare în angrenare a pinionului. La capăt de cursă, când pinionul este în angrenare se închide contactul principal şi prin aceasta înfăşurarea serie este scurtcircuitată, demarorul fiind alimentat direct de la baterie, prin borna 30, dezvoltând întreaga putere necesară pornirii. În această etapă 81

Sistemul de pornire electric

Figura 4.13 Schema cuplajului unisens cu role

Figura 4.14 Schema sistemului de oprire a rotorului prin frânare

înfăşurarea derivaţie a releului rămâne alimentată, ea având rolul de a menţine pinionul în angrenare. La deschiderea contactului de pornire se întrerupe alimentarea înfăşurărilor electromagnetului iar arcul contribuie la decuplarea pinionului. Pentru a se evita deteriorarea demarorului prin supraturare în cazul în care motorul a pornit dar contactul de pornire se menţine închis, între arbore şi pinion se montează cuplajul unisens cu role care are rolul de a întrerupe automat legătura pinion – arbore. Schema cuplajului unisens cu role este prezentată în fig. 4.13. În cazul când n 1 >n 2 (la cuplare) mişcarea se transmite prin frecarea dintre elementele 1 şi 2 prin intermediul rolelor de la arbore la pinion, astfel că turaţiile sunt egale. Când n 2 >n 1 (supraturare), egalizarea nu se mai produce întrucât rolele se deblochează devenind libere. Deoarece, după decuplarea pinionului de arbore prin intermediul cuplajului unisens rotorul continuă să se rotească în gol, s-a prevăzut un sistem de frânare simplu prezentat în fig. 4.14. Când pinionul a fost retras din angrenare, la capăt de cursă şaiba de frânare intră în contact cu o suprafaţă fixă a carcasei, oprind rotorul. 4.2.2.3 Demaror cu rotor deplasabil La aceste demaroare cuplarea se realizează prin deplasarea axială şi rotirea cu turaţie mică a rotorului. În fig. 4.15 este prezentat ansamblul unui astfel de demaror, iar în fig. 4.16 schema de principiu. Statorul demarorului dispune, în afară de înfăşurarea de excitaţie principală de două înfăşurări auxiliare, una serie şi una derivaţie faţă de înfăşurarea principală. De obicei înfăşurările de excitaţie auxiliare sunt montate pe poli separaţi existând doi poli principali şi doi poli auxiliari. Comanda cuplării se efectuează cu ajutorul releului care dispune de contactele duble K 1 şi K 2 a căror poziţie poate fi blocată cu ajutorul clichetului. Iniţial, rotorul este menţinut descentrat faţă de poli de către un arc elicoidal. La închiderea contactului de pornire se alimentează releul de comandă care va atrage armătura mobilă a contactelor K 1 şi K 2 . Deoarece contactul K 2 este blocat 82

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

deschis de către clichet se va închide iniţial doar contactul K 1 . Prin aceasta se alimentează înfăşurările de excitaţie auxiliare care vor produce deplasarea axială a rotorului până la centrarea lui faţă de poli. Pentru a uşura această mişcare rotorul este executat cu un salt de diametru.

Figura 4.15 Demaror cu rotor deplasabil

Figura 4.16 Schema de principiu a demarorului cu rotor deplasabil

Conform schemei, în această fază, alimentarea înfăşurării de excitaţie principale se face prin intermediul excitaţiei auxiliare serie cu un curent mic, rotorul efectuând şi o rotaţie cu turaţie redusă. Din suprapunerea celor două mişcări rezultă mişcarea elicoidală de intrare în angrenare a pinionului. 83

Sistemul de pornire electric

La capăt de cursă, când pinionul este în angrenare, talerul montat la capătul colectorului va debloca clichetul eliberând contactul K 2 care se închide. Prin aceasta, alimentarea excitaţiei principale se va face direct de la baterie iar demarorul va dezvolta puterea maximă. În acest timp înfăşurarea auxiliară derivaţie rămâne alimentată în scopul menţinerii pinionului în angrenare. După deschiderea contactului de pornire, arcul readuce rotorul în poziţia de repaus. Pentru a evita supraturarea demarorului după pornirea motorului, se utilizează un cuplaj unisens. Deoarece momentele transmise de aceste demaroare sunt mari, se utilizează cuplaje unisens cu discuri de fricţiune. Schema unui astfel de cuplaj este prezentată în fig. 4.17.

Figura 4.17 Schema cuplajului unisens cu discuri de fricţiune

Între arborele demarorului şi pinion se intercalează pachetul de discuri de fricţiune montate intercalat: cele cu caneluri exterioare în bucşa de antrenare, cele cu caneluri la interior în manşonul filetat, prevăzut la exterior cu caneluri. Manşonul filetat este montat pe filetul de strângere cu pas mare al pinionului. Discurile sunt fixate axial între talerul opritor şi inelul de presiune cu ajutorul arcului diafragmă. Când arborele este elementul conducător, manşonul filetat se deplasează axial (datorită sensului filetului) comprimând pachetul de discuri. În acest fel mişcarea se transmite prin frecare de la arbore la pinion. Şocurile axiale sunt preluate de arcul diafragmă. Când pinionul devine element condus, din partea motorului, pachetul de discuri se desface. La unele construcţii se prevede un disc suplimentar care comandă, în urma deplasării axiale a rotorului intrarea în funcţiune a cuplajului de fricţiune. Reglarea cuplajului şi compensarea uzurilor se face cu piuliţa de reglaj. Astfel de demaroare se construiesc până la puterea de 5 kw şi sunt destinate motoarelor de putere mare.

84

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

4.2.2.4 Demaror cu arbore deplasabil Funcţionarea acestor demaroare este asemănătoare cu cea a demaroarelor cu rotor deplasabil, cu diferenţa că mişcarea specifică de cuplare o execută arborele care trece liber prin centrul rotorului.

Figura 4.18 Demaror cu arbore deplasabil

O vedere de ansamblu este prezentată în fig. 4.18, iar schema de principiu în fig. 4.19. Rotorul este montat pe rulmenţi sau lagăre de alunecare, iar prin el trece liber arborele deplasabil. Legătura mecanică dintre rotor şi arbore se realizează prin intermediul unui cuplaj unisens cu discuri. Piesele polare ale statorului cuprind înfăşurarea principală de excitaţie şi înfăşurarea auxiliară de frânare a rotorului. Sistemul de comandă a cuplării mai cuprinde releul de comandă şi releul de

Figura 4.19 Schema de principiu a demarorului cu arbore deplasabil

85

Sistemul de pornire electric

cuplare montat pe arbore. În repaus arborele este menţinut deplasat de către un arc elicoidal. Releul de cuplare cuprinde trei înfăşurări distincte: înfăşurarea de cuplare (E), înfăşurarea de retragere (G) şi înfăşurarea de menţinere (H). La închiderea contactului de pornire, se alimentează releul de comandă care va deschide contactul C 2 şi va închide contactul C 1 . prin aceasta se realizează alimentarea înfăşurărilor releului de cuplare care va deplasa axial arborele până la intrarea pinionului în angrenare. Totodată se realizează şi alimentarea înfăşurării de excitaţie principale dar prin intermediul înfăşurării releului de cuplare, astfel încât curentul de excitaţie va fi mic iar rotorul se va roti încet. Din combinarea celor două mişcări rezultă mişcarea elicoidală de cuplare a pinionului cu coroana. La capăt de cursă, când pinionul este în angrenare, se închide contactul principal, prin care excitaţia este alimentată direct de la baterie., deci este posibilă pornirea motorului. În această fază, înfăşurările E şi G sunt scurtcircuitate, rămânând alimentată doar înfăşurarea de menţinere H. La deschiderea contactului de pornire, se întrerupe alimentarea releului de comandă care revine în poziţia iniţială, deschizând contactul C 1 şi închizând pe C 2 . prin aceasta se întrerupe alimentarea releului de cuplare şi se alimentează înfăşurarea auxiliară de frânare a rotorului. Supraturarea demarorului este evitată prin utilizarea cuplajului unisens cu discuri montat între arbore şi rotor. Această variantă se utilizează la demaroare de putere foarte mare (până la 25 kw), destinate motoarelor termice de putere mare.

4.2.3 Alegerea demarorului 4.2.3.1 Demaroare pentru autoturisme şi autoutilitare • pentru puteri mai mici de 1 kw se utilizează soluţia de demaroare cu magneţi permanenţi şi antrenare directă; • pentru puteri cuprinse între 1 kw şi 2 kw se utilizează demaroare cu magneţi permanenţi şi reductor (amplificator de cuplu); • pentru puteri mai mari de 2 kw se utilizează demaroare cu excitaţie electromagnetică şi reductor. După cum se observă, tehnologia actuală de fabricaţie a magneţilor permanenţi (compatibili cu producţia de serie mare şi cost limitat) permite utilizarea lor până la o putere a demarorului de cca. 2 kw. În cazul motoarelor mici, este necesar să se dispună de un demaror cu un foarte bun comportament dinamic, situaţie în care, se preferă antrenarea directă (fără reductor), în detrimentul greutăţii şi al gabaritului. 4.2.3.2 Demaroare pentru autovehicule grele (camioane, autobuze, etc.) Criteriile de greutate şi gabarit redus se menţin şi în acest caz. Criteriul de longevitate este totodată primordial. Constrângerile mecanice şi termice existente pe aceste autovehicule sunt în general mai severe decât pe autovehiculele uşoare. 86

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În general, demaroarele pentru autovehiculele grele sunt cu excitaţie electromagnetică şi antrenare directă. La ora actuală, tensiunea de lucru este în acest caz 24 V. Pentru autovehiculele ce lucrează într-un mediu sever (apă, ulei, praf, sare) se utilizează varianta de demaroare complet etanşe. 4.2.4 Caracteristicile electrice ale demarorului Comportamentul în funcţionare al demarorului poate fi apreciat funcţie de caracteristicile sale electrice care prezintă corelaţia dintre cuplul M s , turaţia de antrenare n s şi puterea p s la o anumită tensiune şi temperatură de pornire, funcţie de curentul absorbit, ţinând cont de rezistenţa bateriei şi a conductorilor de legătură. Caracteristicile electrice se pot trasa prin calcul sau se ridică experimental pe standuri speciale.

Figura 4.20 Caracteristicile electrice ale demarorului

În fig. 4.20 se prezintă caracteristicile electrice ale demarorului trasate pentru două valori ale temperaturii (-20° C şi +20° C). 87

Sistemul de pornire electric

Tensiunea disponibilă la bornele demarorului U S este mai mică decât tensiunea bateriei U 0 datorită căderilor de tensiune din conductorii de legătură: (4.1) U S = U 0 − I ( RB + RL ) unde: R B – rezistenţa internă a bateriei; R L – rezistenţa conductorilor de legătură. Cuplul demarorului M S depinde de curentul demarorului I S şi nu de tensiunea acestuia. M S ~ IS , (4.2) unde fluxul magnetic depinde de asemenea de curentul demarorului. La sarcini mici (Imin ) cuplul demarorului are o variaţie parabolică, deoarece fluxul magnetic este aproape proporţional cu curentul, lucru ce se poate observa din caracteristica de magnetizare a circuitului magnetic al electromotorului de pornire, fig. 4.21. adică, (4.3) M ≅ Cem I m2 Figura 4.21 La sarcini mari, cuplul tinde către Caracteristica de magnetizare a circuitului o variaţie liniară deoarece fluxul magnetic magnetic al electromotorului de pornire tinzând către saturaţie la curenţi mari, variaţia cuplului este numai funcţie liniară de I, adică: (4.4) M ≅ Cm I Valoarea maximă a cuplului corespunde curentului de scurtcircuit. Turaţia demarorului, la un anumit cuplu, respectiv curent de sarcină, este proporţională cu tensiunea electromotoare ce ia naştere în înfăşurarea demarorului n S ~ E, (4.5) ExU S – I S xR S , unde: E – tensiunea electromotoare; R S – rezistenţa internă a demarorului. Rezistenţa demarorului R S este dată în documentaţie pentru temperaturile de -20° C, +20° C, sau se poate calcula cu relaţia: U (4.6) RS = SK I SK unde: U SK – tensiunea de scurtcircuit; I SK – curentul de scurtcircuit. Pentru un anumit curent de sarcină I S , raportul turaţiilor va fi: nS2 E2 U S2 − I S RS2 (4.7) = = nS1 E1 U S1 − I S RS1 de unde:

88

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

nS2 = nS1

U S2 − I S2 RS2 U S1 − I S1 RS1

(4.8)

Calculând turaţiile pentru diferiţi curenţi de sarcină se poate trasa caracteristica de turaţie. Ea variază după o hiperbolă la sarcini mici şi aproape liniar la sarcini mari. Scăderea liniară se datoreşte micşorării tensiunii la bornele demarorului. Domeniul de variaţie al turaţiei este între valoarea de mers în gol şi turaţia nulă în scurtcircuit. Curentul de scurtcircuit se calculează cu relaţia: U0 (4.9) I SK = RB + RL + RS Puterea demarorului P S este proporţională cu produsul dintre turaţia n S şi cuplul M S PS ~ MS x nS (4.10) Din valorile turaţiei şi cuplului pentru diferite valori ale curentului se trasează caracteristica de putere. Puterea maximă a demarorului PSmax ca şi cuplul maxim M SK sunt parametri importanţi ai demarorului, ei depinzând de caracteristica de tensiune şi de temperatura demarorului. Turaţia n S la puterea maximă, este de asemenea un parametru important care se are în vedere la alegerea unui anumit tip de demaror. În scurtcircuit la pornire când n=0, I=I SK şi M=M max =M SK , moment ce corespunde pornirii motorului când este învins cuplul rezistent, motorul electric dezvoltă cuplul de pornire maxim. În regim de sarcină, când turaţia demarorului este mai mare decât cea necesară pornirii motorului (turaţia maximă de pornire), şi puterea este aproape I maximă, corespunzătoare curentului I Pmax = SK , motorul electric imprimă motorului 2 turaţia de pornire. În regim de mers în gol, la decuplare, când M S ≅ 0 , curentul I S = 0 , n = nmax , puterea este folosită doar pentru învingerea frecărilor. Asupra caracteristicilor electrice ale motorului electric mai exercită influenţă: capacitatea bateriei, gradul de încărcare al bateriei, temperatura mediului, rezistenţa conductorilor şi a periilor.

4.3 Dispozitive auxiliare de pornire Pornirea motoarelor cu aprindere prin compresie la temperaturi scăzute ridică probleme deosebite. Cuplul rezistent al motorului creşte, condiţiile realizării autoaprinderii se înrăutăţesc datorită suprafeţelor reci ale camerei de ardere iar caracteristicile bateriei de acumulatori sunt mult diminuate. Pentru a uşura pornirea, indiferent de temperatura mediului ambiant, s-au dezvoltat o serie de dispozitive auxiliare care au ca scop atingerea rapidă a temperaturii de autoaprindere prin încălzirea aerului aspirat în cilindri sau crearea de puncte calde în camera de ardere care aprind amestecul carburant. 89

Sistemul de pornire electric

Pe lângă uşurarea pornirii, prin aceste procedee se reduce considerabil şi uzura motorului.

4.3.1 Dispozitive amplasate în galeria de admisie Acestea se folosesc mai ales în cazul motoarelor cu injecţie directă, situaţie în care amplasarea unui dispozitiv direct în camera de ardere devine dificilă. Din această categorie fac parte: • rezistenţa de încălzire; • termostarterul (termoinjectorul). 4.3.1.1 Rezistenţa de încălzire Este folosită frecvent la motoarele cu capacitatea cilindrică sub 4 litri, puterea recomandată fiind de 150 w/litru, situaţie în Figura 4.22 care se poate obţine o scădere a Amplasarea rezistenţei de încălzire în galeria temperaturii limită de pornire cu 5 - 10° C. de admisie Constructiv, rezistenţa poate fi

Figura 4.23 Rezistenţă de încălzire spirală

montată pe o flanşă într-o secţiune a galeriei de admisie, amplasată într-un plan de separaţie sau pe un suport prevăzut cu filet şi hexagon care se montează în peretele

90

Figura 4.24 Schema electrică de pornire cu rezistenţă de încălzire

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

galeriei, după cum se vede în fig. 4.22 în care rezistenţa de încălzire 2 este montată înainte de ramificaţiile 1 ale galeriei. Construcţia rezistenţei este prezentată în fig. 4.23 iar schema electrică a instalaţiei de pornire prevăzută cu rezistenţă de încălzire în fig. 4.24. La pornire, după închiderea contactului general 3, se aduce contactul de pornire 7 pe poziţia 1, prin care se alimentează rezistenţa de încălzire 5 prin intermediul rezistenţei releului termic 4. atingerea temperaturii de regim (cca. 1000° C), este semnalizată de către releul termic 4 prin intermediul lămpii 6. în acest moment se aduce contactul de pornire pe poziţia 2, alimentându-se demarorul. Aerul aspirat trecând peste rezistenţă se încălzeşte, permiţând realizarea în camera de ardere a condiţiilor de autoaprindere a amestecului carburant şi pornirii motorului. În momentul cuplării demarorului rezistenţa releului termic este scurtcircuitată astfel încât rezistenţa ei se răceşte deschizând contactul releului şi întrerupând alimentarea rezistenţei de încălzire. Tensiunea de alimentare a rezistenţei este de 11 – 12 V, curentul absorbit de 33 – 57 A, iar rezistenţa înfăşurării de 0,21 – 0,36 Ω. 4.3.1.2 Termostarterul (termoinjectorul)

Figura 4.25 Amplasarea termostarterului pe motor

Se utilizează în cazul motoarelor cu injecţie directă având o capacitate cilindrică mai mare de 4 litri, principiul de funcţionare constând în încălzirea aerului aspirat de motor la pornire prin vaporizarea şi arderea unei cantităţi de motorină în galeria de admisie. Figura 4.26 Numărul termostarterelor poate fi Construcţia termostarterului de unu sau mai multe funcţie de capacitatea cilindrică a motorului, iar amplasarea lor se face în galeria de admisie, înainte de ramificaţiile acesteia, conform fig. 4.25.Construcţia termostarterului este prezentată în fig. 4.26. 91

Sistemul de pornire electric

Corpul metalic 3 este prevăzut cu racordul de alimentare cu motorină 4 şi duza cu sită 5. În interior se află montat cilindrul de vaporizare 7, prevăzut în interior cu o rezistenţă de încălzire, alimentată prin borna 1. În partea inferioară se află tubul de ardere 9 montat în interiorul unui ecran cilindric 11 prevăzut cu orificii. Alimentarea cu motorină a termostarterului se face conform schemei prezentate în fig. 4.27. Motorina este aspirată de pompa de alimentare 4 din rezervorul 7, trece prin filtrul 1 după care ajunge la pompa de injecţie 3. În circuitul de retur, este montat racordul 2 prin care motorina ajunge la electroventilul 5 care comandă cantitatea de motorină ce urmează să fie admisă în termostarterul 6.În fig. 4.28 este prezentată schema electrică a sistemului de pornire cu termostarter. La pornire se închide contactul general 3, după care contactul de pornire 6 se aduce pe poziţia 1 alimentându-se termostarterul 5 prin intermediul rezistenţei releului termic 4. În momentul în care termostarterul a atins temperatura de incandescenţă (cca. 55 sec de la alimentare), releul termic cu rezistenţă 4 comandă electroventilul 8 care se deschide şi lampa de control 7 care se aprinde. În acest moment contactul de pornire se comută pe poziţia 2 prin care Figura 4.27 se realizează alimentarea demarorului şi Schema circuitului de alimentare c motorină a a termostarterului direct de la borna 17, rmostarterului scurtcircuitându-se rezistenţa releului

Figura 4.28 Schema electrică a sistemului de pornire cu termostarter

92

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

termic care începe să se răcească. Prin deschiderea electroventilului, termostarterul este alimentat cu motorină care este vaporizată şi aprinsă încălzind aerul aspirat la pornire. Contactul de pornire se menţine pe poziţia 2 până în momentul pornirii motorului. După un interval de cca. 45 sec, prin răcire, releul termic decuplează electroventilul închizând accesul motorinei şi stinge lampa de control. În fig. 4.29 se prezintă o altă variantă constructivă de termostarter (termoinjector), care are dispozitivul de dozare a cantităţii de motorină încorporat. În interiorul corpului metalic 1 se află corpul cu duză 2 în care este montată bila 3 şi ştiftul 4.

Figura 4.29 Termostarter tip 357/23 24 V

Pe corpul duzei este montată rezistenţa de încălzire 5, iar în continuare filamentul de aprindere 6 protejat de ecranul cu fante 7. În acest caz alimentarea cu motorină se face prin cădere de la o înălţime de 100 – 250 mm dintr-un rezervor tampon de cca. 25 cm3 alimentat permanent de circuitul de retur al motorinei. La pornire, se alimentează mai întâi rezistenţele termostarterului. Ca efect corpul duzei se dilată iar ştiftul 4 deschide supapa cu bilă care permite unei anumite cantităţi de motorină să intre în termostarter unde este vaporizată şi aprinsă de filamentul 6, astfel încât în momentul acţionării demarorului (după cca. 15 sec) motorul aspiră aer cald. La deconectare, prin răcirea realizată de aerul aspirat, supapa termică se închide, iar termostarterul este scos din funcţiune. Pentru o funcţionare corespunzătoare, cantitatea de motorină cu care trebuie alimentate termostarterele trebuie să fie de 1 cm3 pentru fiecare litru al capacităţii cilindrice şi minut de acţionare. Puterea termostarterelor este de 200 – 400 W, amplasarea se face ţinând cont de indicaţiile constructorului, fie perpendicular, fie sub un unghi (±20°) faţă de orizontală înainte de ramificaţiile galeriei.

93

Sistemul de pornire electric

4.3.2 Dispozitive amplasate în camera de ardere Se folosesc în special la motoarele cu cameră de ardere divizată şi are rolul de a crea suprafeţe calde în interiorul camerei de ardere capabile să aprindă amestecul carburant. Aceste dispozitive sunt cunoscute sub numele de bujii cu incandescenţă. În fig. 4.30 se prezintă modul de amplasare a bujiilor cu incandescenţă faţă de injector astfel încât să se obţină o eficacitate maximă. Din punct de vedere constructiv, bujiile cu incandescenţă diferă între ele, funcţie de modul de legare în circuitul de alimentare, existând două tipuri: bujii legate serie (bipolare) şi bujii legate derivaţie (unipolare).

Figura 4.30 Amplasarea bujiei cu incandescenţă în camera de ardere

Figura 4.31 Bujia cu incandescenţă bipolară

4.3.2.1 Bujia cu incandescenţă bipolară Bujia cu incandescenţă bipolară este prezentată în fig. 4.31. Ea este formată dintr-un corp metalic prevăzut cu filet şi hexagon, pe care se montează prin intermediul unui izolator o spirală care se încălzeşte până la 1100° C. Amestecul carburant se aprinde de la bujie, permiţând pornirea motorului. După pornire bujiile sunt deconectate. Spiralele bujiei sunt din crom – nichel având diametrul de 1,6 – 2 mm; pentru a nu se coroda sau arde din cauza substanţelor cu care vin în contact. Tensiunea de alimentare poate fi 0,9 – 1,7 V iar curentul nominal de 42 – 49 A, având o putere de 45 – 70 W. Etanşarea se face cu garnitura de etanşare iar diametrul filetului poate fi M14 sau M18. Timpul de cuplare până la incandescenţă este de cca. 50 sec. Pentru ca montarea în serie să poată fi posibilă, aceste bujii nu trebuie să aibă legătura spiralelor la masă ci ambele capete izolate, dispunând de două borne (bipolare). 94

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

4.3.2.2 Bujia cu incandescenţă unipolară

Bujia cu incandescenţă unipolară, fig. 4.32, este formată dintr-un corp de oţel 4 prevăzut cu filet şi hexagon la exterior în care este montat cilindrul 11 confecţionat din oţel rezistent la substanţele din camera de ardere. Acest cilindru adăposteşte rezistenţa de încălzire 8 confecţionată dintr-un material special (inconel 600), care prin proprietăţile pe care le are permite realizarea în timp foarte scurt a temperaturii de regim de cca. 1000° C. Rezistenţa este montată într-o pulbere ceramică 9 care realizează izolarea spirelor şi transmiterea căldurii către tubul de încălzire 11. Alimentarea bujiei se face prin borna 1 izolată prin inelul izolator 3. În fig. 4.33 se prezintă variaţia temperaturii bujiei funcţie de timpul de cuplare. Prin materialele utilizate, se urmăreşte realizarea unei pante cât mai mari, astfel încât temperatura de regim (1000° C) să fie atinsă într-un timp cât mai scurt. Bujiile cu incandescenţă unipolare legate derivaţie, se construiesc cu filet M14 sau M18, au o putere de 100 – 120 W, au tensiunea de alimentare de 10,5 sau 22 V, iar curentul nominal de 9,5 sau 5 A. Temperatura pe care trebuie să o realizeze bujia pentru ca pornirea să fie posibilă la diverse temperaturi ale motorului este prezentată în fig. 4.34. Cu cât scade temperatura mediului, cu atât temperatura bujiei trebuie să fie mai mare. Figura 4.32 Pentru comanda bujiilor cu incandescenţă se Bujia cu incandescenţă unipolară folosesc scheme de tipul celor prezentate în fig. 4.24

Figura 4.33 Variaţia temperaturii bujiei funcţie de timpul de cuplare

Figura 4.34 Temperatura necesară bujiei pentru asigurarea pornirii funcţie de temperatura motorului

95

Sistemul de pornire electric

şi 4.28, respectiv, înainte de cuplarea demarorului se alimentează bujiile cu incandescenţă legate serie sau derivaţie. Atingerea temperaturii de regim este semnalizată de releul termic cu rezistenţă prin intermediul lămpii de control, moment în care se trece la alimentarea demarorului, amestecul carburant fiind aprins de bujii. Deoarece în această perioadă rezistenţa releului termic este scurtcircuitată, ea se răceşte deschizând contactele releului care decuplează bujiile. În locul releului obişnuit, la construcţiile moderne se utilizează un releu electronic care funcţie de temperatura motorului reglează automat timpul de cuplare al bujiilor cu incandescenţă.

96

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” BRAŞOV

Valeriu ENACHE

SISTEME ELECTRICE ŞI ELECTRONICE ALE AUTOVEHICULELOR Volumul II

2009

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

1 RETEAUA ELECTRICĂ DE BORD, MULTIPLEXAREA Dezvoltarea fără precedent a echipamentului electric şi electronic auto a avut o influenţă puternică şi asupra cablajului electric. Începând in anul 1970 fasciculele de cablaje şi-au dublat volumul şi complexitatea la fiecare 10 ani. Zecile de calculatoare şi blocuri electronice trebuie alimentate cu informaţii diverse pentru a genera funcţionarea optimă a tuturor echipamentelor şi accesoriilor pentru a se asigura confortul şi securitatea precum şi pentru gestionarea echipamentelor mecanice. Dar cu sistemele tradiţionale de cablaje s-ar fi ajuns la complexităţi şi imposibilităţi care ar fi frânat dezvoltarea automobilului. O soluţie o reprezintă cablajul plat. Acesta se compune din mai multe piste conducătoare de lăţimi diferite fixate într-un izolator, fiecare conductor având grosimea de 0,076 mm. Soluţia se preteză în special pentru cablajul dispus pe pavilion, iar în cazul unor defecţiuni se impune înlocuirea întregului fascicul. Dar cea mai bună rezolvare a problemei o constituie multiplexarea. Acest sistem cu aplicaţii în telefonie permite tranzitarea în acelaşi timp şi pe aceeaşi linie a mai multor convorbiri. În cazul automobilului, pe acelaşi cablu vor putea circula mai multe informaţii fără a se perturba între ele. De exemplu sistemele ABS, air-bag, injecţia de benzină sau motorină, climatizarea, sistemele de control a traiectoriei, etc.. Pentru aceasta este necesar să se treacă de la informaţii de tip analog, care necesită un cablu separat, la informaţii numerice care permit tranzitarea pe un singur cablu a numeroase informaţii.

1.1 Multiplexarea 1.1.1 Principiul de funcţionare Multiplexarea constă în schimbul mai multor informaţii între diverse echipamente pe un singur canal de transmisie. Principiul este utilizat în reţelele telefonice, televiziune, radio, etc. Principiul multiplexarii permite: • simplificarea cablajului; • comunicarea echipamentelor între ele; • reducerea numărului de captori (distribuirea informaţiei). Echipamentele de bord sunt conectate într-o reţea. Soluţia se justifică deoarece autovehiculele actuale şi de perspectivă nu sunt un ansamblu de echipamente electronice izolate ci un sistem unic.

99

Managementul motorului cu aprindere prin scânteie

Pentru a putea transmite date multiplexate trebuie definite cu precizie următoarele aspecte: • suportul sau canalul de transmitere (fibră optică, undă radio, etc.); • reprezentarea semnalelor de suport (tensiune, curent, lumină); • protocolul de comunicare. Protocolul de comunicare defineşte toate regulile privind schimbul de date între echipamente (modul de transmitere: analogic, numeric, tipul codului, adresa, ordinea de transmitere, detectarea erorilor, etc.). Suportul de transmitere utilizat va fi o pereche de fire, denumit în mod curent BUS. Este vorba deci despre o transmitere de date serie, inofrmaţii transmise una după alta. Semnalele sunt generate în tensiune sau în curent, iar cele două protocoale utilizate sunt: VAN – Vehicle Area Network; CAN – Controller AreaNetwork.

1.1.2 Protocolul de comunicare Uin mesaj emis pe o reţea multiplexată de către un echipamnet este numit TRAMĂ. TRAMA este compusă dintr-o suită de impulsuri (numite biţi) care pot avea valoarea 1 sau 0, ceea ce înseamnă deci prezenţa sau absenţa semnalului transmis. Acesta este protocolul de comunicare care va defini structura unei TRAME figura 1.1

Figura 1.1 Structura unei TRAME

O trama B este compusa din mai multe blocuri sau campuri A: un inceput de trama 2; • un identificator 3; • un câmp de comandă 4; • datele transmise 5; • un câmp de control 6; • un aviz de primire 7; • un sfârşit de tramă 8. Începutul semnalează diferitelor echipamente că va fi emisă o tramă. Identificatorul serveşte la indicarea destinatarilor (adresele) mesajelor.

100

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Câmpul de comandă indică natura mesajului (transmiterea unei informaţii, a unui ordin sau a unei comenzi). Datele sunt ordine sau informaţii de transmis. Câmpul de control permite să se verifice dacă datele transmise nu sunt alterate (validitatea mesajului). Dacă mesajul nu este valid, emitentul distruge mesajul şi va emite din nou o tramă puţin mai târziu. Verificarea – avizarea – este realizată de către echipamentul care consumă mesajul; aceasta permite asigurarea unei bune recepţii a mesajului de către destinatar. Sfârşitul tramei permite revenirea reţelei în stadiul iniţial. Din figura 1.2 rezultă că o parte din informaţiile transmise (2, 3, 4, 6, 7 şi 8) nu sunt utilizate decât pentru a asigura comunicarea de date utile.

Figura 1.2 Gestionarea priorităţilor

1.1.3 Gestionarea priorităţilor; coliziunea TRAMELOR nedistructive Protocolul permite gestionarea problemelor de coliziune, deoarece mai multe echipamente pot emite o tramă simultan. Fiecare emitent citeşte în timpul transmiterii semnalele din reţea. Dacă constată o diferenţă între semnalul emis şi semnalul primit, el recunoaşte că un alt echipament emite o tramă de prioritate mai mare. Ca urmare, va întrerupe imediat transmiterea sa ceea ce va permite tramei cu cea mai mare prioritate sa fie transmisă. Această coliziune nedistructivă este percepută numai ca un principiu de arbitraj bit cu bit, unul fiind numit bit dominant (valoarea 0),celalalt bit latent (valoarea 1). În figura 1.4 se prezintă un exemplu de gestionare a priorităţilor. 9 – tramă emisă de către echipamentul C, 10 – tramă emisă de către echipamentul D, 11 – trama transmisă prin reţea, a – pierdere prin arbitraj, t – timp. La un anumit timp t 1 echipamentul C – trama 9 – doreşte să emită un bit 1 şi citeşte în reţea un bit 0 (trama 11). El va întrerupe transmisia sa urmând pierderea prin arbitraj (a). Echipamentul D va continua transmisia sa (trama 10) cu cea mai mare prioritate. Trama transmisă prin reţea (11) este trama emisă prin echipamentul D (10). Trama emisă prin echipamentul C (9) va fi retransmisă ulterior.

101

Managementul motorului cu aprindere prin scânteie

1.1.4 Protocoalele VAN şi CAN

Protocolul VAN a fost creat în 1985/1986 fiind dezvoltat de PSA/Renault şi standardizat ISO în 1992. Prima aplicaţie pe un autovehicul a fost realizată de către Citroen pe un model XM (1993/1994). Lungimea datelor transmise poate varia între 0 şi 28 octeţi (1 octet = o succesiune de 8 biţi = 8 valori de 0 sau 1). Protocolul VAN are un arbitraj bit cu bit pe toată durata tramei. Viteza maximă de transmitere permisă de norme este de 250000 biţi pe secundă. Schimburile sunt de tip „stăpân-sclav-multistăpân-mixte”. Defectele de linie (scurtcircuit, circuit deschis) sunt detectate. Protocolul CAN a fost creat în 1980, a fost dezvoltat de R Bosch şi standardizat ISO în 1991. Primele componente au apărut în 1987 iar prima aplicaţie pe un autovehicul în 1992 pe un Mercedes. Protocolul CAN are un arbitraj bit cu bit numai pe câmpul identificator. Lungimea datelor poate varia de la 0 la 8 octeţi. Viteza maximă de transmitere permisă prin norme este de 1000000 biţi/secundă. Schimburile sunt de tip „multistăpân” la plecare, sau pot fi de asemenea de tip „stăpân-sclav”. Defectele de linie (scurtcircuit, circuit întrerupt) sunt detectabile. Schimbul „stăpân-sclav”: gestiunea (inteligenţa sistemului) este concentrată într-un singur echipament numit „stăpân” în timp ce celelalte echipamente „sclavi” generează doar funcţiile periferice (captori, acţionări electrice). „Sclavii” nu pot transmite ordine. Schimbul „multistăpân”: echipamentele din reţea au toate inteligenţă pentru a genera funcţii complexe. Mixt: reţeaua este compusă din mai multe echipamente „stăpân-sclav”.

1.2 Diagnosticare: detectarea defecţiunilor Sistemul multiplexaj oferă un diagnostic complet, în consecinţă multiplexajul va modifica metodologia de defectare a defecţiunilor. În cazul clasic, figura 1.3 – defectarea Figura 1.3 unui captor (2) poate antrena o disfuncţie a Diagnosticarea unui sistem clasic funcţiilor gestionate de calculator (1). În cazul sistemului multiplexat, figura 1.4 – defectarea unui captor (gestionat de către calculatorul 1) poate antrena disfuncţii asupra altor funcţii (gestionate de calculatoarele 4, 5, 6). Va trebui deci reconstruit lanţul de informaţii pentru a putea depista originea defecţiunii (reţea 3, calculator 1, captor sau Figura 1.4 cablaj). Diagnosticarea în sistemul multiplexat

102

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

2 MANAGEMENTUL MOTORULUI CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE Managementul motorului cu aprindere prin scânteie cuprinde sistemul de comandă al aprinderii şi al carburaţiei. Concepţia sistemului asigură funcţionarea motorului la parametrii superiori prin optimizarea avansului la aprindere şi a cantităţii de combustibil pentru toate regimurile de funcţionare. Efectul obţinut constă în realizarea unor parametrii superiori de funcţionare concomitent cu reducerea consumului de combustibil şi a poluării.

2.1 Controlul parametrilor funcţionali ai motorului Raportul aer benzină Pentru arderea completă a unui kilogram de benzină este necesară o cantitate de aproximativ 14,5 kg de aer. Acest raport stoichiometric ideal aer/benzină este descris de coeficientul de exces de aer λ. În cazul amestecurilor sărace (λ > 1), conţinutul de aer este mai mare, iar în cazul amestecurilor bogate (λ < 1), conţinutul de aer este redus. Raportul aer/benzină exercită un efect decisiv asupra caracteristicilor de funcţionare ale motorului. Amestecurile bogate (λ ≈ 0,9) furnizează cupluri mari şi constante, dar acest avantaj este însoţit de creşterea emisiilor de CO şi HC, precum şi de creşterea consumului de combustibil (figura 2.1). Pentru un coeficient de exces de aer λ=1 performanţele motorului sunt bune şi în plus, efectul tratării catalitice este maxim, permiţând încadrarea în normele antipoluare. Calitatea amestecului aer – benzină Omogenitatea amestecului aer/benzină determină calitatea arderii în motorul cu aprindere prin scânteie. Deşi sistemul clasic cu carburator Figura 2.1 realizează o bună amestecare a combustibilului, Influenţa coeficientului de exces de aer şi variaţia vacuumului determinată de deschiderea a avansului la aprindere asupra cuplului şi a consumului de combustibil clapetei de acceleraţie influenţează acest

103

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

proces. Injecţia de benzină, mono şi multipunct, realizează o calitate bună a amestecului carburant indiferent de regimul de funcţionare a motorului. O bună omogenitate poate fi obţinută la diverse curgeri ale aerului în jurul injectorului, ceea ce permite reducerea diametrului duzelor la 40 – 60 µm. Controlul amestecului În cazul sistemului cu carburator sau injecţie monopunct, menţinerea unei furnizări constante a cantităţii de combustibil la diverşi cilindrii este dificilă. În particular, la sistemul cu carburator acest fapt este îngreunat de multiplele combinaţii ale jetului de combustibil, de pasajele de descărcare şi diversele configuraţii ale traseului. În cazul sistemului de injecţie monopunct este posibil să se obţină o îmbunătăţire a distribuţiei amestecului carburant printr-o judicioasă poziţionare a clapetei de acceleraţie şi a injectorului. Sistemul multipunct realizează cea mai bună distribuţie a amestecului carburant la cilindrii, variaţiile de la un cilindru la altul depăşind doar rareori 0,5 – 3%. Energia necesară aprinderii amestecului carburant Sistemul de aprindere realizează descărcarea unei energii înalte între electrozii bujiilor, determinând producerea scânteii şi iniţierea arderii amestecului carburant. Pentru aprinderea amestecului stoichiometric aer/benzină este necesară o energie de cca. 0,2 mJ, pe când în cazul amestecurilor bogate sau sărace (λ ≠ 1) sunt necesare nivele mult mai ridicate ale energiei. O energie mare de aprindere, realizată în cazul sistemelor de aprindere tranzistorizate sau electronice are ca efect stabilizarea propagării flăcării şi alternarea fluctuaţiilor interciclice, cu efect asupra funcţionării motorului şi reducerii emisiilor de HC. Un alt efect pozitiv asupra funcţionării motorului şi reducerea emisiilor de HC îl are creşterea distanţei dintre electrozii bujiilor şi reducerea dimensiunilor acestora.

Figura 2.2 Influenţa avansului la aprindere şi a coeficientului de exces de aer λ asupra conţinutului gazelor de eşapament

Avansul la aprindere Modificarea avansului la aprindere are ca efect modificarea consumului de combustibil şi emisia de gaze toxice (fig. 2.2). În timp ce un avans mare determină creşterea puterii şi reducerea consumului de combustibil, are loc creşterea conţinutului de HC şi în particular de NO x din gazele de eşapament. Un avans excesiv poate provoca de asemenea apariţia detonaţiei şi deteriorarea motorului.

104

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Avansul mic la aprindere are ca efect reducerea randamentului motorului, creşterea consumului de combustibil şi creşterea temperaturii gazelor, cu efect negativ asupra funcţionării motorului. Managementul electronic al motorului se caracterizează prin adaptarea avansului la aprindere, la variaţia unor factori ca: turaţie, sarcină, temperatură şi asigurarea unui coeficient de exces de aer în jurul valorii λ = 1, realizând un compromis optim între multiplele obiective antagoniste prezentate mai sus.

2.2 Sistemul de aprindere Rolul sistemului de aprindere este acela de a furniza scânteia electrică în interiorul cilindrilor, la momente strict determinate şi într-o ordine prestabilită în vederea aprinderii amestecului carburant. Funcţionarea sistemului de aprindere cuprinde un ansamblu de fenomene care se succed cu mare rapiditate: • livrarea şi acumularea energiei pentru aprindere; • crearea tensiunii înalte; • repartizarea impulsurilor de înaltă tensiune pe cilindrii, cu o anumită frecvenţă şi într-o ordine prescrisă; • străpungerea spaţiului disruptiv dintre electrozii bujiilor şi aprinderea amestecului carburant. Acumularea energiei se poate realiza în câmpul magnetic al unei bobine (sistemul de aprindere inductiv) sau în câmpul electric al unui condensator (sistemul de aprindere capacitiv). Pentru producerea unei scântei electrice între electrozii distanţaţi la 0,6 mm, în condiţiile presiunii atmosferice, este necesară o tensiune de 2 – 3 kV, respectiv o energie de 0,2 mJ. În cazul presiunii din camera de ardere, pentru un raport de comprimare de 8:1 este necesară o tensiune de 8 kV, respectiv o energie de 3mJ, iar pentru rapoarte de comprimare mai mari şi amestecuri sărace, tensiuni mai mari de 20 kV. Sistemele de aprindere moderne, performante, pot realiza tensiuni mai mari de 40kV. Dacă energia disponibilă nu este suficientă, amestecul carburant nu se poate aprinde apărând rateuri la aprindere. De aceea energia disponibilă trebuie să fie suficientă chiar şi în cele mai defavorabile condiţii. O scînteie puternică, o distanţă mare între electrozi şi o puternică turbulenţă a amestecului carburant au efect pozitiv asupra aprinderii amestecului. Generarea tensiunii înalte În cazul aprinderii de la baterie, tensiunea înaltă necesară producerii scânteii este generată de către bobina de inducţie. Aceasta funcţionează ca un autotransformator, dar în plus îndeplineşte şi rolul de acumulator al energiei necesare producerii scânteii. În timpul alimentării circuitului primar, bobina acumulează energia electrică în câmpul său magnetic, după care, în momentul întreruperii alimentării transformă această energie în impulsuri de înaltă tensiune în secundar, capabile să producă scântei între electrozii bujiilor. Tensiunea înaltă din secundar depinde în principal de valoarea şi evoluţia curentului din primarul bobinei.

105

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Viteza de creştere a curentului prin primar este esenţială deoarece aceasta determină valoarea curentului de rupere (valoarea la care ajunge curentul în momentul întreruperii alimentării). Dacă se cunosc parametrii electrici ai circuitului primar, valoarea instantanee a curentului din primar poate fi determinată cu relaţia: − U 1 − e L R 

R⋅ t

i= unde:

   

(2.1)

i – valoarea curentului din primar; R – rezistenţa totală a primarului, U – tensiunea de alimentare; L – inductanţa primarului;

t – timpul de alimentare al primarului. Pentru a avea o imagine asupra fenomenului, se prezintă câteva valori ale parametrilor ce apar în relaţia de mai sus, în cazul unui sistem de aprindere convenţional, respectiv electronic. Aprindere convenţională R=3–4Ω U = 14 V L = 10 mH

Aprindere electronică R=1Ω U = 14 V L = 4 mH

În cazul unui motor cu 4 cilindrii care funcţionează la turaţia de 3000 rot/min, sistemul de aprindere trebuie să realizeze 6000 scântei/minut (4 scântei la două rotaţii complete ale motorului), adică 100 scântei pe secundă. La această frecvenţă, timpul unui ciclu de formare al unei scântei este de 10 ms. Dacă 60 % din acest timp este utilizat pentru alimentarea primarului, rezultă că la turaţia de 3000 rot/min, timpul de alimentare va fi de 6 ms iar la 6000 rot/min de 3 ms. Înlocuind aceste valori în relaţia (2.1), valoarea curentului prin primarul bobinei va fi cea indicată în tabelul 2.1. Valoarea curentului din primar

turaţia

Sistemul de aprindere convenţional electronic

tab.2. 1

3000 rot/min

6000 rot/min

3,2 A 10,9 A

2,4 A 7,3 A

Valorile obţinute indică faptul că energia stocată în înfăşurarea primară este superioară în cazul unei rezistenţe şi inductivităţi scăzute a primarului, caz întâlnit la sistemele de aprindere electronice. Este important de subliniat faptul că valoarea mai mare a curentului obţinut în cazul sistemului electronic ar fi prea mare în cazul sistemului convenţional care este comandat prin contacte mecanice. Energia înmagazinată în câmpul magnetic al înfăşurării bobinei de inducţie este dată de relaţia: E=

106

1 ⋅ L ⋅ i2 2

(2.2)

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În cazul funcţionării motorului la turaţia de 6000 rot/min, energia stocată va fi 30 mJ pentru sistemul convenţional şi 110 mJ în cazul sistemului electronic. Aceste valori arată clar avantajul sistemelor electronice, având în vedere faptul că energia scânteii este legată direct de energia stocată în înfăşurarea bobinei. Concepţia bobinei de inducţie asigură o tensiune disponibilă mai mare decât necesarul producerii scânteii, rezerva de energie şi tensiune înaltă fiind dimensionată pentru a compensa toate pierderile electrice din sistem. În cazul unor motoare performante se utilizează sisteme de aprindere capacitive. În acest caz, energia este stocată în câmpul electric al unui condensator şi transmisă printr-un transformator special la bujii sub formă de impulsuri de înaltă tensiune. Formarea scânteii, aprinderea amestecului carburant După terminarea fenomenului de înmagazinare a energiei prin câmpul magnetic creat de bobină, se întrerupe alimentaera primarului, acesta transformându-se într-un circuit oscilant. În cazul sistemului de aprindere convenţional, energia câmpului magnetic trece din nou în energie electrică Figura 2.3 încărcând un condensator şi invers. Ca Variaţia tensiunii secundare în timp urmare se induc tensiuni atât în primar cât şi în secundar. Tensiunea indusă în primar este de cca. 200V, iar în circuitul secundar cca. 20kV. La aplicarea tensiunii înalte pe electrozii bujiei, în prima fază spaţiul dintre electrozi are o rezistenţă electrică mare. Tensiunea secundară creşte până la valoarea tensiunii de străpungere, valoare la care spaţiul dintre electrozi devine conducător şi se formează scânteia de descărcare disruptivă. Tensiunea secundară scade brusc la o valoare relativ mică (tensiunea de ardere) care întreţine scânteia (figura 2.3).

Figura 2.4 Variaţia tensiunii secundare la turaţii mici

Figura 2.5 Variaţia tensiunii secundare la turaţii mari

107

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Această scânteie se menţine atâta timp cât energia acumulată de bobină depăşeşte o anumită valoare. După ce energia rămasă devine insuficientă pentru întreţinerea scânteii, aceasta se stinge iar restul de energie se descarcă prin oscilaţii amortizate ale tensiunii secundare. La turaţii mici amestecul este puţin turbionat, iar variaţia tensiunii este cea prezentată în figura 2.4. La turaţii mari, datorită turbionării intense a amestecului apar intermitenţe ale scânteii care deformează imaginea tensiunii din secundar (figura 2.5). Fenomenul formării scânteii este caracterizat de două etape. În prima fază are loc creşterea bruscă, urmată de scăderea bruscă a tensiunii secundare sub forma unui arc, iar în faza a doua, care are o durată mai mare, o valoare relativ scăzută a tensiunii pe durata existenţei scânteii (figura 2.4 şi 2.5). În prima fază (descărcarea capacitivă), scânteia are o culoare albă, provocând efecte fotochimice în amestec care favorizează aprinderea. În faza a doua (descărcarea inductivă), scânteia are o culoare roşie, preponderentă fiind aprinderea după modelul termic. Momentul producerii scânteii – avansul la aprindere Amestecul carburant nu arde instantaneu. Timpul scurs între momentul producerii scânteii, aprinderea amestecului şi terminarea arderii este de cca. 2 ms. Pentru ca motorul să lucreze cu un randament bun, este necesar ca presiunea din camera de ardere, obţinută în urma arderii complete a amestecului carburant, să se realizeze la începutul cursei active a pistonului, la cca. 10 º RAC după punctul mort superior. Ca urmare, pentru a se asigura timpul necesar arderii complete a amestecului carburant este necesar ca scânteia să se producă înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort superior. Momentul producerii scânteii, exprimat în grade de rotire ale arborelui motor (ºRAC), măsurat în avans faţă de punctul mor t superior poartă numele de a v a n s la aprindere. În figura 2.4 se prezintă influenţa valorii unghiului de avans asupra presiunii din camera de ardere în trei situaţii: 1 – avans normal (Z a ), 2 – avans mare (Z b ), 3 – avans mic (Z c ). Valoarea unghiului de avans trebuie aleasă astfel încât să răspundă următoarelor exigenţe:

detonaţie;

•

putere maximă a motorului;

•

consum redus de combustibil;

•

evitarea

regimului

de

• poluare redusă. Aceste exigenţe nu pot fi satisfăcute simultan, soluţia constând în găsirea de compromisuri rezonabile. Avansul la aprindere depinde de numeroşi factori, dintre care cei mai importanţi sunt: concepţia motorului, calitatea carburantului, tuaţia motorului, sarcina motorului. Adaptarea valorii avansului la condiţiile

108

Figura 2.6 Variaţia presiunii din camera de ardere funcţie de avansul la aprindere

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

instantanee de funcţionare ale motorului este asigurată de sistemul de reglare a avansului care poate fi convenţional (mecanic) sau electronic. Elementul care caracterizează sarcina motorului este valoarea depresiunii din galeria de admisie, măurată sub clapeta de acceleraţie, care la rândul său depinde de poziţia clapetei. La sarcină totală, clapeta de acceleraţie este deschisă complet, iar amestecul arde în condiţii bune. La sarcini parţiale sau frânarea cu motorul, deschiderea clapetei se reduce, amestecul este mai sărac, se aprinde şi arde mai greu, iar ca urmare este necesar să se mărească timpul afectat arderii, prin mărirea avansului la aprindere. Creşterea turaţiei determină săderea timpului afectat arderii amestecului carburant. Pentru ca arderea să fie completă şi la turaţii ridicate, este encesar ca odată cu mărirea turaţiei, avansul la aprindere să crească, astfel încât punctul de presiune maximă din camera de ardere (figura 2.6) să-şi păstreze poziţia la cca. 10 ºRAC după PMS. Rezultă că, pentru ca motorul să poată funcţiona în condiţii bune este necesar ca peste avansul fix să se suprapună două corecţii de avans: funcţie de sarcină şi funcţie de turaţie. Reglarea automată a unghiului de avans poate fi realizată prin utilizarea unui sistem mecanic centrifugal şi vacuumatic, în cazul sistemului convenţional de aprindere sau pe cale electronică. Sistemul electronic permite reglarea mult mai precisă şi în plus poate lua în considerare şi alţi parametrii: temperatură, calitatea amestecului carburant, tensiunea bateriei, etc.. Influenţa avansului la aprindere asupra consumului de combustibil şi al poluării. Valoarea avansului la aprindere are un efect semnificativ asupra consumului de combustibil, cuplului motor, dinamicităţii automobilului şi conţinutului gazelor de eşapare. În general, când avansul la aprindere este mai mic decât cel corect, consumul de combustibil creşte, cuplul motor scade şi temperatura motorului poate creşte. Când avansul este mai mare decât cel corect, motorul poate funcţiona în regim de detonaţie, iar gazele de eşapament devin mai poluante. Cei trei principali componenţi ai poluării sunt: hidrocarburile, monoxidul de carbon, oxizii de azot. Emisia de hidrocarburi (HC) şi oxizi de azot (NO x ) creşte la mărirea avansului la aprindere, în timp ce conţinutul de monoxid de carbon se modifică foarte puţin, acesta depinzând de raportul aer/benzină. Creşterea emisiilor poluante este însoţită de obicei şi de creşterea consumului de combustibil. La motoarele moderne, economice, se utilizează amestecuri sărace care să determine consumuri reduse dar şi cupluri mari, fapt ce determină necesitatea unor avansuri mari la aprindere pentru compensarea arderii greoaie a acestor amestecuri. În aceste cazuri amestecul trebuie controlat cu acurateţe pentru a se obţine cel mai bun compromis în privinţa emisiilor poluante. Totodată este necesar un control pentru a nu se ajunge la regimul de funcţionare cu detonaţie.

109

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

2.2.1 Clasificarea sistemelor de aprindere. Evoluţia sistemelor de aprindere. Pe parcursul dezvoltării automobilelor, sistemul de aprindere a cunoscut o evoluţie continuă, scopul urmărit fiind optimizarea funcţionării motorului: obţinerea de randamente superioare, scăderea consumului de combustibil şi reducerea poluării. Clasificarea sistemelor de aprindere (tabelul nr. 2.2) poate fi făcută în funcţie de următoarele aspecte: modul de comandă al aprinderii, modul de reglare al avansului, modul de generare a tensiunii înalte, modul de distribuţie al impulsurilor de înaltă tensiune către bujii. Clasificarea sistemelor de aprindere

tabelul nr. 2.2 Tipul sistemului

Aprindere convenţională

Aprindere tranzistorizată

Aprindere electronică

Aprindere electronică integrală

Comanda aprinderii

mecanic

electronic

electronic

electronic

Reglarea avansului

mecanic

mecanic

electronic

electronic

Generarea tensiunii înalte

inductiv

inductiv

inductiv

inductiv

Distribuţia scânteii

mecanic

mecanic

mecanic

electronic

A. SISTEMUL DE APRINDERE CONVENŢIONAL Acest sistem se mai întâlneşte doar la autovehiculele vechi. Specific este faptul că reglarea avansului, comanda aprinderii şi distribuţia se realizează mecanic. Din punct de vedere constructiv este un sistem simplu, ieftin, uşor de întreţinut, dar care nu permite realizarea unor performanţe superioare. Schema constructivă şi electrică este prezentată în figura 2.7.

Figura 2.7 Sistemul de aprindere convenţional

110

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Semnificaţia notaţiilor este următoarea: 1 – baterie, 2 – contactul aprinderii, 3 – bobină de inducţie, 4 – ruptor – distribuitor, 5 – condensator, 6 – ruptor, 7 – bujii, R v – rezistenţă de balst pentru mărirea tensiunii la pornire. Funcţionare La închiderea contactelor ruptorului, primarul bobinei de inducţie va fi parcurs de curent. Curentul primar nu creşte brusc ci întârziat, după o lege exponenţială, până la valoarea nominală determinată de tensiunea bateriei şi rezistenţa circuitului primar. Întârzierea se datoreşte faptului că în înfăşurarea primară ia naştere un câmp magnetic care induce o tensiune inversă faţă de tensiunea bateriei. Cât timp câmpul magnetic creşte, numai o parte din tensiunea bateriei este activă pentru creşterea curentului din primar. În momentul în care câmpul magnetic a ajuns la valoarea maximă (de saturaţie), acţionează întreaga tensiune a bateriei şi curentul ajunge la valoarea nominală. După terminarea fenomenului de înmagazinare a energiei prin câmpul magnetic creat, cama ruptorului deschide contactele şi circuitul primar se transformă într-un circuit oscilant. Energia câmpului magnetic trece din nou în energie electrică încărcând condensatorul şi invers. Ca efect al variaţiei liniilor de câmp magnetic, atât în primar cât şi în secundarul bobinei de inducţie se vor induce tensiuni electromotoare. Tensiunea indusă în primar (U 1 ) este de cca. 200 V şi se numeşte tensiune de autoinducţie. Tensiunea indusă în secundar (U 2 ) este egală cu tensiunea din primar amplificată cu raportul de transformare al bobinei (cca. 100), deci 20 kV. Impulsurile de tensiune înaltă create în secundar sunt transmise printr-o fişă de înaltă tensiune distribuitorului, iar de aici, în ordinea de aprindere, la bujii. Componentele sistemului convenţional de aprindere. Bobina de inducţie are rolul de a realiza impulsurile de înaltă tensiune necesare producerii scânteii. Bobinele de inducţie utilizate la sistemul de aprindere convenţional au în general o construcţie asemănătoare. Deosebirile care pot apare se referă la materialul carcasei (metalic sau plastic), masa de umplere (răşini epoxidice sau ulei mineral), prezenţa sau absenţa rezistenţei de balast, parametrii realizaţi (bobine normale, bobine rapide). Bobina de inducţie (figura 2.8) este un transformator electric. Cuprinde un miez 3 format din bare sau tole de oţel introduse într-o carcasă de carton electrotehnic, peste care se dispune înfăşurarea secundară 2 executată din cca. 20000 spire din cupru emailat, cu diametrul de 0,06 – 0,08 mm, dispuse în cca. 60 – 80 straturi. Peste înfăşurarea secundară se dispune înfăşurarea primară 1 executată din cca. 200 spire din cupru emailat cu diametrul de 0,7 – 1 mm, dispuse în 5 – 6 straturi. Izolarea se face cu hârtie electroizolantă. Cele două înfăşurări, împreună cu miezul şi circuitul magnetic se introduc în carcasa 6, iar interiorul se umple cu ulei (bobină umedă) sau răşină (bobină uscată). Pe capacul superior se dispun bornele. La borna 4 se lipesc capetele începutului înfăşurării primare şi sfârşitului înfăşurării secundare şi prin ea se face legătura cu ruptorul (borna de comandă a bobinei). Sfârşitul înfăşurării primare se leagă la cealaltă bornă, de joasă tensiune (borna de alimentare), prin care bobina este alimentată de la baterie prin cheia de contact. Începutul înfăşurării secundare se racordează la bornele de înaltă tensiune prin care impulsurile de înaltă tensiune sunt transmise distribuitorului.

111

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

La motoarele performante se utilizeaztă bobine capabile să realizeze un număr sporit de impulsuri pe minut. Aceasta se realizează prin mărirea curentului din primar şi micşorarea inductivităţii respectiv prin micşorarea numărului de spire în înfăşurarea primară, utilizarea unui conductor cu diametrul mai mare, compensarea rezistenţei făcându-se cu o rezistenţă adiţională plasată la exterior. La pornirea motorului rezistenţa adiţională se scurtcircuitează pentru a se obţine un spor de tensiune. Ruptor – distribuitorul Este ansamblul principal al sistemului de aprindere convenţional, incluzând următoarele componente: •

ruptorul împreună cu condensatorul;

•

regulatorul de avans centrifugal;

•

regulatorul de avans vacuumatic;

• distribuitorul. R u p t o r u l este acţionat de către arborele de distribuţie al motorului, turaţia fiind egală cu jumătate din turaţia arborelui motor. Ruptorul constituie elementul de comandă Figura 2.8 al sistemului de aprindere. El este compus dintr-o Construcţia bobinei de inducţie convenţionale pereche de contacte comandate de către o camă. Prin închiderea şi deschiderea contactelor se realizează alimentarea sau întreruperea alimentării primarului bobinei de inducţie (figura 2.9). Contactul fix 1 este montat pe placa ruptorului cu ajutorul şuruburilor 4 care permit reglarea distanţei dintre contacte. Contactul mobil 2 este izolat faţă de masă şi menţinut apăsat pe camă prin arcul lamelar 6. Numărul proeminenţelor camei 3 este egal cu numărul de cilindrii. Profilul camei este realizat în aşa fel încât unghiul de închidere al Figura 2.9 contactelor să fie cât mai mare, în detrimentul Ruptorul unghiului de deschidere. Unghiul sub care contactele sunt inchise (alimentare bobină de inducţie) se numeşte u n g h i D w e l l . Distanţa dintre contacte, reglată prin deplasarea contactului fix este de 0,5 – 0,6 mm. Condensatorul montat în paralel cu contactele ruptorului are rolul de a contribui la mărirea vitezei de variaţie a curentului prin primar şi în acelaşi timp protejează contactele împotriva electroeroziunii prin diminuarea scânteilor.

112

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Regulatorul de avans vacuumatic (figura 2.10) are rolul de a corecta avansul la aprindere funcţie de sarcina motorului. Reglarea se face funcţie de depresiunea din galeria de admisie. Depresiunea este transmisă printr-un racord 5 unei capsule vacuumatice 1, amplasată pe carcasa ruptordistribuitorului şi care dispune Figura 2.10 de o membrană deformabilă 2. Regulatorul de avans vacuumatic (varianta 1) Mişcarea membranei se transmite unei tije 4 care acţionează prin intermediul unei pârghii asupra contactului mobil modificând poziţia acestuia faţă de camă. La alte sisteme, tija regulatorului acţionează direct asupra platoului pe care îl roteşte împreună cu cele două contacte (figura 2.11). Un exemplu privind caracteristica de reglaj realizată de un astfel de mecanism, este prezentat în figura 2.12.

Figura 2.11 Regulatorul de avans vacuumatic (varianta 2)

Figura 2.12 Curba caracteristică a avansului vacuumatic

R e g u l a t o r u l d e a v a n s c e n t r i f u g a l are rolul de a realiza corecţia unghiului de avans funcţie de turaţia motorului, el intrând în funcţiune la turaţii mari (figura 2.13). Reglajul constă în modificarea poziţiei camei ruptorului faţă de contactul mobil, prin modificarea poziţiei relative dintre arborele conducător 1 şi arborele condus 4. Legătura dintre cei doi arbori se realizează prin intermediul contragreutăţilor 8 articulate pe flanşa arborelui conducător şi ghidate prin ştifturi în canalele din flanşa arborelui condus. Forţa centrifugă ce tinde să rotească contragreutăţile este echilibrată de arcurile 9. Când forţa centrifugă depăşeşte forţa arcurilor, contragreutăţile se depărtează de centru antrenând flanşa arborelui condus care conţine cama 5 şi care se va roti faţă de arborele conducător cu unghiul θ. Un exemplu privind caracteristica de reglaj realizată de acest mecanism este prezentat în figura 2.14.

113

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Figura 2.14 Curba caracteristică de avans a regulatorului centrifugal

Figura 2.13 Regulatorul de avans centrifugal

D i s t r i b u i t o r u l are rolul de a transmite impulsurile de înaltă tensiune create de bobina de inducţie către bujii, în conformitate cu ordinea de aprindere (figura 2.15). Se compune dintr-un rotor 1 din material izolator, pe care se fixează lama de distribuţie 2 şi un capac din bachelită pe care sunt dispuse armăturile. Tensiunea înaltă este primită central şi prin rotirea rotorului este Figura 2.15 transmisă armăturilor periferice de unde Dstribuitorul este preluată de fişele de înaltă tensiune şi transmisă bujiilor. F i ş e l e d e î n a l t ă tensiune realizează legătura dintre bobina de inducţie şi distribuitor, respectiv dintre distribuitor şi bujii. Ele trebuie să asigure o izolaţie perfectă pentru a nu fi străpunse de tensiunea înaltă la care lucrează. Totodată, izolaţia trebuie să reziste la uleiuri, combustibili şi variaţiile de temperatură. Peste conductorul din cupru urmează un strat de cauciuc, o ţesătură din fibră de sticlă iar la exterior un strat de neopren. La capete se dispun piese metalice care evită distrugerea terminaţiei şi asigură un contact corespunzător. B. SISTEME DE APRINDERE TRANZISTORIZATE Limitele sistemului de aprindere convenţional sunt determinate de prezenţa contactelor mecanice ale ruptorului care nu permit comanda unor curenţi mari prin

114

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

primar, au o fecvenţă de lucru limitată şi în acelaşi timp o uzură accentuată. Ca urmare, tensiunea din secundar este limitată şi scade odată cu mărirea turaţiei. Pentru îmbunătăţirea performanţelor motoarelor s-a trecut la utilizarea elementelor trazistorizate. Aceste elemente pot funcţiona împreună cu ruptorul în cazul sistemelor tranzistorizate cu contacte mecanice sau înlocuiesc complet ruptorul. Sistemele de aprindere tranzistorizate cu contacte mecanice au constituit primul pas în evoluţia sistemelor de aprindere. Principiul de funcţionare al acestor sisteme constă în utilizarea unui tranzistor de comutaţie care la rândul său este comandat prin contactele mecanice ale ruptorului prin care însă trece un curent mic, de ordinul 0,5 – 1,5 mA. Montajele utilizate pot fi cu tranzistor de germaniu pnp sau siliciu npn, cu conectarea bobinei de inducţie în circuitul emiterului sau al colectorului tranzistorului. Sistemele de aprindere tranzistorizate fără contacte mecanice au reprezentat un pas important în evoluţia sistemelor de aprindere. Aprinderea alimentată de la baterie este supusă unor exigenţe pe care ruptorul nu le putea satisface. Prezenţa componentelor pe bază de semiconductori ale sistemelor de aprindere tranzistorizate, permit înlocuirea ruptorului prin dispozitive de comandă performante, fără uzură. Sistemul fără ruptor se caracterizează prin faptul că rolul ruptorului este preluat de un generator de impulsuri de tensiune sau curent, capabil să realizeze comanda declanşării scânteilor. Sistemul se compune din: comanda aprinderii, treapta de putere, distribuitorul, bujiile. Comanda aprinderii cuprinde generatorul de impulsuri şi elementul de reglare a avansului la aprindere, care poate fi clasic sau electronic. Treapta de putere se compune din tranzistorul de putere şi o bobină de inducţie performantă. Figura 2.16 Distribuitorul are forma clasică, dar cu Schema sistemului de aprindere tranzistorizat fără contacte performanţe sporite, acelaşi lucru este valabil şi pentru bujii. Schema generală a sistemului de aprindere fără contacte mecanice este prezentată în figua 2.16, în care: 4 – modul electronic, 6a – generator de impulsuri de tip inductiv, 6b – generator de impulsuri de tip Hall. Generatoare de impuls Generatorul de impuls este amplasat în compartimentul în care, la sistemeleconvenţionale se află ruptorul. Generatorul poate funcţiona după mai multe principii. Generatorul de tip inductiv (figura 2.17) este realizat pe principiul unui alternator cu excitaţie magnetică permanentă, cuprinzând un stator şi un rotor 4, a cărui număr de proeminenţe este egal nu numărul cilindrilor. Statorul cuprinde magneţii permanenţi 1 şi înfăşurările 2 dispuse pe câte un miez. Tensiunea de semnal este alternativă. Frecvenţa şi amplitudinea impulsurilor depinde de turaţia motorului. Această tensiune alternativă este prelucrată de un modul electronic.

115

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Figura 2.17 Generator de impulsuri de tip inductiv

Figura 2.18 Generatorul de impulsuri bazat pe efectul Hall

Generatorul bazat pe efectul Hall (figura 2.18) cuprinde un rotor 1 cu un număr de fante egal cu numărul cilindrilor. Statorul cuprinde o piesă conducătoare cu magnetism redus 2 şi un material semiconductor bazat pe efectul Hall, 3. Un alt generator de impuls care poate fi utilizat este generatorul de impuls fotolectric. În acest caz rotorul are forma unui disc cu fante iar statorul cuprinde o sursă de lumină (LED) şi o fotodiodă. În figura 2.19 se prezintă schema electrică a unui sistem de aprindere

Figura 2.19 Sistem de aprindere tranzistorizat fără contacte

116

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

tranzistorizat fără contacte. Sistemul se compune dintr-un generator de impuls inductiv 1, un modul electronic de comandă (ce include un circuit basculant monostabil) 2, amplificatorul 3, tranzistorul de putere în regim de comutator 4, bobina de inducţie 5 şi rezistenţa de sarcină 6. La primirea semnalului furnizat de generatorul de impulsuri, dispozitivul de comutare întrerupe un timp ∆t curentul prin primarul bobinei de inducţie, producând scânteia de înaltă tensiune necesară aprinderii amestecului carburant. După trecerea timpului ∆t, circuitul primar al bobinei se închide. Deoarece pentru dispozitivul de comutare este necesar numai semnalul de o anumită polaritate, cealaltă alternanţă se anulează cu ajutorul unei diode sau se utilizează un generator de impulsuri cu rotor asimetric care asigură o caracteristică asimetrică. O altă variantă de modul electronic de comandă este aceea care utilizează un circuit basculant bistabil. În aces caz circuitul basculant monostabil este înlocuit cu un circuit basculant bistabil (Trigger). Acesta se caracterizează prin aceea că poate rămâne într-o anumită stare atâta timp cât semnalul depăşeşte o anumită tensiune de prag. Această proprietate se utilizează în cazul sistemului de aprindere tranzistorizat pentru menţinerea timpului necesar de creştere a curentului primar la turaţii mari (Dwell incorporat). În acest caz se utilizează un generator de impulsuri cu rotor asimetric. Prin modularea corespunzătoare a întrefierului se obţine o caracteristică avantajoasă a tensiunii de semnal, în sensul că, pe măsură ce creşte turaţia, unghiul corespunzător creşterii curentului prin primar se măreşte, fapt ce contribuie la mărirea timpului de creştere a curentului primar. Impulsul de comandă al triggerului se devansează, pe când impulsul de blocare (apariţia scânteii) îşî menţine poziţia în raport cu latura de comandă a rotorului. Acelaşi efect se obţine în cazul unui rotor simetric şi un modul electronic ce include un circuit de reglare cu condensatori care comandă circuitul de putere în raport cu impulsul de deschidere a triggerului. În figura 2.20 se prezintă schema bloc a unui astfel de sistem la care se realizează un reglaj combinat: unghi de închidere – curent primar.

Figura 2.20 Schema bloc a sistemului de reglare, cu reglarea pragului triggerului

117

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Ultimile generaţii ale sistemelor de aprindere tranzistorizate fără contacte cuprind module de comandă cu reglarea curentului primar şi comanda unghiului de închidere. Reglarea curentului din primar limitează valoarea acestuia şi protejează atât bobina de inducţie cât şi etajul de ieşire. Prin asociere cu o bobină de inducţie cu rezistenţă redusă a primarului se obţine un curent ridicat la pornire, chiar şi la o tensiune redusă a bateriei, nemaifiind necesară rezistenţa de balast. Modificarea unghiului de comandă asigură ca reglarea intensităţii să nu intervină decât un timp scurt, ceea ce minimizează pierderile de putere în modulul electronic. Pe de altă parte, modificarea unghiului de comandă compensează fluctuaţiile de tensiune ale bateriei şi efectele termice ale bobinei. Modulele electronice de comandă realizează întreruperea curentului primar când motorul este oprit şi secundarul nu realizează Figura 2.21 scântei la bujii. Construcţia modulului electronic de Dacă între generatorul de impulsuri comandă bazat pe efect Hall şi modulul electronic de comandă se inserează un stabilizator de ralanti, se poate obţine o reglare a avansului la aprindere, prin decalarea unghiului de avans în sensul creşterii acestuia în cazul în care turaţia devine inferioară regimului de ralanti şi care prin mărirea cuplului se opune scăderii turaţiei. Un alt sistem, conectat în paralel cu modulul electronic de aprindere, permite realizarea decalajului unghiului de avans în sensul reducerii acestuia la regimuri ridicate pentru evitarea ajungerii la regimul de funcţionare cu detonaţie al motorului. Modulele electronice de comandă se realizează în tehnologie hibridă (figura 2.21), care asigură o mare densitate de integrare, o masă redusă şi o bună fiabilitate. Bobine de inducţie pentru sisteme de aprindere tranzistorizate fără contacte Concepţia acestor bobine diferă de cea a bobinelor convenţionale în privinţa nivelului de putere. Aceasta provine de la faptul că, în cazul tranzistorului de ieşire, căderea de tensiune este mai puternică decât la închiderea contactelor ruptorului. Pentru motoarele cu 6 şi 8 cilindii, unde frecvenţa scânteilor este foarte mare, se utilizează bobine capabile să acumuleze suficientă energie într-un timp scurt, prin mărirea curentului din primar la deschiderea circuitului. În exploatare este necesar să se facă distincţie între bobinele destinate aprinderii convenţionale şi cele destinate aprinderilor tranzistorizate. C. SISTEME DE APRINDERE ELECTRONICE Sunt cunoscute şi sub denumirea de aprinderi programate (Rover), aprinderi cu control electronic al avansului, ESA, (Bosch, Ford, etc.) sau sisteme de aprindere digitale şi reprezintă soluţia care s-a generalizat. În acest caz dispar elementele mecanice de comandă care îngrădeau legile de variaţie a unghiului de avans, comanda aprinderii fiind realizată de către o unitate

118

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

electronică de control (ECU), care este un calculator de bord şi care permite comanda oricărei valori a unghiului de avans la aprindere. Unitatea electronică de control (ECU) are stocate în memorie date referitoare la cerinţele de operare ale motorului, pentru ca acesta să funcţioneze în condiţii optime în privinţa cuplului dezvoltat, al consumului de combustibil şi al poluării. Datele înmagazinate în memoria de citire RAM sunt obţinute în urma testelor riguroase efectuate asupra motorului pe stand şi la rularea automobilului. Informaţiile despre regimul real de funcţionare al motorului (sarcină, turaţie, temperatură) sunt culese de către senzori şi transmise unităţii electronice de control. Aceasta compară datele de intrare cu cele cuprinse în cartograma din memorie şi emite un semnal de ieşire prin care este comandată bobina de inducţie, respectiv avansul la aprindere. Distribuţia impulsurilor de înaltă Figura 2.22 tensiune către bujii poate fi realizată printr-un Cartografia de aprindere sistem mecanic rotativ sau un sistem static comandat electronic. În figura 2.22 se prezintă cartografia de aprindere complexă realizată de aprinderea electronică (sus) comparativ cu cartografia simplă realizată de sistemul mecanic de comandă (jos). În figura 2.23 se prezintă principalele componente ale unui sistem de aprindere electronic: 1 – unitatea de control electronic, 2 – senzor de Figura 2.23 temperatură, 3 – senzor de Elementele componente ale sistemului de aprindere electronic detonaţie, 4 – senzor de turaţie şi poziţie, 5 – bobina de inducţie, 6 – contact de pornire, 7 – distribuitor. Dipunerea pe motor a elementelor componente ale sistemului de aprindere electronic este prezentată în figura 2.24: 1 – bujie, 2 – bobină de inducţie, 3 – traductorul pentru poziţia clapetei de acceleraţie, 4 – unitate de control electronic, 5 – traductor de temperatură, 6 – traductor de detonaţie, 7 – traductor poziţie-turaţie, 8 – coroană dinţată, 9 – baterie, 10 – contact. Avantajele sistemului de aprindere electronic sunt:

119

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

• avansul la aprindere este optim pentru orice regim de funcţionare (sarcină, turaţie, etc.); • alte mărimi pot fi utilizate pentru optimizare (temperatura motorului, temperatura mediului, tensiunea bateriei); • protecţia motorului la detonaţie; • pornire uşoară chiar şi în cele mai dificile condiţii; • reducerea consumului de combustibil; • reducerea poluării; • număr redus de componente şi cablaje; • nu necesită operaţii de întreţinere.

Figura 2.24 Dispunerea pe motor a elementelor aprinderii electronice

Senzori – informaţii despre regimul motorului Senzorul de turaţie şi poziţie Este amplasat în zona volantului şi are rolul de a furniza informaţii despre turaţia motorului şi poziţia pistonului cilindrului 1, faţă de care se va raporta unghiul de avans. Este un senzor de tip inductiv ce funcţionează pe principiul inducerii unei tensiuni de semnal în înfăşurare, la fiecare variaţie a liniilor de câmp magneitc determinată de trecerea dinţilor rotorului prin faţa statorului. În cazul schemei prezentate în figura 2.23 rotorul are de 34 de dinţi dispuşi la 10°. Diametral opus lipsesc doi dinţi în scopul semnalării poziţiei punctului mort superior al pistonului cilindrului 1. Frecvenţa semnalului este funcţie de turaţie. Senzorul pentru determinarea sarcinii motorului Sarcina motorului este proporţională cu depresiunea din galeria de admisie. Deci ar fi de preferat să se utilizeze un senzor de presiune absolută, care să controleze depresiunea din galeria de admisie.

120

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

O soluţie mai simplă este utilizarea unui traductor potenţiometric care să monitorizeze poziţia clapetei de acceleraţie (figura 2.24). Senzorul de temperatură Temperatura lichidului de răcire a motorului poate fi măsurată cu un termistor, care are proprietatea de a-şi modifica rezistivitatea funcţie de temperatură (figura 2.27). Senzorul de detonaţie Funcţionarea în regim de detonaţie, mai ales pentru o perioadă mai lungă de timp, are efecte distructive asupra motorului. La motoarele moderne, cu raport de comprimare mare, pe considerentul reducerii consumului de combustibil şi a poluării, se preferă avansuri mari la aprindere, existând însă riscul ajungerii la regimul de detonaţie. Pentru a se asigura funcţionarea motorului într-un regim eficient, acesta va trebui să lucreze la frontiera cu regimul de detonaţie, dar fără a o depăşi (figura 2.25). Senzorul de detonaţie furnizează informaţii despre marginea erorii. Din punct de vedere constructiv este un accelerometru de tip piezoelectric dispus în blocul motor între Figura 2.25 cilindrii 2 şi 3 – în cazul unui motor cu 4 Limita de tonaţie a motorului cilindrii, sau câte unul pentru fiecare rând de cilindrii în cazul motoarelor în V. Unitatea de cotrol electronic răspunde la semnalul dat de senzor pentru fiecare cilindru, adesea doar cu puţine grade în jurul punctului mort superior, prevenindu-se astfel confuzia ca zgomotul dat de mecanismul de distribuţie să fie interpretat ca o detonaţie. Tot în acest scop, semnalul dat de senzor este filtrat. În momentul detectării detonaţiei, unitatea de control electronic comandă reducerea avansului la al patrulea impuls de aprindere după detectare (la motorul cu 4 cilindrii), în paşi, până când fenomenul nu mai este detectat. De obicei aceşti paşi sunt din 2° în 2°. În continuare unghiul de avans revine la valoarea din memorie dar în paşi mici, din grad în grad. Acest control fin face ca motorul să poată funcţiona foarte aproape de graniţa cu regimul de detonaţie fără riscul de distrugere (figura 2.25). În figura 2.26 este prezentat algoritmul de reglare al avansului în vederea evitării regimuui de detonaţie, pentru un motor cu 4 cilindrii: k 1..3 – zgomotul de detonaţie la cilindrii 1...3, lipsă la cilindrul 4; a – histerezis înainte de corecţia de reducere a avansului; b – variaţia avansului; c – histerezis înaintea revenirii la valoarea de avans iniţial; d – corecţia avansului. În figura 2.27 este prezentată construcţia unui senzor de detonaţie: 1 – masă seismică, 2 – corp, 3 – element Figura 2.26 piezoelectric, 4 – contacte. Algoritm de reglare al avansului

121

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Reglarea detonaţiei în cazul unui motor turbo În cazul motoarelor turbo, pentru evitarea funcţionării cu detonaţie se poate acţiona nu numai asupra avansului ci şi asupra presiunii de supraalimentare (figura 2.28). Detectorul de detonaţie este plasat pe blocul motor pe partea galeriei de admisie. Centrala de comandă electronică corijează avansul la aprindere şi poziţionarea supapei de descărcare 5 aflată pe galeria de evacuare prin intermediul electrovalvei 6 dispusă în derivaţie cu turbina. Presiunea de supraalimentare va fi diminuată şi prin aceasta şi tendinţa de funcţionare cu detonaţie a motorului. Presiunea din galeria de admisie (p) informează unitatea de control electronic 7 despre sarcina motorului. Această informaţie, împreună cu poziţia clapetei de acceleraţie permite totodată comanda presiunii de supraalimentare pentru a se evita valorile Figura 2.27 foarte ridicate în cazul staţionării, în scopul reducerii Senzorul de detonaţie contrapresiunii gazului de eşapament şi de a diminua consumul.

Figura 2.28 Reglarea detonaţiei în cazul motoarelor supraalimentate

Tensiunea bateriei Măsurarea tensiunii bateriei este necesară în vederea introducerii unei corecţii suplimentare. Dacă tensiunea bateriei diferă de valoarea consemnată, timpul de alimentare a primarului bobinei de inducţie va fi scurtat sau prelungit în consecinţă. Această informaţie este de obicei stocată în memoria unităţii electronice de control sub forma unei hărţi (cartograme) de corecţie a timpului de alimentare a bobinei, astfel încât energia scânteii să se menţină constantă. Unitatea de control electronic Sistemul sofisticat de comandă a aprinderii permite înmagazinarea în memorie a unei mari cantităţi de date, care provin de la testarea pe stand a motorului şi de la testele de rulare. Aceste informaţii sunt stocate în memoria ROM sub forma unei cratografii tridimensionale. Astfel sistemele obişnuite includ o cartogramă ce înglobează 16 trepte de turaţii şi 16 valori ale sarcinii pentru care se

122

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

cunosc valorile optime ale avansului. Separat cartograma tridimensională cuprinde situri pentru corecţii suplimentare (de exemplu 8 trepte de turaţie şi 8 valori ale temperaturii motorului). Existenţa acestor corecţii contribuie la reducerea timpului de încălzire a motorului (valabil în general pentru temperaturi mai mici de 70°C) şi creşterea calităţilor de draiviabilitate ale autovehiculului. Alte corecţii ale avansului se vor face între turaţia motorului şi unghiul Dwell pentru menţinerea unei tensiuni constante în secundar. Măsurarea tensiunii bateriei permite ca, în cazul în care valoarea tensiunii diferă de valoarea consemnată, Figura 2.29 timpul de alimentare al bobinei de inducţie să fie scurtat sau mărit în consecinţă. Acest Procesarea semnalelor de intrare de către unitatea de control electronic sistem asigură disponibilitatea permanentă a tensiunii maxime. În figura 2.29 se prezintă modul de procesare a semnalelor de intrare furnizate de senzori: 1 – turaţie/poziţie piston 2 – poziţie clapetă de acceleraţie; 4 – depresiunea din galeria de admisie; 5 – temperatură motor; 6 – temperatura aerului admis în motor; 7 – tensiunea bateriei; 3 – interacţiunea unităţii de control electronic cu alte sisteme. Semnalele sunt prelucrate de un convertor analog – digital 8, după care sunt stocate în memoria RAM a unităţii de control electronic 9. Programul şi datele prestabilite sunt înglobate în memoria ROM. În urma comparării informaţiilor de intrare (RAM) cu datele înglobate în memoria ROM, unitatea electronică de control va emite un semnal de ieşire prin care este comandată bobina de inducţie. În figura 2.30 se prezintă o schemă logică de funcţionare a sistemului.

D. SISTEME DE ARPINDERE ELECTRONICE INTEGRALE Cuprind elementele unui sistem electronic de aprindere dar distribuţia scânteii se face diferit. Denumirea provine de la faptul că nu mai există nici un component mecanic, practic dispare legătura mecanică dintre sistemul de aprindere şi motor. Distribuţia cu ajutorul unui dispozitiv mecanic rotitor acţionat de motor este înlocuită în acest caz cu componente electronice. De aceea sistemul este cunoscut şi sub denumirea de sistem cu distribuţie statică. Sistemul poate exista în două variante: • sistemul dual, la care se utilizează câte o bobină de inducţie pentru câte doi cilindrii; • sistemul de aprindere direct, la care există câte o bobină de inducţie pentru fiecare cilindru.

123

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Figura 2.30 Schema logică de reglare a avansului la aprindere

S i s t e m u l d u a l , cunoscut şi sub numele de sistem cu „scânteie falsă” constă în utilizarea unei bobine de inducţie pentru doi cilindrii. Aceste bobine sunt comandate de unitatea electronică de control şi sunt prevăzute cu două ieşiri de înaltă tensiune prin care se face legătura la bujiile a doi cilindrii aflaţi în faze opuse, unul în compresie celălalt în evacuare (1 şi 4, 2 şi 3) – figura 2.31. Când una din bobine este comandată, scânteia este livrată simultan către cei doi cilindrii. Scânteia podusă la cilindrul aflat la sfârşitul compresiei este scânteia activă care realizează aprinderea amestecului carburant, scânteia produsă la cilindrul aflat la evacuare este o scânteie falsă, ea neavând rol funcţional.

124

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 2.31 Schema sistemului de distribuţie dual

Figura 2.32 Bobine de inducţie pentru sistemul dual

Deoarece scânteia falsă se produce la presiunea atmosferică, tensiunea necesară este redusă (cca. 3 kV) astfel încât aceasta nu afectează calitatea scânteii active. În cazul acestei soluţii este important ca amestecul rezidual sau amestecul proaspăt să nu fie aprins accidental. Sistemul se utilizează la motoarele cu 4 şi 6 cilindrii, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii soluţia fiind prea complicată. În figura 2.32 se prezintă variante constructive de bobine de inducţie: A – cu două ieşiri, B – cu 2 x 2 ieşiri, C – cu 3 x 2 ieşiri.

Figura 2.33 Sistemul de distribuţie direct

125

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

S i s t e m u l d e d i s t r i b u i ţ i e d i r e c t utilizează câte o bobină de inducţie pentru fiecare cilindru (figura 2.33). Bobinele sunt comandate în ordinea de aprindere de către unitatea electronică de control şi sunt dispuse direct pe bujii. Faptul că fiecare bujie are propria bobină de inducţie prezintă avantajul că frecvenţa scânteilor produse de o bobină este redusă, asigurându-se înmagazinarea unei mari cantităţi de energie şi o tensiune în secundar de cca. 40 kV, permiţând realizarea unei scântei puternice chiar şi în cele mai dificile condiţii precum şi posibilitatea aprinderii unor amestecuri sărace. Sistemul prezintă în plus avantajul că funcţie de regimul de lucru al fiecărui cilindru în parte, unitatea electronică de control poate să particularizeze comanda pentru fiecare cilindru, efectul global obţinut fiind reducerea consumului de combustibil şi a poluării. La autovehiculele moderne, unitatea electronică de control a aprinderii conlucrează cu alte centrale electronice de bord (injecţie, transmisii automate, etc.). Sistemul de aprindere electronică integrală asigură reducerea la maxim a operaţiilor de întreţinere. Nu există posibilitatea reglării sistemului. Singura excepţie (existentă doar la unele variante) o reprezintă reglajul funcţie de calitatea benzinei, care se poate realiza prin înlocuirea unor module. În această situaţie singura operaţie de întreţinere este înlocuirea bujiilor la parcursul indicat de contructor, iar singura operaţie de verificare constă în testarea bobinei de inducţie cu ohmmetrul (rezistenţa primarului Ω, cca.rezisten 5 ţa secundarului 11 – 16 kΩ, pentru o tensiune în secundar de cca. 40 kV). 2.2.2 Bujia Componentă importantă a sistemului de aprindere, bujia este dispozitivul care conţine electrozii între care se produce scânteia electrică necesară aprinderii amestecului carburant. Construcţia bujiei clasice este prezentată în figura 2.34. În corpul 7 executat din oţel şi prevăzut la partea superioară cu profil hexagonal pentru strângere iar la partea inferioară cu filet, se dispune izolatorul 4 executat din oxid de aluminiu (Al 2 O 3 ) smălţuit la exterior, care suportă bine solicitările mecanice, termice şi electrice ale bujiei. În interiorul izolatorului se află electrodul central 10, legat de tija de legătură 6 prin intermediul unui material special pe bază de sticlă, de consistenţa cimentului, care are rolul unei rezistenţe asigurând protejarea electrodului central şi reducerea interferenţelor radio. Partea superioară a tijei de legătură este prevăzută cu o zonă filetată în care se montează piuliţa 1 pentru prinderea fişei de înaltă tensiune. Între corpul metalic al bujiei şi corpul izolatorului se dispune material ermetic anorganic care realizează etanşarea dar asigură în acelaşi timp trecerea uşoară a căldurii spre exterior. Etanşarea camerei de ardere se face cu ajutorul

126

Figura 2.34 Construcţia bujiei

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

unei garnituri de etanşare sau pe suprafaţa conică a corpului bujiei. Electrodul secundar 11 este fixat pe corpul bujiei. Electrodul central şi cel secundar se execută din materiale care trebuie să îndeplinească o serie de condiţii privind posibilitatea de ionizare, rezistenţa la temperaturi înalte, rezistenţa la agenţi chimici, dilatare temică, posibilitatea de a se deforma în cazul reglării distanţei dintre electrozi. Pentru bujiile obişnuite se utilizează aliaje crom-nichel, iar pentru bujii speciale argint-platină. Distanţa între electrozi este în cazul sistemelor convenţionale de aprindere 0,5 – 0,6 mm, iar în cazul sistemelor electronice 0,8 – 1 mm. Forma constructivă a bujiei şi materialele utilizate precum şi distanţa dintre electrozi au un rol esenţial asupra parametrilor funcţionali şi a duratei de viaţă a bujiei. Domeniul maxim de temperatură, până la care bujia poate funcţiona fără a apare fenomenul de autoaprindere al amestecului carburant poate fi îmbunătăţit prin micşorarea suprafeţei încălzite şi mărirea secţiunii electrodului de masă. Electrodul central ajută la evacuarea căldurii prin piciorul bujiei spre zonele mai reci. Asigurând un spaţiu de baleiaj între electrod şi izolator se va prelungi spaţiul disruptiv. În scopul îmbunătăţirii evacuării căldurii se pot utiliza electrozi confecţionaţi din argint, material rezistent la eroziune electrică. Cu toate că argintul are o temperatură de topire redusă, temperatura de lucru poate fi menţinută redusă datorită conductibilităţii superioare a acestuia. Utilizarea de electrozi de platină are efecte benefice cum ar fi: acţiunea catalitică a platinei îmbunătăţeşte aprinderea amestecurilor prea sărace şi prea bogate, rezistenţa termică mare şi sensibilitatea redusă la eroziune prin scântei permite micşorarea dimensiunilor electrozilor de la cca. 2,5 mm la 0,8 mm şi a distanţei între electrozi la 0,3 – 0,4 mm. Dimensiunile reduse ale electrozilor favorizează pătrunderea amestecului proaspăt în zona formării scânteii. În figura 2.35 se prezintă câteva variante de dispunere a electrozilor. a. este soluţia clasică ce asigură un acces bun al gazelor proaspete în zona de formare a scânteii, reglajul este simplu iar eroziunea electrodului este redusă; electrodul lateral are o suprafaţă mare asigurând o temperatură mai scăzută; b. asigură un acces mai bun al Figura 2.35 Variante de dispunere a electrozilor gazelor proaspete în zona scânteii, dar eroziunea electrodului este mai accentuată; se reduc posibilităţile de scurtcircuitare a spaţiului disruptiv prin depunerea de calamină; c. asigură o temperatură de regim mai mare, eroziunea electrodului scade dar accesul amestecului în zona scânteii este dificil, viteza de ardere scade; d. cu electrodul lateral sub formă de inel; accesul gazelor proaspete este greoi; e. variantă destinată motoarelor performante, temperaturi ridicate, bujia lucrează fără autoaprindere;

deoarece

chiar

şi la

f. cu electrozi de platină; se asigură un acces bun al gazelor proaspete.

127

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Modificarea formei constructive a izolatorului cu scopul de a îmbunătăţi domeniul termic al bujiei se poate realiza prin asigurarea unui spaţiu de baleiaj între izoltaor şi corpul bujiei. Tendinţele actuale în domeniul fabricaţiei de bujii sunt folosirea electrozilor de platină, introducerea a doi electrozi de masă şi mărirea duratei de viaţă a bujiilor la peste 80000 km. Regimul termic al bujiei Bujia este supusă unui regim termic intens determinat de temperatura gazelor din camera de ardere cu care vine în contact. Această solicitare este variabilă deoarece căldura dezvoltată în camera de ardere este funcţie de sarcina motorului. Bujia trebuie să corespundă unor domenii de solicitare termică de la mersul în gol până la turaţia nominală a motorului. Aceasta impune prevederea unor măsuri constructive adecvate pentru circulaţia căldurii prin bujie către exterior şi răcirea corespunzătoare a scaunului ei. Transmiterea căldurii şi echilibrul termic al bujiei la valoarea temperaturii dorite depinde de echilibrul factorilor ce influenţează încălzirea (raportul de compresie, turaţia, sarcina) cât şi de cei care influenţează răcirea: lungimea şi forma piciorului izolatorului, spaţiul dintre izolator şi corp, conductibilitatea termică a izolatorului, a electrodului central şi a materialelor de etanşare. Pentru o funcţionare normală, temperatura piciorului izolatorului (partea inferioară a bujiei) trebuie să fie cuprinsă între 400 °C şi 900 °C. La temperaturi inferioare valorii de 400 °C, partea inferioară a bujiei fiind relativ rece, are loc procesul de depunere de substanţe chimice rezultate în urma arderii amestecului carburant (calamină şi compuşi ai plumbului). Dacă se depăşeşte temperatura de 400 °C aceste substanţe vor fi arse iar bujia se menţine curată. Din acest considerent temperatura de 400 °C poartă denumirea de t e m p e r a t u r ă d e a u t o c u r ă ţ a r e . La mersul în gol şi la sarcini parţiale ale motorului, regimuri specifice circulaţiei urbane, temperatura bujiei poate să scadă până la 150 °C. La această temperatură bujia poate funcţiona, dar nu pentru mult timp, cu condiţia ca amestecul carburant să nu fie prea bogat şi motorul să nu consume ulei. Temperatura piciorului izolatorului nu trebuie să depăşească 850 °C, deoarece la valori mai mari poate apare fenomenul de autoaprindere a amestecului Figura 2.36 carburant cu efecte nocive asupra Temperatura bujiei funcţie de sarcină funcţionării motorului. În figura 2.36 se prezintă regimurile termice de funcţionare ale bujiei funcţie de sarcina motorului. Valoarea termică a bujiei Încărcarea termică a bujiei şi nivelul de temperaturi atins sunt în aşa mare măsură dependente de tipul motorului, de arhitectura camerei de ardere şi de regimurile de funcţionare încât nu există posibilitatea folosirii unui singur tip de bujie pentru oricare din condiţiile amintite.

128

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În general, un motor care lucrează la regimuri termice înalte, adică un „motor cald” va pretinde o bujie care să asigure un transfer rapid şi mare al căldurii spre exterior. O astfel de bujie se numeşte „rece”, deoarece elimină uşor căldura primită către exterior. Din contră, un motor care lucrează la regimuri termice joase, adică un „motor rece” va trebui echipat cu bujii care să aibă o capacitate de răcire redusă pentru a se asigura o temperatură de funcţionare superioară valorii de 450 °C şi a se evita ancrasarea. O astfel de bujie se numeşte „caldă” deoarece capacitatea sa de răcire este redusă. Capacitatea de răcire a unei bujii şi mai ales nivelul de temperatură al electrozilor şi a piciorului izolatorului depinde de lungimea traseului urmat de fluxul de căldură spre exterior, cât şi de suprafaţa piciorului izolatorului în contact cu gazele de ardere. Cum atât traseul Figura 2.37 Răspunsul bujiei la solicitarea termică căldurii cât şi suprafaţa piciorului izolatorului depind de lungimea acestuia, se poate obţine o gamă largă de capacităţi de răcire (figura 2.37). Utilizarea de materiale cu conductibilitatea termică ridicată (argint sau aliaj de nichel cu miezul din cupru) pentru electrodul central, permite mărirea lungimii piciorului izolatorului pentru aceeaşi valoare termică. Extinderea plajei de utilizare (situată între temperatura de autocurăţare şi temperatura maximă admisibilă) a bujiei se concretizează prin reculul constrângerilor termice. Utilizarea unor astfel de bujii este avantajoasă şi ele sunt foarte folosite. Diminuarea riscului funcţionării cu rateuri de aprindere şi combustie, ameliorează valorile emisiilor din eşapament şi consumul de combustibil. Capacitatea de răcire a bujiei , sau nivelul de temperatură pe care îl poate menţine în condiţii date de exploatare se numeşte valoare termică (sau cifra termică) a bujiei. Diferenţa dintre bujiile cu valori termice diferite este mărimea lungimii piciorului. Valoarea termică, indicată şi marcată pe bujii este definită în mod diferit. Astfel valoarea termică a unei bujii poate fi definită drept timpul scurs de la pornirea unui motor standard, experimental, monocilindru până când bujia ajunge la temperatura de autoaprindere. Firma Sinterom, producătorul de bujii din România, utilizează în prezent drept criteriu de evaluare a valorii termice a bujiei, valoarea medie a presiunii indicate la limita autoaprinderii, măsurată pe un motor monocilindru special, dotat cu echipamente care să permită variaţia presiunii şi măsurarea parametrilor arderii. Astfel, codul valorii termice a unei bujii este în acest caz numărul convenţional ce reprezintă mărimea nominală a valorii medii a presiunii indicate la limita preaprinderii.

129

Managementul motorului cu aprindere prin comprimare

Marcarea bujiilor Fiecare producător de bujii utilizează un sistem propriu, convenţional, de marcare a bujiilor. Indiferent de sistemul folosit, codul de marcare trebuie să includă următoarele elemente care definesc o bujie: date despre filet, valoarea termica, forma electrozilor, modul de etansare. Pentru exemplificare se prezintă modul de marcare al bujiilor Sinterom: • primul număr caracterizează filetul: 14 – filet M14x1,25 • o literă sau un grup de litere au următoarea semnificaţie: N – filet normal (lungimea 12,5 mm); L- filet lung; F- corp si izolator scurt; Pelectrod proeminent; C- etansare pe con. • un număr care indică valoarea termică: 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30. Cu cât acest număr este mai mic bujia este mai caldă, iar cu cât numărul este mai mare cu atât bujia este mai rece. În tabelul 2.3 se prezintă câteva cazuri tipice de funcţionare a bujiei.

Tabelul 2.3 Temperatura piciorului izolatorului 300 °C 450 °C 850 °C 1000 °C Autoaprinderi Ancrasare prin Ancrasare prin Deteriorarea şi carbonizare cu umedă (cu Autocurăţare incandascenţa topirea formare de ulei) piciorului electrozilor zgură izolatorului Funcţionarea bujiei Bujia este Bine aleasă Prea rece Prea caldă Pornire Imediată Dificilă Imediată Ralanti defectuos, Supraîncălziri, accelerări dificile, autoaprinderi, rateuri Funcţionare Randament maxim consum exagerat de la turaţii mari combustibil Regimul de funcţionare al motorului

Aspectul bujiei permite diagnosticarea regimului de funcţionare al acesteia, defecţiuni ale sistemului de aprindere sau reglajul necorespunzător al carburaţiei.

2.3 injectia de benzină comandată electronic 2.3.1 Generalităţi Motorul cu aprindere prin scânteie necesită la regimul de mers în gol şi sarcină plină un amestec îmbogăţitλ>1), ( iar la sarcini par ţiale un amestec sărac (λ 1,3 pentru 0,9 V la mers în gol); •

susţinerea mersului în gol când compresorul de răcire este cuplat.

163

Managementul motorului Diesel

Figura 3.6 Schema de funcţionare a sistemului de mers în gol accelerat comandat de calculator

În acest caz comanda levierului de mers în gol şi arcul de rapel sunt inversate faţă de pompa de injecţie clasică, în repaus dispozitivul fiind în poziţie de mers în gol accelerat. Depresiunea este utilizată pentru a anula mersul în gol accelerat, acţionând asupra unei membrane. Deci calculatorul are rolul de a defini condiţiile depăşirii mersului în gol accelerat. Când condiţiile sunt prezente, calculatorul comandă o electrovalvă. Membrana cilindrului este supusă unei depresiuni şi prin intermediul unui cablu acţionează asuprqa levierului pompei de injecţie. D. COMANDA PRE/POST ÎNCĂLZIRII Blocul electronic comandat de calculator are doar rolul unui releu de putere; în plus el centralizează tensiunea de alimentare a circuitelor bujiilor cu incandescenţă şi comunică valoarea respectivă calculatorului. Toate bujiile sunt alimentate simultan. Preîncălzirea înseamnă timpul de alimentare a bujiilor funcţie de temperatura lichidului de răcire. Alimentarea bujiilor se face pe toată durata acţionării demarorului. Postîncălzirea înseamnă alimentarea bujiilor în următoarele condiţii: t< 60ºC timp de trei minute; 60ºC < t < 70ºC un timp mai mic de trei minute func ţie de temperatura motorului; t = 70ºC , întreruperea alimentării.

164

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

E. FUNCŢII AUXILIARE Calculatorul comandă:

• lampa de control de autodiagnosticare. Aceasta se aprinde în cazul defecţiunilor majore. Ea se aprinde timp de 3 secunde după punerea contactului; • releul de cuplare al compresorului de răcire. În anumite situaţii (demaraj, accelerare, motor rece) calculatorul comandă decuplarea compresorului de răcire. Calculatorul furnizează informaţii: • prizei de autodiagnosticare; • turometrului

3.5 Sistemul pompă unitară cu control electronic Una din cele mai dificile probleme de rezolvat în cazul motorului Diesel este reducerea emisiilor de NO x şi a particulelor de carbon. Una din căile de rezolvare a acestor probleme este îmbunătăţirea condiţiilor de ardere printr-o pulverizare foarte fină, fapt ce poate fi obţinut doar prntr-o presiune de injecţie foarte ridicată. Una din soluţii o reprezintă sistemul pompă unitară- injector în care fiecare cilindru este deservit de un astfel de modul (fig. 3.7): 1 – motor, 2 – injector, 3 – pulverizator, 4 – electrovalvă de comandă, 5 – alimentare cu motorină, 6 – pompă unitară, 7 – camă de acţionare. Pompa unitară PLD Fiecărui cilindru îi este afectată o pompă de injecţie de înaltă presiune acţionată individual. Pompa şi injectorul constituie un circuit închis. Fiecare circuit cuprinde următoarele elemente: • pompa unitară de înaltă presiune

Figura 3.7 Sistemul de injecţie cu pompă unitară

• electrovalvă cu acţionare rapidă; • conductă de înaltă presiune; • injector. Pompa unitară (fig. 3.8) cuprinde următoarele elemente: 1 – electrovalvă, 2 – bloc motor, 3 – corpul pompei, 4 – plunjer, 5 – arc de rapel, 6 – tachetul rolei, 7 – armătură plată, 8 – stator, 9 – miezul electrovalvei, 10 – filtru, 11 – alimentare, 12 – retur, 13 – opritor.

165

Managementul motorului Diesel

Electrovalva 2/2 comandată de calculatorul central realizează un control precis al momentului şi duratei injecţiei în acord cu cartograma program stocată în memoria calculatorului. Când este deschisă, electrovalva permite cilindrului pompei să aspire combustibil, pe timpul cursei de admisie şi să se descarce în timpul cursei de alimentare. Presiunea înaltă se realizează în timpul cursei de alimentare când înfăşurarea de comandă a electrovalvei este alimentată în timpul închiderii. Livrarea motorinei către injector se produce în momentul în care suprapresiunea realizează deschiderea circuitului. Pompa este concepută pentru a realiza presiuni de ordinul 160 – 180 MPa. Această presiune înaltă, combinată cu controlul electronic în buclă închisă bazat pe cartograma program din memoria calculatorului permite obţinerea unor consumuri reduse de combustibil şi reducerea poluării. Ca opţiuni suplimentare se pot Figura 3.8 comanda preinjecţii sau dezactivarea Pompă unitară de înaltă presiune cu electrovalvă selectivă a cilindrilor. decomandă

3.6 Sistemul unitar pompă-injector cu control electronic Această unitate împreună cu electrovalva integrată se montează direct în capul cilindrului şi este acţionată de către arborele cu came direct prin intermediul culbutorului sau indirect prin tijă împingătoare şi culbutor. În figura 3.9 se prezintă principalele componente: 1 – arc de rapel, 2 – corpul pompei, 3 – plunjerul pompei, 4 – capul cilindrului, 5 – blocajul arcului, 6 – manşon, 7 – stator, 8 – armătură plată, 9 – acul electrovalvei, 10 – miez electrovalvă, 11 – dop de înaltă presiune, 12 – dop de joasă presiune, 13 – limitator de cursă solenoid, 14 – dop de delimitare, 15 – retur combustibil, 16 – alimentare combustibil, 17 – acul injectorului, 18 – ştift, 19 – element de fixare, 20 – injector. Electrovalva cu acţionare rapidă 2/2 realizează reglarea precisă a momentului injecţiei şi a cantităţii de motorină injectată. Deoarece aceste unităţi pot realiza orice caracteristici ele se adaptează uşor la datele de operare prevăzute în cartogramele motoarelor. Când nu este alimentată cu curent, electrovalva este deschisă şi furnizează un debit nerestricţionat de la elemetul de pompă către circuitul de joasă presiune al

166

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

sistemului, alimentând camera pompei pe parcursul cursei de admisie a plunjerului şi permiţând returul combustibilului pe durata cursei de alimentare. Înfăşurarea electrovalvei este excitată pe durata cursei de admisie (alimentare) a cilindrului pompei în scopul închiderii supapei by-pass în aşa fel încât circuitul de înaltă presiune să fie presurizat. Combustibilul este livrat către injector în momentul în care presiunea de deschidere a acului devine excedenară. Începutul injecţiei se realizează atunci când electrovalva este închisă, iar durata închiderii determină cantitatea de motorină injectată. Unitatea poate realiza presiuni de injecţiei de valoarea foarte mare 160 – 180 MPa, iar combinarea acesteia cu sistemul de control electronic permite reducerea consumului de combustibil şi a poluării, precum şi realizarea preinjecţiei sau dezavtivarea selectivă a cilindrilor. Unitatea de control Figura 3.9 electronic ECU Unitatea pompă injector Permite controlul în buclă închisă a procesului de injecţie prin comanda exercitată asupra înfăşurării electrovalvei, în corelaţie cu poziţia pistonului. Coordonarea precisă dintre momentul injecţiei şi poziţia pistonului se realizează în baza informaţiilor livrate calculatorului de traductorul dispus pe arborele motor. Corelarea cantităţii de motorină injectate (timpul de injecţie) cu regimul motorului se realizează prin tehnologia digitală, prin prelucrarea informaţiilor primite de la traductori şi datele din memorie stocate cub formă de cartograme. Unitatea de control electronic include circuitele integrate de intrare şi ieşire, cipuri de memorii şi circuite integrate pentru convertirea semnalelor de la traductori într-o formă capabilă să fie procesată de microprocesor. Unitatea de control electronic are capacitatea de a stoca date sub formă de cartografii program pentru o mare varietate de parametri. Datele de bază sunt reprezentate de turaţia şi sarcina motorului pe care conducătorul le poate influenţa direct cu ajutorul pedalei. Alţi parametri de control includ cantitatea de aer aspirat, tempratura combustibilului, a lichidului de răcire sau presiunea de supraalimentare. Sistemul foloseşte aceste date în scopul realizării unei adaptări precise a motorului şi vehiculului la condiţiile curente. Aceste funcţiuni de bază pot fi suplimentate cu o varietatede alte operaţiuni destinate să sporească avantajele.

167

Managementul motorului Diesel

Unitatea de control electronic satisface cerinţele stringente determinate de compensări sau corecţii determinate de defecţiuni şi realizează facilitarea diagnosticării cu precizie a motorului şi a sistemului de injecţie. Unitatea de control electronic îndeplineşte cerinţele referitoare la protecţia împotriva interferenţei cu celelalte sisteme electrice ale autovehiculului sau cu alte surse. Un sistem CAN (Controller Area Netwok) BUS poate fi folosit pentru comunicarea în reţea cu alte componente ale autovehiculului (ABS, ASR, etc.).

3.7 Sistemul de injecţie directă cu rampă comună Sistemul de injecţie directă (HDI) cunoscut şi sub numele de sistem cu rampă comună (Common Rail) constituie un sistem performant, capabil să satisfacă exigenţele actualeale motoarelor Diesel privind poluarea, consumul de motorină, zgomotul, conducerea agreabilă, etc., prin realizarea unor legi de injecţie optime. Spre deosebire de soluţia clasică (injecţia indirectă la o presiune de cca. 300 bari), în acest caz carburantul este injectat direct în capul pistonului la o presiune foarte mare (1000 – 2000 bari) cu ajutorul unor injectoare electrohidraulice perfomante, alimentate dintr-o rampă comună şi comandate de calculator. În figura 3.10 se prezinta: 1 – rezervor, 2 – filtru, 3 – pompă de alimentare, 4 – pompă de înaltă presiune, 5 – supapă de presiune, 6 – traductor de presiune, 7 – rampă comună, 8 – injector, 9 – informaţii furnizate de traductori, 10 – calculator (unitate de control electronic).

Figura 3.10 Schema de principiu a sistemului de inejcţie directă cu rampă comună

Calculatorul de injecţie integrează următorii parametri: • turaţia motorului; • temperatura lichidului de răcire; • temperatura aerului;

168

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

• temperatura carburantului; • presiunea carburantului; • presiunea atmosferică;

• poziţia clapetei de acceleraţie. Funcţiile calculatorului sunt: • determinarea duratei injecţiei funcţie de presiunea carburantului; • comanda, dacă este cazul, unei preinjecţii pentru reducerea zgomotului ce însoţeşte arderea, precum şi a injecţiei principale; • comanda debitului de carburant injectat cu ajutorului inejctoarelor electrohidraulice; • comanda avansului la injecţie. Funcţionarea sistemului are la bază următorul principiu: • la regimuri joase (ex. mersul în gol) timpul de deschidere al injectoarelor este mare iar presiunea de injecţie redusă; • la sarcini mari (ex. pe caracteristica externă), timpul disponibil pentru deschiderea injectoarelor este redus, iar presiunea de injecţie trebuie să fie mare. Avantajele utilizării sistemului: • creşterea calităţilor de drivabilitate (agrementul conducerii): la regimuri joase cuplul creşte cu cca. 50%, puterea creşte cu cca. 25%; • creşterea randamentului motorului ca urmare a realizării unui raport optim aer-carburant pe toată plaja de funcţionare şi îmbunătăţirea randamentului termic; • reducerea consumului de carburant cu cca. 20%; • reducerea emisiilor poluante (CO 2 , CO, HC şi a particulelor de carbon). Post-injecţia, asociată cu un catalizator de oxizi de azot, permite reducerea în plus şi a altor substanţe poluante. 3.7.1 Organizarea sistemului de comandă Calculatorul de injecţie Gestionează întregul sistem de injecţie. Procesorul integrează următoarele funcţii: • funcţiile de control ale injecţiei şi depoluării; • strategiile de agrement în conducere; • funcţia de protecţie la pornire (antidemaraj); • strategiile de siguranţă; • gestionarea comenzii motoventilatoarelor şi a lămpilor de avarie; • comanda sistemelor de preîncălzire a apei pentru aerotermă. Calculatorul asigură controlul electric al următoarelor elemente:

169

Managementul motorului Diesel

• inejctoare; • electroventilul de reglare a presiunii de supraalimentare; • regulatorul de presiune înaltă al carburantului; • electroventilul de reglare a reciclării gazelor (EGR); • cutia de preîncălzire şi postîncălzire; situaţii.

• dezactivarea unuia din pistoanele pompei de înaltă presiune în anumite Calculatorul livrează următoarele informaţii: • regimul de funcţionare al motorului; • consumul instantaneu de combustbil; • întreruperea sistemului de răcire;

• autorizarea cuplării sistemului de răcire. Senzorul de presiune atmosferică este de obicei inclus în calculator. Calculatorul cuprinde un etaj de putere capabil să furnizeze curentul de comandă ridicat, necesar funcţionării injectoarelor. Comanda injectoarelor este realizată prin două etaje de comandă ale calculatorului: • etajul 1: pentru injectoarele 1, 4; • etajul 2: pentru injectoarele 2, 3. Etajele de comandă ale injectoarelor permit obţinerea unei tensiuni de 80V, la începutul deschiderii, respectiv 50V pentru menţinerea deschiderii inejctoarelor. Etajele de comandă integrate calculatorului cuprind fiecare un condensator care înmagazinează energia necesară comenzii inejctoarelor. Regimul de funcţionare a injecţiei este ales funcţie de următorii trei parametri (fig. 3.11):

Figura 3.11 Cartografia funcţionării sistemului de injecţie

• presiunea carburantului (x); • debitul carburantului injectat (z); • regimul motorului (y). Memoria caclulatorului include următoarele informaţii: • cartografia pedalei de acceleraţie; • curba de sarcină maximă; • cartografia presiunii de supraalimentare; • cartografia reciclării gazelor de eşapament; • cartograifia limitei de fum; • cartografia presiunii înalte a combustibilului. Modul de organizare al sistemului este prezentat sistematizat în figura 3.12.

170

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.12 Organizarea sistemului de injecţie directă de motorină

Semnificaţia notaţiilor este următoarea: A. calculul cantităţii de carburant injectat; B. controlul presiunii înalte a carburantului; C. controlul injecţiei directe; D. controlul reciclării gazelor de eşapament; E. controlul presiunii de supraalimentare; F. controlul pornirii motorului. 1. pedala de acceleraţie; 2. cartografia pedalei de acceleraţie; 3. reglarea regimului de mers în gol; 4. cartografia acceleraţiei maxime; 5. curba sarcinii maxime; 6. alegerea debitului minim; 7. reglare antişoc; 8. reglarea regimului de pornire; 9. reglarea regularităţii funcţionării; 10. cartografia presiunii înalte a combustibilului; 11. comanda injectoarelor (1-3-4-2);

171

Managementul motorului Diesel

12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.

rampa comună de inaltă presiune; regulatorul presiunii înalte a carburantului; motor; pompă de înaltă presiune cu pistonaşe; traductor pentru turaţia motorului; supapă de reglare a presiunii de supraalimentare; electrovalvă de reglare a presiunii de supraalimentare; vană de reciclare a gazelor de eşapament; electrovană de reglare a reciclării gazelor de eşapament; debitmetru de aer; reglarea reciclării gazelor de eşapament; reglarea presiunii de supraalimentare; traductor de presiune de admisie; cartografia de limită de fum; cartografia reciclării gazelor de eşapament; carografia presiunii de supraalimentare.

Rolul principalelor cartografii C a r t o g r a f i a p e d a l e i d e a c c e l e r a ţ i e – intervine asupra calculului cantităţii de combustibil injectat pentru evitarea variaţiilor importante a debitului de carburant (agrementul conducerii) şi obţinerea unei bune progresivităţi. C u r b a s a r c i n i i t o t a l e limitează cantitatea de carburant injectat, astfel încât să nu se depăşească cantitatea de carburant admisă de motor (limitarea mecanică a cantităţii de aer absorbit de motor). C a r t o g r a f i a p r e s i u n i i d e s u p r a a l i m e n t a r e utilizată în cazul motoarelor echipate cu turbocompresor pilotat, permite determinarea supraalimentării cu aer, pornind de la cantitatea de carburant injectată. C a r t o g r a f i a r e c i c l ă r i i g a z e l o r d e e ş a p a m e n t permite determinarea exactă a ratei de reciclare a gazelor de eşapament pornind de la următorii parametri: cantitatea de carburant injectat, presiunea atmosferică, cantitatea de aer admisă în motor (calculată). C a r t o g r a f i a l i m i t e i d e f u m permite limitarea emisiilor de fum şi este utilizată la regimuri tranzitorii (ex. schimbarea treptelor de viteză), determinând debitul de carburant raportat la regimul comandat de şofer, pentru a se asigura funcţionarea în limitele admise ale emisiei de fum. C a r t o g r a f i a p r e s i u n i i î n a l t e a c a r b u r a n t u l u i permite determinarea valorii presiunii înalte a combustibilului în funcţie de cantitatea de carburant de injectat. Această cartografie ia în considerare regimul motorului şi cantitatea calculată a carburantului ce trebuie injectat. 3.7.2 Principiul de funcţionare Cantitatea de carburant ce trebuie injectată este calculată pornind de la următorii parametri: • poziţia pedalei de acceleraţie; • regimul de funcţionare al motorului (turaţie, temperatură, presiune, etc.). În funcţie de cantitatea de combustibil de injectat, calculatorul determină următorii parametri: • valoarea presiunii înalte a carburantului în rampa comună de inejcţie;

172

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

• momentul începerii injectării;

• timpul de injectare. Calculatorul de injecţie face apel la strategii specifice pentru pornirea şi oprirea motorului. Determinarea cantităţii de combustibil de injectat se face pornind de la cererea conducătorului exprimată prin poziţia pedalei de acceleraţie. Calculatorul va ţine cont de următoarele elemente: • cererea conducătorului; • cartografia limitei de fum; • curba de sarcină maximă; • cartografia mersului în gol. Fiecare cartografie determină o anumită cantitate de carburant de injectat. Alegerea cantităţii de carburant ce trebuie injectat este efectuată numai la un nivel de prioritate predeterminat. Dacă motorul funcţionează la mers în gol, valoarea cantităţii de carburant este furnizată prin catografia de mers în gol. Cantitatea de carburant ce se inejctează nu depăşeşte niciodată valoarea dată de cartografiile: • curba de sarcină plină; • cartografia limitei de fum. Cantitatea de carburant determinată este cantitatea totală de carburant inejctată în fazele următoare: • preinjecţie; • injecţie principală. În faza de pornire, poziţia pedalei de acceleraţie nu este luată în considerare. Corecţii particulare • reglarea regimului de mers în gol are în vedere: reglarea regimului de mers în gol, obţinerea unui regim de mers în gol accelerat, regresiv funcţie de încălzirea motorului, ameliorarea regimului de mers în gol în cazul rulării autovehiculului; • întreruperea injectării în cazul în care cantitatea de combustibil calculată este egală cu zero (vehiculul în decelerare) sau când turaţia motorului depăşeşte o anumită valoare maximă, prescrisă. Când presiunea de injecţie este prea ridicată calculatorul comandă regulatorul de înaltă presiune cu un raport ciclic de deschidere minim; • reglarea “anti tăiere” efectuează o filtrare la accelerare sau decelerare, determinând o modificare progresivă a debitului de carburant. Funcţie de necesităţi, calculatorul comandă dezactivarea unuia din pistoanele pompei de înaltă presiune (de obicei pompa dispune de trei pistoane). Pompa de înaltă presiune funcţionează cu trei pistoane la regimul de mers în gol şi începând de la 2/3 din sarcina maximă până la sarcina maximă şi cu două pistoane în afara regimului de mers în gol şi până la 2/3 din sarcina maximă.

173

Managementul motorului Diesel

Acţionarea injectoarelor Calculatorul comandă injectoarele în odinea de injecţie. Carburantul este injectat în următoarele situaţii: • preinjecţie (în scopul reducerii zgomotului); • injecţie principală; • postinjecţie (după necesităţi în scopul reducerii poluării). Momentul începerii injectării (avansul) preinjecţiei este calculat în funcţie de cantitatea necesară a fi injectată. O corecţie de avans la injecţie este efectuată în cazul în care temperatura lichidului de răcire este scăzută. Determinarea timpului de inejcţie Preinjecţia Calculatorul decide şi comandă preinjecţia în scopul reducerii zgomotului în cazul în care turaţia motorului este inferioară unei valori prescrise (ex. 3200 rpm). Preinjecţia este suprimată în următoarele situaţii: turaţia motorului superioară valorii prescrise, presiunea înaltă insuficientă, în faza de pornire, când debitul de carburant este inferior unei valori minime prescrise. Timpul de preinjecţie este limitat în funcţie de presiunea înaltă disponibilă în rampa comună. Injecţia principală Începutul şi timpul de injecţie este variabil funcţie de existenţa sau nu a preinjecţiei. În anumite situaţii calculatorul poate suprima injecţia principală (presiune insuficientă în rampa comună, atingerea turaţiei maxime). Postinjecţia Postinjecţia, asociată cu un catalizator specific permite reducerea procentului de oxid de azot şi a altor substanţe poluante. Postinjecţia este caracterizată de următorii parametri: începutul injcţiei funcţie de turaţia motorului, timpul de injecţie funcţie de turaţie, presiune atmosferică, temperatura aerului şi a lichidului de răcire. Postinjecţia este suprimată în următoarele situaţii: • temperatura catalizatorului în afara domeniului prescris; • presiune înaltă insuficientă; • disfuncţiuni ale debitmetrului de aer, ale electrovalvei de reglare a presiunii carburantului sau a electrovalvei de presiune de supraalimentare, etc.. Regularitatea funcţionării motorului Funcţionarea motorului la mers în gol este însoţită de vibraţii. Calculatorul sesizează funcţionarea uniformă a motorului pornind de la: turaţia motorului şi poziţia arborelui motor. Funcţie de informaţiile primite calculatorul analizează vitezele unghiulare instantanee de rotaţie pentru fiecare cilindru şi calculează o corecţie particularizată a debitului de combustibil injectat pentru fiecare cilindru.

174

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 3.13 Schema generală a unităţii de control electronic

Schema generală a unităţii de control electronic este prezentată în figura 3.13. Construcţia sistemului Schema generală a componentelor sistemului de injecţie directă ăn cazul unui motor supraalimentat, este prezentată în figura 3.14. 1 – traductor de presiune din galeria de admisie, 2 – turbocompresor, 3 – debitmetru de aer, 4 – filtru de aer, 5 – catalizator, 6 – capsulă de comandă a supapei de reglare a presiunii de supraalimentare, 7 – vană pentru reciclarea gazelor de eşapament (EGR), 8 – electrovalvă de reglare a reciclării gazelor de eşapament, 9 – electrovalvă de reglare a presiunii de supraalimentare, 10 – calculator, 11 – traductor de presiune atmosferică (integrat calculatorului), 12 – lampă de diagnosticare , 13 – priză de diagnosticare, 14 – întrerupător cu inerţie, 15 – releu dublu de inejcţie, 16 – baterie, 17 – motoventilator,

175

Managementul motorului Diesel

18 – compresor climatizare, 19 – lampă de avarie temperatură de răcire, 20 – termometru pentru determinarea lichidului de răcire a motorului, 21 – traaductor de poziţie a pedalei de acceleraţie, 22 – traductor pentru determinarea vitezei autovehiculului, 23 – lampă martor preîncălzire motor, 24 – turometru electronic, 25 – sistem de protecţie electronic antidemaraj, 26 – contact pedală de frână, 27 – calculator, 28 – contact pedală ambreiaj, 29 – traductor temperatură lichid de răcire, 30 – pompă de combustibil de joasă presiune, 31 – rezervor, 32 – preîncălzitor carburant, 33 – cutie de pre/postinjecţie, 34 – răcitor de carburant, 35 – filtru de carburant, 36 – regulator de înaltă presiune a carburantului, 37 – pompă de înaltă presiune, 38 – sistem de dezactivare a unui piston al pompei de înaltă presiune, 39 – încălzire adiţională, 40 – relee de comandă a încălzirii adiţionale, 41 – injectoare, 42 – schimbător de căldură aer/aer, 43 – traductor de poziţie a arborelui de distribuţie, 44 – traductor turaţie motor, 45 – bujie incandescentă, 46 – rampă comună de

Figura 3.14 Schema elementelor componente aşe sistemului de injecţie directă

176

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

injecţie de înaltă presiune, 47 – traductor de presiune înaltă carburant, 48 – traductor pentru temperatura carburantului. Elemente constructive Pompa de alimentare de joasă presiune Asigură alimentarea pompei de înaltă presiune, presiunea necesară în circuitul de joasă presiune. Pompa este dispusă în interiorul rezervorului şi cuprinde următoarele elemente (fig. 3.15): 18 – motor de curent continuu, 19 – pompă cu role, 20 – rotor, 21 – supapă de siguranţă. Pompa este dispusă într-un ansamblu care mai cuprinde un prefiltru şi nivelmetru de combustibil. Pompa de înală presiune Este o pompă cu pistoane (de obicei trei) şi are rolul de a crea presiunea înaltă in rampa comună de injecţie. Antrenarea se face cu ajutorul curelei de Figura 3.15 Pompa de alimentare de joasă presiune distribuţie la un raport de antrenare ½. Presiunea furnizată variază între 200 şi 2000 bari. În figura 3.16 s-au reprezentat: a – ieşirea de înaltă presiune către rampa comună de injecţie; b – returul către rezervor; c – intrarea de la pompa de joasă presiune. 1. regulator de înaltă presiune; 2. clapetă de ungere; 3. arbore cu came excentrice; 4. piston de înaltă presiune; 5. sistem de dezactivare a unui piston. Pompa de înaltă presiune nu îndeplineşte rolul unei pompe de injecţie (de distribuţie) şi deci nu necesită o calare funcţie de arborele motor. Puterea maximă absorbită este de cca. 3,5 kW. Clapeta de ungere asigură gresarea în cazul în care presiunea de intrare este redusă.

Figura 16 Pompa de înaltă presiune

177

Managementul motorului Diesel

Rampa comună de injecţie Îndeplineşte următoarele funcţii: • stocarea unei cantităţi de combustibil sub presiune necesara motorului; • amortizarea pulsaţiilor create de injecţie; • legarea elementelor circuitului de înaltă presiune. Rampa comună împreună cu elementele de legătură sunt prezentate în figura 3.17. 1 – rampa comună de injecţie, 2 – traductor temperatură carburant, 3 – traductor presiune înaltă carburant, a – alimentare cu combustibil la presiune înaltă, b – ieşiri către injectoare. Rampa comună este confecţionată din oţel prin forjare. Volumul ei este adaptat cilindrilor motorului.

Figura 3.17 Rampa comună şi elementele de legătură

Injectoarele Sunt de tip electrohidraulic şi realizează injectarea combustibilului direct în capul pistonului în momentul primirii comenzii de la calculator (fig. 3.18).

Figura 3.18 Construcţia injectorului electrohidraulic

R – retur către rezervorul de carburant, 1 – bornă de comandă; 2 – bobina electrovanei de comandă, 3 – arcul electrovanei de comandă, 4 – piuliţă, 5 – acul electrovanei de comandă, 6 – orificii de pulverizare, 7 – acul injectorului, 8 – cameră de presiune, 9 – arc, 10 – piston de comandă, 11 – cameră de comandă, 12 –

178

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

orificiu de alimentare, 13 – orificiul circuitului de retur, 14 – racord pentru alimentare, 15 – filtru laminor. Injectoarele sunt prevăzute cu 5 orificii de pulverizare pentru a asigura un bun amestec aer/carburant. Cantitatea de carburant injectată depinde de următorii parametri: • durata comenzii electrice dată de calculator; • viteza de deschidere a injectorului; • debitul hidraulic al injectorului (numărul şi diametrul orificiilor de pulverizare); • presiunea carburantului în rampa comună. Presiunea mare a carburantului utilizat la sistemul de injecţie directă nu permite comanda electrică directă a injectoarelor. În acesst caz deschiderea injectoarelor se realizează prin diferenţa de presiune între camera de comandă (11) şi camera de presiune (8). Acul injectorului este apăsat pe scaun de către resortul 9 şi este ridicat de către pistonul de comandă 10. Capătul pistonului de comandă deschide camera de comandă 11 care este în legătură cu circuitul de înaltă presiune a carburantului şi circuitul de retur. Camera de comandă 11 este izolată faţă de circuitul de retur prin acul electrovanei 5. Carburantul este repartizat în mod identic între camerele 11 şi 8. Orificiul 13 este mai mare decât orificiul 12. Acul electrovanei este ridicat de către înfăşurarea de comandă ca urmare a alimentării acesteia de către calculator. Funcţionarea injectorului este prezentată în figura 3.19: j – injector închis, k – injector deschis. Modul de comandă al electrovanelor inejctoarelor este ilustrat în figura 3.20, în care axa X reprezintă valoarea curentului de comandă iar axa Y durata comenzii. Alimentarea electrovanei, comandată de calculator se realizează în două faze:

Figura 3.19 Principiul deschiderii injectorului electrohidraulic

179

Managementul motorului Diesel

• faza de apel 1 – la tensiunea şi curentul de apel 2; • faza de menţinere 3 – la tensiunea şi curentul de menţinere 4. Faza de apel are rolul de a provoca o ridicare rapidă a acului electrovanei. Alimentarea electrovanei injectorului se face la o tensiune de cca. 80V, respectiv un curent de 20A, durata fiind de 0,3 ms. Faza de menţinere permite Figura 3.20 continuarea alimentării electrovanei, Comanda electrovanelor injectorului limitând puterea electrică absorbită. Alimentarea se realizează la tensiunea de cca. 50V, respectiv un curent de 12A. Traductori Traductorul de presiune atmosferică Permite calculatorului să determine densitatea aerului şi să anuleze reciclarea gazelor în cazul rulării la altitudini mari, unde densitatea aerului este scăzută. Traductorul este integrat calculatorului, fiind de tip piezo-electric şi furnizează o tenisiune proporţională cu presiunea atmosferică. Traductorul de presiune din galeria de admisie Permite măsurarea presiunii aerului din galeria de admisie, în baza căreia calculatorul reglează presiunea de supraalimentare, reglează presiunea înaltă a carburantului şi durata injecţiei (debitul carburantului). Traductorul este de tip piezo-electric şi funizează o tensiune proporţională cu presiunea aerului. Traductorul de debit de aer aspirat Este amplasat între filtrul de aer şi turbocompresor, având rolul de a măsura debitul de aer admis în motor. Elementele componente sunt prezentate în figura 3.21. 1 – convector electric, 2 – grilă de protecţie, 3 – placă metalică caldă, 4 – sondă temperatură aer. Placa metalică este foarte fină şi include o rezistenţă de încălzire şi o rezistenţă de măsurare. Calculatorul alimentează rezistenţa de încălzire astfel încât placa metalică să se menţină la o temperatură constantă. Aerul aspirat răceşte placa metalică ceea ce produce variaţia rezistenţei de măsurare. Calculatorul asociază valoarea Figura 3.21 rezistenţei de măsurare cu Traductorul de debit de aer un anumit debit de aer.

180

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Traductorul pedalei de acceleraţie Este legat la pedala de acceleraţie cu un cablu şi are rolul de a înregistra cerinţa conducătorului (accelerare – decelerare) şi de a livra această informaţie calculatorului de injecţie. Pornind de la această informaţie, calculatorul detrmină debitul de carburant ce trebuie injectat (timp şi presiune de injecţie). Traductorul turaţiei motorului Este de tip inductiv, cuprinzând un magnet permanent şi o înfăşurare. Este amplasat pe carcasa ambreiajului, în zona danturii volantului, fiind identic cu cel prezentat la sistemul de aprindere. Traductorul furnizează un semnal electric de frecvenţă variabilă, funcţie de turaţia motorului. Traductorul de temperatură a aerului Este integrat debitmetrului de aer şi are rolul de a informa calculatorul despre temperatura aerului admis. Funcţie de semnalul primit, calculatorul comandă sistemul adiţional de încălzire sau calculează densitatea aerului ambiant. Este realizat sub forma unei rezistenţe cu coeficient termic al rezistivităţii negativ. La creşterea temperaturii valoarea rezistenţei scade. Traductorul de poziţie a aborelui de distribuţie Este dispus în zona fuliei de antrenare a arborelui de distribuţie. Prin semnalul său, calculatorul sincronizează injecţia carburantului cu poziţia pistonului şi recunoaşte poziţia punctului mort superior. Traductorul permite sincronizarea injecţiilor în raport cu poziţia pistonului (injecţie secvenţială). Este realizat pe baza efectului Hall. Traductorul de temperatură a carburantului Este dispus pe rampa comună şi este de tip rezistiv. Funcţie de semnalul dat de traductor (variaţia rezistenţei odată cu temperatura carburantului), calculatorul reglează debitul carburantului şi calculează densitatea acestuia. Traductorul de temperatură a lichidului de răcire Este un traductor de tip rezistiv dispus în circuitul de răcire al motorului. Funcţie de informaţia primită, calculatorul intervine prin următoarele măsuri: • reglează timpul de preîncălzire şi postîncălzire; • reglează debitul la pornire şi la mersul în gol; • autorizează reciclarea gazelor de eşapament; • reglează debitul carburantului; • limitează debitul de carburant injectat dacă temperatura lichidului este ctritică (detonaţie); • comandă pornirea motoventilatoarelor. Traductorul de presiune înaltă a carburantului Este de tip piezo-electric dispus pe rampa comună şi are rolul de a măsura valoarea presiunii carburantului în rampă.

181

Managementul motorului Diesel

Traductorul furnizează calculatorului informaţia sub forma unei tensiuni proporţională cu presiunea. Funcţie de semnalul primit, calculatorul determină cantitatea de carburant ce trebuie injectată (timpul de injecţie) şi reglează valoarea presiunii carburantului în rampă acţionând asupra regulatorului de presiune. Măsuri de securitate Având în vedere presiunea foarte mare la care funcţionează sistemul se prevăd următoarele măsuri de securitate: •

nu se fumează în apropierea circuitului de înaltă presiune;

• se evită funcţionarea motorului în apropierea unor surse de foc sau scântei; • când motorul funcţionează este interzis să se intervină asupra circuitului de înaltă presiune; • după oprirea motorului se aşteaptă cel puţin 30 de secunde înainte de a efectua o intervenţie, pentru ca presiunea din circuit să scadă; • intervenţiile se vor efectua numai de către personal calificat.

3.8 Soluţii noi Sistemul sferic de injeciţe directă de motorină (common rail sferic) Constituie o nouă variantă a sistemului common rail care se caracterizează pin faptul că rampa comună de la care sunt alimentate injectoarele este înlocuită de o cameră de alimentare sferică. Aceasta este alimentată de pompa de înaltă presiune şi are un număr de ieşiri egal cu numărul de injectoare. De asemenea este prevăzută cu un traductor de înaltă presiune. Traseul conductelor de înaltă presiune care alimentează injectoarele este stabilit în aşa fel încât să aibă lungimi egale. Injectorul piezoelectric În acest caz comanda clasică electrohidraulică este înlocuită cu o acţionare cu comutare rapidă, constituită dintr-un ansamblu de cristale piezoelectrice foarte fine. Acestea posedă proprietatea de a se deforma în cazul în care sunt dispuse întrun câmp electric, fenomen ce se produce cu o viteză foarte mare. Mişcarea ansamblului de cristale piezoelectrice este transmisă direct acului injectorului fără elemente mecanice, deci fără frecare. Masa în mişcare este diminuată cu cca. 75%, iar numărul pieselor mobile se reduce de la patru la unu. Pratic sistemul de acţionare piezoelectric comută într-un timp mai mic de 1/10000 secunde, valoare de două ori mai mică deecât în cazul acţionării electromagnetice. Rezultă un dozaj mult mai precis al debitului de injecţie şi o ameliorare a pulverizării motorinei. Ca urmare a măririi vitezei de comutare este posibil să se reducă ecarturile dintre injectările succesive şi de a se realiza o lege de injecţie foarte flexibilă.

182

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

În acest caz, debitul de retur al combustibilului este foarte redus şi deci puterea de antrenare a pompei de înaltă presiune scade corespunzător. Cu una sau două preinjecţii se poate suprima fumul albastru sau alb care apare la pornirea la rece şi totodată se poate reduce semnificativ zgomotul ce însoţeşte arderea. O postinjecţie imediat după injecţia principală diminuează emisia de particule, iar o postinjecţie următoare poate regenera filtrul de particule. Se poate obţine o reducere a emisiilor poluante cu 15 – 20% faţă de sistemul electromagnetic şi chiar o creştere a puterii motorului cu 5 – 7%, precum şi o reducere a zgomotului motorului cu cca 3dB. Pentru o a patra generaţie de sisteme de injecţie directă se prevede o creştere a presiunii de injecţie până la cca. 2000 bari. Această nouă generaţie va dispune de injectoare cu geometrie variabilă. Injectorul cu geometrie variabilă cu două rânduri de orificii de pulverizare, va efectua injectarea pe două nivele: primul nivel va deschide primele orificii cu diametru foarte mic şi va permite o dozare extrem de precisă a carburantului la mers în gol sau sarcini parţiale. Al doilea rând de orificii se va deschide şi va elibera întrun timp foarte scurt o cantitate de carburant foarte precis dozat pentru celelalte regimuri de funcţionare. Această tehnologie va realiza o mărire a puterii motorului la maximul disponibil şi va permite realizarea încadrării în normele americane foarte severe (ULEV, U507) ce se vor aplica din 2007. O altă noutate o constituie apariţia noilor filtre speciale de particule, utilizate pe toată durata de viaţă a autovehiculelor.

183

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

4 ALTE SISTEME ELECTRONICE ALE MOTORULUI 4.1 Clapeta de acceleraţie acţionată electric Tendinţa actuală este de a înlocui legăturile şi acţionările mecanice prin legături şi acţionări electrice („by wire”). Un exemplu îl reprezintă şi noul sistem de acţionare electrică a pedalei de acceleraţie a motoarelor cu aprindere prin scânteie. În figura 4.1 se prezintă schema de principiu a sistemului de acţionare electrică a clapetei de acceleraţie (EGAS).

Figura 4.1 Schema de principiu a sistemului de acţionare electrică a clapetei de acceleraţie

Poziţia pedalei de acceleraţie este sesizată cu ajutorul unui traductor 1. Semnalul furnizat de tradcutor este transmis unităţii electronice de control 2, care primeşte informaţii şi de la alţi traductori. Semnalul primit de la traductorul pedalei de acceleraţie este prelucrat, analizat şi corelat cu alte informaţii furnizate de traductori. În final unitatea electronică de control emite un semnal de ieşire prin care este alimentat motorul 4 de acţionare a clapetei de acceleraţie 5. Poziţia clapetei este monitorizată de tradcutorul 3. Acţionarea clapetei de acceleraţie este realizată cu ajutorul motorului electric de curent continuu asociat cu un ansamblu de angreanje, figura 4.2.

185

Alte sisteme electronice ale motorului

Figura 4.2 Mecanismul de acţionare al clapetei de acceleraţie

1 – motor electric, 2 – angrenaje, 3 – arc de revenire, 4 – clapetă de acceleraţie, 5 – limitator clapeta (pozitia inchis), 6 – limitator clapeta (pozitia deschis), 7 – axul calpetei. Motorul electric de acţionare este pilotat printr-un curent pulsator cu modulare variabilă – figura 4.3. Calculatorul inversează polaritatea pentru a comanda deschiderea sau închiderea clapetei. Rotirea motorului într-un sens determină deschiderea clapetei, iar inversarea sensului de rotaţie determină închiderea acesteia. Când alimentarea este întreruptă clapeta de acceleraţie, sub acţiunea arcurilor de revenire va ocupa o poziţie în care se asigură o deschidere moderată. Figura 4.3 Poziţia clapetei este monitorizată cu ajutorul Pilotarea motorului electric cu ajutorul curentului pulsator cu modulare unui potenţiometru montat pe axul acesteia. Prin variabilă semnalul dat de acest traductor calculatorul este informat despre poziţia clapetei. Informaţia despre poziţia clapetei de aceleraţie este transmisă prin sistemul multiplexat şi către celelalte calculatoare dispuse pe automobil.

4.2 Distribuţia varibilă O variantă a distribuţiei variabile constă în decalarea unghiulară a poziţiei arborelui de distribuţie care comandă supapele de admisie funcţie de regimul motorului. Sistemul denumit Variable Valve Timing (VVT) permite ameliorarea umplerii cilindrilor la toate regimurile de funcţionare a motorului.

186

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Pentru a beneficia de putere maximă este necesar ca unghiul de avans le deschiderea / întârzierea închiderii admisiei să fie cât mai mare. În cazul unui regim ridicat, prin asigurarea unei deschideri suplimentare a supapei de admisie se realizează prelungirea umplerii cilindrului, beneficiind la maximum de inerţia gazodinamică şi creşterea coeficientului de umplere pe ciclu. Principiul de funcţionare a sistemului este prezentat în figura 4.4.

Figura 4.4 Principiul de funcţionare a distribuţiei variabile (VVT)

Prin mărirea timpului în care supapele de admisie rămân deschise la

Figura 4.5 Schema bloc a sistemului de acţionare a distribuţiei variabile

187

Alte sisteme electronice ale motorului

regimuri ridicate – C – se permite continuarea admisiei amestecului carburant datorită vitezei mari a acestuia. La regimuri joase – A – inerţia gazelor fiind redusă este preferabil ca închiderea supapelor de admisie să se producă mai repede în scopul evitării unei umpleri reduse şi deci o pierdere de cuplu prin refularea gazelor proaspete. La regimuri medii crescătoare este necesar de asemenea să se întârzie închiderea supapelor de admisie – B. Comanda sistemului este realizată de către calculatorul de injecţie – figura 4.5. Realizarea decalajului unghiular dintre arborele motor şi arborele de distribuţie se face cu ajutorul unui decalor hidraulic. Alimentarea cu ulei a dispozitivului de decalare unghiulară se realizează prin intermediul unei electrovalve de comandă. Electrovalva este acţionată de către calculator printr-un curent pulsator modulat (12 V, 250 Hz) care permite modificarea modului de distribuire a uleiului în mecanisme prin modificarea duratei impulsului de comandă.

Figura 4.6 Mecanismul de decalare unghiulară cu acţionare hidraulică

Mecanismul de decalare este dispus in pinionul de antrenare al arborelui de distributie, fig. 4.6 1 – roată cu palete fixată rigid de arborele de distribuţie, 2 – cilindru cu alveole fixat rigid de pinionul de antrenare, 3 – pinionul de antrenare, 4 – capac, 5 – piston, 6 – segmente de etanşare, 7 – arcuri lamelare pentru segmentele de etanşare 8 – şuruburi de fixare. În figura 4.7 se prezintă trei situaţii posibile de decalare unghiulară a arborelui de distribuţie faţă de arbofata de arborele motor. a,b – canale pentru ulei, c,d – camerele cilindrului cu alveole, t – timpul de comandă prin punerea la masă a circuitului, 1 – roată cu palete fixată pe arborele de distribuţie, 2 – cilindru cu alveole fixat pe pinionul de antrenare, 3 – pinion de antrenare, 4 – piston de zăvorâre, 5 – electrovalvă de comandă, 6 – distribuitorul electrovalvei, 7 – alimentare cu ulei sub presiune, 8 – circuit de retur.

188

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

a. Creşterea întârzierii la închidere a supapei de admisie În acest caz calculatorul comandă reducerea timpului de comandă – t -, sertarul distribuitorului se deplasează spre stânga, iar uleiul sub presiune comunică cu canalul b. Canalul a este pus în legătură cu returul, presiunea creşte în camera d şi scade în camera c. Roata se va roti în sens opus acelor de ceasornic iar arborele de distribuţie se va roti în sensul întârzierii închiderii supapei de admisie (în sens invers sensului de rotaţie al fuliei). În această poziţie pistonul de zăvorâre 4 se găseşte plasat în faţa pinionului de antrenare, arcul îl împinge şi se realizează blocarea în această poziţie. b. Diminuarea întârzierii închiderii aupapei de admisie Calculatorul va mări timpul de comandă t. Sertarul electrovalvei se va deplasa spre dreapta iar uleiul sub presiune va comunica cu canalizaţia a, iar

a)

b)

c) Figura 4.7 Situaţii de decalare a arborelui de distribuţie

189

Alte sisteme electronice ale motorului

canalizaţia b va fi pusă în legătură cu returul. Presiunea va creşte în camera d, uleiul sub presiune va ajunge la pistonul 4 şi îl va comprima deblocând decalorul. Roata se va deplasa în sensul acelor de ceasornic, iar arborele de distribuţie se va roti în sensul avansului (în sensul de rotaţie al fuliei) favorizând cuplul motor. c. Menţinerea poziţiei Calculatorul stabileşte timpul de comandă la 50%, sertarul distribuitorului se va deplasa într-o poziţie mijlocie, canalizaţiile a şi b vor fi izolate de uleiul sub presiune, iar camerele c şi d îşi vor păstra aceeaşi presiune şi ca urmare roata se va stabiliza pe poziţia sa. Un traductor de poziţie a arborelui de distribuţie controlează decalajul unghiular. Acesta este deobicei de tip efect Hall, iar semnalul său este obţinut prin punerea la masă a tensiunii de 12 V, furnizată de calculatorul de injecţie. Funcţiile traductorului sunt: • în faza de injecţie şi de aprindere, după pornire, recunoaşte poziţia cilindrului nr.1; • măsoară continuu poziţia arborelui de distribuţie pentru controlul valorii decalajului unghiular. Calculatorul poate detecta următoarele defecţiuni: • pană de curent la electrovalvă; • eroare de poziţie sau de măsurare a decalorului. La detectarea acestor defecţiuni, pilotajul decalorului este întrerupt. Deoarece decalorul poate autoriza o variaţie importantă a unghiului de distribuţie, aceasta determină creşterea efortului asupra curelei de distribuţie. Pentru compensarea acestui efect se uilizează un dospozitiv centro-camă.

4.3 Controlul poluării – diagnosticarea la bord. Sistemul de diagnosticare la bord (EOBD) are rolul de a alerta conducătorul auto atunci când o defecţiune apărută în sistemul de injecţie este susceptibil de a antrena o depăşire a nivelului poluării. Alertarea se face prin aprinderea unei lămpi. În timpul rulajului, calculatorul efectuează o serie de teste: • supravegherea permanentă a modului de ardere a combustibilului; • test de eficacitatea a catalizatorului; • test de eficacitate a sondei de oxigen (sonda Lambda) 4.3.1 Diagnosticarea rateurilor înregistrate la arderea combustibilului Rateurile de ardere se produc ca urmare a unei arderi incomplete la unul sau mai mulţi cilindri. Detectarea se realizează prin analiza cuplului dezvoltat de motor, via dantura volantului şi traductorul său. Un rateu al arderii se traduce printr-un şoc înregistrat de cuplul motor, măsurat sub un anumit prag de detectare predefinit – figura 4.8.

190

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Un nivel al rateurilor arderii superior valorii de 15% este considerat ca distructiv pentru catalizator. În această situaţie lampa de diagnosticare la bord se va aprinde şi se va stinge imediat pentru a-l alerta pe conducător de faptul că este în pericol catalizatorul. Un nivel al rateurilor arderii inferior valorii de 15% este considerat ca poluant. Înacest caz lampa martor EOBD se va aprinde continuu dacă defecţiunea apare şi persistă pe durata a trei rotaţii consecutive. Figura 4.8 Pentru ca testul să fie Detectarea rateurilor arderii prin controlul cuplului operaţional este necesar să se dezvoltat de motor efectueze şi o verificare a danturii volantului, absenţa defecţiunilor electrice sau reglarea îmbogăţirii active. Verificarea constă în studierea deformării dinţilor. Aceste deformări datorate toleranţelor de fabricaţie provoacă variaţii ale cuplului măsurat, care pot falsifica analiza rateurilor de ardere. Studiul trebuie reiniţializat cu ocazia înlocuirii următoarelor elemente: • calculatorul de injecţie; • dantura de pe volantul motor; • un traductor regim motor. Verificarea se realizează în rulare prin efectuarea a două deceleraţii succesive. Noile generaţii de calculatoare de injecţie sutn prevăzute cu funcţii suplimentare cum ar fi: • întreruperea injecţiei la cilindrii la care se constată rateuri de ardere; • sesizarea apariţiei unui defect indicând o neconformitate la coroana dinţată de pe volant. Dacă deformarea danturii este foarte importantă, calculatorul nu va putea efectua o corecţie suficientă pentru o bună detecţie a rateurilor de ardere. 4.3.2 Diagnosticarea catalizatorului Capacitatea catalizatorului de stocare a oxigenului este un indicator al stării sale tehnice. Atunci când catalizatorul îmbătrâneşte, capacitatea sa de stocare a oxigenului se diminuează şi ca urmare scade capacitatea de tratare a compuşilor poluanţi. Testarea catalizatorului constă în a face să varieze îmbogăţirea în scopul de a trimite bufee de oxigen în catalizator. Calculatorul observă apoi semnalul dat de sonda de oxigen aflată în aval. Dacă este degradat catalizatorul, el nu va putea stoca tot oxigenul şi va respinge o parte din acesta; drept urmare se modifică semnalul sondei de oxigen din aval – figura 4.9.

191

Alte sisteme electronice ale motorului

Testul de eficacitate se efectuează în rulare deoarece sunt reunite condiţuule necesare (viteză stabilizată timp de 1 – 2 minute la cca. 70 km/h). Dacă amplitudinea semnalului sondei din aval este superioară unui prag predefinit, calculatorul diagnostichează catalizatorul ca fiind defect.

Figura 4.9 Diagnosticarea catalizatorului

4.3.3 Diagnosticarea sondei de oxigen

Figura 4.10 Diagnosticarea sondei de oxigen

Îmbătrânirea (învechirea) sondei de oxigen se traduce preintr-o reducere a timpului său de răspuns. Ca urmare perioada semnalului său va creşte – figura 4.10. Testarea sondei de oxigen din amonte se efectuează o dată cu rularea când sunt reunite condiţiile necesare (viteza cca. 70 km/h timp de 1 – 2 minute). Dacă perioada semnalului sondei este superioară unui anumit prag predefinit, calculatorul diagnostichează sonde ca fiind defectă. Calculatorul efectuează de asemenea un control electric al sondelor de oxigen din amonte şi aval faţă de catalizator.

192

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

5 SISTEME DE SIGURANTA ACTIVA 5.1 Sisteme electronice antiblocare 5.1.1 Justificarea şi concepţia sistemului Sistemele electronice antiblocare (ABS) sunt dispozitive de reglare ale sistemului de frânare care au rolul de a împiedica blocarea roţilor în timpul frânării. Sistemul de frânare al autovehiculelor constituie unul din principalele sisteme de siguranţă activă. Însă la acţionare apar o serie de efecte secundare, nedorite, care reduc siguranţa circulaţiei, fenomene datorate interacţiunii pneului cu calea de rulare şi dinamicii specifice a roţilor cu penuri. Principalele efecte secundare înregistrate în timpul frânării sunt: • reducerea maniabilităţii; • pierderea stabilităţii mişcării; fenomene care sunt şi mai periculoase în cazul unui carosabil cu aderenţă scăzută sau aderenţă variabilă. La începutul procesului de frânare, forţa de frânare creşte progresiv determinând creşterea patinării roţilor, ajungându-se la limita între stabilitate şi instabilitate, la cel mai înalt nivel al curbei patinare – aderenţă (fig. 5.1). O creştere suplimentară a presiunii, respectiv a momentului de frânare nu va determina în continuare o creştere a forţei de frânare, ci o diminuare a acesteia datorită scăderii coeficientului de aderenţă şi în final blocarea roţilor.

Figura 5.1 Variaţia coeficientului de aderenţă funcţie de patinare

193

Alte sisteme electronice ale motorului

Funcţie de calitatea căii de rulare, valoarea optimă a coeficientului de aderenţă se obţine pentru o patinare de 8-30%, după care instabilitatea se accentuează puternic. Mărimea forţei periferice de frânare aplicate pneului influenţează şi capacitatea acestuia de a realiza forţe de ghidare laterale (fig. 5.2). Ca urmare se reduce maniabilitatea autovehiculului însoţită de pierderea stabilităţii mişcării, apărând fenomenul de derapare. Eliminarea acestor fenomene nedorite prin menţinerea sub control a patinării roţii în domeniul optim se poate realiza prin utilizarea sistemelor antiblocare comandate electronic. Figura 5.2 Parametrii care caracterizează Variaţia coeficentului de aderenţă şi a dinamica unei roţi frânate sunt: coeficientului de ghidare laterală funcţie de • viteza unghiulară a roţii ω; patinare • acceleraţia/deceleraţia unghiulară a roţii ±ω; • forţa de frânare: F f = ϕ ⋅ GR ; • forţa de ghidare laterală: Fy = ϕ y ⋅ GR ; • patinarea: S = 1 −

ω . ω0

Din analiza echilibrului momentelor care acţionează asupra roţii frânate se pot face următoarele observaţii: - deceleraţia unghiulară a roţii caracterizează cel mai bine procesul de blocare a roţii; - complementar se utilizează şi patinarea; - valoarea deceleraţiei şi a patinării, cât şi variaţia acestora în timp depind de parametrii constructivi şi dinamici ai autovehiculului. Ca urmare, sistemul de frânare trebuie conceput ca un sistem de reglare cu reacţie inversă. Structura sistemului ABS.

Figura 5.3 Schema circuitului de reglare ABS

194

Schema bloc a circuitelor de reglare ABS este prezentată în figura 5.3, în care 1 este o electrovalvă, 2 pompa centrală de frână, 3 cilindrul receptor. Reacţia inversă se realizează cu ajutorul traductorului dispus în roată 5 ale cărui semnale au frecvenţa proporţională cu viteza unghiulară a roţii. Semnalul traductorului se transmite microprocesorului 4 care calculează parametrii de  • reglare: deceleraţia roţii  − ω  , acceleraţia roţii  

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

   ω  , patinarea (S) şi viteza de referinţă, care trebuie să fie cât mai apropiată de   viteza automobilului, respectiv de ω 0 (t). Pe baza unui program logic în care se combină mărimile şi se analizează variantele optime, microprocesorul modelează cu ajutorul electrovalvei 1 presiunea din cilindrul de frână, respectiv momentul de frânare. •

Condiţii impuse Progranul logic şi sistemul antiblocare în general trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: • în timpul procesului de frânare trebuie asigurată maniabilitatea şi stabilitatea frânării atât pe carosabil neomogen (ex. carosabil uscat alternând cu zone de gheaţă), cât şi la viteze subcritice în curbe, indiferent de intensitatea frânării; • momentele de giraţie care apar datorită aderenţei diferite la roţile din dreapta, respectiv stânga, trebuie să crească atât de încet încât să fie posibilă compensarea lor cu efort minim; • acordând prioritate maniabilităţii şi stabilităţii mişcării, parametrii frânării să fie superiori; • să permită o adaptare rapidă la schimbări ale coeficientului de aderenţă şi la schimbarea momentului de inerţie redus la roată; • să nu existe vibraţii de rezonanţă la subansamblele autovehiculului (ex. punţi); • să fie sigur, iar în caz de defectare să funcţioneze ca un sistem clasic de frânare, iar acest lucru să fie semnalizat din timp conducătorului auto printr-un sistem de avertizare. 5.1.2 Componentele sistemului ABS Taductorul de viteză unghiulară a roţii Este de tip inductiv şi este dispus în fiecare roată, având rolul de a informa unitatea de control electronic despre regimul roţii (fig. 5.4). Se compune dintr-o coroană dinţată 5 cu cca. 44 de dinţi având aceeaşi mişcare cu roata, şi o parte fixă ce include miezul magnetic bipolar4 şi înfăşurarea 6. Semnalele electrice induse în spirele înfăşurării sunt transmise prin cablul 1 blocului electronic. Frecvenţa şi durata semnalelor depinde de viteza unghiulară a roţii. Electrovalvele Figura 5.4

Servesc la modularea presiunii din Traductorul de viteză unghiulara a rotii cilindrul receptor pe parcursul controlului activ ABS: La sistemele actuale se întâlnesc două variante de electrovalve (fig. 5.5):

195

Alte sisteme electronice ale motorului

Figura 5.5 Variante de electrovalve şi schema de legare a acestora

Electrovalva 2/2 cu două căi şi două poziţii (fig. 5.5 a). Fiecărei roţi îi este alocată o pereche de electrovalve: de admisie SI şi de evacuare SE. La acţionarea pedalei de frână, sub acţiunea servomecanismului S, respectiv a pompei centrale de frână PC, lichidul de frână trece prin electrovalva de admisie direct spre cilindrul receptor CR. Când blocarea roţii este iminentă, unitatea electronică de control comandă închiderea electrovalvei SI şi deschiderea elecrovalvei de evacuare SE. Ca urmare, o parte din lichidul de frână iese din cilindrul receptor, presiunea scade, roata se deblochează permiţând accelerarea roţii, după care ciclul se repetă după o anumita lege de reglare. Lichidul eliminat este recirculat spre pompa centrală de frână cu ajutorul unei pompe cu plunjer acţionată de motorul electric M. Electrovalva 3/3, cu trei căi şi trei poziţii (fig. 5.5 b) În acest caz, fiecărei roţi îi este alocată o electrovalvă care, la comanda unităţii electronice de control poate ocupa trei poziţii distincte care duc la: creşterea presiunii, menţinerea presiunii şi reducerea ei. În poziţie normală lichidul de frână trece direct de la pompa centrală PC la cilindrul receptor CR, înfăşurarea de comandă nefiind alimentată. În poziţia a doua, care se obţine alimentând înfăşurarea cu un curent egal cu ½ din curentul nominal, arcurile închid atât conducta de la pompa centrală cât şi conducta de retur spre rezervorul pompei centrale. Ca urmare, presiunea se menţine constantă în cilindrul receptor. În poziţia a treia, prin alimentarea înfăşurării de comandă cu un curent egal cu curentul nominal, se realizează deschiderea conductei de retur având ca efect scăderea presiunii din cilindrul receptor CR. Comanda electrovalvei se realizează de către unitetea de control electronic funcţie de semnalul primit de la traductorul dispus în fiecare roată. Şi în acest caz lichidul de frână este recuperat şi transmis pompei centrale cu ajutorul unei pompe cu plunjer acţionată de un motor electric. Electrovalvele, pompa de recuperare şi blocul electronic de control sunt asamblate într-o construcţie compactă. Acumulatorul de presiune Permite realizarea scăderii rapide a presiunii din cilindrul receptor, acumulând lichidul de frână când pompa de recuperare nu este încă amorsată. Tarajul acumulatorului de presiune nu trebuie să fie prea ridicat pentru a nu genera o cădere de presiune în perioada reglării. Camera de amortizare Are rolul de a reduce zogmotul şi perturbaţiile generate de variaţiile bruşte de presiune la ieşirea lichidului din pompa de recuperare. Soluţia include o cameră de presiune înaltă asociată cu un orificiu calibrat dispus la ieşirea din pompă.

196

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Figura 5.6 Schema de organizare a unitatii de control electronic

Unitatea de control electronic ECU Schema de organizare a sistemului este prezentată în figura 5.6. Traductorii dispuşi în roţi transmit semnale de tensiune sinusoidale circuitului de intrare 3. Acesta constă dintr-un filtru „trece jos” şi un amplificator de intrare. Circuitul închide interfaţa şi amplifică semnalele de la traductori. Semnalele sunt transformate în impulsuri dreptunghiulare şi transmise controlorului digital. Acesta constă din două circuite LSI integrate 5 şi 6 care procesează semnalele digitale. Cicuitele lucrează în paralel, procesând informaţia de la câte două roţi (canalele 1+2, respectiv 3+4). În continuare, informaţiile sunt transmise unei unităţi logice care calculează deceleraţia unghiulară, acceleraţia unghiulară şi patinarea roţilor, necesare pentru bucla de control închis. Un controlor logic complex autoadaptabil transformă semnalele în mărimi de comandă pentru poziţia electrovalvelor, comandă transmisă prin circuitele de ieşire 8 şi 9. O interfaţă serială conectată cu faza mărimii de intrare, unitatea logică şi controller-ul logic via data link, menţine comunicarea datelor între cele două circuite LSI. Un alt bloc funcţional conţine circuitul de monitorizare pentur recunoaşterea erorilor. O lampă martor, 14, informează conducătorul auto dacă ABS-ul nu este operaţional. Circuitele de ieşire 8 şi 9 comandă curentul pentru canalele 1 şi 2, respectiv 3, 4, recunoscând poziţia de comandă angajată pentru reglarea electrovalvelor. Sistemul dispune de un stabilizator de tensiune şi memorare a defecţiunilor 7. Funcţionarea acestui bloc constă în stabilizarea şi monitorizarea rezervei de tensiune, asigurând ca aceasta să rămână în toleranţele cerute pentru o operare sigură. Blocul recunoaşte scăderile de tensiune reacţionând în cazul tensiunilor insuficiente prin întreruperea unităţii de control, a circuitelor releului de siguranţă 12 şi a lămpii de control 14. Unitatea de control cu microprocesor În cazul utilizării unei unităţi de control cu microprocesor, circuitul specific al autovehiculului LSI este înlocuit cu doua microprocesoare care asumă sarcina de

197

Alte sisteme electronice ale motorului

procesare a semnalelor rulând programul de control şi funcţia de automonitorizare a sistemului ABS: De asemenea, unitatea transmite la exterior date privind diagnosticarea în acord cu standardele ISO, făcând posibilă detectarea defecţiunilor cu ajutorul lămpii de control sau a unui tester inteligent. Contactul STOP În cazul sistemelor ABS, contactul STOP acţionat de pedala de frână, îndeplineşte şi roul de a comanda ieşirea rapidă din funcţionare a sistemului ABS la întreruperea frânării. 5.1.3 Pincipiul reglării forţei de frânare Pentru reglarea unei forţe de frânare eficiente, dar fără blocare, se impune ca deceleraţia unghiulară a roţii să nu depăşească o anumită valoare limită. Totodată, se fixează un prag pentru patinare. La frânarea intensă a roţii în zona stabilă a coeficientului de aderenţă, deceleraţia roţii are o valoare lent crescătoare care depăşeşte pragul după maximul coeficientului de aderenţă φ. După o întârziere t se depăşeşte şi patinarea limită impusă. Deci în acest caz apare mai favorabilă deceleraţia roţii ca mărime de reglare. În cazul unei frânări puţin intense, deceleraţia ajunge foarte târziu la valoarea pragului. În această situaţie, patinarea atinge valoarea de prag mult înaintea deceleraţiei unghiulare şi dacă reglajul s-ar face după deceleraţia roţii, roata ar ajunge în faza de blocare. Prin urmare, pentru reglarea forţei de frânare sunt importante atât deceleraţia unghiulară a roţii cât şi patinarea. Modularea presiunii din cilindrul receptor al frânei se va realiza pe baza

Figura 5.7 Variaţia parametrilor de frânare în cazul frânării pe un carosabil cu aderenţă bună

pragurilor impuse deceleraţiei roţii şi în funcţie de valoarea vitezei periferice a roţii care se compară cu o viteză corespunzătoare unei patinări.

198

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Pentru îmbunătăţirea calităţii reglajului forţei de frânare, mai ales în situaţii extreme, se includ praguri atât pentru acceleraţia unghiulară a roţii cât şi pentru deceleraţia liniară a automobilului. Pentru exemplificare, în figura 5.7 se prezintă modul de funcţionare al sistemului ABS în cazul frânării pe un carosabil cu aderenţă bună. În figură se prezintă variaţia vitezei automobilului, a vitezei periferice a roţii, a deceleraţiei unghiulare a roţii, a curentului de excitaţie a electrovalvelor şi a presiunii din cilindrul receptor. La începutul frânării şi la variaţii discontinue ale coeficientului de aderenţă sunt necesare variaţii mari ale presiunii. În faza incipientă a frânării trebuie evitate reducerile de presiune. Dacă ciclul de reglare este pornit, creşterea de presiune care urmează în continuare trebuie să fie de 5 – 10 ori mai lentă decât în faza incipientă pentru a se evita fenomenele de rezonanţă ale punţilor. În faza incipientă a frânării are loc creşterea presiunii din cilindrul receptor şi •

deceleraţia unghiulară a roţii. La sfârşitul fazei 1, deceleraţia v depăşeşte pragul prestabilit (-a). În consecinţă, electrovalva este comutată în poziţia „menţine presiune”. Scăderea de presiune încă nu trebuie să aibă loc, deoarece s-ar putea ca deceleraţia (-a) să fie încă în zona stabilă a curbei aderenţă – patinare. Totodată se limitează panta vitezei de referinţă v ref care este calculată de microprocesor din vitezele periferice date de două roţi diagonale. Din viteza de referinţă v ref care rezultă, se calculează vitezele periferice ale roţilor corespunzătoare patinărilor S 1 şi S 2 ale punctelor 1 şi 2. La sfârşitul fazei a-2-a, viteza periferică a roţii scade sub limita vitezei corespunzătoare patinării S 1 şi electrovalva este comutată pe poziţia „reducere presiune” atâta timp cât deceleraţia periferică depăşeşte pragul (-a). La sfârşitul fazei a-3-a deceleraţia este sub pragul (-a) şi deci urmează o perioadă de menţinere a presiunii. În această perioadă viteza priferică a roţii creşte astfel încât este depăşit pragul (+a). Presiunea se menţine în continuare constantă. Dacă pe durata de menţinere a presiunii acceleraţia periferică nu ar fi atins (+a), durata de menţinere s-ar fi scurtat pentru a permite accelerarea roţii. La sfârşitul fazei a-4-a acceleraţia periferică a roţii depăşeşete pragul relativ mare (+A). Presiunea creşte în continuare cât timp este depăşită valoarea (+A). În faza a-6-a, presiunea rămâne constantă întrucât este depăşit pragul (+a). Aceasta reprezintă o indicaţia, în sensul că roata intră în zona stabilă a curbei aderenţă-patinare, dar roata este subfrânată. Ca urmare creşte presiunea în pulsuri scurte (faza a-7-a) până la atingerea pragului (-a) al deceleraţiei periferice a roţii şi se produce o scădere a presiunii. Cazurile speciale care pot să apară în funcţionarea sistemului ABS şi care trebuie rezolvate sunt: • reglarea forţelor de frânare la coeficienţi de aderenţă reduşi; • reglarea frânării la viteze şi aderenţe scăzute şi la micşorarea în salturi a coeficientului de aderenţă; • compensarea histerezisului frânelor în procesul de reglare; • compensarea momentelor de inerţie mărite la roţile motoare. În aceste cazuri trebuie să intervină programele logice existente care să sesizeze particularităţile respective şi să efectueze procesul de reglare a forţei de frânare astfle încât frânarea să fie eficientă, dar cu condiţia menţinerii maniabilităţii şi stabilităţii mişcării automobilului.

199

Alte sisteme electronice ale motorului

5.1.4 Variante ABS În figura 5.8 se prezintă 4 variante posibile de sisteme ABS, sistematizate funcţie de numărul de canale şi numărul de traductori utilizaţi. Sistemele diferă funcţie de concepţia distribuţiei forţelor de frânare, specificitatea funcţionării, concepţia conducerii automobilului şi costuri.

Figura 5.8 Variante de sisteme ABS

Sistemul cu 4 canale (variantele 1 şi 2) Sistemul permite controlul individual al presiunii de frânare pentru roţile punţii faţă şi spate în varianta circuitelor de frânare separat faţă/spate sau în x. Când se frânează pe o suprafaţă cu coeficienţi de aderenţă diferiţi stânga/dreapta trebuie luate măsuri pentru ca momentele de rotire în jurul axei verticale să nu afecteze stabilitatea la conducere. Soluţia constă în controlul individual al roţilor faţă, iar cele din spate în concordanţă cu principiul „selecţie jos” (roata spate cu coeficientul de aderenţă cel mai scăzut determină presiunea de frânare pentru ambele roţi). Sistemul cu trei canale (varianta 3) Se caracterizează prin faptul că momentul de rotire în jurul axei verticale pe o suprafaţă cu coeficienţi diferiţi de aderenţă dreapta/stânga este atât de redus încât poate fi uşor controlat în cazul autovehiculelor cu ampatament mare şi moment de inerţie mare. Pentru autoturismele cu ampatament redus este necesară o temporizare electronică a formării cuplului de rotire în jurul axei verticale (oscilaţie) prin întârzierea formării cuplului de frânare la roţile din faţă prezentând un coeficient deaderenţă ridicat. Conducătorul dispune în acest fel de timp suficient pentru a compensa mişcarea de oscilaţie printr-o simplă manevră de acţionare a direcţiei. Sistemul cu două canale (varianta 4) În cazul variantei 4 se utilizează principiul „selecţie înaltă”, adică roata faţă care prezintă cel mai mare coeficient de aderenţă determină presiunea de frânare comună a ambelor roţi. Soluţia se dovedeşte mai puţin performante în privinţa manevrabilităţii şi ţinutei de drum pe suprafeţe asimetrice din punct de vedere al coeficientului de

200

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

aderenţă. Dacă roţile din faţă sunt frânate pe o astfel de suprafaţă şi se trece în continuare pe o suprafaţă omogenă cu coeficient de aderenţă ridicat, forţa de frânare totală, care corespunde unui coeficient de aderenţă ridicat, este aplicată brusc roţii care înainte a fost blocată, luând naştere un cuplu de rotire în jurul axei verticale. În figura 5.9 se prezintă două din cele mai utilizate variante de modulare (reglare) hidraulică a presiunii de frânare utilizate la sistemele ABS.

Figura 5.9 Scheme de reglare a presiunii de frânare utilizate la sistemele ABS

În figura 5.9 a, se prezintă schema de reglare hidraulică pentur sistemul ABS cu 4 canale şi electrovalve 3/3 (pentru distribuţia forţelor de frânare faţă/spate), iar în figura 5.9 b schema sistemului cu 4 canale şi electrovalve 2/2 (pentru distribuţia forţelor de frânare în x). Pentru ambele scheme sistemul hidraulic de modulare a forţelor de frânare cuprinde: • motor electric de acţionare a pompei de retur (M); • pompă de retur cu plunger (P); • cameră de acumulare (S); • cameră de amortizare (D); • electrovalve de reglare (Mv 3/3 respectiv EV 2/2, AV 2/2). Cu HZ1 şi HZ2 s-au notat cele două circuite de frână, iar cu RZ1 ... RZ4 cilindrii receptori de frână. Pompade retur (P) are rolul de a recupera şi returna lichidul de frână de la cilindrul receptor către pompa centrală în momentul reducerii presiunii de frânare. Acumulatorul (S) realizează acumularea temporară a lichidului de frână în exces care însoţeşte reducerea presiunii din cilindrul receptor. Camera de amortizare (D) şi orificiul calibrat prin care trece lichidul servesc la atenuarea nivelului înalt al pulsaţiilor care iau naştere la returnarea lichidului de frână către pompa centrală, asigură ca nivelul de zgomot să fie redus.

201

Alte sisteme electronice ale motorului

În cazul lectrovalvelor 3/3, fiecărei roţi îi este alocată o electrovalvă care realizează modularea presiunii prin cele trei poziţii comandate de calculator (creştere, menţinere, reducere presiune). În cazul electrovalvelor 2/2 fiecărei roţi îi este alocată o pereche de electrovalve cu două poziţii, o electrovalvă de admisie (EV) şi o electrovalvă de evacuare (AV), comandate de calculator. Cele trei regimuri (creştere, menţinere, reducere de presiune) se obţin în acest caz prin controlul corespunzător al perechii de electrovalve. Modul de funcţionare al electrovalvelor 2/2, împreună cu pompa de recuperare este prezentat în figura 5.10. Variaţie presiune Creştere Menţinere Scădere Creştere după scădere

Electrovalvă admisie 0 1 1 0

Electrovalvă evacuare 0 0 1 0

Motor elecric pompă 0 0 0 1

Regim de lucru Fără reglare Cu reglare

Figura 5.10 Funcţionarea valvelor 2/2 împreună cu pompa de recuperare

5.1.5 Sisteme moderne ABS A. Sistemul ABS – repartitor electronic de frânare Este un sistem adiţional (echipamentul de frânare şi echipamentul ABS sunt separate) cu patru canale care utilizează electrovalve tip 2/2. Cuprinde patru traductori dispuşi în roţi, fiecare cale hidraulică de frânare este asociată unui traductor. Roţile din faţă sunt reglate separat, roţile din spate sunt reglate simultan potrivit principiului “select low” (prima roată care tinde să se blocheze declanşează imediat reglarea ambelor roţi). Regulatorul clasic de frânare dispare, rolul său fiind asigurat printr-un program specific implantat calculatorului ABS şi denumit repartitor electronic de frânare. Electrovalvele sunt alcătuite dintr-un solenoid şi un indus mobil pentru a asigura deschiderea evacuării şi închiderea admisiei şi un arc pentru revenirea la poziţia de bază (admisie deschisă, evacuare închisă). Pentru a putea reduce in orice moment presiunea in cilindrii receptori de frână (independent de stadiul electric al electrovalvei de admisie), în electrovalva de admisie este prevăzută o clapetă antiretur. Aceasta se deschide când presiunea din pompa centrală este inferioară presiunii din cilindrul receptor – ex. defrânare în curs de reglare. Calculatorul îndeplineşte următoarele funcţii: • comanda releelor electrovalvelor; • comanda releului pompei de recuperare; • supravegherea componentelor electrice ale sistemului; • memorarea defectelor; • reglarea ABS şi repartitorul electronic de frânare. Repartitorul electronic de frânare

202

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Înlocuieşte repartitorul clasic cu comandă mecanică, constituind o extindere a prestaţiei oferite de ABS. Permite asigurarea stabilităţii frânării prin utilizarea circuitului hidraulic şi a traductorilor ABS, precum şi a unui program de reglare suplimentar. Principiul de funcţionare Sistemul funcţionează în faza de frânare când nu se realizează reglarea ABS pe punte faţă. Sistemul compară permanent, din aproape în aproape, viteza unghiulară a roţilor din spate: • când viteza unei roţi din spate este egală sau superioară vitezei roţilor din faţă, sistemul autorizează creşterea presiunii în circuitul roţilor din spate în acelaşi timp cu presiunea de frânare din circuitul roţilor din faţă (fără ca electrovalva să fie comandată); • dacă viteza unei roţi din spate devine inferioară cu mai de câteva procente faţă de viteze unei roţi din faţă, activează electrovalva de admisie în sensul menţinerii presiunii de frânare la roţile din spate (aceasta nu este sensibilă la nivelul pedalei de frână); • dacă viteza roţii din spate continuă să scadă, efectuează o reducere de presiune de o manieră predeterminată (activarea electrovalvei de evacuare timp de câteva milisecunde), fapt ce nu este sensibil la nivelul pedalei de frână; • dacă, din contră, viteza roţii din spate devine mai mare de câteva procente faţă de viteza roţii din faţă în cazul unei subfrânări spate, autorizează o creştere de presiune la roata spate într-o manieră predeterminată şi prudentă, fapt perceput printr-o foarte uşoară întărire a pedalei; Toate aceste acţionări sunt repetate până la sfârşitul frânării sau până la prima reglare ABS la puntea din faţă. În timpul unei reglări realizată de repartitor, pompa de refulare (recuperare) nu este activată pentru a minimiza detectarea de reglare (aceasta ar produce o nouă ridicare a pedalei de frână şi zgomot). În timpul unei frânări în curbă roata interioară spate este mai puţin încărcată datorită descărcării dinamice şi va înregistra o patinare superioară faţă de roata exterioară pentru o presiune de frânare dată. Funcţionarea sistemului în acel moment are în vedere faptul că roata mai puţin încărcată va fi cea care condiţionează frânarea, iar puntea din spate va fi uşor subfrânată ceea ce este benefic pentru stabilitate la frânarea în viraj. Avantajele repartitorului electronic de frânare sunt: • ameliorarea eficacităţii frânării prin utlizarea optimă a frânei punţii spate în toate situaţiile; • stabilitatea autovehiculului la frânarea în viraj; • simplificarea circuitului de frânare prin dispariţia regulatorului clasic. Nu se admite efectuarea de încercări rutiere când sistemul ABS este deconectat, deoarece în acest caz repartitorul electronic nu funcţionează, iar presiunea de frânare va fi egală la cele două punţi. B. Sistemul ABS/ASR Sistemul permite realizarea îmbunătăţirii tracţiunii şi menţinerea stabilităţii mişcării autovehiculului în cazul în care motorul este prevăzut cu comandă electrică a poziţiei clapetei de acceleraţie (sistemul EGAS) sau a pompei de injecţie în cazul motoarelor Diesel.

203

Alte sisteme electronice ale motorului

Modulatorul de presiune ABS este extins încluzând funcţia ASR, realizând împreună furnizarea unei energii de frânare adiţionale şi controlul specific ASR. Legătura dintre interfeţele ABS/ASR şi unitatea EGAS care realizează comanda poziţiei clapetei de acceleraţie, permite controlul cuplului motor. În figura 5.11 se prezintă sistemul ABS/ASR în care: H2 (1,2) – cele două circuite de frânare; D1, D2 – camere de amortizare; RVR (1,2) – valve de siguranţă (vacuum); AV (HR, HL, VR, VL) – valve de asistenţă a presiunii; ASV (1,2) – valve de aspiraţie; sRFP (1,2) – pompe de recuperare; Spk (1,2) – camere de acumulare; EV (HR, HL, VR, VL) – valve de presurizare; HR, HL, VR, VL – cilindrii receptori.

Figura 5.11 Sistemul ABS/ASR

Sistemul s-a dezvoltat în jurul unei noi generaţii de electrovalve caracterizate prin două conexiuni hidraulice şi două poziţii de comandă (electrovalve 2/2), caracterizate prin masă şi gabarit redus, combinând extinderea funcţilor pe care le îndeplinesc. Concepţia unităţii hidraulice fiind modulară este uşor să se realizeze adaptarea atât pentru sistemele de frânare independente faţă-spate cât şi pentru

204

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

cele în x. De asemenea permit adaptarea la diferite scheme de organizare a tracţiunii, inclusiv tracţiunea integrală. Noua concepţie permite leagătura directă dintre unitatea de control electronic şi înfăşurările de comandă ale electrovalvelor. Funcţiile de control ale motorului rămân independente faţă de sistemul hidraulic, iar construcţia obişnuită a fost adaptată pentru varianta ABS/ASR fără modificări. Unitatea ASR instalată pe autovehicule uşoare poate fi extinsă pentru a include controlul momentului motor (MSR). Pe suprafeţe alunecoase, închiderea bruscă a clapetei de acceleraţie poate provoca un moment de frânare excesiv la roţile motoare. În acest caz sistemul MSR acţionează printr-o reducere a forţelor de frânare şi menţinerea stabilităţii asutovehiculului. C. Sistemul ABS/ESP (Bosch 8) Este unul din cele mai complete sisteme, oferind pe lângă repartitorul electronic de frânare: • controlul cuplului motor (MSR); • controlul patinării (ASR); • controlul dinamic al traiectoriei (ESP); • controlul subvirajului (CSV). Pentru realizarea funcţiei ESP, blocul hidraulic este prevăzut cu patru electrovalve suplimentare şi o gestionare electronică specifică. Numărul de electrovalve creşte de la 8 la 12, iar calculatorul este integrat blocului hidraulic. Controlul subvirajului (CSV) este o extindere a sistemului de control dinamic al traiectoriei. Acest serviciu nu este disponibil decât dacă autovehiculul este echipat cu ESP. Sistemul ameliorează reglajul ESP în cazurile de subviraj pronunţat si nu intervine decât la reglajul subvirării. Sistemul permite frânarea până la 4 roţi o dată cu presiuni diferite. Pentru a determina traiectoria dorită de utilizator şi cea reală a autovehiculului, sistemul utilizează informaţii de la mai mulţi traductori: • unghiul volanului (integrat sistemului de direcţie cu asistare electrică variabilă); • acceleraţia transversală; • viteza de rotaţie (oscilaţie) în jurul axei verticale; • viteza unghiulară a fiecărei roţi. În general, acceleraţia transversală şi viteza de rotaţie în plan orizontal sunt controlate cu un traductor combinat situat sub scaunul şoferului. Un întreurpător permite deconectarea sistemului ESP/ASR, dar la depăşirea vitezei de 50 km/h sistemul se cuplează automat. Deceleraţiile obţinute în cazul intrării în funcţiune a sistemului de control al virajului impun aprinderea lămpilor stop. Pentru aceasta se utilizează un nou releu amplasat lângă pedala de frână. Sistemul de bord beneficiază de informaţii despre starea sistemului: • lampă martor ABS şi service ABS; • lampă Nivocod şi Stop pentru controlul funcţionării repartitorului electronic de frânare; • lampă ESP şi Service pentru controlul funcţionării sistemului ESP

205

Alte sisteme electronice ale motorului

La autovehiculele moderne, aprinderea lămpilor este însoţită de mesaje scrise pe display-ul de la bord.

5.2 Noi sisteme de frânare Legăturile mecanice sau hidraulice încep să fie înlocuite chiar şi în cazul sistemului de frânare cu legături electrice („by-wire”). Spre exemplificare se prezintă câteva soluţii moderne. 5.2.1 Sistemul SBC (Sensotronic Break Control)

Fig. 5.12 Schema de principiu a sistemului de frânare SBC

Sistemul dezvoltat de Mercedes constituie un pas important în impunerea electronicii în sistemul de acţionare al frânei de serviciu. Specific în acest caz este faptul că legăturile fizice ce transmit comanda şoferului sunt înlocuite cu legături electrice.

206

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Când şoferul apasă pedala de frână, informaţia este transmisă pe cale electronică unui microordinator performant capabil să analizeze simultan informaţii şi de la alte module electronice. Pe baza acestor date el determină în timp real presiunea optimă de frânare pentru fiecare roată. Datorită acumulatorului de înaltă presiune, sistemul acţionează cu mare rapiditate şi cu un grad de precizie superior faţă de dispozitivele convenţionale. Servoasistarea convenţională este înlocuită cu un modul hidraulic, dispus în compartimentul motor, care integrează modului de comandă electronic, modulatoarele de presiune pentru fiecare roată, acumulatorul de presiune şi pompa electrică. Schema de principiu a sistemului este prezentată în figura 5.12. Toate sistemele de supraveghere (ABS, ASR, ESP, etc.) sunt centralizate şi se menţin active, făcând ca stabilitatea autovehiculului să fie optimă. Reducerea spaţiului de frânare se datorează în acest caz diminuării timpului de răspuns al sistemului datorită prezenţei acumulatorului de înaltă presiune. Senzaţia de rezistenţă la pedala de frână este artificial creată, deci nu există percepţii noi resimţite de şofer. Sistemul prezintă următoarele avantaje: • înlocuieşte piesele mecanice; • optimizează celelalte sisteme electronice; • generează o mai bună eficienţă a sistemului ABS; • reduce timpul de inerţie al sistemului de frânare; • toate datele sunt corelate, analizate şi interpretate instantaneu; • asigură o presiune de frânare imediată şi la o valoare superioară; • stăpâneşte mai bine transferul dinamic de mase; • sistemul este disponibil în orice moment, • dispune de o serie de funcţii suplimentare, stop & go, soft stop, SBC – stop, etc. (soft–stop – suprimarea vibraţiilro din timpul frânării, SBC–stop utilizat în cazul cutiei de viteze automate, permite menţinerea pe loc a maşinii fără a fi necesar ca şoferul să ţină pedala de frână apăsată); 5.2.2 Sistemul EMB (Electro Mechanical Break) Sistem dezvoltat de Delphi-TRW, constituie un pas înainte în privinţa introducerii acţionării electrice a frânelor prin înlociurea cilindrilor hidraulici de acţionare cu sisteme electrice. Prima generaţie de sisteme de frânare electro-hidraulice gestionate de o singură unitate centrală necesita o reţea hidraulică de siguranţă pentru palierul pană totală. În cazul sistemul EMB, este vorba de câte o unitate de comandă pentru fiecare roată care se apropie de modelul redundant din aeronautică. În plus, soluţia permite o optimizare a parametrilor de frânare, precum şi posibilitatea utilizării unor funcţii noi cum ar fi frâna de parcare acţionată electric, controlul stabilităţii, etc..

207

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

6 SISTEME DE SIGURANTA PASIVĂ Sistemul air bag, combinat cu sistemul de tensionare a centurilor de siguranţă, este la ora actuală cel mai eficient sistem de securitate pasivă în caz de impact, motiv pentru care a fost adoptat de toţi fabricanţii de autovehicule. S-a dovedit că la viteze mai mari de 40 km/h, numai sistemul de pretensionare a centurilor nu este suficient. Cercetările efectuate după accidente au relevat faptul că în 68% din cazuri air bag-ul asigură o siguranţă semnificativă. Principalele elemente componente ale sistemului de siguranţă pasivă sunt prezentate în figura 6.1 , în care: 1 – sistem pretensionare centuri; 2 – air-bag frontal pasager; 3 – air bag frontal conducător; 4 – unitatea de control electronic ce include senzorul de comandă.

Figura 6.1 Sistemul de siguranţă pasivă air bag – pretensionare centuri de siguranta

6.1 Conceptul air bag Sistemul cuprinde un sac gonflabil dispus în centrul volanului, prevăzut cu un generator pirotehnic de gaz şi sistem de aprindere, un sac gonflabil dispus în torpedou, în faţa pasagerului, prevăzut cu unul sau două generatoare pirotehnice de gaz şi sistemul de aprindere. Air bag-urile sunt fabricate din nylon şi sunt prevăztue cu un înveliş suplimentar în interior, precum şi cu orificii pentru dezumflare rapidă după desfăşurarea integrală. Volumul air bag-ului pentru şofer este de cca. 50 – 60 litri, iar cel pentru pasager de cca. 120 – 160 litri. Modul de operare al sistemului este prezentat în figura 6.2, în care secvenţele specifice sunt înregistrate în cazul unui impact frontal la viteza de 35 km/h.

209

Alte sisteme electronice ale motorului

1 - şoferul se află în poziţie normală inainte de impact; 2 - la 15 ms după impact vehiculul suferă o deceleraţie puternică şi este atins pragul de sesizare al dispozitivului de comandă; 3 - sistemul de aprindere realizează aprinderea pastilelor combustibile care produc gazul necesar umflării sacului gonflabil; 4 - după cca. 30 ms sacul este umflat, centurile de siguranţă sunt pretensionate prin scurtare; 5 - la 40 ms după impact sacul este umflat complet iar energia de deplasare spre faţă a şoferului va fi absorbită de sac şi va începe dezumflarea; 6 - la cca. 120 ms dupa impact, soferul va fi impins inapoi in scaun iar air bag-ul se va dezumfla complet asigurind vizibilitatea pentru sofer. Sistemul este conceput în aşa fel încât în momentul în care coducătorul auto sau pasagrul intră în contact cu sacul umflat, acesta să fie deja parţial dezumflat astfel încât să se realizeze o presiune de contact acceptabilă pentru corpul uman.5

1

2

3

4

5 Fig. 6.2 Secvenţele funcţionării sistemului air bag în cazul unui impact frontal

210

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Air bag-ul previne lovirea capului şi a pieptului şoferului şi pasagerului în cazul unui impact frontal. Chiar şi utilizarea sistemului de pretensionare a centurii de siguranţă nu poate preveni impactul capului cu volanul în cazul unui impact puternic. De asemenea air bag-ul protejează ocupanţii care nu utilizează centuri de siguranţă, fenomen întânit mai ales în circulaţia urbană. G e n e r a t o r u l d e g a z – realizează umflarea rapidă şi completă a sacului gonflabil prin arderea unor tablete combustibile dispuse în camera de combustie. Alimentarea blocului electronic de comandă şi a dispozitivului de aprindere se face în mod normal de la bateria autovehiculului. Totuşi o capacitate de rezervă de energie este inclusă în blocul elctronic deoarece există riscul ca la începutul impactului bateria să fie debranşată. Declanşarea aprinderii este realizată printr-o scânteie produsă prin descărcarea unui condensator, în momentul primirii comenzii de la unitatea de control electronic. Tabletele combustibile ard instantaneu producând o cantitate mare de gaz la o presiune dată. Gazul este forţat să intre în air-bag printr-un filtru şi produce umflarea sacului pliat. După desfăşurarea sacului, o anumită cantitate de hidroxid de sodiu se va afla atât în air bag cât şi în interiorul automobilului. Senzorii de impact – au rolul de a detecta impactul şi de a transmite informaţia unităţii de control electronic, de a declanşa impulsul de amorsare a airbag-ului, respectiv pretensionarea centurilor de siguranţă. Senzorii pot fi electromecanici sau alectronici. Senzori electromecanici În figura 6.3 se prezintă un senzor electromecanic prevăzut cu un arc lamelar 1 care reţine o rolă 2 pe o poziţie iniţială. În cazul unui impact, la o limită predeterminată, rola învinge arcul lamelar iar deplasarea ei provoacă închiderea microcontactului 3. În figura 6.4 se prezintă senzorul cu arc pretensionat. Arcul pretensionat 1 menţine în mod normal magnetul 2 împins la extremitate. În cazul unui impact frontal forţa de inerţie va învinge forţa arcului iar magentul va comprima arcul ajungând în dreptul contactului 3 pe care îl va închide.

Figura 6.3

Figura 6.1

Schema senzorului aelectromecanic tip rola arc

Schema senzorului cu arc pretensionat

211

Alte sisteme electronice ale motorului

Din motive practice cursa de comandă a senzorilor electromecanici trebuie să fie foarte redusă. Aceasta provoacă o concordanţă cu frecvenţa joasă a sistemului masă – arc care trebuie să fie puternic amortizată pentru a realiza protecţia faţă de perturbaţii. În acest fel deplasarea masei va fi proporţională cu variaţia vitezei autovehiculului. Pentru a obţine timpi de răspuns suficient de scurţi, aceţi senzori trebuie să fie dispuşi în partea frontală a autovehiculului, ceea ce impune un cablaj suplimentar. Senzori electronici Senzorii electronici realizează înregistrarea deceleraţiei provocată de impact, a cărei frecvenţă de rezonanţă este superioară plajei de frecvenţe de evaluat. Se utilizează două principii de conversie: • deformarea unei lamele 1 sub influenţa unei mase de inerţie 2, măsurată cu ajutorul unor mărci tensometrice 3 – figura 6.5; • utilizarea efectului piezoelectric provocat de deformarea unui disc de cuart sub actiunea unei mase seismice sau a unui element elastic piezo-ceramic – figura 6.6.

Fig. 6.5 Accelerometru bazat pe deformarea unei lamele elastice

Fig. 6.2 Accelerometru piezoelectric

Deplasarea sistemului este foarte mică dar produce un semnal eelctric suficient pentru evaluarea acceleraţiei care acţionează la impact. Senzorii electronici se instalează în habitaclu (sub scaunul pasagerului sau în consola centrală) împreună cu unitatea de control electronic, cu efect asupra simplităţii cablajului. Semnalul senzorului de acceleraţie este transmis unui integrator al cărui semnal de ieşire corespunde reducerii de viteză. Totodată semanlul de accelerare este limitat în amplitudine pentru a atenua perturbaţiile electrice sau mecanice. Unitatea de control electronic Recunoaşterea impactului şi operarea mecanismului de declanşare

212

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

Când se utilizează un senzor de impact de tip electromecanic teroretic nu este necesară o unitate de control electronic, un circuit simplu putând fi folosit pentru desfăşurarea air-bag-ului când contactul senzorului este acţionat. Cu toate acestea, sistemul de monitorizare şi diagnosticare impune prezenţa unei unităţi de control electronic. În baza datelor furnizate de unul sau doi senzori de acceleraţie (electromecanici sau electronici), unitatea de control electronic calculează deceleraţia de impact si după caz, comandă declanşarea sistemului pirotehnic al air bag-urilor şi al centurilor de siguranţă.

Fig. 6.3 Schema bloc a circuitului air bag

Unitatea de control electronic indeplineste urmatoarele functii: • identificarea impactului pe baza datelor furnizate de senzorul / senzorii de deceleratie • activarea promptă a circuitelor de control care guvernează răspunsul airbag-ului şi a sistemului de pretensionare a centurilor, pe baza algoritmului de declanşare; • transformator de tensniune şi realizarea unei surse în regim stand-by; • declanşarea selectivă a tensionatorului de centuri şi a air bag-urilor având în vedere situaţia în care locul pasagerului nu este ocupat sau ocupanţii nu •

poartă centuri;

• diagnosticarea funcţiilor interne şi externe, precum şi a sistemelor componente; • stocarea de date referitoare la defecţiuni; • activarea circuitului lămpii martor de la bord.

213

Alte sisteme electronice ale motorului

Defecţiunile sunt stocate în memoria unităţii de control electronic şi pot fi accesate ulterior. Diagrama bloc a unui circuit air-bag este prezentată în figura 6.7, iar construcţia unităţii de control electronic este prezentată în figura 6.8. Sistemul digital utilizat foloseşte un senzor de tip electronic, care la o viteză de deplasare de peste 50 km/h, în timp de 10 ms decide dacă sistemul de reţinere este necesar să fie activat. În acest interval de timp calculatorul efectuează cca. 10000 operaţii. Algoritmul utilizat se bazează pe simulările Figura 6.4 efectuate pe calculator sau chiar pe unităţii de control eelctronic a monitorizarea evenimentelor produse pe durata Construcţia sistemului air bag impactului prin colectarea unor date reale.

6.2 Pretensionatoare pentru centuri de siguranţă La un şoc frontal suficeint de puternic, senzorul va declanşa aprindere simultană a generatoarelor pirotehnice ale mecanismelor de pretensionare a centurilor.

Figura 6.5 Figura 6.9 Sistemul de pretensionare prin deplasare axiala

Sistemul de pretensionare prin rotirea mosorului centurii

Sub efectul presiunii gazului generat prin arderea pastilelor combustibile, un piston se va deplasa în cilindrul său antrenând un cablu ataşat centurii – figura 6.9 – sau mosorul de înfăşurare a centurii va fi rotit suplimentar cu ajutorul unor bile – figura 6.10. În ambele cazuri centura este scurtată cu cca. 70 mm, imobilizând şoferul şi pasagerul în scaun. Sisteme complete de siguranta pasivă La ora actuală sistemul de siguranţă pasivă utilizat pe automobile a ajuns la a treia generaţie. Acest sistem include următoarele elemente – figura 6.11: • air bag frontal cu volum dublu pentru şofer, 7 şi pasager, 8;

214

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

• air bag lateral pentru locurile din fata, 13, si spate, 14; • air bag tip cortină pentru protecţia capului, 15; • sistem de pretensionare centuri de siguranţă pentru locurile din faţă, 10; • sistem de pretensionare centuri de siguranţă pentru locurile din spate, 12.

Figura 6.6 Sistem complet de siguranţă pasivă

Air bag-ul cu volum dublu numit şi air bag adaptiv, permite adaptarea pragului de umflare la intensitatea impactului. Un air bag simplu de talie mare şi umflat puternic poate provoca leziuni în cazul unui impact violent. În acest caz sacii air bag-ului frontal sunt construiţi din două volume legate între ele printr-o cusătură principală. Un pliu este realizat cu ajutorul unei cusături fuzibile în scopul obţinerii unui volum mic al sacului, iar volumul mare se obţine prin cedarea cusăturii – figura 6.12. Amortizarea contactului ocupanţilor cu primul volum al sacului poate conduce la deşirarea (desfacerea) cusăturii fuzibile şi aceasta, dacă debitul evacuărilor de aer este insuficient pentru a limita presiunea de şoc. Fiecare air bag frontal Fig. 6.7 dispune de două generatoare Aur-bag dublu (adaptiv) pirotehnice de gaz comandate prin circuite separate de aprindere. Calculatorul comandă un singur generator pentru realizarea volumului mic şi cele două generatoare pentru volumul mare.

215

Alte sisteme electronice ale motorului

Tot calculatorul comandă sistematic al doile generator după primul. În cazul în care este necesar numai volumul mic, calculatorul observă un timp de întârziere deoarece reumflarea nu este necesară. Air bag-ul lateral şi air bag-ul tip cortină Air bag-ul lateral este dispus în partea laterală a spătarului scaunului iar cel tip cortnă în atâlpul dintre uşi şi zona de deasupra uşilor. Dificultăţi specifice apar datorită distanţei reduse dintre pasageri şi elementele laterale ale interiorului caroseriei. Ca urmare, în cazul unui impact lateral timpul de răspuns pentru detectarea impactului şi activarea air bag-ului lateral nu trebuie să depăşească 3 ms, în timp ce, pentru umflarea air bag-ului lateral, al cărui volum este de cca. 12 litri, sunt disponibile maxim 10 ms. Sistemul de comandă cuprinde un calculator care înglobează pe lângă senzorul de decceleraţie logitudinal şi un senzor de decceleraţie transversal de tip piezoelectric. Sistemele moderne de acţionare pentru air bag-urile laterale se bazează pe un senzor periferic de decceleraţie montat în stâlpul dintre uşi sau în ranforsarea uşii. Alte sisteme folosesc senzori de presiune dispuşi în uşi care monitorizează presiunea ridicată ce însoţeşte deformarea uşilor în cazul impactului lateral şi care transmit informaţia unităţii de control electronic. Dezvoltările ulterioare ale sistemelor de siguranţă pasivă vor include în plus sisteme de protecţie suplimentare care vor realiza în cazul unui impact oprirea pompei de combustibil, activarea lămpilor de avarie, transmiterea unui medaj către serviciile de urgenţă, etc..

216

Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor

7 BIBLIOGRAFIE 1 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

Baican, R.,Enache,V., “Automobilul modern”, Editura Universităţii Transilvania,.Braşov,.2008. Bigora, J, ş.a „Dual voltage power networks”, Automotive Engineering 09/2000. BOSCH „Automotive Handbook” – Robert Bosch GMBH Stuttgart 1996 BOSCH „Kraftfahr–technisches Taschenbuch” 25 Auflag–Robert Bosch GMBH, 2003 BOSCH „Ottomotor - Management” - Robert Bosch GMBH, 2003 Boyce H., Dwiggins, ş.a „Automotive Electricity and Electronics Concepts and Application” – Prentice Hall 1996 Christopher, O.,Nwagboso „Automotive Sensory Systems” – Chapman & Hall 1993 Denton, T., „Automobile electrical and electronic systems” – SAE 1995 Eric, Chowanietz „Automobile Electronics” – SAE 1995 Enache, V., „Echipament electric şi electronic pentru autovehicule” – Editura Univrsităţii Transilvania 2002 Enache, V., „The Evolution of Automotive Lighting System and Traffic Safety” Conferinţa CONAT 2004 Braşov Enache, V., Dima,D., „Adaptarea sistemului de alimentare cu energie electrică la exigenţele automobilelor moderne” – Conferinţa AMMA Cluj Napoca 2002 Haldeman, J., „Diagnosis and Troubleshooting of Automotive Electrical, Electronic and Computer Systems” Henneberger, G. „Elektrische Motorausrustung” – Robert Bosch, Geschaftsbereach Hiller V. A. W. „Fundaments of Automotive Electronics” Jurgen R. K. „Electronic Engine Control Technologies” – SAE 1998 Jurgen R. K. „Automotive Electronic Handbook” – SAE 1999 Lefter E. „Injecţia electronică de benzină” – Editura ELECTUS 1997 Seitz N., Enache V. „Echipament electric şi electronic pentru autovehicule” Universitatea Transilvania 1987 Renault – documentaţii Ribens W. B. „Understanding Automotive Electronics” – SAE 1998

217