Sistemele de propulsie pentru automobile, la nivel global sunt antrenate de motoarele cu ardere internă, ce utilizează ca sursă primară de energie… [308113]

[anonimizat], [anonimizat]. Emisiile poluante generate de acesta pentru a [anonimizat], cât și pentru oameni. Un alt dezavantaj al sistemelor de propulsie cu motoare cu ardere internă este randamentul conversiei energetice care este destul de scăzut 35 – 40 %.

Sistemele de propulsie alternativă propun o [anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat] a fost conceput. Din această categorie de combustibili fac parte: [anonimizat]/LPG, [anonimizat]/CNG, etanol E85 și E100, biodiesel și hidrogen.

Primele cercetări în acest sens au urmărit reducerea dependenței de combustibil fosil datorită crizelor petrolului. O altă preocupare a substituirii sistemului de propulsie a [anonimizat], NOx, particule respectiv CO2 – gazul cu efect de seră. [anonimizat], [anonimizat], în configurație serială sau paralelă.

Lucrarea “Introducere în sisteme de propulsive alternativă” cuprinde 7 titluri de lucrări de laborator ce se execută în cadrul orelor de instruire și formare a [anonimizat].

Lucrările de laborator au fost astfel structurate în a [anonimizat]-i cu problematica specifică a [anonimizat].

Timișoara Autorii

Ianuarie 2019

COMBUSTIBILI ALTERNATIVI UTILIZAȚI LA MOTOARE CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE

Principiul lucrării

Construcția specifică a unui Motor cu ardere internă și aprindere prin comprimare (m.a.c.) permite utilizarea altor tipuri de combustibili față de motorină. Motorul poate funcționa atât prin substituirea integrală a [anonimizat]. Substituirea integrală a combustibilului se poate realiza prin folosirea de biodiesel (ulei de rapiță trans esterificat), [anonimizat] a unor alcooli. Combustibilul astfel utilizat pentru a putea fii declarat alternativ trebuie să îndeplinească anumite criterii:

Să permită utilizarea motorului la sarcina nominală pentru care a fost proiectat;

Să nu conducă la creșterea regimului termic de funcționare;

Să conserve costul de achiziție al combustibilului sau după caz să-l reducă;

Să conserve gradul de poluare sau după caz sa-l reducă.

În figura 1.1. este prezentată schema standului experimental pentru determinarea eficienței și a gradului de poluare al motoarelor m.a.c. alimentate cu combustibili alternativi.

Figura 1.1. Schema standului experimental de m.a.c cu combustibili alternativi [1].

La folosirea combustibililor alternativi în motorul cu ardere internă (m.a.i.) este necesară o atenție sporită asupra parametrilor termodinamici în speță temperatura lubrefiantului și al agentului de răcire pe de-o parte, iar pe de altă parte temperatura gazelor de ardere, care este un alt factor termodinamic important în funcționarea acestuia.

Un alt criteriu care stă la baza definirii unui combustibil folosit în m.a.i. ca și alternativ este gradul de poluare. Astfel, combustibilul folosit, din punct de vedere al gradului de poluare, trebuie să obțină valori mai reduse sau în cel mai rău caz, aceleași valori, pentru compuși nocivi.

1.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Sistem de generare a curentului electric cu motor Diesel model KDE 5000 CE;

Sistem gravimetric de măsurarea a debitului de combustibil;

Reostatele de încărcare a motorului;

Ampermetru;

Voltmetru;

Sistem de achiziție în timp real a parametrilor termodinamici (temperatura lubrifiant, temperatura agent de răcire – aer, temperatura gazelor evacuate în ambient);

Sistem de măsurare a noxelor tip CAPELEC – CAP3200.

Grupul generator cu motor diesel este ilustrat în figura 1.2.

Figura 1.2. Grupul generator [1].

1-motor, 2-generator, 3-levier de STOP, 4-levier de START, 5-rezervor

Figura 1.2 prezintă grupul generator. Motorul diesel este un produs al firmei Kama Diesel Europe. Este un monocilindric, ce are capacitatea cilindrică de 406 cm3, injecție directă de motorină în capul pistonului la presiunea de 150 bar. Pornirea se poate face fie manual, asemănător cazului unei motocositoare sau motoferăstrău, fie automat cu starter. Puterea motorului este de 5,5 kW la o turație de 3000 rot/min.

Sistemul gravimetric de măsurarea a debitului de combustibil, este alcătuit dintr-un cântar electronic și un rezervor adițional sub forma unui recipient de plastic, transparent.

Alimentarea motorului se realizează fără pompă de joasă presiune, prin “cădere” sau alimentare gravitațională. S-a păstrat aceeași distanță de la punctul cel mai jos al nivelului de combustibil până la pompa de injecție, pentru a evita situații de generare a unei presiuni mai mari, rezultate prin diferență de nivel decât a celei admise de producător.

Figura 1.3. Sistemul de măsurare a debitului de combustibil [1].

1 – motor termic; 2 – furtun flexibil transparent de combustibil;

3 – rezervor de combustibil; 4 – cântar; 5 – suport cântar

Cântarul digital DIBAL (figura 1.3) măsoară o masă de până la 150 kg. Are o structură robustă din aluminiu, și o eroare de măsurare de ± 0.5 g/kg, valorile citindu-se de pe ecranul digital (model VD-310 ABS) cu leduri, ce facilitează citirea.

Reostatele de încărcare a m.a.c.-ului simulează consumatorul. Din motive de siguranță încărcarea electrică maximă a motorului este de 2 kW.

Sistemul de măsurare a temperaturilor în timp real a fost dezvoltat în limbajul grafic de programare Labview 2015, licență Home and Student Edition, asociat la o placă de achiziție de date NI PCI 6220 (figura1.4). Interfața utilizatorului este extrem de simplu de utilizat și intuitivă pentru a se putea urmării cu ușurință evoluția regimului termic al motorului. Figura 1.5 prezintă interfața de vizualizare a datelor în timp real.

Figura 1.4 Placa de achiziție de date NI PCI-6220 [2].

Pentru logica programului de achiziție de date în timp real, s-a ales citirea continuă a celor 3 canale (Temperatură lubrifiant, Temperatura agent de răcire (AER), Temperatura gaze evacuate în ambient) cu o frecvență de 100 Hz, pe un eșantion de 100 de probe.

Figura 1.5 Interfața de vizualizare a temperaturilor pentru m.a.c..

Sistemul de măsurare noxelor folosit la determinarea gradului de poluare este CAPELEC CAP3200. Instalația este realizată de către CAPELEC. Instalația CAP3200 este compusă din analizorul de emisii CAP3201, opacimetru și troler special construit pentru această stație; figura 1.6, prezintă stația CAP3200 și elementele principale.

Figura 1.6 Stația CAPELEC CAP3200 [3].

Ambele componente principale ale stației de lucru sunt echipate cu elemente auxiliare:

Analizorul de emisii CAP3201:

– Sondă de prelevare;

– Tub de evacuare;

– Filtre;

– Sondă de măsurare a temperaturii a lubrifiantului;

– Senzori de măsurare a turației motorului.

Opacimetru:

– Sondă de prelevare;

– Suport;

– Sursă de curent și cablu de date;

– Senzor de măsurare a turației motorului.

În figura 1.7 sunt prezentate elementele auxiliare ale componentelor principale a stației de încercare.

I.

Figura 1.7. Elemente auxiliare ale stației de monitorizarea poluării [3],[4].

I – celulă de măsurare a opacității; 1 – sondă de temperatură; 2 – senzor de măsurarea turației piezoelectric; 3 – senzor de măsurare a turației cu inducție; 4 – senzor de măsurare a turației la brichetă; 5 – senzor de măsurare a turației conectat la baterie

Analizorul de emisii este un modul destinat organismelor de testare și încercare certificate dar și atelierelor de întreținere, reparare și reglare ale motoarelor cu ardere internă. În cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie, acesta permite măsurarea concentrațiilor de monoxid de carbon (CO), dioxid de carbon (CO2), hidrocarburi (HC), în echivalent hexan(C6H14), oxizii de azot (NOx) și a concentraților de oxigen(O2) în gazele de ardere produse acesta cu și fără catalizator.

Pe lângă componentele chimice prezentate mai sus, stația mai poate determina în orice moment:

– Calcularea valorii CO-corectate;

Calcularea valorii Lambda;

Măsurarea turației motorului;

Măsurarea temperaturii lubrifiantului.

Determinarea concentrațiilor a emisiilor poluante de CO, CO2, HC și NOx se realizează prin folosirea radiației infra-roșii ne-difuze NDIR, spre deosebire de măsurarea concentrației de O2 care se realizează cu ajutorul efectului peltier (electrochimic). Precizia de măsurare a concentrațiilor emisiilor poluante și a parametrilor auxiliari sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabel 1.1. Precizia parametrilor măsurați

În cazul motoarelor diesel, măsurarea gradului de poluare, conform legislației rutiere, se face prin analiza carbonului în suspensie. Analiza carbonului în suspensie se realizează cu ajutorul opacimetrului. Stația de lucru are în componență un opacimetru cu flux parțial, ce măsoară acest fenomen pe baza unei unități date de măsura K(m-1).

Principiul de măsurare al opacității este următorul: un fascicul de lumină (emițător îndreptat către un receptor, cu o distanță constantă între cei doi) este trecut printr-un eșantion de gaz. Fracția de lumină incidentă care ajunge la receptor este invers proporțională cu concentrația de particule în suspensie din gaz; măsurătoarea obținută ulterior este corectată digital.

Prin definiție opacitatea unui vehicul reprezintă valoare opacității maxime măsurate în timpul accelerării. Pentru a obține o măsurătoare sigură sunt necesare mai multe accelerări. Numărul de accelerări care trebuie executate pentru măsurarea opacității unui vehicul este dat de către standardul NF R 10-025; în figura 1.8 este prezentată schema de funcționare a camerei de măsurare a opacimetrului ce echipează stația de lucru.

Figura 1.8. Schema funcțională a camerei de măsurare [4].

emițător; 2- receptor; 3- senzor de temperatură a camerei; 4- element de încălzire; 5- senzor de temperatură a gazului; 6- orificiu de admisie a gazului; 7- camera de măsurare; 8- ventilatorul de eșapament

1.3. Modul de lucru

1.3.1 Pregătirea standului experimental pentru măsurători – timp de lucru 2 ore

Înainte de a se porni standul experimental, se verifică nivelul de lubrifiantului, și nivelul de combustibil, în rezervorul adițional. Se pornește cântarul electronic, și se înregistrează valoarea indicată pe display.

Instalația experimentală se alimentează cu combustibilul clasic (motorina) și se pornește. Motorul se va lăsa la mers în gol până când se va atinge temperatura de regim.

Se pornește programul de achiziție de date în timp real a temperaturilor, parametrilor termodinamici.

În același timp se va pornii stația de monitorizare a gradului de poluare (CAP3200), și se vor urmării pașii pentru tipul de înregistrare Măsurare fără limite,

1.3.2. Etapele de lucru

Odată atinsă temperatura optimă de funcționare al motorului termic, se pot începe măsurătorile:

Se citește valoarea inițială a greutății combustibilului;

Se încărcă electric standul experimental la sarcina de 2 kW;

Se citește valoarea tensiunii la bornele generatorului;

Se citește valoarea de pe ampermetru;

Se înregistrează valorile compușilor poluanți.

Timp de 1 ora se citesc și înregistrează în fișa de laborator valorile parametrilor anteriori cu o frecvență de citire de 5 minute.

La finalul intervalului de timp alocat, motorul termic se va opri, după care are loc substituirea de combustibil clasic cu: biodiesel, ulei vegetal sau amestec de biobitanol cu motorină în proporție de 15%. Se va repeta procedura de la punctul 1.3.1, după care se vor înregistra parametrii conform 1.3.2 pentru fiecare tip de combustibil.

Tabelul 1.2. Valorile consumului de combustibil și a debitului apei de răcire

Din motive de siguranță, motorul se va porni cu starterul automat. Pentru a se putea porni motorul este necesară mutarea poziției levierului de START, înspre dreapta, după care se va acționa comanda de pornire al acestuia.

1.4. Prelucrarea rezultatelor

Se va realiza media valorilor obținute din fișierul final al datelor de temperaturi, aplicându-se și calculul deviației standard. După această operație se va realiza:

Calculul eficienței motorului termic, conform breviarului :

Calculul fluxului de căldură dezvoltat prin arderea combustibilului se realizează cu formula (1.1)

[kW] (1.1)

unde Ch este consumul orar de combustibil, în g/h, Hi puterea calorifică inferioară a combustibilului măsurată în kJ/kg (pentru motorină Hi = 43400 kJ/kg, pentru ceilalți combustibili aceasta se va extrage din tabele sau după caz calcula ).

Se poate calcula însă și cu formula (1.2):

[kW] (1.2)

unde ce este consumul specific de combustibil, în g/(kWh), Pe puterea efectivă, în kW, iar Hi puterea calorifică inferioară, în kJ/kg.

Consumul specific este calculat cu relația:

[g/(kWh)] (1.3)

unde Ch este consumul orar de combustibil în kg/h, iar Pe puterea efectivă în kW.

2. Randamentul electric va avea următoarea valoare:

[%] (1.4)

unde ηe este randamentul efectiv al motorului care antrenează generatorul electric, Qcomb fluxul de căldură dezvoltat prin arderea combustibilului, în kW, iar Pe puterea efectivă măsurată în kW.

3. Randamentul la bornele generatorului electric va fi:

[%] (1.5)

unde ηb este randamentul la bornele generatorului, în %, ηt randamentul de transmitere a energiei electrice exprimat în %, iar ηg randamentul generatorului electric în %.

4. Randamentul total în cazul cogenerării va fi:

[%] (1.6)

unde randamentul total al instalației experimentale ηtot rezultă în %.

B. Graficul evoluției temperaturilor lubrifiantului, agentului de răcire și gazelor evacuate în ambient în funcție de timp

C. Graficul consumului de combustibil în funcție de timp.

Timp total de lucru 4 ore.

1.5. Verificarea cunoștințelor

Care este valoarea maximă a randamentului total în cazul motorului cu aprindere prin comprimare?

Precizați care este metoda de măsurare a consumului de combustibil.

Care sunt principalii parametri monitorizați după stabilizarea regimului termic al instalației experimentale?

2. COMBUSTIBILI ALTERNATIVI UTILIZAȚI LA MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

2.1. Principiul lucrării

Construcția specifică a unui motor cu aprindere prin scânteie (m.a.s) permite de asemenea utilizarea altor tipuri de combustibili față de benzină. Motorul poate funcționa atât prin substituirea integrală a combustibilului, cât și prin substituire parțială de părți volumice a combustibilului clasic. Substituirea integrală a combustibilului se poate realiza prin folosirea ca și combustibil primar gazul petrolier lichefiat (GPL – necesită instalație specială de alimentare), CNG (gaz natural comprimat), H2 (stocare la -253 °C) sau alcooli. În amestec de părți volumice, în cazul m.a.s. se folosește etanolul în proporție de 85%. Combustibilul astfel utilizat pentru a putea fii declarat alternativ trebuie să îndeplinească anumite criterii:

Să permită utilizarea motorului la sarcina nominală pentru care a fost proiectat;

Să nu conducă la creșterea regimului termic de funcționare;

Să conserve costul de achiziție al combustibilului sau după caz să-l reducă;

Să conserve gradul de poluare sau după caz sa-l reducă.

În figura 2.1. este prezentată schema instalației experimentale pentru determinarea eficienței și a gradului de poluare al motoarelor cu aprindere prin scânteie alimentate cu combustibili alternativi.

Figura 2.1. Schema instalației experimentale de m.a.s. cu combustibili alternativi – GPL

La folosirea combustibililor alternativi în motorul cu ardere internă (m.a.i.) este necesară o atenție sporită asupra parametrilor termodinamici în speță temperatura lubrifiantului și al agentului de răcire pe de-o parte, iar pe de altă parte temperatura gazelor evacuate în ambient fiind un alt factor termodinamic important în funcționarea m.a.i..

Un alt criteriu care stă la baza definirii unui combustibil folosit în m.a.i. ca și alternativ este gradul de poluare. Astfel, combustibilul folosit, din punct de vedere al gradului de poluare, trebuie să obțină valori mai reduse sau în cel mai rău caz, aceleași valori, pentru compuși nocivi.

2.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Sistem de generare a curentului electric cu motor Otto model BCS 6000 GE Plus;

Sistem gravimetric de măsurarea a debitului de combustibil;

Reostatele de încărcare a motorului;

Ampermetru;

Voltmetru;

Sistem de achiziție în timp real a parametrilor termodinamici (temperatura lubrifiantului, temperatura agent de răcire – aer, temperatura gazelor evacuate în ambient);

Sistem de alimentare cu GPL;

Sistem de măsurare a noxelor tip Capelec CAP3200.

Grupul generator cu motor m.a.s. este ilustrat în figura 2.2.

Figura 2.2. Grupul generator [5].

1-motor, 2-generator, 3-rezervor

Figura 2.2 prezintă grupul generator. Motorul Otto este un produs al firmei Honda model GX 390. Este un mono cilindru, ce are capacitatea de 389 cm3, sistem de alimentare prin carburație. Pornirea este exclusiv manuală, asemănător cazului unei motocositoare sau motoferăstrău. Puterea motorului este de 7,8 kW la 3000 rot/min, iar valoare maximă a puterii este de 8,4 kW la turația de 3600 rot/min.

Sistemul gravimetric de măsurarea a debitului de combustibil, este alcătuit dintr-un cântar electronic și un rezervor adițional sub forma unui recipient de plastic, transparent.

Alimentarea motorului se realizează fără pompă de joasă presiune, prin “cădere” sau alimentare gravitațională. S-a păstrat aceeași distanță de la punctul cel mai jos al nivelului de combustibil până la carburator, pentru a evita situații de generare a unei presiuni mai mari, rezultate prin diferență de nivel decât a celei admise de producător.

Figura 2.3. Sistemul de măsurare a debitului de combustibil [5].

1 – motor Otto; 2 – furtun flexibil transparent de combustibil; 3 – rezervor adițional de combustibil; 4 – cântar; 5 – suport cântar; 6-rezervorul motorului termic; 7- sistem de ajustare încărcare

Cântarul digital DIBAL (figura 2.3) măsoară o masă de până la 150 kg. Are o structură robustă din aluminiu, și o eroare de măsurare de ± 0.5 g/kg, valorile citindu-se de pe ecranul digital (model VD-310 ABS) cu leduri, ce facilitează citirea.

Reostatul de încărcare a m.a.s.-ului simulează consumatorul. Din motive de siguranță încărcarea electrică maximă la care se face m.a.s.-ul este de 2 kW.

Sistemul de măsurare a temperaturilor în timp real a fost creat în limbajul grafic de programare Labview 2015, licență Home and Student Edition, asociat la o placă de achiziție de date NI PCI 6220 (figura 2.4). Interfața utilizatorului este extrem de simplu de utilizat și intuitivă pentru a se putea urmării cu ușurință evoluția regimului termic al motorului. Figura 2.5 prezintă interfața de vizualizare a datelor în timp real.

Figura 2.4 Placa de achiziție de date NI PCI-6220 [2].

Pentru logica programului de achiziție de date în timp real, s-a ales citirea continuă a celor 3 canale (Temperatură lubrifiant, Temperatura agent de răcire (AER), Temperatura gaze evacuate în ambient) cu o frecvență de 100 Hz, pe un eșantion de 100 de probe.

Figura 2.5 Interfața de vizualizare a temperaturilor pentru m.a.s.

Alimentarea cu GPL a ștandului a implicat crearea unui nou sistem de alimentare cu combustibil. Standul astfel a fost dotat cu sistemul de alimentare cu GPL Marini 88 Automatic, pilotat de STAG2-G (figura 2.6). Acest sistem de alimentare a fost conceput special pentru autoturismele care au motoare cu ardere internă tip Otto și sistem de alimentare cu combustibil clasic, cu carburator. Pentru ca noul sistem de alimentare să funcționeze, instalației experimentale, i s-a montat o pompă de recirculare, care asigură mișcarea unui fluid încălzit prin vaporizatorul instalației, în a se asigura temperatura necesară vaporizării gazului petrolier lichefiat, care ulterior este dirijat către motorul termic prin carburator.

Figura 2.6. Sistemul de alimentare cu combustibil GPL [6].

Trecerea de la un tip de combustibil la celălalt se face exclusiv de către operator prin acționarea comutatorului 1. La punerea comutatorului în poziția ”0” sistemul închide alimentarea completă cu combustibil, în poziția 1 se deschide electro-vana (benzină) ce permite alimentarea motorului cu combustibil lichid, iar la punerea comutatorului pe poziția 2 se închide alimentarea cu combustibil lichid al motorului și se deschide electro -vana (GPL) ce permite trecerea combustibilului gazos în motor, prin reductorul vaporizator.

Pentru determinarea cantității de GPL în unitatea de timp, s-a folosit același cântar electronic DIBAL, cu care s-a efectuat cântărirea directă pe durata de funcționare a (în timpul măsurătorilor) a rezervorului de GPL. La determinarea consumului s-a folosit același principiu descris și pentru situațiile realizate atunci când combustibilul primar a fost benzina.

Sistemul de măsurare noxelor folosit este Capelec CAP3200. Instalația CAP3200 este compusă din analizorul de emisii CAP3201, opacimetru și troler special construit pentru această stație; figura 2.7, prezintă stația CAP3200 și elementele principale. Descrierea funcțională detaliată a echipamentului se găsește în lucrarea de laborator 1.

Figura 2.7 Stația Capelec CAP3200 [3].

Ambele componente principale ale stației de lucru sunt echipate cu elemente auxiliare:

Analizorul de emisii CAP3201:

– Sondă de prelevare;

– Tub de evacuare;

– Filtre;

– Sondă de măsurare a temperaturii a lubrifiant;

– Senzori de măsurare a turației motorului.

Opacimetru:

– Sondă de prelevare;

– Suport;

– Sursă de curent și cablu de date;

– Senzor de măsurare a turației motorului.

În figura 2.8 sunt prezentate elementele auxiliare ale componentelor principale a stației de încercare.

I.

Figura 2.8. Elemente auxiliare ale stației de monitorizarea poluării [3],[4].

I – celulă de măsurare a opacității; 1 – sondă de temperatură; 2 – senzor de măsurarea turației piezoelectric; 3 – senzor de măsurare a turației cu inducție; 4 – senzor de măsurare a turației la brichetă; 5 – senzor de măsurare a turației conectat la baterie

2.3. Modul de lucru

2.3.1 Pregătirea instalației experimentale pentru măsurători – timp de lucru 2 ore

Înainte de a se porni instalația, se verifică nivelul lubrifiantului, și nivelul de combustibil, în rezervorul adițional. Se pornește cântarul electronic, și se înregistrează valoarea indicată pe ecran.

În primă fază alimentarea sistemului se realizează cu combustibilul clasic – benzină și se pornește. Motorul se va lăsa la mers în gol până când se va atinge temperatura de regim.

Se pornește programul de achiziție de date în timp real a temperaturilor, parametrilor termodinamici.

În același timp se va pornii stația de monitorizare a gradului de poluare (CAP3200), și se vor urmării pașii pentru tipul de înregistrare Măsurare fără limite,

2.3.2. Mersul lucrării

Odată atinsă temperatura optimă de funcționare al motorului termic, se pot începe măsurătorile:

Se citește valoarea inițială a greutății combustibilului;

Se încărcă electric standul experimental la sarcina de 2 kw;

Se citește valoarea tensiunii la bornele generatorului;

Se citește valoarea de pe ampermetru;

Se înregistrează valorile compușilor poluanți

Timp de 1 ora se citesc și înregistrează în fișa de laborator valorile parametrilor anteriori cu o frecvență de citire de 5 minute.

La finalul intervalului de timp alocat, motorul termic se va opri, după care are loc substituirea de combustibil clasic cu GPL. Se va repeta procedura de la punctul 2.3.1, după care se vor înregistra parametrii conform 2.3.2 pentru fiecare tip de combustibil.

Tabelul 2.2. Valorile consumului de combustibil și a debitului apei de răcire

2.4. Prelucrarea rezultatelor

Se face media valorilor obținute din fișierul final al datelor de temperaturi. După această operație se va realiza:

Calculul eficienței motorului termic, conform breviarului :

Calculul fluxului de căldură dezvoltat prin arderea combustibilului se realizează cu formula (1.1)

[kW] (2.1)

unde Ch este consumul orar de combustibil, în g/h, Hi puterea calorifică inferioară a combustibilului măsurată în kJ/kg (pentru benzină Hi = 44000 kJ/kg, pentru GPL Hi = 45000 kJ/kg ).

Se poate calcula însă și cu formula (2.2):

[kW] (2.2)

unde ce este consumul specific de combustibil, în g/(kWh), Pe puterea efectivă, în kW, iar Hi puterea calorifică inferioară, în kJ/kg.

Consumul specific este calculat cu relația:

[g/(kWh)] (2.3)

unde Ch este consumul orar de combustibil în kg/h, iar Pe puterea efectivă în kW.

2. Randamentul electric va avea următoarea valoare:

[%] (2.4)

unde ηe este randamentul efectiv al motorului care antrenează generatorul electric, fluxul de căldură dezvoltat prin arderea combustibilului, în kW, iar Pe puterea efectivă măsurată în kW.

3. Randamentul la bornele generatorului electric va fi:

[%] (2.5)

unde ηb este randamentul la bornele generatorului, în %, ηt randamentul de transmitere a energiei electrice exprimat în %, iar ηg randamentul generatorului electric în %.

4. Randamentul total va fi:

[%] (2.6)

unde randamentul total al instalației experimentale ηtot rezultă în %.

B. Graficul evoluției temperaturilor lubrefiantului, agentului de răcire și gazelor evacuate în ambient în funcție de timp.

C. Graficul consumului de combustibil în funcție de timp.

2.5. Verificarea cunoștințelor

Care este valoarea maximă a randamentului total în cazul m.a.s.?

Precizați metoda de măsurare a consumului de combustibil gazos.

Care sunt principalii parametri monitorizați după stabilizarea regimului termic al instalației experimentale?

3. COMBUSTIBIL ALTERNATIV E85 UTILIZAT LA MOTOARE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

3.1. Principiul lucrării

Construcția specifică a unui motor cu aprindere prin scânteie (m.a.s.) permite de asemenea utilizarea altor tipuri de combustibili față de benzină. Motorul poate funcționa atât prin substituirea integrală a combustibilului, cât și prin substituire parțială de părți volumice a combustibilului clasic. Substituirea integrală a combustibilului se poate realiza prin folosirea ca și combustibil primar gazul petrolier lichefiat (GPL – necesită instalație specială de alimentare), CNG (gaz natural comprimat), H2 (stocare la -253 °C) sau alcooli. În amestec de părți volumice, în cazul m.a.s. se folosește etanolul în proporție de 85%. Combustibilul astfel utilizat pentru a putea fii declarat alternativ trebuie să îndeplinească anumite criterii:

Să permită utilizarea motorului la sarcina nominală pentru care a fost proiectat;

Să nu conducă la creșterea regimului termic de funcționare;

Să conserve costul de achiziție al combustibilului sau după caz să-l reducă;

Să conserve gradul de poluare sau după caz sa-l reducă.

În figura 3.1. este prezentată schema standului experimental pentru determinarea eficienței și a gradului de poluare al motoarelor cu aprindere prin scânteie alimentate cu combustibili alternativi.

Figura 3.1. Schema standului experimental de m.a.s. cu combustibili alternativi – E85

La folosirea combustibililor alternativi în motoarele cu ardere intarnă este necesară o atenție sporită asupra parametrilor termodinamici în speță temperatura lubrefiantului și al agentului de răcire pe de-o parte, iar pe de altă parte temperatura gazelor evacuate în ambient, este un alt factor termodinamic important în funcționarea m.a.i..

Un alt criteriu care stă la baza definirii unui combustibil folosit în motoarele cu aprindere prin scânteie ca și alternativ este gradul de poluare. Astfel, combustibilul folosit, din punct de vedere al gradului de poluare, trebuie să obțină valori mai reduse sau în cel mai rău caz, aceleași valori, pentru compuși nocivi.

2.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Sistem de generare a curentului electric cu motor Otto model BCS 6000 GE Plus;

Sistem gravimetric de măsurarea a debitului de combustibil;

Reostatele de încărcare a motorului;

Ampermetru;

Voltmetru;

Sistem de achiziție în timp real a parametrilor termodinamici (temperatura lubrifiant, temperatura agent de răcire – aer, temperatura gazelor evacuate în ambient);

Sistem de alimentare cu injecție;

Sistem de măsurare a compușilor poluanți tip CAP3200

Grupul generator cu motor Otto este ilustrat în figura 3.2.

Figura 2.2. Grupul generator [5].

1-motor, 2-generator, 3-rezervor

Figura 2.2 prezintă grupul generator. Motorul Otto este un produs al firmei Honda model GX 390. Este un mono cilindru, ce are capacitatea cilindrică de 389 cm3, sistem de alimentare prin carburator. Pornirea se poate manual, asemănător cazului unei motocositoare sau motoferăstrău. Puterea motorului este de 7,8 kW la 3000 rot/min, iar valoare maximă a puterii este de 8,4 kW la turația de 3600 rot/min.

Sistemul gravimetric de măsurarea a debitului de combustibil, este alcătuit dintr-un cântar electronic și un rezervor adițional sub forma unui recipient de plastic, transparent.

Alimentarea motorului se realizează fără pompă de joasă presiune, prin “cădere” sau alimentare gravitațională. S-a păstrat aceeași distanță de la punctul cel mai jos al nivelului de combustibil până la pompa de injecție, pentru a evita situații de generare a unei presiuni mai mari, rezultate prin diferență de nivel decât a celei admise de producător.

Figura 2.3. Sistemul de măsurare a debitului de combustibil [5].

1 – motor Otto; 2 – furtun flexibil transparent de combustibil; 3 – rezervor adițional de combustibil; 4 – cântar; 5 – suport cântar; 6-rezervorul motorului termic; 7- sistem de ajustare încărcare

Cântarul digital DIBAL (figura 2.3) măsoară o masă de până la 150 kg. Are o structură robustă din aluminiu, și o eroare de măsurare de ± 0.5 g/kg, valorile citindu-se de pe ecranul digital (model VD-310 ABS) cu leduri, ce facilitează citirea.

Reostatul de încărcare a m.a.s.-ului simulează consumatorul. Din motive de siguranță încărcarea electrică maximă la care se face m.a.s.-ul este de 2 kW.

Sistemul de măsurare a temperaturilor în timp real a fost creat în limbajul grafic de programare Labview 2015, licență Home and Student Edition, asociat la o placă de achiziție de date NI PCI 6220 (figura 3.4). Interfața utilizatorului este extrem de simplu de utilizat și intuitivă pentru a se putea urmării cu ușurință evoluția regimului termic al M.A.S.-ului. Figura 3.5 prezintă interfața de vizualizare a datelor în timp real.

Figura 3.4 Placa de achiziție de date NI PCI-6220 [2].

Pentru logica programului de achiziție de date în timp real, s-a ales citirea continuă a celor 3 canale (Temperatură ulei, Temperatura agent de răcire (AER), Temperatura gaze evacuate în ambient) cu o frecvență de 100 Hz, pe un eșantion de 100 de probe.

Figura 3.5 Interfața de vizualizare a temperaturilor pentru M.A.S.-E85

Sistemul de alimentare injecție a implicat crearea unui nou sistem de alimentare cu combustibil. Ștandul astfel a fost dotat cu un sistem de injecție multipunct adaptat la situația concretă (figura 3.6). Acest sistem de alimentare a fost conceput special pentru autoturismele care au motoare cu ardere internă tip Otto și sistem de alimentare cu combustibil clasic. Pentru ca noul sistem de alimentare să funcționeze, ștandului, i s-a montat o pompă de benzină / E85 la joasă presiune, care asigură debitul și presiunea necesară injectorului montat, în acest caz în secțiunea minimă de trecere a aerului din vechiul sistem de alimentare.

Figura 3.6. Sistemul de alimentare cu combustibil cu injecție – E85 [7].

Trecerea de la un tip de combustibil la celălalt se face exclusiv de către operator prin înlocuirea acestuia în rezervorul adițional.

Sistemul de măsurare al compușilor poluanți folosit este CAP3200. Instalația este realizată de către CAPELEC. Instalația CAP3200 este compusă din analizorul de emisii CAP3201, opacimetru și cărucior special construit pentru această stație; figura 3.7, prezintă stația CAP3200 și elementele principale. Descrierea funcțională detaliată a echipamentului se găsește în lucrarea de laborator 1.

Figura 3.7 Stația CAP3200 [3]

Ambele componente principale ale stației de lucru sune echipate cu elemente auxiliare:

Analizorul de emisii CAP3201:

– Sondă de prelevare;

– Tub de evacuare;

– Filtre;

– Sondă de măsurare a temperaturii a uleiului;

– Senzori de măsurare a turației motorului.

Opacimetru:

– Sondă de prelevare;

– Suport;

– Sursă de curent și cablu de date;

– Senzor de măsurare a turației motorului.

În figura 3.8 sunt prezentate elementele auxiliare ale componentelor principale a stației de încercare.

I.

Figura 3.8. Elemente auxiliare ale stației de monitorizarea poluării [3],[4].

I – celulă de măsurare a opacității; 1 – sondă de temperatură; 2 – senzor de măsurarea turației piezoelectric; 3 – senzor de măsurare a turației cu inducție; 4 – senzor de măsurare a turației la brichetă; 5 – senzor de măsurare a turației conectat la baterie

3.3. Modul de lucru

3.3.1 Pregătirea standului experimental pentru măsurători – timp de lucru 2 ore

Înainte de a se porni standul experimental, se verifică nivelul de ulei, și nivelul de combustibil, în rezervorul adițional. Se pornește cântarul electronic, și se înregistrează valoarea indicată pe display.

Ștandul experimental se alimentează cu combustibilul clasic – benzină și se pornește folosind sistemul de injecție. Motorul se va lăsa la mers în gol până când se va atinge temperatura de regim.

Se pornește programul de achiziție de date în timp real a temperaturilor, parametrilor termodinamici.

În același timp se va pornii stația de monitorizare a gradului de poluare (CAP3200), și se vor urmării pașii pentru tipul de înregistrare Măsurare fără limite,

3.3.2. Măsurători

Odată atinsă temperatura optimă de funcționare al motorului termic, se pot începe măsurătorile:

Se citește valoarea inițială a greutății combustibilului;

Se încărcă electric standul experimental la sarcina de 2 kw;

Se citește valoarea tensiunii la bornele generatorului;

Se citește valoarea de pe ampermetru;

Se înregistrează valorile compușilor poluanți

Timp de 1 ora se citesc și înregistrează în fișa de laborator valorile parametrilor anteriori cu o frecvență de citire de 5 minute.

La finalul intervalului de timp alocat, motorul termic se va opri, după care are loc substituirea de combustibil clasic E85. Se va repeta procedura de la punctul 3.3.1, după care se vor înregistra parametrii conform 3.3.2 pentru fiecare tip de combustibil.

Tabelul 3.1. Valorile consumului de combustibil și a debitului apei de răcire

3.4. Prelucrarea rezultatelor

Se face media valorilor obținute din fișierul final al datelor de temperaturi. După această operație se va realiza:

Calculul eficienței motorului termic, conform breviarului :

Calculul fluxului de căldură dezvoltat prin arderea combustibilului se realizează cu formula (1.1)

[kW] (3.1)

unde Ch este consumul orar de combustibil, în g/h, Hi puterea calorifică inferioară a combustibilului măsurată în kJ/kg (pentru benzină Hi = 44000 kJ/kg, pentru E85 Hi = 26000 kJ/kg ).

Se poate calcula însă și cu formula (3.2):

[kW] (3.2)

unde ce este consumul specific de combustibil, în g/(kWh), Pe puterea efectivă, în kW, iar Hi puterea calorifică inferioară, în kJ/kg.

Consumul specific este calculat cu relația:

[g/(kWh)] (3.3)

unde Ch este consumul orar de combustibil în kg/h, iar Pe puterea efectivă în kW.

2. Randamentul electric va avea următoarea valoare:

[%] (3.4)

unde ηe este randamentul efectiv al motorului care antrenează generatorul electric, Qcomb fluxul de căldură dezvoltat prin arderea combustibilului, în kW, iar Pe puterea efectivă măsurată în kW.

3. Randamentul la bornele generatorului electric va fi:

[%] (3.5)

unde ηb este randamentul la bornele generatorului, în %, ηt randamentul de transmitere a energiei electrice exprimat în %, iar ηg randamentul generatorului electric în %.

4. Randamentul total în cazul E 85 va fi:

[%] (3.6)

unde randamentul total al instalației experimentale ηtot rezultă în %.

B. Graficul evoluției temperaturilor uleiului, agentului de răcire și gazelor evacuate în ambient în funcție de timp

C. Graficul consumului de combustibil în funcție de timp.

3.5. Verificarea cunoștințelor

Care este valoarea maximă a randamentului total în cazul m.a.s. echipat cu sistem de injecție?

Precizați metoda de măsurare a consumului de combustibil lichid

Care sunt principalii parametri monitorizați după stabilizarea regimului termic al instalației experimentale?

4. ÎNCĂRCAREA ȘI DESCĂRCAREA ACUMULATORILOR UTILIZAȚI LA PROPULSAREA AUTOVEHICULELOR

4.1. Principiul lucrării

Funcționarea motoarelor electrice este asigurată de curenți electrici. Aceștia poat avea origini din surse care-l stochează, sau din surse care îl produc la bordul autovehiculului, conform solicitărilor de moment. Unele vehicule electrice funcționează prin combinarea situaților de generare – stocare.

Stocarea curentului electric este realizată de acumulatori și super-condensatorii, care se mai numesc și surse secundare. Producerea curentului electric la bordul autovehiculului poate fi realizată și cu ajutorul pilelor de combustie. Tot în categoria surselor producătoare de curent electric la bord autovehiculului se pot încadra și pilele electrochimice (surse primare, similare cu cele folosite spre exemplu în lanterne), însă, în cazul acestora raportul P[W]/G[kg] și E[V]/G[kg] sunt prea mici, iar raportul Cost/E [V] este prea mare pentru acestea, neprezentând un interes pentru propulsia autovehiculelor rutiere [8].

Acumulatorii sunt celule electrochimice care stochează curentul electric primit de la o rețea de alimentare sub formă chimică în perioada de încărcare, iar în perioada de descărcare – furnizează energia electrică prin reacția chimică inversă. Reacțiile chimice din acumulatori sunt însoțite de căldură, astfel că nu toată energia consumată la încărcare este restituită sub formă de curent electric în faza de descărcare, rezultând astfel un randament al procesului de stocare [8].

Figura 4.1 Schema unei celule [8].

Un acumulator este alcătuit dintr-o sumă de celule electrochimice sau elemenți. Constructiv acumulatorii sunt formați dintr-un recipient (carcasă) care conține un electrolit în care sunt imersați cei doi electrozi. Electrodul în care intră electronii se numește catod, celălalt electrod este anodul. La încărcare, catodul dobândește sarcina negativă, fiind notată cu „–”, iar la descărcare sarcina devine pozitivă, fiind notată „+”. Electrolitul permite anionilor (ioni negativi) și cationilor (ioni pozitivi) să se transporte între electrozi. Tensiunea de la bornele unui element din acumulator este de ordinul volților, iar ca valoare este mică față de necesitățile unui autovehicul, astfel că mai mulți elemenți vor trebui să se grupeze în serie/paralel formând o baterie. Prin legarea în serie a elemenților, tensiunea din acumulator va crește prin însumare. Din considerente de uniformizare a puterilor per element, într-o baterie de acumulatori aceștia sunt întotdeauna identici.

Capetele electrozilor care ies din bateria de acumulator se numesc borne. Stocarea curentului electric, respectiv eliberarea acestuia se face prin reacții redox (prescurtare a reacțiilor de reducere-oxidare). Reacția chimică de oxidare conduce la creșterea stării de oxidare a substanței și generează pierdere de electroni. Reacția chimică de reducere, conduce la scăderea stării de oxidare a substanței generându-se un câștig de electroni. Aceste două reacții se petrec la unul dintre electrozi fiind considerată o jumătate de reacție. Suma lor formează reacția întreagă. În cazul reacțiilor redox nu este obligatorie participarea oxigenului (O2 sau din oxizi), orice substanță care extrage electroni, cum ar fi fluorul (F2), clorul (Cl2) sau bromul (Br2) poate fi considerată agent oxidant, iar în reacția redox ea este redusă, iar orice substanță care cedează electroni poate fi considerată agent reducător, iar în reacția redox ea este oxidată [8].

Evaluarea calitativă a acumulatorilor care propulsează autovehicule electrice este dată de următoarele caracteristici:

Capacitate. Capacitatea exprimă cantitatea de curent electric care se poate obține pe parcursul descărcării până când se atinge tensiunea minimă admisă
; mărimea este exprimată în Ah (amperi–ore) [9,12]. Capacitatea depinde de uzură, rata de descărcare și de temperatura acumulatorului. Aceasta va scădea odată cu îmbătrânirea acumulatorului deoarece curentul de descărcare este mai mare și temperatura acumulatorului este mai scăzută. Wilhelm Peukert în anul 1897 a stabilit pentru capacitatea acumulatorilor o relație de formă exponențială :

CAh = Ikt [13]

unde: – I este intensitatea curentului de descărcare;

– t este timpul;

– k este constanta lui Peukert.

Capacitatea nominală, certificată de producător se obține pentru acumulatorul nou, la un regim de descărcare și temperatură de funcționare standard. Regimul de exploatare al unui acumulator folosit la propulsia vehiculelor electrice este foarte diferit de cel folosit la funcționarea unui m.a.i, unde acumulatorul trebuie să furnizeze tensiunea și intensitatea necesară a curentului pe toată durata deplasării autovehiculului, aspect care definește autonomia autovehiculului [8].

b) Energia. Reprezintă tot o capacitate dar sub o altă formă de exprimare; mărimea se exprimă în Wh (watt–ore). Între energia (EWh) și capacitatea (CAh) există relația:

EWh = Uacu I t = Uacu CAh [8]

unde Uacu este tensiunea la bornele acumulatorului, în V, iar timpul t în ore.

c) Descărcarea completă. Reprezintă descărcarea până la care acumulatorul nu suferă daune. Descărcarea adâncă (peste limita de siguranță), în urma căreia de obicei acumulatorul se distruge.

d) Efectul de memorie. Fenomenul ce se manifestă prin reducerea capacității acumulatorului în urma unui ciclu de descărcare incompletă, urmată de o încărcare. Cauza de producere a acestuia este modificarea structurii cristaline a electrozilor, de la una fină la alta mai grosieră. Contracararea efectului se poate realiza prin operații regulate de descărcare completă urmate de încărcări, realizate cu viteză mică.

e) Rata de descărcare ©. Reprezintă raportul dintre curentul de descărcare momentan și un curent care descarcă complet al bateriei în timp de o oră. De exemplu, la un acumulator de 50 Ah care se descarcă cu un curent de 50 A, C = 1. Descărcarea cu un curent dublu (100 A) se face în jumătate de oră, rata de descărcare fiind în acest caz fiind C = 2. Acest parametrul caracterizează solicitarea acumulatorilor.

Rata de încărcare. Reprezintă raportul dintre curentul de încărcare momentan și un curent care încarcă complet bateria în timp de o oră. Pentru a dispune de capacitatea maximă, uneori prima încărcare a unui acumulator se realizează un regim de încărcare special, cu un curent constant, cu o rată de încărcare mică, de ordinul 0,1 C. Această operație este numită formatarea acumulatorului, care este realizată de producător, livrarea făcându-se cu acumulatorul încărcat.

Gradul de încărcare. Reprezintă raportul dintre capacitatea rămasă până la descărcare completă și capacitatea în stare complet încărcată al unui acumulator (SOC – State of Charge). Parametrul se exprimă în procente și are valoare 100 % pentru starea complet încărcat și 0 % pentru starea complet descărcat.

Gradul de descărcare. Reprezintă raportul dintre energia extrasă din acumulator și capacitatea în stare complet încărcat (DOD – Depth of Discharge). Spre exemplu, un grad de descărcare de 40 % este echivalent cu o stare de încărcare de 60 %.

Densitatea energetică gravimetrică. Sau energia specifică, reprezintă energia electrică care poate fi acumulată pentru o masă a acumulatorului de un kilogram. Parametrul se exprimă în Wh/kg.

j) Densitatea energetică volumetrică. Sau densitatea energetică reprezintă energia electrică care poate fi acumulată într-un volum de 1 dm3. Parametrul se exprimă în Wh/dm3.

k) Puterea specifică. Reprezintă puterea maximă pe care o poate furniza pentru scurt timp un acumulator pentru o masă de un kilogram. Acești parametrii permit compararea a diferite tipuri de acumulatori pentru o masă sau un volum dat.

l) Rezistența internă a acumulatorului. Reprezintă căderea de tensiune pe acumulator în sarcină depinzând de dimensiune, vârstă, temperatură conductibilitatea electrică a materialelor, proprietățile chimice și conductibilitatea ionică a electrolitului. Acest parametru este un indicator al stării acumulatorului și poate fi determinat cu relația:

Rint = (E/U – 1) RL

unde: E este tensiunea electromotoare (tensiunea măsurată în circuit deschis), U este tensiunea măsurată în sarcină, iar RL este rezistența de sarcină.

m) Randamentul acumulatorului. Reprezintă randamentul de încărcare, cu următoarea expresie analitică:

ηacu = Edesc/Eînc

unde: Edesc este energia furnizată prin descărcarea acumulatorului;

Eînc este energia consumată de la sursă la încărcarea acumulatorului.

n) Durata de viață. Acest parametru se definește prin numărul de cicluri de încărcare-descărcare complete (până la atingerea limitelor superioară și inferioară a voltajului pe un element, sau între starea de încărcare de 100% și cea de 20 %) până ce capacitatea acumulatorului scade la 80 % din capacitatea nominală (pentru autovehiculele electrice se admit scăderi până la 70 %). Numărul de cicluri depinde direct de modul de exploatare al acumulatorului, adică de ratele de încărcare și descărcare. În cazul unei exploatări defectuoase numărul de cicluri se poate reduce foarte mult.

o) Autodescărcarea. Reprezintă un fenomen care reduce starea de încărcare a unui acumulator când nu este folosit, adică atunci când circuitul exterior este deschis. Acest fapt se datorează reacțiilor chimice interne.

p) Durata de reîncărcare. Reprezintă timpul necesar pentru aducerea unui acumulator la o stare de încărcare de 100 %. În general această durată este cuprinsă între 1 și 8 ore și chiar și mai mult. Durata de reîncărcare depinde de regimul de reîncărcare. Acumulatorii pot fi reîncărcați la curent constant, la tensiune constantă, la putere constantă sau printr-o metodă combinată. Metoda de încărcare nu trebuie să suprasolicite elemenții acumulatorului, nici prin curent, nici prin tensiune și nici să nu ridice temperatura acestuia peste limita admisă. Pentru a mări puterea sursei de încărcare în vederea reducerii timpului de încărcare se poate opta pentru branșamentele dispozitivului de încărcare la curent trifazat. Acumulatorii se pot încărca la stații dotate cu instalații de curent continuu de mare putere (de ordinul a 50 kW), care încarcă acumulatorii până la 80 % în timp scurt, de o oră sau chiar mai puțin, dar acestea au nevoie de spațiile necesare pentru destinate staționarii autovehiculelor electrice pe perioada încărcării.

Tabel 4.1 Comparații intre diferite tipuri de acumulatori folosiți în propulsia autovehiculelor electrice [8,9,10,11].

4.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Baterie de acumulator Pb 12 V;

Figura 4.2. Baterie de acumulator cu Pb [12].

Baterie de acumulator NiMH 12 V;

Figura 4.3. Baterie de acumulator Nichel Metal hidrid [13].

Bateriei de acumulatori Litium-Ion 12 V;

Figura 4.4. Baterie de acumulator Litium-Ion [14].

Consumatori (circuit de becuri cu filament de U=12 V, P = 20 W) cu trei trepte;

Figura 4.5. Circuit de becuri cu filament.

Sistem de achiziție de date National Instruments – My DAQ;

Figura 4.6. Placă de achiziție de data NI My DAQ [15].

Program de achiziție de date realizat în mediul grafic de programare LabView 2015;

Figura 4.7. Program de achiziție de date realizat în mediul grafic de programare LabView 2015

Multimetru;

Figura 4.8. Multimetru.

Sistem automat de încărcare/redresare a bateriilor de acumulator.

Figura 4.9. Sistem automat de încărcare a bateriilor.

4.3. Modul de lucru

4.3.1 Pregătirea instalației experimentale pentru măsurători – timp de lucru 2 ore

Cu ajutorul multimetrului se măsoară tensiunea din fiecare acumulator. Dacă valoarea acesteia este corespunzătoare tensiunii de descărcare completă, acumulatorul respectiv se va încărca/redresa cu ajutorul sistemului automat de încărcare/redresare a bateriilor. Pregătirea standului pentru măsurători se consideră a fi realizată, atunci când valoarea tensiunii din acumulatori este cea nominală.

4.3.2. Etapele de lucru

Acumulatorii încărcați pe rând se vor conecta la consumatorul cu trei trepte. Concomitent la bornele acumulatorului testat pe lângă consumator se va conecta sistemul de achiziție de date prin “creioanele plăcii de achiziție”. Fiecare acumulator se va descărca treptat până la tensiunea de descărcare completă. Programul de achiziție de date va colecta valorile tensiunilor de descărcare ale acumulatorilor continuu în timp, totodată putându-se vizualiza evoluția acestea sub formă grafică. De asemenea valorile înregistrate de programul de achiziție de date sunt stocate într-un fișier de tip Excel. Valorile curentului de încărcare se va citi cu ajutorul multimetrului.

După descărcarea completa a acumulatorilor, aceștia se vor încărca cu ajutorul sistemului automat de încărcare/redresare. Și în acest caz se va folosii sistemul de achiziție de date pentru a se putea urmării curba de încărcare a acumulatorilor. În același mod rezultatele se vor înregistra de către sistemul de achiziție de date. Multimetrul va fi folosit pentru a determina valorile curentului de încărcare.

4.4. Prelucrarea rezultatelor

Tabelul 4.1. Valorile tensiunilor și a curentului din acumulatori la încărcare și

descărcare

Cu ajutorul programului de prelucrarea datelor (MS Excel, Matlab, Matcad, etc.) se va reprezenta grafic Tensiunile și curentul în funcție de timp.

4.5. Verificarea cunoștințelor

Ce tip de electrolit se folosește în bateria de acumulatori cu Pb?

Ce tip de mărimi sistemul de achiziție de date folosește?

Ce reprezintă semnificația NiMH?

5. PILE DE COMBUSTIE FOLOSITE ÎN PROPULSIA AUTOVEHICULELOR ELECTRICE

5.1. Principiul lucrării

Pilele de combustibil prin definiție, convertesc direct energia chimică în energie electrică și căldură la un randament ridicat. Aceste dispozitive pot fi utilizate oriunde, oricând, atâta timp cât este necesar și atât timp cât este furnizat combustibilul primar. Pilele de combustibil sunt una dintre puținele dispozitive alternativ – energetice care pot fi utilizate pentru multe aplicații. Aceste dispozitive pot furniza energie electrică aparatelor electronice portabile, automobilelor, caselor, clădirilor și chiar, în unele cazuri navelor spațiale (Figura 5.1 ilustrează versiunea primară de pilă de combustie dezvoltată de NASA).

Figura 5.1 Versiunea primară a pilelor de combustie dezvoltate de NASA [16].

Tehnologia de bază din spatele pilelor de combustie constă dintr-un strat de electrolit plasat între un anod poros (terminalul încărcat negativ) și un catod (terminalul încărcat pozitiv) de fiecare parte. Hidrogenul este descompus în protoni și electroni la nivelul anodului, unde apoi este recombinat cu oxigenul pentru a produce energie electrică. Le nivelul catodului ca și produse secundare este apa respectiv căldura. Protonii sunt transportați de la anod la catod prin intermediul electrolitului, iar electronii sunt transportați la catod pe circuitul extern. Atât anodul și catodul conține un catalizator pentru a accelera reacția chimică. Figura 5.2 prezintă un exemplu tipic de pile de combustie cu membrană de schimb de protoni (PEM)

Figura 5.2 Reacțiile chimice în interiorul pilei de combustie

Pilele de combustibil pot utiliza o gamă largă de combustibili pentru a genera energie în plus față de hidrogen. Produse chimice cum ar fi acidul fosforic, carbonat, metanol, oxizi solizi și etanol se pot utiliza pentru a alimenta o pilă de combustie, astfel că reacțiile chimice implicate fiind diferite de cea este descris mai sus. Combustibilul necesar funcționării acestor tipuri de sisteme energetice se pot realiza din combustibili fosili, precum și din alte surse alternative: biomasă, deșeuri municipale, canalizare-nămoluri, reziduuri forestiere, depozite de deșeuri și agricultură, deșeurilor animale. Deși pilele de combustie sunt o sursă foarte eficientă și curată de energie, puterea lor este relativ mică și putând uneori genera o importantă căldură reziduală. Cu toate acestea, ele sunt o parte importantă a viitorului energiei. Schematic în figura 5.3 este descris principiul de funcționare al pilelor de combustie cu membrană de schimb de protoni.

Figura 5.3 Principiul de funcționare al pilelor de combustie de tip PEM.

5.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Pilă de combustie cu funcție reversibilă;

Tub flexibil de conexiune la rezervoarele de H2 și O2;

Rezervoare de stocarea a H2 și O2;

Sursă de energie de generare a H2 convențională (baterii de acumulator);

Sursă de energie de generare a H2 solară (panou solar 75 x 110 mm );

Sarcină de încărcare (consumator).

Figura 5.4 indică componența standului experimental [17].

5.3. Modul de lucru

5.3.1 Pregătirea standului experimental– timp de lucru 30 min.

Urmărind instrucțiunile ( manualul de utilizare), se va urmări și executa următorii pași:

a). Se va introduce pila de combustie cu terminalele orientate în sus în soclul special. Din tubul transparent elastic se vor debita două tuburi de lungime 4 cm, urmând a se introduce la un capăt pinul (dopul) negru. Introduce-ți tubul în duza dinspre partea marcată cu H2. Poziționați celălalt tub în duza dinspre partea marcată cu O2 (conform figurii 5.5).

Figura 5.5 Pasul 1 [18].

b). Se va umple seringa cu apă demineralizată. În partea marcată cu O2 a pilei de combustie se va conecta seringa la tubul debitat anterior. Pila de combustie se va umple astfel de la seringă până la nivelul maxim (apa refulează prin orificiul opus). După umplere, seringa se va deconecta, iar la tubul se va bloca

Figura 5.6. Pasul 2 [18].

Cu pinul roșu . Timp de 3 minute celula se va lăsa în repaus pentru a permite apei demineralizate să ajungă pe toată suprafața membranei.

c). Cilindrii se vor poziționa în soclu, apoi rotindu-se în sensul acelor de ceasornic se vor fixa. Cilindrii se vor umple până la linia 0 cu apă demineralizată. ( Figura 5.7)

Figura 5.7 Pasul 3 [18].

d). Rezervoarele adiționale se vor monta în interiorul vaselor cu apă demineralizată, astfel încât aerul din interiorul acestora să fie eliberat – menținând nivelul ”0” al apei în vas. Dacă nivelul nu este ”0” surplusul de apă se va extrage cu seringa. Restul de tub, debitat la aproximativ 20 cm în două bucăți, se va conecta la rezervorul submersibil plasat în vas. (Figura 5.8)

Figura 5.8 Pasul 4 [18].

e). Un capăt liber ale tubului elastic, va fi conectat pe partea hidrogenului (în partea de jos a pilei de combustie). Celălalt capăt al tubului elastic va fi conectat în partea oxigenului (în partea de sus a pilei de combustie).

Figura 5.9 Pasul 5 [18].

5.3.2 Generarea de hidrogen prin electroliză folosind energia solară.

Pentru producerea de hidrogen prin electroliză, se va conecta la bornele (roșu – negru) pilei de combustie panoul solar, expus la lumina solară. Panoul solar va genera energie electrică, care prin pila de combustie va produce scindarea moleculei de apă în H2 și O2. Hidrogenul și oxigenul disociat, se va transfera de către pilă în rezervorul submersibil specific. Specific pilei de combustie PEM, este producerea mai rapidă de O2 decât H2. În momentul când bule de H2 se transfer către suprafață, procedeul de electroliză este complet (Figura 5.10).

Figura 5.10 Producerea de H2 cu energie solară [18].

Pentru a putea produce o puritate ridicată a H2 –ului, se recomandă să se reia de cel puțin 2 ori procesul.

5.3.3 Generarea de hidrogen prin electroliză folosind energia electrică – clasică.

În figura 5.10 se prezintă schematic producerea de H2 și O2 folosită ca și energie electrică de intrare în pila de combustie. În acest caz panoul solar se substituie cu un dispozitiv ce alimentează pila de combustie (realizarea electrolizei) folosind baterii, cu alte cuvinte energie clasică. Procedeul de scindarea a moleculei de apă demineralizată este același, cu observația că are loc într-un timp mai scurt.

5.3.4. Mersul lucrării

În pașii anteriori, instalația a fost pregătită obținându-se combustibil regenerativ realizat prin electroliză. Următorul pas este folosirea funcțiilor pilei de combustie pentru a genera energiei electrică. Determinarea funcționării pilei de combustie în mod reversibile se face prin înlăturarea energiei de intrare și montarea unui consumator. ( Figura 5.11)

Figura 5.11 Consumator energie regenerabilă [18].

Se va genera hidrogen prin electroliză folosind pila de combustie cu membrană de schimb de protoni în două moduri: 1. Prin panoul fotovoltaic; 2. Prin folosirea bateriilor ca și sursă de energie – convențională.

În tabelul 5.1 se vor înregistra parametrii din procesul de folosire a energiei regenerabile (hidrogen).

Tabelul 5.1. Valorile parametrilor

5.4. Prelucrarea rezultatelor

Se va realiza media valorilor obținute din fișierul final al datelor înregistrate. După această operație se vor trasa grafice ale tensiunii energiei de ieșire în funcție de durata de funcționare a sistemului; curentul de intrare și curentul de ieșire în funcție de urata de funcționare a sistemului.

Timp total de lucru 2 ore.

5.5. Verificarea cunoștințelor

Ce reprezintă PEM ?

Care este modul de funcționarea a unei PEM ?

Care din elementele H2 și O2 de produce mai repede la un PEM ?

6. VEHICULE ELECTRICE PROPULSTATE DE PILE DE COMBUSTIE

6.1. Principiul lucrării

Vehiculele electrice propulsate de pile de combustie (fuel cell vehicle – FCV sau fuel cell electric vehicle – FCEV) sunt autovehicule la care curentul electric este produs la bord cu ajutorul pilelor de combustie. Ținând cont că propulsia este asigurată doar de un singur tip de energie, acesta nu pot fi considerate hibride, chiar dacă au atât parte electrică, cât și parte ce consumă combustibil. Deși există pile de combustie care lucrează cu diverși combustibili, până acum toate autovehiculele de acest tip au fost realizate cu pile de combustie la care principalul combustibil este hidrogenul, deoarece producția de emisii de carbon este nulă. Arhitectura acestor autovehicule este similară cu a vehiculelor hibride seriale, unde în locul motorului cu ardere internă și al generatorului electric antrenat de el s-a montat pila de combustie.

Figura 6.1 Arhitectura unui vehicul cu pile de combustie [8].

Avantajul major al pilelor de combustie față de motoarele cu ardere internă (m.a.i.) este randamentul mărit, cu valori cuprinse între 40 – 60 %, față de cel mult 25 % al m.a.i., respectiv neexistența emisiilor de carbon.

Tehnologia de bază din spatele pilelor de combustie constă dintr-un strat de electrolit plasat între un anod poros (terminalul încărcat negativ) și un catod (terminalul încărcat pozitiv) de fiecare parte. Hidrogenul este descompus în protoni și electroni la nivelul anodului, unde apoi este recombinat cu oxigenul pentru a produce energie electrică. Le nivelul catodului ca și produse secundare este apa respectiv căldura. Protonii sunt transportați de la anod la catod prin intermediul electrolitului, iar electronii sunt transportați la catod pe circuitul extern. Atât anodul și catodul conține un catalizator pentru a accelera reacția chimică. Figura 6.2 prezintă un exemplu tipic de pile de combustie cu membrană de schimb de protoni (PEM)

Figura 6.2 Reacțiile chimice în interiorul pilei de combustie

Pilele de combustibil pot utiliza o gamă largă de combustibili pentru a genera energie în plus față de hidrogen. Produse chimice cum ar fi acidul fosforic, carbonat, metanol, oxizi solizi și etanol se pot utiliza pentru a alimenta o pilă de combustie, astfel că reacțiile chimice implicate fiind diferite de cea este descris mai sus. Combustibilul necesar funcționării acestor tipuri de sisteme energetice se pot realiza din combustibili fosili, precum și din alte surse alternative: biomasă, deșeuri municipale, canalizare-nămoluri, reziduuri forestiere, depozite de deșeuri și agricultură, deșeurilor animale. Deși pilele de combustie sunt o sursă foarte eficientă și curată de energie, puterea lor este relativ mică și putând uneori genera o importantă căldură reziduală. Cu toate acestea, ele sunt o parte importantă a viitorului energiei. Schematic în figura 5.3 este descris principiul de funcționare al pilelor de combustie cu membrană de schimb de protoni.

Figura 6.3 Principiul de funcționare al pilelor de combustie tip PEM

6.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Model de vehicul electric cu sistem de propulsie cu pile de combustie; generarea de H2 se realizează direct de către vehicul :

De la sursă de energie convențională (baterii de acumulator);

De la sursă de energie 2 solară (panou solar 0,75 W).

Figura 6.4 Vehicul electric propulsat de pile de combustie și generator de H2 [19].

B. Model de vehicul electric cu sistem de propulsie cu pile de combustie și stocarea la bord a H2 într-un acumulator special, generarea de H2 făcându-se separat:

De la sursă de energie convențională (baterii de acumulator);

De la sursă de energie 2 solară (panou solar 0,75 W).

Figura 6.5 Vehicul electric propulsat de pile de combustie și generator de H2 – H2 Racer [20].

6.3. Modul de lucru

6.3.1 Pregătirea standului experimental – timp de lucru 2 h.

Pentru vehiculul de tip A sistemul de generare a H2 și mai apoi a energiei electrice propulsând ulterior vehiculul, pașii sunt asemănători cu cei descriși în lucrarea 5 din acest îndrumător. Particularitățile modelului experimental funcțional sunt descrise succint mai jos:

a). De la rezervoarele de H2 imersate, tuburile flexibile se vor conecta de o parte și de alta a pilei de combustie PEM în poziția superioară marcată cu H2 respectiv O2, așa cu se indică în figura 6.6. Se verifică dacă conexiunile sunt corect realizate (rezervor imersat H2 la duza H2 PEM, respectiv, rezervor imersat O2 la duza O2 PEM).

Figura 6.6. Conectarea tuburilor flexibile [21].

b). Combustibilului (H2) se poate realiza în două moduri. Generarea de H 2 poate avea loc prin cuplarea panoului solar corectă al bornele celulei de combustie (roșu O2, negru H2 – figura 6.7). Dacă există suficientă lumină captată de panoul solar, electroliza începe imediat. Umplerea maximă cu H2 este realizată atunci când din rezervorul imersat se observă bule care traversează cilindrul cu apă demineralizată (vezi lucrarea 6). Un alt mod de a determina generarea de H2 este prin folosirea pachetului de baterii, în acest mod, generarea va avea loc mai repede, fiind și o soluție de rezervă în cazul în care nu dispunem de o lumină puternică solară.

Figura 6.7 Generarea H2 [21].

c). Punerea în funcțiune a vehiculului electric propulsat de pila de combustie se realizează prin cuplarea corectă a terminalelor motorului electric la terminalele pilei de combustie PEM (figura 6.8). Conectarea terminalelor motorului electric la pila de combustie se va realiza doar după ce s-a generat suficient H2 în rezervoarele imersate.

Figura 6.8 Punerea în funcțiune a vehiculului electric [21].

Vehiculul de tip B, are o concepție diferită de vehiculul de tip A, construcția fiind mai aproape de situația reală. Vehiculul are sistem de sotare a H2 la bord, combustibilul fiind generat de către un sistem distinct care nu face parte din ansamblul vehiculului, ci este de sine stătător. Pentru punerea în funcțiune a vehiculului pașii sunt descriși în etapele de mai jos:

a). Pentru generarea H2 se va umple ”pompa” ( figura 6.9) cu apă distilată. ”Pompa” are la bază o pilă de combustie care generează H2 prin electroliză. Generare de H2 este continuă, atâta timp cât dispozitivul este conectat la o sursă de curent. Există două posibilități de a alimenta cu tensiune generatorul, prin conectarea panoului solar de 0.75W (figura 6.10) la bornele acesteia – generându-se astfel H2 ecologic – sau prin folosirea pachetului de baterii, care sunt montate direct în locașul special din dispozitiv.

Figura 6.9 Umplerea cu apă distilată [22].

Orientarea panoului se poate realiza fie pe verticala (ca și în figura 6.10) fie pe orizontală. Orientarea trebuie realizată în funcție de intensitatea luminoasă. Pornirea generării continue de H2 se realizează de la comutatorul Figura 6.10 Generarea H2 solară [22].

,”pompei”, localizat în partea din spate al acesteia.

b). În figura 6.11, este prezentat modul de alimentare cu H2 a vehiculului. Se conectează seringa la duza de umplere (figura 6.11-a. Se răsucește duza în sensul acelor de ceasornic. Încet se va introduce aer în sistemul de stocare al H2 la bord (balon).

Figura 6.11-a. Alimentarea cu H2 [22].

În pasul următor aerul se va extrage din sistemul de stocare. Construcția vehiculului permite vizualizarea directă a sistemului de stocare cu H2, astfel că vom știi exact când acesta s-a golit de aer. Odată golit se va răsuci duza de umplere în sens contrar acelor de ceasornic pentru ca acel orificiu să se închidă. În acest moment rezervorul vehiculului este gol și se poate începe umplerea acestuia. În aceeași manieră se va purcede la umplerea rezervorului cu H2. Se va conecta tubul flexibil al pompei (care în prealabil generează H2 conform pasului anterior) la duza de umplere a vehiculului, se va răsucii în sensul acelor de ceasornic.

Figura 6.11-b Alimentarea cu H2 [22].

Rezervorul vehiculului. Începe să se umple. Acesta se va umple până când se va vedea vizual limita maximă (balon – plin). Umplerea va avea loc cu butonul de pornire al vehiculului cuplat pe OFF. Pentru o funcționare la capacitate optimă a vehiculului electric, după umplerea rezervorului este indicat a se acționa butonul de ”WARM UP”, acesta determină funcționarea vehiculului și activarea celulei PEM. După epuizarea combustibilului, se purcede la o reumplere a rezervorului, în acest moment acționându-se butonul de ”ON”, determinând funcționarea vehiculului în parametrii optimi.

6.3.4. Mersul lucrării

Se va genera hidrogen prin electroliză folosind pila de combustie cu membrană de schimb de protoni pentru cele două vehicule în două moduri: `

1. Prin panoul fotovoltaic;

2. Prin folosirea bateriilor ca și sursă de energie – convențională.

În tabelul 6.1 se vor înregistra parametrii din procesul de folosire a energiei regenerabile (hidrogen).

Tabelul 6.1. Valorile parametrilor

6.4. Prelucrarea rezultatelor

Se face media valorilor obținute din fișierul final al datelor înregistrate. După această operație se vor trasa grafice ale tensiunii energiei de ieșire în funcție de durata de operare a vehiculelor; curentul de intrare și curentul de ieșire în funcție de durata de operare a vehiculelor.

Timp total de lucru 2 ore.

6.5. Verificarea cunoștințelor

Ce tip de sistem de stocare a H2 la bord există montat pe cele două vehicule ?

Care este modul de funcționarea a unei PEM ?

Care este varianta mai avantajoasă comparând stric cele două modele experimentale ?

7. RECUPERAREA ENERGIEI DE FRÂNARE

7.1. Principiul lucrării

Energia cinetică a unui autovehicul aflat în mișcare este influențată de pătratul vitezei de deplasare. Un calcul simplu conform relației 7.1.1 pentru un vehicul cu o masă de 1500 kg, ce rulează cu 100 km/h, energia cinetică este de 579 kJ. Dacă raportăm această energie la energia stocată în bateriile de acumulatori, aceasta ar fii de 0,16 kW, iar dacă exprimăm valoarea energiei cinetice în echivalent benzină ar fi 70 ml [8].

[8]

Vehiculele clasice nu recuperează energia cinetică a autovehiculului la frânare, acestea o disipă prin căldură în mediul ambiant. Un alt aspect ce ar trebui luat în considerare este regimul de mers al autovehiculului. În tabelul 7.1 sunt prezentate valori ale energiei cinetice disipate la frânare realizate conform testelor standardizate FTP – 75 ( Federal Test Procedure- USA) în regim urban și autostradă, SFTP US – 06 (Supplement Federeal Test Procedure – SUA), ECE – 1 (Economic Commision for Europe) și New York [8], [23].

Tabelul 7.1. Energia cinetică disipată la frânare

Analiza valorilor expuse în tabelul 7.1 indică în medie că procentul de recuperare al energiei cinetice la frânare este superior în varianta folosirii autovehiculului la deplasarea urbană față de autostradă.

Particularitatea avantajoasă a mașinilor electrice este aceea ca sunt reversibile. În timpul frânării motoarele electrice de tracțiune pot devenii generatoare, astfel că acestea convertesc energia cinetică în energie electrică cu un randament ridicat, energie ce poate fi stocată în bateriile de acumulator ale vehiculului propulsat.

Sistemele de frânare ale autovehiculelor în funcționare trebuie să îndeplinească două condiții:

Să permită oprirea autovehiculului în condiții de siguranță pe o distanță cât mai mică; sistemul de frânare trebuie să asigure un cuplu de frânare mult mai mare decât cel necesar la propulsia autovehiculului.

Să asigure controlul autovehiculului pe durata frânării; sistemul de frânare trebuie să dozeze cuplul de frânare astfel încât să nu producă blocarea roților.

Forțele de frânare dezvoltate depind direct de reacțiunile ce apar la roată în timpul rulării unui autovehicul (figura 7.1).

Figura 7.1. Forțele ce acționează asupra unui vehicul aflat în mișcare [8].

Conform relațiilor 7.1.2 și 7.2.3, reacțiunile obținute la frânare pe puntea față respectiv puntea spate au următoarea expresie analitică:

[N] (7.1.2) [24]

unde: m – masa autovehiculului [kg] ;

g – accelerația gravitațională [] ;

hg – înălțimea centrului de masă [m] ;

aF – decelerația maximă absolută vehiculului [- ] ;

L – Ampatamentul [m] ;

L2 – distanța de la puntea spate până la centrul de greutate [m].

[N] (7.1.3) [24]

unde: m – masa autovehiculului [kg] ;

g – accelerația gravitațională [] ;

hg – înălțimea centrului de masă [m] ;

aF – decelerația maximă absolută vehiculului [- ] ;

L – Ampatamentul [m] ;

L1 – distanța de la puntea față până la centrul de greutate [m].

Din egalitatea rapoartelor forțelor și a reacțiunilor ulterior acestea se pot deduce:

(7.1.4) [24]

Analizând relațiile anterioare din punct de vedere analitic se poate observa că repartizarea optimă a forțelor de frânare pe un drum cu coeficient de aderență a drumului φ0 este o dependență hiperbolică (figura 7.2).

Figura 7.2. Dependența forțelor de frânare pe axa și spate [8].

Se știe că mașina electrică poate fi convertită instantaneu în generator. Datorită limitărilor constructive frânarea exclusivă cu motorul electric este insuficientă. Autovehiculele electrice și hibride pentru a putea fi frânate în siguranță trebuie prevăzute și cu sistem mecanic (clasic) de frânare. Pentru a beneficia de recuperare energiei de frânare, trebuie optimizate ambele sisteme astfel încânt recuperarea energiei cinetice să fie maxime.

În momentul frânări puntea din față a autovehiculului este cea mai solicitat încărcată, astfel că în această zonă trebuie să se lucreze în vederea recuperării energiei. Acest prim considerent impune ca și tracțiunea să fie tot pe această punte, care în marea majoritate a cazurilor în practică se întâlnește.

Considerentele enumerate anterior au generat trei strategii de recuperare a energiei de frânare:

Frânarea serială – optimizată pentru puteri de frânare optime;

Frânarea serială – optimizată pentru recuperarea maximă de energie cinetică;

Frânarea paralelă.

Frânarea serială – optimizată pentru puteri de frânare optime

Acest sistem presupune existența unui control al frânării care în momentul acționării distribuie forțe de frânare optime la roțile punți față respectiv punți spate, având ca obiectiv principal reducerea distanței de frânare în condiții de siguranță a conducătorului și a pasagerilor. Sistemul va trebui să urmeze legea curbei I conform figurii 7.3, distribuind forțele de frânare astfel:

dacă decelerare solicitată de conducătorul auto este de până la 0.2 g, sistemul va realiza frânarea autovehiculului exclusiv cu motorul electric – transformare în generator;

dacă decelerarea solicitată de conducătorul auto este peste 0.2 g, frânare electrică va fi activată pentru a prelua cât mai mult din energia cinetică, iar frânarea clasică va prelua sarcina de a opri vehiculul cu observația că în timpul frânării mecanice forțele vor fi ajustate de către sistem conform curbei I din figura 7.3.

Figura 7.3 Frânarea serială – putere de frânare optimă [8].

Analizând figura 7.3, punctul A scoate în evidență o frânare în care puntea din față a vehiculului este frânată exclusiv electric. Punctul B indică o frânarea maximă realizată electric tot a punții față, în continuare frânarea realizându-se mecanic. Puntea spate specifică acestui tip de vehicul va fi întotdeauna frânată electric.

La deplasarea cu viteze mici mașina electrică (generatorul) pun cuplu constant, iar peste o anumită viteză, acesta scade după o lege hiperbolică. Forța de frânare a mașinii electrice depinde de turația acesteia, astfel că aceasta nu este constantă, ceea ce complică integral sistemul de frânare combinat electric plus mecanic.

Frânarea serială – recuperarea maximă de energie

Frânarea serială se poate realiza și cu recuperare maximă de energie. În acest caz se urmărește transformarea maximă a energiei cinetice în energie electrică, cu observația că forța de frânare necesară oprii vehiculului în condiții de siguranță să fie satisfăcută.

Figura 7.4 Frânarea serială – recuperare maximă de energie [8].

Figura 7.4 explică strategia sistemului de frânare electrice serială cu recuperare maximă de energie prin exemplificare concretă. Dacă asupra vehiculului apare o frânare normală comandată cu un raport aF/g < φ0 , spre exemplu aF/g = 0,7 pentru un coeficient de aderență al drumului de φ0 = 0,9 . Orice combinație între FF1 și FF2 de pe segmentul AB va satisface necesitățile frânării. Forța de frânare electrică maximă FF1-el, maximă poate să acționeze între punctele A și C de pe segmentul AB, pe puntea din față a vehiculului folosindu-se doar frânarea electrică. Frânarea mecanică trebuie doar să asigure diferența de forță pe segmentul CB [8].

În cazul în care apare o frânare cu un raport aF/g << φ0 iar forța de frânare totală se poate realiza electric, atunci ea trebuie dezvoltată doar pe roțile punții față, puntea din spate nefiind frânată deloc.

Dacă se comandată o frânare cu raportul aF/g > φ0 (de urgență), atunci decelerația cerută vehiculului nu va putea fi realizată, maximul ce se va putea realiza va fi o frânare cu aF/g = φ0 , cu punctul de frânare situat pe curba I. Și în acest caz este nevoie ca atât frânarea electrică, cât și cea mecanică să fie comandate de către o unitate electronică de comandă, după o logică și mai complexă decât la cazul a.), situația cu frânare cu forță maximă apărând ca și un caz particular, când necesarul frânării depășește aderența drumului.

Modul de conducere influențează recuperarea energiei, o frânare realizată din

timp cu o forță de frânare mai mică va permite o recuperare mai mare de energie decât o frânare de urgență în ultimul moment, care implicit va determina intrarea în funcțiune a frânării mecanice.

Frânarea paralelă

Strategia de frânare a autovehiculului în varianta paralele cuprinde un sistem de frânare mecanică ce realizează un raport fix de distribuție a forței de frânare între punți și un sistem electric de frânare ce suplimentează forța de frânare doar pe puntea motoare electrică.

Figura 7.5. Frânarea paralelă [8].

La frânarea paralelă vehiculul frânează electric pe puntea față până în punctul A. Între punctele AB frânarea electrică este constantă, vehiculul fiind ajutat și de frânarea mecanică după dreapta OC. La viteze ridicate cuplul generat de mașina electrică scade, astfel că frânarea electrică scade, în punctul C frânarea electrică fiind nulă. La puntea spate frânarea este realizată pe ordonata graficului după OABCD. Decizia sistemului de a frâna cu recuperarea energiei de frânare provine de la presiunea hidraulică din cilindrul pedalei de frânei. Analizând figura 7.5 pe porțiunea CD frânarea electrică este instabilă deoarece este realizată deasupra curbei I. Asigurare stabilități este realizată de sistemul ABS. Un avantaj major al vehiculelor electrice este controlul simplu al momentelor de frânare. În cazul sistemului de frânarea serială cu recuperare de energie, controlul este asigurat de către senzori. În cazul frânării paralele, sistemului clasic de frânare mecanic trebuie să i se adauge cel electric.

7.2. Instalația experimentală

Instalația experimentală este alcătuită din:

Sistem de comandă și control al motoarelor ST L6234

7.6 Circuit integrat de comandă [25].

Sistemul de comandă și control al motorului trifazat ST L6234, este realizat în tehnologia BCD-multipower, care combină tranzistoare de putere DMOS izolate, cu CMOS și circuite bipolare pe același cip.

Microcontroler Arduino Duemilenove

7.7 Microcontroler Arduino Duemilanove [26].

Arduino Duemilanove („2009”) este o placă de microcontroler bazată pe circuitul integrat Atmega168 sau Atmega328. Dispune de 14 pini de intrare / ieșire digital (dintre care 6 pot fi utilizați ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator de cristal de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, o mufă ICSP și un buton de resetare.

7.3. Modul de lucru

Din sistemul de comandă control se va realiza pornirea motorului trifazat, așteptându-se atingerea turației nominale – această comandă se execută prin translatarea comutatorului (potențiometrului liniar bizonal) spre stânga. Pentru a realiza frânarea regenerativă comutatorul se va translata spre dreapta lin, în trepte sau brusc. Sistemul va transforma astfel motorul trifazat fără perii în generator, curentul rezultat fiind stocat în bateria de acumulator al standului.

În tabelul 7.1 se vor înregistra parametrii din procesul de recuperare a energiei de frânare.

Tabelul 7.1. Valorile parametrilor

7.4. Prelucrarea rezultatelor

Se face media valorilor obținute din fișierul final al datelor înregistrate. După această operație se vor trasa grafice ale tensiunii bateriei de acumulator funcție de durata de operare a sistemului; tensiunii de alimentare a motorului electric în funcție de durata de operare a sistemului, curentul de ieșire al motorului electric în funcție de durata de frânare regenerativă.

Timp total de lucru 3 ore.

7.5. Verificarea cunoștințelor

Ce tip de sistem de menținere a stabilității la frânare sunt utilizate pe vehicule ?

Care este modul de operare al frânării seriale cu recuperare de energie ?

Care sunt avantajele frânării paralele cu recuperare de energie ?

8. LISTA FIGURILOR, CU PROVENIENȚA, ATRIBUIREA ȘI LICENȚA LOR

9. ANEXE

BIBILIOGRAFIE

[1] Nicolae Lontiș, Cercetări teoretice și experimentale privind cogenerarea cu motor m.a.i., funcționând cu bio-combustibil – Teză de doctorat, ISBN: 978-973-625-766-7, Ed. Politehnica 2008, Timișoara;

[2] https://goo.gl/images/qCRmdW ;

[3]http://www.capelec.fr/en/catalogue/Detail/7/29/57/53/CAP3201-GO1-Combo-gas-analyzer-and-opacimeter-smokemeter.html ;

[4] Manual de utilizare CAPELC CAP 3201;

[5] Florin Mihai Iacobescu, Cercetări teoretice și experimentale privind cogenerarea cu motor cu aprindere prin scânteie, funcționând cu GPL – Teza de doctorat, ISBN: 978-606-554-350-8, Ed. Politehnica 2012, Timișoara;

[6] http://www.agrom.ro/foto/service/mic/stag2g.jpg ;

[7] Adrian Irimescu, Gabriel Vasiu, Gavrilă Trif Tordai, Performance and emissions of a small scale generator powered by a spark ignition engine with adaptive fuel injection control, Applied Energy 121, 2014, pp. 196 – 206;

[8] Paul – Dan OPRIȘA STĂNESCU, Autovehicule electrice, hibride și cu pile de combustie, Editura Politehnica 2015, ISBN 978-606-35-0011-4;

[9] Mehrdad Eshani, Yimin Gao, Sebastien E. Gay, Ali Emadi – Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles – Fundamentals, Theory and Design, Boca Raton, London, New York, Washington DC: CRC Press LLC, 2005, ISBN 0-8493-3154-4;

[10] Isidor Buchmann, Batteries in a Portable World, Cadex Electronics Inc, 2nd edition, 2001 ISBN 978-0968211823, http://www.buchmann.ca/ ;

[11] BU-205: Types of Lithium – ion;

[12] http://www.wauu.ro/produs/acumulator-moto-12v-4ah/ ;

[13] https://carmodels.ro/Acumulator-NiMH-700mAh-12V ;

[14]https://www.geek.com/chips/nanocrystals-are-killing-your-lithium-ion-batteries-1595290/ ;

[15] http://s7d5.scene7.com/is/image/ni/09271614?$ni-card-lg$ ;

[16] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040010319.pdf ;

[17]http://www.horizoneducational.com/juniorproducts/solar-hydrogen-science-kit/ ;

[18]http://www.horizoneducational.com/wp-content/uploads/2014/09/FCJJ-16-datasheet.pdf ;

[19] https://www.horizoneducational.com/juniorproducts/fuel-cell-car-science-kit/ ;

[20] https://www.horizoneducational.com/juniorproducts/h-racer/ ;

[21] https://www.horizoneducational.com/wp-content/uploads/2014/09/FCJJ-11-datasheet.pdf ;

[22]https://www.horizoneducational.com/wp-content/uploads/2015/10/FCJJ_23_datasheet_2014_05_11_EN.pdf ;

[23] Mehrdad Eshani, Yimin Gao, Sebastien E. Gay, Ali Emadi – Modern Electric,

Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles – Fundamentals, Theory and Design,

Boca Raton, London, New York, Washington DC: CRC Press LLC, 2005, ISBN

0-8493-3154-4;

[24] Ștefan Tabacu, Ion Tabacu, Tiberiu Macarie, Elena Neagu, Dinamica autovehiculelor. Îndrumar de proiectare, Editura Universității Pitești, Pitești 2004;

[25]https://www.instructables.com/id/BLDC-Motor-Control-with-Arduino-salvaged-HD-motor/;

[26] https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDuemilanove;