Sisteme de injecție moderne [308568]
PARTEA I
Sisteme de injecție moderne
Cap.1.
[anonimizat].
Combustia internă reprezintă transformarea energiei chimice a unui combustibil (benzină, motorină), în energie mecanică (cu unele pierderi).Transformarea are loc în urmă arderii combustibilului în cilindrii motorului. Din punct de vedere al aprinderii amestecului carburant deosebim două tipuri de motoare:
MAS (motoare cu aprindere prin scânteie).
MAC (motoare cu aprindere prin compresie).
[anonimizat] (punctul mort inferior) [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], în care presiunea și temperatura gazelor din cilindru cresc brusc până la presiunea de 30-40 daN / cm3 și temperatura de 1.800 – 2.000 oC.
[anonimizat], acesta se deplasează spre PME (punctul mort exterior), [anonimizat]. Această cursa a pistonului, se mai numește și cursa activă sau cursa motoare. PMI – (punctul mort inferior) este poziția extremă a pistonului corespunzătoare distanței maxime față de axa arborelui cotit. PME – (punctul mort exterior) este poziția extremă a pistonului corespunzătoare distanței minime față de axa arborelui cotit.
[anonimizat], [anonimizat], montat în chiulasă. [anonimizat], iar presiunea din cilindru crește brusc. [anonimizat], efectuând cursa activă. [anonimizat]. Prin urmare sfârșitul compresiei și aprinderea dată de o [anonimizat]. Timpul trei al unui motor în 4 [anonimizat] a combustibilului este transformată în energie mecanică. Valorificarea în întregime a energiei combustibilului depinde de o serie de factori dintre care amintim :
– [anonimizat] o impune fluidului în cilindru și prin rezistențele gazo dinamice.
[anonimizat] ([anonimizat]).
Însă, [anonimizat], [anonimizat]- combustibil. Odată cu modernizarea motorului cu ardere internă s-a [anonimizat] a momentului aprinderii în vedera obținerii de performanțe din ce în ce mai bune. Încă de la modelul FORD A, Henry Ford a montat lângă volan un sistem de reglare care dădea posibilitatea pilotului să regleze cantitatea de benzină și avansul.
La motoarele moderne, producătorii lasă să fie făcute toate aceste reglaje de către un sistem computerizat de management al motorului denumit generic "calculatorul autoturismului". Indiferent dacă este vorba de injecție centrală în carburator, injecție multipunct de benzină sau de injecție de motorină, toate acestea se reglează astăzi cu ajutorul celei mai moderne tehnologii.
La motoarele actuale, cu toate progresele realizate, o proporție relativ modestă din energia eliberată de combustibil în cilindrul motorului se livrează sub formă de energie mecanică utilă pentru propulsie sau tracțiune. În același timp însă, motorul cu ardere internă actual transformă în energie mecanică mai mult de 90-95% din căldură ce se poate transforma de către motor în structura sa existență în prezent. Pierderile de căldură din căldura netransformabila încă în energie mecanică nu se pot imputa motorului propriu zis, ci modului în care se transformă căldura în energie mecanică, respectiv concepției ansamblului instalației energetice pentru propulsie. Începutul acestor cercetări are la baza carburatorul elementar. Acesta are principiul de funcționare strict mecanic.
Indiferent de variațiile constructive ale instalațiilor de injecție, ele realizează pulverizarea combustibilului direct în cilindrii motorului sau pe traiectul admisiei. Se disting astfel procedee de injecție directă(fig.1.1.a ) și indirectă(fig. 1.1.b )- în canalul de admisie.
Fig.1.1.Procedee de injecție: a) injecție directă; b) injecție indirectă
Sistemul de management al unui motor cu ardere internă este format din senzorii electronici care înregistrează condițiile de funcționare a motorului și sistemelor auxiliare, precum și modificările acestora, unitatea electronică de control care lucrează în buclă închisă sau buclă deschisă și care prelucrează informațiile furnizate de către senzori și din actuatoarele care sunt elemente de acționare folosite pentru executarea comenzilor.
Unitatea electronică de control colectează, stochează, prelucrează și transmite toate informațiile necesare gestionării sistemului de injecție în raport cu efortul depus de către acesta în funcție de factorii externi de temperatură, presiune și densitate, informații achiziționate cu ajutorul senzorilor și traductorilor. Totodată, unitatea electronică de control înregistrează datele referitoare la regimurile de funcționare, precum și ale anomaliilor care pot să apară în funcționarea normală a motorului (figura 1.2).
Principalele funcții ale sistemului de management al unui motor cu ardere internă sunt următoarele:
stabilirea momentului optim pentru aprinderea amestecului combustibil în funcție de turație, de sarcină sau de alți parametrii cu scopul de a asigura un proces de ardere eficient;
detectarea detonațiilor care pot să apară în momentul comprimării la turații mari și întârzierea aprinderii combustibilului în vederea scăderii consumului la motoarele cu aprindere prin comprimare;
dozarea combustibilului injectat prin modificarea timpului de deschidere a injectoarelor pentru creșterea economiei de combustibil și reducerea emisiilor;
controlul senzorului de oxigen (sonda lambda) pentru ajustarea amestecului în vederea obținerii unei proporții ideale pentru amestecul aer–combustibil;
controlul turației în funcție de datele obținute prin monitorizarea parametrilor motorului și a consumatorilor electrici;
controlul presiunii de supraalimentare pentru adaptarea presiunii de supraalimentare la turația și la sarcina determinată;
controlul recirculării gazelor de ardere prin sistemul EGR (Exhaust Gas Recirculation) în vederea reducerii emisiilor de NOx;
autodiagnosticare pentru determinarea și înregistrarea defecțiunilor mecanice sau electrice ale motorului;
controlul funcționării în caz de avarie în situația defectării unui senzor când sunt folosite informațiile stocate de către producător în memoria internă;
controlul turației motorului prin oprirea alimentării cu combustibil în momentul atingerii turației maxime memorată în unitatea electronică de control.
Fig.1.2. Sistemul de management al unui motor cu ardere internă
Sistemul de management al unui motor urmărește modificarea și adaptarea valorilor parametrilor unității electronice de control pentru a evita un amestec excesiv de bogat de combustibil, cu scopul de a reduce emisiile poluante și de a menține funcționarea motorului în condiții optime de putere și consum.
Unitatea electronică de control primește semnale de la senzorii de turație de pe volanta motorului, de la senzorul de poziție de pe arborele cu came, de la senzorul de presiune al sistemului de injecție cu rampă comună, de la supapa de control a presiunii din sistemul de injecție cu rampă comună și de la senzorul de pe clapeta pompei de înaltă presiune.
Calculul parametrilor de injecție are loc în funcție de cantitatea de combustibil ce trebuie injectată și în funcție de timpul de injecție.
Atunci când parametrii de injecție sunt calculați în funcție de cantitatea de combustibil injectată, debitul este comandat prin semnalul primit de la senzorul pedalei de accelerație (%) care stabilește injecția unei cantități de combustibil (mg), cantitate calculată de către unitatea electronică de control conform datelor memorate în hărțile de injecție a motorului. Cantitatea de combustibil injectată este corelată cu sarcina maximă, care depinde de configurația mecanică a motorului și de turația acestuia (1/min).
În situația în care parametrii de injecție sunt calculați în funcție de durata injecției, debitul de combustibil este comandat prin dozarea cantității de combustibil (mg), de către unitatea electronică de control pe baza datelor referitoare la momentul de start a injecției SOI (Start Of Injection).
Sistemul de management al motorului folosește trei tipuri de variabile pentru calibrarea parametrilor unității electronice de control:
variabile care sunt ajustate în timpul procesului de calibrare și pentru care se alocă valori fixe spre a fi folosite drept constante de către aplicația software a unității electronice de control;
variabile de măsurare pentru a determina valorile mărimilor de ieșire necesare unui actuator sub forma unei curbe de răspuns;
variabile de măsurare pentru a determina valorile mărimilor de ieșire necesare unui actuator sub forma unei hărți multi-dimensionale.
Cap.2.Sisteme de injecție moderne utilizate la m.a.s.
2.1.Necesitatea sistemelor de injectie a benzinei
Injecția de benzină își are începuturile între anii 1898-1901, când firma Deutz folosește pentru prima dată instalații pentru injectarea benzinei la motoarele de serie. Sistemul este apoi adoptat de constructorii de avioane, care îl aplica între anii 1906-1910 la motoarele de avion Antoinette și Wright, iar apoi la motoarele Junkers.
In anul 1937 s-a construit prima motocicletă cu injecție de benzină și injectoare electromagnetice, în timp ce uzinele Daimler-Benz si Auto-Union echipează câteva automobile cu injecție de benzină.
Injecția de benzină se impune constructorilor motoarelor de automobile abia în anii 1950, datorită rezultatelor obținute de firma Mercedes-Benz cu modelul MB300SL. In această perioadă, marile firme constructoare de automobile Daimler-Benz, Opel, BMW, Porshe, VW/Audi, GM, Citroen, Peugeut, Renault, Saab, Volvo, Jaguar, Nissan, Datsun, Toyota, realizează în serie automobile cu injecție de benzină.
Dezvoltarea echipamentelor pentru injecția benzinei era frânată, pe la mijlocul anilor ’60, de numărul mare si complexitatea elementelor componente ale întregii instalații de alimentare și de costul ridicat al acesteia. Echiparea MAS.-urilor cu carburatoare complexe sau cu carburatoare multiple nu a reușit să asigure performanțele de putere si reducerea emisiilor poluante preconizate. în plus, diferența de preț dintre o astfel de instalație de alimentare și instalația care utiliza injecția de benzină devenise mai puțin sensibilă. Pentru creșterea în continuare a puterii litrice a M.A.S.-ului, reducerea consumului de combustibil și mai ales pentru reducerea severă a emisiilor poluante din gazele de evacuare, impusa de legislația internațională, se preferă injecția de benzină la care, însă, precizia de dozare a benzinei trebuia ameliorată pentru toate regimurile de funcționare ale motorului.
Orice echipament de injecție destinat motoarelor cu ardere internă, trebuie să fie astfel realizat încât să asigure :
comprimarea combustibilului la presiuni suficient de mari, necesare pulverizării fine a acestuia ;
dozarea cantității de combustibil pe ciclu ;
declanșarea controlată a injecției;
introducerea combustibilului în cilindrii motorului sau în colectorul de admisie și pulverizarea acestuia;
distribuția combustibilului între cilindrii motorului, cu grad sporit de uniformitate.
Injecția de benzină comandată electronic, sau injecția electronică de benzină, a putut răspunde dezideratelor menționate. În plus, pentru autovehicule echipate cu motoare cu injecție electronică de benzină, s-a obținut și un spor de securitate în conducere.
Comprimarea combustibilului la presiuni de injecție de 0,2…0,4 MPa, necesare pulverizării benzinei, nu poate fi realizata direct de către vreun dispozitiv electronic. Această funcție este realizată cu ajutorul pompelor de alimentare care, pentru debite și presiuni mici de refulare, pot fi antrenate cu ajutorul unor motoare electrice alimentate de la bateria de acumulatoare a autovehiculului. În acest caz, motorul electric de antrenare poate fi comandat de către unitatea electronică de control.
Dozarea combustibilului poate fi făcută la admisia acestuia în pompă sau la refulare. În ambele cazuri, participarea electronicii este posibilă, fie comandând corespunzător o electrovalvă montată la admisiunea combustibilului în pompă, fie acționând diferite elemente de execuție, activate de unitatea electronică de comandă și control. în cazul utilizării injectoarelor electromagnetice, dozarea combustibilului injectat pe ciclu se face prin reglarea timpului de deschidere a acestora, controlând durata semnalului electric emis de unitatea centrală.
Declanșarea injecției, precum și precizia momentului producerii acesteia pe ciclu pot fi comandate electronic, ușor și cu precizie. în acest sens se folosesc semnale electrice de declanșare, în corelație cu turația și ordinea de aprindere a motorului, de către unitatea electronică, dupa un program dinainte memorat.
Introducerea combustibilului în cilindrii motorului sau în colectorul de admisie se pretează, deasemenea, în cazul utilizării injectoarelor electromagnetice, la comandă și control electronic. Prin ridicarea acului injectorului, cu ajutorul unui solenoid activat de unitatea electronică, combustibilul care traversează injectorul are acces la motor. Pulverizarea combustibilului depinde de geometria onficiului de pulverizare și de presiunea existentă în amontele acestui orificiu ; funcția de pulverizare nu poate fi controlată electronic.
Utilizarea sistemelor de injecție în locul carburatoarelor, a dus, pe lângă reducerea emisiilor de noxe eșapate, la o mulțime de îmbunătățiri în funcționarea motorului, din care enumerăm :
economie de combustibil, prin adaptarea precisă a cantității de combustibil injectat la condițiile de lucru ale motorului;
răspuns rapid la apăsarea clapetei de accelerație ;
flexibilitate mai mare a motorului la trecerea de la un regim la altul;
îmbunătățirea pornirii la rece și a incălzirii motorului;
controlul precis al turației de ralanti;
întreruperea alimentării cu combustibil în timpul decelerației ;
eliminarea fenomenului de givrare care apare iama, uneori, la motoarele echipate cu carburator ;
diagnosticare rapidă ;
prezintă o mare precizie în funcționare, datorită construcției lor relativ simple și comenzilor electronice de care dispun.
Superioritatea injecției electronice de benzină se manifestă și prin precizia de dozare a benzinei, uniformitatea sporită a dozării acesteia între cilindrii motorului. Deasemenea, injecția electronică oferă avantaje în sensul posibilităților de reproducere a unor dependențe complexe și variate, cum ar fi a cantității de benzină injectată pe ciclu în funcție de depresiunea din colectorul de admisie, temperatura aerului din colectorul de admisie, temperatura fluidului de răcire, turația etc, preciziei sporite, costului și dimensiunilor de gabarit reduse.
Avantaje suplimentare apar și din faptul că se pot introduce un număr însemnat de mărimi de corecție pentu toate regimurile de funcționare ale motorului.
Este o dovadă a faptului că injecția electronică a devenit o necesitate pentru conjunctura în care se cerea un autoturism economic și nepoluant.
Răspândirea injecției de benzină a fost „temporizată” de competiția cu carburatorul care implica prețuri de cost mai reduse. Lansarea injecției de benzină se datorează noilor relații „om-natură-automobil” și necesității realizării (în condițiile crizei de combustibil) a unor autovehicule mai economice.
2.2.Evoluția sistemelor de injecție la motoarele cu aprindere prin scânteie
Introducerea injecției de benzină în motoarele cu aprindere prin scânteie a urmărit, cu precădere, îmbunătățirea performanțelor de putere și de consum, limitate de modul de formare a amestecului și de umplerea cilindrilor mai puțin eficiente la motoarele cu carburator. Ulterior, restricțiile privind poluarea mediului de către motoarele cu aprindere prin scânteie au pus în valoare o particularitate a injecției de benzină: reducerea emisiilor poluante din gazele de evacuare.
Injecția de benzină a fost aplicată cu succes încă din anii '30, pe motoare Daimler-Benz de 1000 CP și 2500 CP destinate aviației. Ulterior a pătruns și în domeniul tracțiunii rutiere, în care motoarele cu aprindere prin scânteie dețineau întâietatea. Astfel, în anul 1952, un motor de competiție de 3 litri a realizat performanțe deosebite de putere și de consum.
La început echipamentele de injecție de benzină au fost furnizate de firma BOSCH și nu difereau prea mult de echipamentele pentru injecția de motorină. Această concepție inițială ridica probleme delicate în ceea ce privește ungerea cuplurilor de piese în frecare de pe traseul de înaltă presiune. Având în vedere calitățile antilubrefiante ale benzinei, ungerea trebuia asigurată într-un circuit separat.
Ulterior echipamentele pentru injecția de benzină în motoarele cu aprindere prin scânteie s-au adaptat cerințelor de lubrifiere, momentului de realizare a injecției. Toate echipamentele s-au dezvoltat ca urmare a avantajelor pe care le prezintă injecția de benzină la motoarele cu aprindere prin scânteie:
pulverizarea foarte fină la toate regimurile de funcționare și în special la sarcini și turații reduse;
uniformizarea dozei de benzină între cilindrii motorului, mai ales în situația injecției multipunct;
creșterea coeficientului de umplere a cilindrului cu 8 – 12 %, datorită rezistenței gazodinamice reduse a traseului de alimentare (prin eliminarea difuzorului carburatorului), lipsei încălzirii încărcăturii proaspete și mai ales, în cazul injecției directe, absenței benzinei din încărcătura proaspătă;
creșterea puterii efective cu 10 … 15 % în special datorită îmbunătățirii umplerii cilindrilor, posibilității de mărire a raportului de comprimare (cu până la o unitate) datorită neîncălzirii încărcăturii proaspete, de răcirea suplimentară a amestecului aer-benzină și a pereților camarei de ardere ca urmare a vaporizării, de uniformitatea sporită a debitului de benzină între cilindrii motorului;
scăderea consumului specific efectiv de combustibil cu o valoare de 12 … 15% datorită formării mai bune a amestecului și arderii mai eficiente a acestuia (este posibilă stratificarea amestecului și arderea unor amestecuri sărace) și uniformității sporite a umplerii (între cilindri);
reducerea emisiilor poluante din gazele de evacuare, ca urmare a posibilităților de stratificare a amestecului și de ardere a amestecurilor sărace;
ameliorarea comportării motorului, eliminarea fenomenului de givraj și a rateurilor, reducerea înălțimii motorului cu 15 … 25 cm prin lipsa carburatorului din instalația de alimentare.
Specific motorului cu aprindere prin scânteie alimentat prin injecție de benzină este corelarea debitului de benzină cu debitul de aer pentru toate regimurile caracteristice de funcționare. Aceasta impune comanda simultană a organului de reglare a debitului de benzină și a obturatorului, fapt ce complică construcția instalației de alimentare. Procedeele folosite pentru reglarea debitului de benzină în instalațiile de injecție sunt:
– după poziția obturatorului;
– după depresiunea din galeria de admisie;
– după debitul de aer aspirat.
Uneori, pentru anumite regimuri tranzitorii, cum ar fi accelerarea și decelerarea, pentru îmbogățirea amestecului la sarcină plină sau la mersul în gol, pentru pornirea la rece, etc., echipamentele sunt prevăzute cu dispozitive speciale care modifică debitul de benzină în conformitate cu cerințele menționate. De asemenea, se pot prevedea o serie de corecții, cum ar fi după temperatura lichidului de răcire, temperatura uleiului, presiunea atmosferică, etc. Pentru realizarea unui sistem de injecție de benzină se utilizează elemente constructive de tip mecanic, electric, electromecanic și electronic. Primele sisteme de injecție utilizau elemente de control de tip mecanic, în timp ce în ultima vreme s-au impus sistemele electronice.
În Europa primul echipament electronic de injecție a fost produs în anul 1967 și montat pe un motor VW de 1,6 litri cu 4 cilindri denumit D-Jetronic.
Fig.2.1.Instalația de injecție D-Jetronic. [35]
După zece ani circulau deja peste un milion de autoturisme echipate cu injecție de tip K sau L – Jetronic (Bosch). Unul dintre primele sisteme de injecție care a dat rezultate a fost K-Jetronic(fig.2.2.):
Fig.2.2.Sistemul de injecție K-Jetronic:1- rezervor; 2 – pompă electrică; 3 – acumulator de combustibil; 5 – regulator de amestec; 6 – injector; 7 – injector de pornire; 8 – comanda aerului aditionat; 9 – termocontact temporizat ;10 – regulator de amestec.[35]
Instalația funcționează astfel : pompa electrică aspiră combustibilul din rezervor și îl trimite către acumulatorul 4, iar apoi în filtru de unde se merge în unitatea de cântărire , care este o parte componentă a regulatorului de amestec sub presiune. Presiunea combustibil ului este păstrată constanța în partea de reglare a presiunii din dispozitivul de distribuire, care trimite combustibil către injectoare. O componentă importantă a circuitului este debitmetru de aer, care funcționează conform principiului corpurilor flotante : platoul circular se ridică într-un flux de aer de formă conică până când forță de apăsare a aerului, care se exercită pe față platoului , echilibrează greutatea acestuia.Informația se duce de aici sistem de pârghii mecanice care dirijează combustibilul la injectoare în funcție de aerul înregistrat. În această poziție de echilibru, care este funcție de cantitatea de aer aspirat, pistonul de comandă plasează într-o poziție determinantă regulatorul de carburant 17.
În același timp un rol important îl joacă și termocontactul temporizator.
Fig.2.3.Termocontact temporizat 1-conexiune electrică; 2-hexagon de strângere; 3-element bimetallic; 4-inf. de încălzire;5-contact[35]
Datorită relației liniare dintre debitmetru și distribuitorul de carburant și datorită pârghiei de acționare asupra pistonului de comandă, care reunește cele două părți într-o singură unitate, se obține o adaptare precisă și stabilă pentru un coeficient de aer λ =1.
Termocontactul reprezintă de fapt un circuit electromagnetic, care controlează durata injectiei în timpul regimurilor de pornire a motorului sau întrerupe funcționarea când temp. e crescută.
Motronic(fig. 2.4.) un sistem relativ nou care încearcă să optimizeze pe cât posibil amestecul din camera de ardere. În acest caz dispare delcoul, un element mecanic, însă se introduce o aprindere electronică de o înalta calitate.
Fig.2.4. Sistem de injectie Motronic:1- rezervor; 2- pompă de benzină; 3- filtru de benzină; 4- rampă comună; 5- supapă de retur; 6- dispozitiv cu supapă unisons; 7- unitate eletronica centrală (ECU); 8- bobină de inducție; 9- circuit electric de aprindere; 10- bujie; 11- injector; 12- injector de pornire;13- disp de reglare a aerului; 14- clapetta de accelerație; 15- traductor ce măsoară poz clapetei de acc.; 16- debitmetru; 17- senzor ce corelează inf preluată de debitmetru cu cea de intrare; 18- sondă lamda; 19- senzor; 20- senzor de temp.; 21- regulator de aer; 22- disp de reglare a aerului; 23- senzor de presiune; 24- senzor inf. calc de poz. PMI;25- acumulator; 26- contact de pornire; 27- releu de pornire; 28- releu de pornire
Această instalație s-a dovetit economică și foarte ecologică în același timp. Unitatea electronică de comandă “calculatorul” prelucrează digital semnalele de intrare și calculează durata de injecție și sfârșitul injectării combutibilului. Ea cuprinde un microprocesor specializat, un program implementat într-o memorie de date, un convertor analog/digital, un multiplexor de intrare, amplificatoare de intrare și ieșire. Unitatea determina o durata de injecție de baza pornind de la unghiul de deschidere al clapetei de accelerație și de la turație. Ea cuprinde o memorie de baza de date cu 15 unghiuri ale clapetei și 15 puncte de turație.Aceste 225 de puncte de referință memorate pentru λ =1,0, vor corespunde tot atâtor durate de injecție de baza. Microprocesoarul are implementat un algoritm adaptiv, care va înregistra o abatere sigură de la valori din baza de date, astfel, toleranțele individuale ale instalației de injecție sau ale motorului vor fi compensate.
Tehnică a avansat și nevoia unui sistem mai complex cu informații mai precise a impus combinarea sistemelor mecanice de injecție cu cele electrice. O încercare care pentru o perioada a fost chiar o soluție la ceea ce se dorea a fi KE-Jetronic(fig 2.5.). Construită pe baza schemei K-Jetronic, folosind aceeiasi structura de reglare, are înlocuite regulatoarele mecanice de presiune cu altele comandate electric în baza datelor funcționale preluate de la senzori, în vederea optimizării amestecului.
Fig. 2.5. Sistem de injectie KE-Jetronic:1- injector; 2- injector de pornire; 3- regulator de amestec; 4- regulator de presiune,5- regulator; 6- debitmetru; 7- filtru; 8- pompă electrică; 9- acumulator de combustibil 10- regulator de aer; 11- bloc electronic; 12- senzor al poziției obturatorului;13- termocontact temporizat; 14- senzor de temp.; 15- pompă de presiune a combustibilului[35]
Această instalație este concepută în baza schemei K-Jetronic folosind aceiași structura de reglare, înlocuind regulatoarele mecanice de presiune cu altele comandate electronic în baza datelor funcționale preluate de la senzori, în vederea îmbunătățirii amestecului. Semnalele sunt preluate de la diverși senzori cum ar fi : potențiometrul pt. stabilirea poz platoului debitmetrului, termocontacte, sondă lambda, sunt prelucrate de un modul electric pentru pregătirea amestecului și vor fi influențate de următoarele funcții : îmbogățirea amestecului la pornire, la accelerații, la suprasarcinii, domeniul de turații,reglarea factorului de aer, și corecția cu altitudinea. Sistemul L- Jetronic aduce îmbunătățiri la KE-Jetronic, folosin din ce în ce mai mult electronică. Ceea ce aduce nou acest sistem este înregistrarea unor parametric prin intermediul unității electronice.În rest sistemul se păstrează având aceeași structura că și la KE-Jetronic.
MONO-Jetronic(fig.2.6.) constituie un sistem de injecție, care utilizeaza un singur injector electromagnetic, situat într-o poziție centrală în colectorul de admisie, înaintea clapetei de accelerație, cu pulverizare intermitentă și reglaj prin poziția clapetei de accelerație. Sistemul de alimentare cu combustibil constă în rezervor, pompă electrică, filtru, regulator de presiune, injector. Diferența dintre presiunea combustibilului și presiunea în colectorul de admisie este ținută constantă pe injectorul de joasă presiune la o valoare de 0,1 MPa de către un sistem de reglare hidraulic.
Fig. 2.6. Sistem de injectie MONO-Jetronic:1- rezervor de combustibil; 2- pompă de benzină; 3- filtru; 4- potentometru clapetei; 5- unitate de comandă; 6- injector; 7- regulator de presiune; 8- distribuitorul de aprindere 9- sonda lamda; 10- bujie. [35]
Sistemul a fost într-o continuă perfecționare, așadar din 2002, motoarele de la Wolksvagen erau echipate cu un nou sistem de injecție mult mai performant, atât din punct de vedere economic cât și ecologic. Noul sistem era numuit FSI(fig.2.7.) și ca particularități folosește tot mai multă electronică, unitatea de comandă jucând un rol esențial în funcționarea optimă a motorului, folosind în loc de 225 de puncte de referință 400 de puncte care copenseaza pierderile de energie prin frecare în mecanismele existente în motor.
Fig.2.7.Sistemul de injectie FSI
Fig.2.8. Injecția directă de benzină FSI 2.0 Audi. [36]
Fig.2.9. Sistemul de injectie HPI
Constructorii de motoare nu au rămas indiferenți la apariția acestui nou sistem. Răspunsul la această provocare vine numai peste câteva luni , din partea firmei Peugeot care echipează modelele 207, inițial și apoi ulterior 307 cu motoare HPI(fig.2.8.). Este urmat îndeaproape de Citroen care echipează modelele Picasso cu noul motor.
Marile firme orientează sistemele de injecție către un common rail, unde presiunea de injecție crește semnificativ. Un sistem de injecție modern este injecția directă de benzină cu controlul electronic al curgerii-așa zisă metodă orbitală.
Noile sisteme de injecție de benzină sunt mai economice și mai ecologice. Ținând cont de faptul că în aproximativ 70 de ani resursele energetice ale planetei se vor epuiza, se caută soluții pentru înlocuirea actualelor propulsoare pentru autovehicule. Datorită unei politici, agresive, de cercetare-dezvoltare dusă de marile companii producătoare de motoare rezultatele au început să apară. Astfel o soluție pentru mâine poate fi autoturismul hibrid unde sistemul de injecție este înlocuit cu un circuit electric.
2.3. Sistemul de injecție directă pentru motoare cu aprindere prin scânteie (GDI)
2.3.1.Generalități
Primul sistem de alimentare utilizat în construcția motoarelor cu aprindere prin scânteie a fost sistemul de alimentare prin carburație. Odată cu necesitățile contemporane legate de necesitatea reducerii nivelului de emisii poluante și scăderea consumului de combustibil s-au dezvoltat sistemele de injecție în galeria de admisie. Comparativ, avantajele utilizării sistemelor de injecție de benzină în galeria de admisie față de sistemul de alimentare prin carburație sunt date de [4,7, 16,19, 22]:
emisii poluante mai reduse;
creșterea randamentului volumetric (gradul de umplere al cilindrului);
consum specific efectiv de combustibil redus;
răspuns mai rapid al motorului în funcție de poziția clapetei obturator (clapetei de accelerație).
Cu toate acestea, reglementările de mediu devenite din ce în ce mai restrictive, nu au putut fi respectate prin utilizarea sistemelor de injecție în galeria de admisie și beneficiind de avansul tehnologic contemporan, s-au dezvoltat sistemele de injecție directă a benzinei în interiorul cilindrilor motorului cu aprindere prin scânteie.
Avantajele echipării motoarelor cu aprindere prin scânteie contemporane cu sisteme de injecție directă de combustibil este reliefată de studiul efectuat de firma Volkswagen, a cărui rezultate sunt prezentate în cadrul tabelului 2.1.
Tabel 2.1. Analiza comparativă a două sisteme de injecție de benzină ce echipează motoarele Volkswagen [6,7]
Sistemele de injecție directă pentru motoarele cu aprindere prin scânteie (ce utilizează ca și combustibil benzină), sunt sisteme de injecție care au apărut ca un rezultat direct al dezvoltării tehnologice actuale, dezvoltare tehnologică ce permite un grad înalt de control al funcționării componentelor sistemelor. Gradul de control și comandă ridicat face posibilă reducerea semnificativă a emisiilor poluante, fără a sacrifica performanțele dinamice ale motorului. Acronimul GDI care însoțește descrierea unui sistem de injecție directă de benzină provine din limba engleza – Gasoline Direct Injection.
2.3.2.Avantajele injecției directe de benzină
Prin intermediul injecției directe de benzină se realizează în primul rând o economie de 15…20% de combustibil, concomitent cu o reducere importantă a noxelor provenite din gazele de ardere (NOx, CO, HC). Injecția directă de benzină oferă posibilitatea ca motorul să funcționeze în două moduri distincte, ce caracterizează natura amestecului aer-combustibil din camera de ardere (stratificat și omogen), în funcție de regimul și sarcina acestuia.
Funcționarea motorului în aceste două caracteristici se realizează pentru o valoare a amestecului X cuprinsă între 1 și 3 [22]. Pentru funcționarea cu amestec stratificat λ = l,6…3. Pentru funcționarea cu amestec omogen sărac λ = l,55 iar pentru amestec omogen λ = l.
Avantajele posibilităților de reglare a compoziției și a naturii amestecului aer-combustibil în interiorul cilindrului prin injecția directă a combustibilului (Fig.2.10), sunt următoarele [3,15, 32]:
Prin faptul că în funcție de regimul și sarcina motorului amestecul aer- combustibil din interiorul camerei de ardere poate fi stratificat, arderea principală se desfășoară în jurul electrozilor bujiei, fără ca frontul de flacără să aibă contact direct (în primele faze ale arderii) cu pereții cilindrului, ceea ce duce la creșterea randamentului termic al motorului.
Funcționarea cu amestec omogen al motorului facilitează posibilitatea utilizării sistemului de recirculare a gazelor arse (până la 25…30% din volumul încărcăturii în cilindru), gaze arse care ajută la reducerea emisiilor de oxizi de azot (NOx).
Deoarece injecția combustibilului se realizează direct în cilindru și nu are legătură directă cu aerul proaspăt admis în cilindru, are loc o scădere a gradientului termic a amestecului în cilindru, scădere ce oferă posibilitatea creșterii raportului de compresie fără pericolul apariției fenomenului de detonație.
Creșterea raportului de compresie are influență directă în creșterea parametrilor funcționali ai motorului (putere efectivă, moment efectiv, randament etc.)
Este posibilă extinderea domeniului de turații pe care se poate activa funcțiunea de întrerupere a alimentării cu combustibil la decelerare (fuel cut-off process). Deoarece nu mai există depuneri de combustibil pe galeria de admisie și/sau pe talerul supapei de admisie, la repunerea în funcțiune a motorului nu se schimbă valorile presetate relativ la valoarea amestecului aer-combustibil și a parametrilor de injecție. Funcțiunea "fuel cut-off " la decelerare oferă astfel, o funcționare (pornire) silențioasă și lină a motorului pentru o gamă mai mare de turații a motorului.
2.3.3.Construcția sistemelor de injecție directă
Sistemele de injecție directă a benzinei utilizate în construcția motoarelor cu aprindere prin scânteie au avantajul primar de a reduce și optimiza procesul de formare a amestecului aer-combustibil prin reducerea duratei procesului. Acest lucru se datorează în principal particularității de formare a amestecului în interiorul cilindrului, față de sistemele de injecție anterioare care realizau amestecul aer-combustibil în galeria de admisie a motorului.
Realizarea amestecului în galeria de admisie, prezintă dezavantajul de a nu putea controla omogenitatea amestecului format.
Există contact direct a picăturilor de combustibil injectate cu pereții galeriei de admisie, coalescența ulterioară a acestora și ca și consecință imediată, formarea de diferite zone de concentrații locale specifice ce ajung în interiorul cilindrului în mod aleator. Astfel, apar disfuncționalități în funcționarea motorului la parametrii funcționali pentru care a fost proiectat cu efecte asupra performanțelor dinamice (putere, moment), economice (consumul de combustibil) și ecologice (cresc emisiile de gaze poluante).
Din acest motiv, sistemele de injecție direct în interiorul cilindrului a motoarelor cu ardere prin scânteie oferă avantaje imediate, reliefate prin posibilitatea de control a funcționării motorului în cazul sarcinilor parțiale prin modularea cantității (volumului) de combustibil injectat și utilizarea procesului de stratificare a amestecului. Procesul de formare al amestecului poate fi monitorizat și corelat pe mai departe cu avansul la injecție și aprindere (scânteie) în funcție de necesitățile dinamice ale autovehiculului si nu în ultimul rând creste potențialul energetic al încărcăturii de amestec aer-combustibil din interiorul cilindrului pe ciclu funcțional.
În figura 2.10 este prezentată schema funcțional-constructivă a unui sistem de injecție direct utilizat în construcția motoarelor cu aprindere prin scânteie.
Fig. 2.10. Schema contructiv-funcțională a sistemelor de injecție directă de benzină:
l-rezervor de combustibil; 2-conducte de alimentare; 3-pompa de înaltă presiune;
4-supapă de reglare a presiunii; 5-camă; 6-injector. [15]
Din figura 2.10 se observă că una din problemele ridicate de sistemul de injecție direct este aceea de acordare a caracteristicilor jetului de combustibil (în special a lungimii de penetrare a acestuia) cu caracteristicile geometrice a camerei de ardere.
La fel de importante sunt și alte două caracteristici ce definesc un jet de combustibil:
omogenitatea jetului;
finețea picăturilor pulverizate.
Cele trei caracteristici importante ale jetului de combustibil pot fi controlate independent de valoarea turației motorului prin sistemul de management al motorului și prin construcția specială a componentelor.
În cazul construcției injectoarelor utilizate în componența sistemelor de injecție directă de benzină, acestea sunt prevăzute cu un număr mai mare de orificii de injecție (6…11), amplasate bine determinat în interiorul camerei de ardere și acționate piezoelectric (pentru optimizarea începutului și a sfârșitului procesului de injecție) [7,21].
Sisteme de injecție directă la presiune joasă
Unul din primele sisteme de injecție directĂ de benzină a fost sistemul dezvoltat și implementat de firma Mitsubishi în construcția motoarelor cu aprindere prin scânteie, la începutul anului 1996 [27, 28]. Sistemul denumit GDI se bazează pe realizarea unei injecții la mică presiune prin utilizarea unei rampe comune de alimentare a injectoarelor (Fig. 2.11). Presiunea în sistemul de alimentare se realizează prin intermediul unei pompe plunjer acționată direct prin intermediul unei came. Alegerea acestui tip de acționare prezintă dezavantajul major de a permite apariția în sistemul de alimentare a unor oscilații de presiune a combustibilului, din cauza variației turației de funcționare a motorului. Firma Mitsubishi a utilizat un acumulator de combustibil montat pe circuitul de alimentare, acumulator care realizează amortizarea vârfurilor de presiune din sistem (în special la turații ridicate).
Presiunea de injecție a combustibilului este de aproximativ 4…13 MPa iar presiunea din sistemul de alimentare de 0,35 MPa.
Fig. 2.11. Schema de principiu al sistemului de injecție directă Mitsubishi GDI. [27, 28]
Sisteme de injecție directă la presiune înaltă
Sistemele de injecție directa la presiune înaltă au apărut ca și o consecință directă a dezvoltării tehnologice a materialelor și tehnologiilor înglobate în construcția motoarelor cu ardere internă. Pornind de la construcția sistemelor de injecție directă la presiune joasă, s-a reușit prin implementarea componentelor senzoristice și ale unor componente de înaltă performanță tehnică (injectoare piezoelectrice, pompe de alimentare cu combustibil performante etc.) un management complet al funcționării motorului cu aprindere prin scânteie.
Din punct de vedere constructiv, în figura 2.12, sunt prezentate componentele generale ale unui sistem de injecție directă de benzină.
în principiu, un sistem de injecție directă de benzină este format din o pompă de înaltă presiune, o rampă comună de distribuire a combustibilului către injectoare (rampă care funcționează și ca un amortizor al oscilațiilor de presiune a combustibilului), o supapă limitatoare de presiune, senzoristică și conductele de transport a combustibilului aferente.
Pompa de înaltă presiune realizează presiuni ale combustibilului în rampa comună de 100 … 120 bar. Injectoarele sunt comandate cu foarte mare precizie, fiind de construcție piezoelectrică și împreună cu presiunea mare de injecție, se realizează o pulverizare eficientă a combustibilului în interiorul cilindrului. Pompa de înaltă presiune este acționată de o camă amplasată pe arborele cu came ale motorului (Fig. 2.13).
Un avantaj al sistemului de injecție directă la presiuni înalte cu rampă comună este acela că presiunea debitată de pompa de înaltă presiune, este corelată cu sarcina de funcționare momentană a motorului, pentru reglarea caracteristicilor procesului de injecție cu aceasta. Reducerea nivelului presiunii la sarcini parțiale este realizată prin oprirea unuia sau a mai multor pistoane plunjer ale pompei.
Managementul condițiilor funcționale a motorului și corelarea parametrilor de funcționare a sistemului de injecție directă este prezentat schematic în figura 2.15, în cazul sistemului de injecție directă dezvoltat și produs de firma Bosch, MED-7 [5,7, 22].
Fig. 2.12. Componentele sistemului de injecție directă pentru motoarele cu aprindere prin scânteie: 1-injector; 2-distribuitor de combustibil; 3-pompa de înaltă presiune; 4-radiator pentru răcirea combustibilului; 5-rampa comună. [22]
Fig. 2.13. Particularitatea acționării pompei de înaltă presiune prin intermediul arborelui cu came:
l-injector; 2-camă acționare pompă; 3-supapa de reglare a presiunii combustibilului;
4-pompa de înaltă presiune; 5-senzor de presiune; 6-conductă combustibil joasă presiune;
7-supapă de limitare a presiunii combustibilului debitat de pompa de înaltă presiune;
8-senzor de temperatură. [22]
Este cunoscut faptul că randamentul total al motorului pe benzină în ciclul european de testare este de circa 13% (ciclu de testare NEDC – New European Driving Cycle), ce înseamnă că o valoare minimală din energia obținută prin arderea combustibilului se transformă în energie cinetică utilă. Pierderile de 87% au diverse cauze [5, 16,21]:
45% se produc datorită funcționării cu amestecuri aer-combustibil necorelate cu regimurile de funcționare a motorului;
7% funcționării cu λ = 1;
5% pierderilor de căldură prin pereții camerei de ardere și a arderii deficitare;
10% pierderilor datorate fenomenului de pompaj (Fig.2.14);
10% pierderilor prin frecare în componentele motorului și în organele auxiliare.
Pierderile ar putea fi diminuate cu circa 5% prin extinderea duratei de funcționare cu amestecuri stratificate (λ > 1], încă 5% prin îmbunătățirea procesului de ardere și a limitării pierderilor de căldură prin pereții cilindrului și încă 5% prin utilizarea mai frecventă a funcționării cu amestec determinat de caracteristicile de funcționare a motorului (corelare cu sarcina}.
Componentele care realizează managementul sistemului de injecție directă de benzină MED-7, sunt prezentate în figura 2.15, și detaliat în figura 2.16.
Fig. 2.14. Diferențe în funcționarea cu diferite amestecuri aer-combustibil,
conform diagramei indicate; a-diagrama indicate pV;b-detaliu diagrama de pompaj. [16]
Fig. 2.15. Sistemul de injecție directă Bosch MED-7: l-unitate de control electronic (UCE);
2-clapeta obturatoare; 3-pompa de înaltă presiune;4-injector piezoelectric;
5-sondă lambda; 6-catalizator. [22]
Managementul sistemului de injecție directă de benzină realizează o creștere a randamentului energetic al motorului cu aprindere prin scânteie de până la 23%, ceea ce reprezintă o îmbunătățire substanțială, dar mai mult decât atât creșterea este realizată cu emisii poluante mai mici [7, 21].
Fig. 2.16. Managementul sistemului de injecție directă MED-7: l-unitate de control electronic (UCE); 2-debitmetru de aer; 3-sistem de recuperare a vaporilor de combustibil din rezervor; 4-supapă; 5-clapeta obturator; 6-supapa EGR; 7-senzor presiune aer admis; 8-pompa de înaltă presiune; 9-rampa comună; 10-injector; 11-bobina de inducție; 12-senzor pedală accelerație; 13-sonda lambda; 14-catalizator; 15-senzor temperatură gaze evacuare;16-senzor poziție arbore cu came; 17-senzor temperatură lichid de răcire; 18-senzor detonație; 19-senzor poziție arbore cotit; 20-rezervor combustibil;21- pompă alimentare de joasă presiune. [22]
Sisteme de injecție directă pentru motoare cu ardere internă în doi timpi
Sistemele de injecție directă de combustibil sunt utilizate pe motoarele în doi timpi, pentru a reduce drastic nivelul de combustibil nears din gazele de evacuare. Utilizarea unui sistem de injecție directă de combustibil, ce îmbunătățește caracteristicile procesului de pulverizare a combustibilului în interiorul cilindrului, limitează major numărul de picături de combustibil ce pot să atingă pereții cilindrului, cu efect de reducere a emisiilor de hidrocarburi (HC) de până la 75%. Tot utilizarea sistemului de injecție directă, poate realiza economii în consumul de combustibil de 35…50% față de sistemele clasice de alimentare prin carburație [5,6].
Sistemul cel mai uzual întâlnit în construcția motoarelor cu aprindere prin scânteie în doi timpi, este cel dezvoltat de firma Synerject, sistem ce utilizează pulverizarea combustibilului prin injecția combustibilului asistată de un flux de aer comprimat [7,16].
În figura 2.17 este prezentată schema constructiv-funcțională a sistemului de injecție directă Synerject [29].
Fig. 2.17. Sistemul de injecție directă de combustibil Synerject:
l-compresor de aer; 2-galerie admisie; 3-pompa de combustibil; 4-rezervor de combustibil;
5-injector combustibil; 6-canalizație injecție aer comprimat; 7-bobină inducție;
8-unitate de control electronic (UCE]. [29]
Aerul comprimat este utilizat pentru a pulveriza fin și a vaporiza combustibilul injectat (Fig. 2.18). Diametrul mediu al picăturilor este de aproximativ 8 pm, valoare ce asigură un grad ridicat de pulverizare a combustibilului injectat Presiunea de injecție a combustibilului și a aerului comprimat are valori cuprinse între 0,5…0,8 MPa [29]. Astfel, în interiorul cilindrului se crează un amestec relativ omogen, stabil ce favorizează ulterior desfășurarea procesului de ardere.
Fig. 2.18. Construcția injectorului compus. [29]
Procedeul prezentat anterior oferă marele avantaj de a utiliza componente deja existente în construcția sistemelor de injecție a combustibilului în galeria de admisie.
2.3.4.Moduri caractristce de funcționare ale motorului în funcție de amestec
Amestec stratificat
Stratificarea amestecului la m.a.s. a fost concepută în următoarele scopuri:
reducerea consumului de combustibil și a emisiei de CO2 prin utilizarea amestecurilor sărace;
asigurarea funcționării stabile a m.a.s. cu amestecuri sărace. Atunci când m.a.s. funcționează cu amestecuri sărace și foarte sărace are loc o amplificare puternică a fenomenului de dispersie ciclică, fapt care duce la o funcționare instabilă a motorului; stabilizarea funcționării se realizează prin utilizarea unor amestecuri bogate în prima perioadă a procesului de ardere (formarea și stabilizarea nucleului de flacără)
reduce emisia de NOx, CO și cea de HC;
Fig.2.19. Influența calității amestecului asupra emisiilor de evacuare
Amestecul funcționează cu amestecuri sărace și foarte sărace (la CSP);
Consumul scade deoarece:
Motorul funcționează cu amestecuri sărace și foarte sărace;
Căldura Q transferată la perete e mai redusă:
Tgaze din compartimentul principal al camerei de ardere e mai redusă datorită >1;
îmbunătățirea randamentului indicat prin crearea unui strat izotermic de aer și gaze arse care înfășoară zona nucleului de flacără și a gazelor care ard, reducând transferul de căldură la pereți.
NOx scade deoarece:
în zona vecină bujiei, acolo unde se generează cele mai mari cantități de NOx, amestecul e bogat; geneza NOx e frânată prin lipsă de O2;
regimul termic al gazelor este mai redus.
CO scade deoarece motorul funcționează cu amestecuri sărace și foarte sărace
HC are o evoluție care depinde de modul de realizare a stratificării amestecului proaspăt.
Fig.2.20. CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion – Honda)
Fig.2.21. Modalități de formare și stratificare a amestecului (ghidarea cu peretele, ghidarea cu aerul și ghidarea jetului)
Fig.2.22. Principiul sistemului de ghidare cu aerul
Așa numitul sistem de ghidare cu peretele constă în interacțiunea jetului de combustibil cu pereții camerei de ardere și cupei din capul pistonului. Mișcarea încărcăturii din cilindru facilitează formarea amestecului cu combustibilul depozitat pe suprafața cupei pistonului. Această soluție este dezavantajoasă prin creșterea semnificativă a emisiei de HC. De aceea s-a dezvoltat o altă soluție a cărei particularitate constă în aceea că se evită, pe cât posibil, contactul jetului de combustibil cu pereții. Acest lucru se poate realiza printr-o mișcare intensă și controlată a încărcăturii din cilindru prin vârtejurile de rostogolire (tumble motion), așa numitul sistem de ghidare cu aerul. În figura următoare se prezintă principiul acestui sistem de ardere într-o secțiune longitudinală a camerei de ardere. Desenul conține și un dispozitiv de variere a intensității mișcării încărcăturii proaspete, care în poziția activat permite creșterea intensității vârtejurilor de rostogolire la funcționarea cu amestecuri sărace, iar în poziția dezactivat permite umplerea completă la funcționarea la plină sarcină. Există un singur nivel optim al vârtejurilor de rostogolire pentru diferite sarcini parțiale de funcționare. Aceasta permite realizarea unui dispozitiv care sa asigure două trepte ale nivelului mișcării de vârtej.
Procedeul de stratificare a amestecului prin ghidarea cu aerul a jetului de combustibil injectat direct în cilindru, la un unghi de 22,5° față de orizontală, este utilizat de noul motor FSI de 2 l, cu 4 supape pe cilindru. Cupa din piston este astfel profilată încât să genereze vârtejul de rostogolire necesar ghidării jetului spre bujie la momentul declanșării scânteii electrice. Un alt avantaj important al motorului cu aprindere prin scânteie cu injecție directă, DISI, constă în sensibilitatea mică la condițiile de funcționare. Aceasta poate fi evaluată prin varierea avansului la scânteie și la injecție.
Stratificarea amestecului prin ghidarea jetului de combustibil de către peretele constituit de profilul din capul pistonului are dezavantajul formării unei pelicule de combustibil pe capul pistonului, ceea ce intensifică fenomenul SFP, deci în acest caz emisia de HC e mai consistentă. În celelalte două situații acest neajuns e înlăturat, ba chiar se realizează o anvelopă de aer în jurul masei vaporilor de benzină. Fenomenul SFP va fi astfel diminuat foarte mult. De asemenea, această anvelopă poate constitui un strat izolator termic între gazele care ard și pereții camerei de ardere; căldura transferată la pereți se reduce astfel încât crește randamentul indicat.
Fig.2.23. Stratificarea amestecului prin ghidarea cu aerul la motorul Audi FSI
În domeniul sarcinilor parțiale, motorul funcționează cu amestec stratificat și complet neobturat. Clapeta din conducta de admisiune de control al vârtejului este închisă. Injecția directă a benzinei se produce la sfârșitul cursei de comprimare astfel încât să se asigure norul de amestec inflamabil în preajma bujiei. La sarcini parțiale mai mari, motorul funcționează cu amestecuri sărace omogene, ceea ce permite realizarea unor economii suplimentare de combustibil fără a se forma funingine în exces. Clapeta de vârtej din admisiune este deschisă, iar injecția directă a benzinei se produce în cursa de admisiune, pentru a asigura timp suficient omogenizării amestecului. De asemenea, această strategie permite funcționarea motorului aproape fără să se apeleze la controlul prin obturator. Trebuie menționat faptul că se controlează compoziția amestecului și prin utilizarea pe scară largă a recirculării gazelor de evacuare. Performanțele de economicitate ale acestui procedeu de formare a amestecului depind de strategia de funcționare.
Fig.2.24. Strategia de funcționare a motorului DISI VW
Optimizarea schimbului de gaze, prin utilizarea distribuției variabile și a geometriei colectorului de admisie poate îmbunătăți comportarea la regimurile de plină sarcină. Majoritatea motoarelor GDI (Gasoline Direct Injection) actuale s-au dezvoltat pe baza cerinței de a realiza schimburi minime la motorul MPI aflat în producție. Aceasta poate produce un potențial de economicitate promițător, dar insuficient, pentru a realiza economii de 20%, cât se cere pentru reducerea emisiei de CO. În consecință este nevoie să se combine injecția directă cu alte soluții tehnologice pentru randamente înalte (reducerea cilindreei, supraalimentare și raport de comprimare variabil). Primele motoare GDI cu amestec stratificat realizate în Japonia și Europa au provenit din versiunile MPI. Din intenția de a nu schimba mult liniile tehnologice a rezultat poziționarea laterală înclinată a injectorului, între supapele de admisie, aproape de garnitura de chiulasa. Distanța mare dintre injector și bujie necesită o geometrie specială a capului pistonului și a mișcării aerului, pentru a asigura transportul amestecului spre bujia centrală și stabilizarea stratificării.
Sistemul cu ghidarea jetului – adesea numită a 2-a generație de GDI – oferă noi posibilități de stratificare și de reducere a consumului. Injectorul de înaltă presiune este amplasat în centrul camerei de ardere. Combustibilul este injectat vertical spre cavitatea din piston, iar stratificarea amestecului este asigurată prin vârtejul de rotație generat prin geometria sistemului de distribuție.
Fig.2.25. Injecția centrala pentru evitarea umezirii pereților cilindrilor. [37].
Această configurație oferă un control mai bun al amestecului aer-combustibil decât sistemul cu amplasarea laterală a injectorului care este geometric limitată. Noul sistem permite arderea amestecurilor foarte sărace (raportul aer/combustibil ajunge până la 65:1) tolerând EGR până la 50%. Se înregistrează o reducere a consumului de combustibil de până la 30% și totodată, emisii scăzute de NO. Emisiile de HC sunt semnificativ mai reduse decât la sistemul cu ghidarea la perete sau a curentului.
Îmbunătățirea consumului se datorează pierderilor mai mici de căldură la pereți, iar emisiile mai mici de HC sunt rezultatul îmbunătățirii procesului de ardere. Oricum, cerințele față de injector sunt mult mai sofisticate decât la generația 1 a GDI. Datorita spațiului mai mic dintre injector și bujie timpul de formare a amestecului este redus. Astfel stratificarea amestecului este controlată în principal de către injector și mai puțin de mișcarea aerului și, în consecință, mult mai sensibil la variațiile performanțelor injectorului. Oricum, mișcarea variabilă a aerului și presiunea de injecție mai mare îmbunătățesc formarea amestecului. Poziționarea centrală a injectorului necesită modificări importante ale chiulasei motorului GDI din prima generație. Regimul termic al injectorului plasat central este mult mai ridicat și, în consecință, mult mai critic în ceea ce privește formarea depunerilor. Cheile care pot impune sistemul GDI cu ghidarea jetului constau în evitarea depunerilor pe injector, creșterea robusteții și a performanțelor acestuia, precum și a sistemului de aprindere. Emisiile mai reduse ale motorului GDI cu ghidarea jetului se datorează condițiilor mult mai favorabile de tratare a gazelor de evacuare sărace.
Fig.2.26.Emisia de HC și cunsumul specific de combustibil pentru trei procedee de formare a amestecului[37].
În cazul motoarelor care funcționează cu amestecuri stratificate la sarcini mici și mijlocii și amestecuri omogene la sarcini mari strategia funcționării e următoarea:
la sarcini mici și mijlocii clapeta de accelerație e complet deschisă, iar reglarea sarcinii se face prin modificarea dozei de combustibil pe ciclu.
trecându-se de la m.î.g. la sarcini parțiale mici și apoi mijlocii, amestecul devine mai puțin sărac, apropiindu-se de valoarea 1. În acest fel motorul funcționează economic și cu emisii de noxe modeste. La sarcini mari, pentru a se obține performanțele energetice superioare, amestecul devine stoichiometric. Reglarea sarcinii se realizează prin reglarea deschiderii clapetei de accelerație; în zona inferioară a sarcinilor mari clapeta trece de la complet deschis, cum a fost la sarcini medii, la o deschidere parțială. Apoi, pe măsura creșterii în continuare a sarcinii clapeta se va deschide ajungând din nou la deschidere totală pentru regimul de plină sarcină.
Fig.2.27.Funcționarea motoarelor cu amestecuri stratificate la sarcini partiale și amestecuri omogene la sarcini mari [22].
Fig.2.28. Caracteristicile: poziția clapetei obturatoare = f ( poziția pedalei de accelerație) și λ= f(poziția pedalei de accelerație) [22].
Amestec omogen sărac
Este o funcționare ce realizează tranziția dintre regimul de funcționare cu amestec stratificat al motorului și funcționarea cu amestec omogen (și invers]. Valoarea A a amestecului aer-combustibil este de 1,55…1,6.
Amestec omogen
Permite funcționarea motorului la turații și sarcini ridicate pentru valori ale lui A egale cu unitatea (amestec stoichiometric].
Fig.2.29. Caracteristica de formare a amestecurilor aer-combustibil
în funcție de sarcina și turația motorului.
Procesul de ardere
Pentru amestecurile omogene (normal și sărac], combustibilul este injectat în interiorul cilindrului (a camerei de ardere] pe perioada timpului de admisie și tot pe parcursul acestui timp motor se realizează amestecul cu aerul proaspăt admis. Procesul de injecție de combustibil și admisia de aer proaspăt are loc aproape concomitent în interiorul cilindrului motorului.
Pentru amestecuri stratificate, poziționarea amestecului inflamabil în jurul bujiei se realizează prin devierea jetului de pe capul pistonului prin ricoșarea acestuia de pe capul profilat în acest scop al pistonului (wall guided) și prin acțiunea mișcării turbulente a aerului admis (air guided).
Injectorul este astfel poziționat (montat) în interiorul camerei de ardere ca forma anvelopei de combustibil injectat să fie corelată cu profilul capului pistonului și să asigure poziționarea spațială a amestecului inflamabil în imediata apropiere a electrozilor bujiei.
Pentru a obține o mișcare turbulentă ascendentă a aerului în interiorul camerei de ardere, pe galeria de admisie (compusă din două trasee în imediata vecinătate a cilindrului) există o clapetă obturatoare care deviază aerul admis către canalizarea superioară a galeriei, astfel încât, la pătrunderea periferică a aerului față de secțiunea transversală a cilindrului, să se realizeze mișcarea turbulentă ascendentă dorită (tumble effect) [24].
2.3.5.Particularități ale funcționării motorului
Amestec stratificat
Pe lângă condițiile legate de valoarea necesară λ a amestecului, posibilitatea funcționării motorului cu amestecuri stratificate (Fig.2.30) în cadrul managementului total al motorului, trebuie să satisfacă următoarele cerințe [24]:
Motorul are o funcționare corespunzătoare din punct de vedere al gamei de turații și sarcini (mică până la medie);
Sistemul de evacuare nu prezintă defecțiuni și funcționează în parametrii normali;
Temperatura lichidului de răcire este mai mare de 50 °C;
Senzorul de NOx este funcțional;
Temperatura tobei catalitice de reducere a NOx este cuprinsă între 250°… 500°C.
Fig.2.30. Procesul de formare a amestecului stratificat în interiorul cilindrului.
De asemenea, chiar dacă ar fi necesară deschiderea completă a clapetei obturator (pentru a crea condițiile necesare desfășurării procesului specific de formare a amestecului stratificat), aceasta nu poate satisface această cerință, fiind necesară crearea unui vacuum, utilizat la acționarea sistemului de recuperare a vaporilor de combustibil (Charcoal Canister System) și a sistemului de recirculare a gazelor arse (EGR).
Injecția de combustibil
Combustibilul este injectat în timpul ultimei treimi a desfășurării procesului (timpului) de comprimare. Procesul de injecție începe cu aproximativ 60° RAC (Rotație Arbore Cotit) inainte de PMS (Punctul Mort Superior) și se termină la aproximativ 45° RAC înainte de PMS. Durata de aproximativ 15° RAC este importantă în realizarea caracteristicilor necesare a jetului de combustibil (atomizare, finețe, omogenitate), pentru realizarea anvelopei optime de amestec necesar din jurul electrozilor bujiei [24, 25].
Injecția de combustibil se realizează direct spre capul profilat al pistonului. Combustibilul injectat este transportat ascendent către bujie din cauza impactului jetului de combustibil cu forma profilată a pistonului și este ajutat de mișcarea turbulentă a aerului admis. Realizarea amestecului necesar are loc în timpul desfășurării proceselor prezentate anterior.
Procesul de formare al amestecului
Pentru funcționare în regim de amestec stratificat al motorului, timpul avut la dispoziție pentru realizarea acestui tip de amestec este limitat la doar 40°… 50° RAC. Acest timp limitat este un factor decisiv în ceea ce privește gradul de inflamabilitate a amestecului în zona electrozilor bujiei. Valoarea λ a amestecului este cuprinsă între 1,6 și 3 [24, 25].
Procesul de ardere
Procesul de aprindere începe odată ce amestecul preformat inflamabil este poziționat în zona imediată a bujiei. Doar amestecul aer-combustibil este aprins, în timp ce aerul proaspăt admis și gazele de ardere recirculate îl înconjoară pe acesta ca și o anvelopă de protecție. Acest lucru duce la reducerea pierderilor termice și automat la îmbunătățirea randamentului energetic al motorului.
în acest mod de operare, parametrii funcționali efectivi dezvoltați de motor depind direct de cantitatea de combustibil injectat, alți factori ca debitul de aer admis și/sau avansul la injecție având influențe minime.
Amestecuri omogene sărace.
Funcționarea motorului în acest mod realizează tranziția între domeniul turațiilor medii și cele ridicate (maxime). Valoarea aproximativă a λ este de 1,55.
Procesul de admisie
La fel ca și pentru amestecurile stratificate, clapeta obturator este deschisă aproape de unghiul maxim, iar clapeta de pe galeria de admisie este închisă, pentru a produce o mișcare turbulentă a aerului admis în interiorul camerei de ardere.
Procesul de injecție
Combustibilul este injectat direct în cilindru cu aproximativ 300° RAC inainte de PMS pe parcursul procesului de admisie. Cantitatea de combustibil injectată este controlată de unitatea de comandă electronică pentru a obține un amestec cu valoarea λ de aproximativ 1,55.
Formarea amestecului
Pentru că injecția de combustibil se realizează cu avans mare față de PMS, există relativ mult timp disponibil pentru formarea amestecului și distribuția acestuia în interiorul camerei de ardere (Fig. 2.31).
Fig.2.31. Procesul de formare a amestecului omogen sărac în interiorul cilindrului
Procesul de ardere
Aprinderea amestecului are loc în imediata apropiere a PMS, iar procesul de ardere se desfășoară în totalitatea volumului camerei de ardere (Fig. 2.32).
Fig.2.32. Desfășurarea procesului de ardere în cazul amestecului omogen sărac.
Amestecuri omogene.
Funcționarea motorului cu amestecuri omogene este identică cu funcționarea motorului echipat cu sisteme de injecție de benzină în galeriile de admisie. în cazul injecției directe de benzină, combustibilul este injectat direct în cilindrul motorului, iar în cazul celorlalte sisteme de injecție de benzină este injectat în galeria de admisie (în spatele supapei de admisie) (Fig. 2.33).
Managementul funcționării motorului relativ la turația efectivă a acestuia, este asigurat prin determinarea punctului de declanșare a scânteii și de determinare a cantității de aer admise. Cantitatea de combustibil injectată, este astfel, reglată pentru a se obține amestecuri stoichiometrice (λ = l).
Fig.2.33. Procesul de formare a amestecului omogen în interiorul cilindrului
Procesul de admisie
Clapeta de accelerație este deschisă în funcție de poziția pedalei de accelerație. Clapeta obturator de pe galeria de admisie este deschisă, aerul fiind admis pe ambele canalizații ale galeriei în cazul gamei de turații și sarcini ridicate a motorului (Fig.2.34).
Pentru funcționarea motorului la turații și sarcini mici, clapeta se va închide, obturând canalul inferior (nu mai este nevoie de o cantitate mare de aer admis în cilindru).
Procesul de injecție
Combustibilul este injectat direct în cilindru, iar procesul de injecție începe cu aproape 300° RAC înainte de PMS, pe parcursul desfășurării timpului (procesului) de admisie.
Formarea amestecului
Datorită intervalului mare în grade RAC pe care se desfășoară procesul de injecție și pentru că acesta se realizează concomitent cu admisia de aer proaspăt în cilindru, este timp suficient pentru a se realiza amestecul de aer-combustibil de valoare stoichiometrică (λ=l).
Fig.2.34. Formarea turbulențelor în camera de ardere (amestec omogen).
❖ Procesul de ardere
În funcționarea motorului cu amestecuri omogene, punctul de declanșare a scânteii electrice de la electrozii bujiei (de pornire a procesului de ardere], prezintă o influență deosebită asupra puterii dezvoltate de motor, a consumului de combustibil și a cantității de noxe emise în atmosferă (Fig.2.35).
Fig.2.35. Zona de ardere a amestecului în camera de ardere
2.3.6.Managementul sistemului de injectie directa
2.3.6.1.Managementul sistemului de injectie directa pentru reglarea motorului
Existența și funcționarea unui sistem automat de management (reglare și control) a puterii motorului implică următoarele [5, 24]:
a)condiții:
motor pornit;
toba catalitică încălzită;
controlul turației de mers în gol (menținerea la valorile cerute);
posibilitatea limitării puterii maxime dezvoltate de motor;
regulator de turație;
control prin sonda lambda.
b)semnale exterioare emise de senzori legate de:
condițiile de conducere;
treapta aleasă a cutiei de viteze;
sistemul de control al frânării și tracțiunii (ABS, ESP, TCS);
starea sistemului de climatizare (pornit/oprit);
tempomat (Cruise Control).
Odată cu îndeplinirea condițiilor prezentate anterior și a analizei semnalelor de la senzori, se compară valoarea obținută a puterii motorului cu cea existentă în memoria UCE și reglarea (optimizarea) acestuia se realizează prin două metode (Fig. 2.36):
1.Prin prima metodă se optimizează umplerea cilindrilor cu aer și crește cantitatea de combustibil injectat, cu influențe mici la funcționarea cu amestecuri stratificate (clapeta obturator fiind deschisă aproape de valoarea maximă);
2.Prin reglarea avansului la aprindere, în special la funcționarea cu amestecuri omogene, pentru a doua metodă.
Fig.2.36. Metode de optimizare a parametrilor funcționali ai motorului (ECU-unitate de control electronic).
2.3.6.2.Managementul sistemului de admisie
Influenta cantității de aer admise în cilindrii motorului la funcționarea cu amestecuri omogene, necesită managementul separat al sistemului de evacuare și realizarea mișcării turbulente ascendente a aerului admis la funcționarea cu amestecuri stratificate.
Sistemul de management al sistemului de admisie este compus din (Fig.2.37):
Debitmetru de aer cu film cald;
Senzor de presiune pe galeria de admisie;
Clapeta de control a curgerii aerului în galeria de admisie;
Supapa EGR acționată electric;
Senzorul de presiune din circuitul sistemului de frânare servo;
Unitatea de comandă a clapetei obturator;
Sistemul de recuperare a vaporilor de combustibil;
Unitatea de control electronic (engl. ECU – Electronic Control Unit).
Acționarea clapetelor obturator din galeria de admisie.
Sistemul de acționare a clapetelor din galeria de admisie controlează debitul de aer și modalitatea de curgere a acestuia (laminară sau turbulentă) către cilindrii motorului (Fig.2.38).
Constructiv se compune din:
Actuator cu vacuum;
Clapete;
Supapă;
Supapa de siguranță;
Rezervor vacuum.
Fig.2.37. Sistemul de management al admisiei de aer
Fig.2.38. Amplasarea componentelor sistemului de admisie
Moduri de funcționare.
Clapeta este închisă
Pentru funcționarea cu amestecuri stratificate, amestecurile omogene sărace și doar în anumite condiții speciale la funcționarea cu amestecuri omogene stoichiometrice, clapeta obturează canalizația inferioară a galeriei de admisie (Fig.2.39). Ca și rezultat aerul este trimis în cilindru cu viteză mare și produce turbulența (tumble effect) necesară conducerii jetului de combustibil către electrozii bujiei.
Fig.2.39. Caracteristicile procesului de admisie pentru cazul în care clapeta obturator este închisă
Există două mari avantaje [5, 6,7]:
Pentru funcționarea cu amestecuri stratificate se realizează transportul eficient al combustibilului injectat către zona electrozilor bujiei și în același timp se facilitează formarea amestecului la valorile necesare;
Pentru funcționarea cu amestecuri omogene sărace mișcarea turbulentă a aerului în interiorul cilindrului favorizează formarea unui amestec omogen în tot volumul cilindrului. Are ca și rezultat o creștere a inflamabilității și a unei arderi constante (fără șocuri și detonații cauzate de diferențele dintre concentrațiile molare ale zonelor de amestec formate).
Clapeta este deschisă
Necesitatea existenței unui debit de aer mai mare la funcționarea cu amestecuri omogene stoichiometrice, face ca la aceste regimuri clapeta obturator să fie în poziția în care ambele canalizații ale galeriei de admisie să fie deschise (Fig.2.40). Creșterea secțiunii de trecere a aerului spre cilindru favorizează o umplere mai mare într-un timp mai scurt, cu influențe imediate în creșterea randamentul procesului de schimbare a gazelor la turații ridicate ale motorului.
Fig.2.40. Caracteristicile procesului de admisie pentru cazul în care clapeta obturator este deschisă
Senzorul de poziție a clapetei
Este un sensor cu rol de a identifica și transmite către UCE poziția în care se află clapeta (închis/deschis). în caz de defectare a senzorului, UCE va lua decizia ca motorul să funcționeze doar cu amestec omogen stoichiometric. Funcția de defectare este semnalată și de către sistemul de diagnoză OBD )On- Board Diagnosys).
Debitmetrul de aer
Debitmetrul de aer și senzorul de măsurare a temperaturii aerului admis sunt integrați în aceiași construcție modulară. Ansamblul este montat în partea superioară a galeriei de admisie, înainte de blocul de acționare și control a clapetei obturator.
Debitmetrul de aer cu film cald este prevăzut cu un canal de construcție specială de curgere reversibilă a aerului admis, în aceasta configurație debitmetru cu film cald fiind considerat la ora actuală ca fiind cel mai performant, relativ la acuratețea semnalelor emise și transmise unității de control electronic.
Senzorul de măsurare a temperaturii aerului admis este utilizat pentru a efectua corecțiile necesare pentru determinarea exactă a cantității de aer admis în cilindrii motorului.
Informațiile coroborate transmise de cei doi senzori către UCE, sunt utilizate pentru calcularea și comanda regula to rie a timpului de injecție, a punctului optim de declanșare a scânteii electrice și activarea sistemului de recuperare a vaporilor de combustibil, pentru toate regimurile de funcționare a motorului.
Poziția debitmetrului de aer în cadrul canalizației de admisie este prezentată în figura 2.41, iar din punct de vedere constructiv debitmetrul de masă al aerului admis cu film cald este prezentat în figura 2.42.
Fig.2.41. Poziționarea debitmetrului de aer în construcția sistemului de admisie
Fig.2.42.Detalii constructive ale debitmetrului de aer
Forma specială a canalului de curgere reversibilă a aerului admis din construcția senzorului, ajută la creșterea acurateții valorilor măsurate (înlătură efectele eventualelor turbulențe ale aerului admis]. De asemenea, forma canalului ajută și la detecția eventualelor volume de gaze reziduale (scăpate prin orificiul supapei de admisie] ce pot ajunge în galeria de admisie.
În caz de defectare al debitmetrului de aer, informațiile legate de aerul admis în galeria de admisie sunt prelucrate de UCE pe baza informațiilor primite de la senzorul de presiune din galeria de admisie.
Senzorul de presiune din galeria de admisie
Este un sensor de măsurare a presiunii din interiorul galeriei de admisie cu membrană siliconică (Fig. 2.43), montat în partea superioară a traseului de admisie al aerului (Fig. 2.44).
Fig.2.43. Reprezentare schematică a condițiilor de funcționare a
senzorului de măsurare a presiunii aerului admis:
a) vacuum scăzut; b) vacuum crescut
Fig.2.44. Amplasarea senzorului de determinare a presiunii aerului admis
Unitatea de control electronic a sistemului de management al motorului utilizează semnalele transmise de către acest senzor (împreună cu cele transmise de debitmetru de aer și senzorul de temperatură al aerului admis), pentru a determina exact cantitatea de gaze arse ce pot fi alocate prin intermediul sistemului EGR.
Funcțional, odată cu variația presiunii, membrana siliconică (pe care există elemente semiconductoare) își modifică forma, cu influențe imediate asupra variației tensiunii măsurate la bornele senzorului.
2.3.6.3.Managementul sistemului de alimentare
Sistemul de alimentare cu combustibil este format dintr-o parte de joasă presiune și o parte de înaltă presiune. Se poate considera că și sistemul auxiliar de recuperare a vaporilor de combustibil pe baza de carbon activ (charcoal canister system) face parte din componența sistemului de alimentare, pentru că permite recuperarea unei părți importante de combustibil (combustibil reintrodus în sistemul de alimentare).
Constructiv, sistemul de alimentare este format din (Fig.2.45):
Rezervor de combustibil;
Pompa de alimentare electrică;
Filtrul de combustibil;
Debitmetrul de combustibil;
Regulatorul de presiune al combustibilului;
Pompa de înaltă presiune;
Conducte de înaltă presiune;
Rampa comună;
Senzor de presiune al combustibilului;
Supapa de reglare a presiunii combustibilului în rampa comună;
Injectoare.
Presiunea combustibilului în partea de joasă presiune este cuprinsă între 3 și 5,8 bar iar în partea de înaltă presiune de 50…100 bar.
❖ Senzorul de presiune al combustibilului din rampa comună
Este montat direct în rampa comună a sistemului de alimentare și transmite informațiile legate de valoarea presiunii combustibilului către UCE pentru a fi comparate cu valorile preexistente în memoria internă și să realizeze coroborarea cu regimul funcțional al motorului (Fig. 2.46).
Valorile măsurate ale tensiunii la bornele senzorului de presiune a combustibilului variază direct cu valoarea presiunii combustibilului din rampa comună (Fig. 2.47-2.48). Astfel, pentru presiuni mici la bornele senzorului avem tensiuni mici (0,2…1 Vcc) iar pentru presiuni mari se vor măsura tensiuni mari de până la 5 Vcc [55].
În caz de defect al senzorului, UCE va lua în considerare o valoare fixă prestabilită de constructorul motorului și implicit a sistemului de alimentare.
Fig.2.45. Sistemul de alimentare cu combustibil
Fig.2.46. Amplasarea senzorului de măsurare a presiunii combustibilului din rampa comună.
Fig.2.47. Tensiunea măsurată la bornele senzorului de presiune a combustibilului în funcție de valoarea acesteia.
Fig.2.48. Schema constructivă a senzorului de presiune a combustibilului.
❖ Supapa de reglare a presiunii combustibilului în rampa comună
Este amplasată la capătul rampei comune (direct și solidar cu aceasta), cu racord de legătură către rezervorul de combustibil (2.49).
Rolul supapei de reglare este de a menține constantă presiunea combustibilului din rampa comună, indiferent de debitul de combustibil injectat și/sau de debitul de combustibil livrat către rampa comună de pompa de înaltă presiune.
Constructiv, ansamblul supapei de reglare este prezentat în figura 2.50.
Fig.2.49. Amplasarea supapei de reglare a presiunii combustibilului din rampa comună.
Fig.2.50. Schema constructivă a supapei de reglare a presiunii combustibilului.
Pentru ca un eventual defect al supapei de reglare să nu producă perturbare în funcționarea motorului, supapa se află închisă în mod normal, fiind deschisă prin intermediul unui actuator electronic comandat de UCE. Dacă circuitul electric de comandă este defect, există în construcția supapei de reglare un arc care permite deschiderea supapei și refularea excesului de combustibil în rezervor. Deschiderea de avarie are loc când presiunea nominală din rampa comună este cu 20% mai mare decât valoarea corespunzătoare unei funcționări normale.
Injectoarele
Sunt acționate electromagnetic (Fig. 2.51) și permit injecția combustibilului direct în cilindru la presiuni ridicate (până la 150…200 bar]. Presiunea de injecție ridicată este necesară pentru realizarea unei pulverizări fine a picăturilor de combustibil în volumul camerei de ardere.
Fig. 2.51. Ansamblul constructiv al injectorului
Fig. 2.52. Caracteristicile unghiurilor de injecție a combustibilului.
Injectoarele sunt montate în chiulasa motorului și conectate direct la rampa comună de combustibil.
Particularitatea constructivă a injectoarelor este dată de unghiul de înclinare al orifîciului injector față de axa verticală a injectorului cu 20°, care realizează un unghi de dispersie volumetric al jetului de combustibil de aproximativ 70° (Fig. 2.52).
Din punct de vedere funcțional, procesele din injector decurg astfel. La apariția unui semnal electric de comandă, bobina dezvoltă un câmp electromagnetic ce determină ridicarea acului injector și astfel începe procesul de injecție (Fig. 2.53). Când semnalul electric de comandă este întrerupt, acul injector coboară și obturează orificiul de injecție datorită unui arc elicoidal.
Injectoarele de combustibil de înaltă presiune sunt comandate direct prin intermediul unui circuit electronic din componența UCE.
Semnalul electric de comandă a injectoarelor este caracterizat de două faze distincte [25]:
Inițial se aplică la contactele bobinei o tensiune de 90 V la o valoare a curentului de 10 A, pentru asigurarea unei deschideri rapide a orificiului injector;
La deschiderea completă a orificiului injector, tensiunea de comandă scade la 30 V și la o valoare de 3…4 A a intensității curentului.
Fig.2.53.Corelarea comenzii electronice a injectorului cu cursa acului injector.
2.3.6.4.Managementul sistemului de aprindere
Are rolul de a efectua aprinderea amestecului aer-combustibil la momentul optim (indiferent de tipul de amestec aer-combustibil utilizat] pentru a optimiza parametrii funcționali ai motorului și de a reduce emisiile poluante (Fig. 2.54).
Unitatea de control electronic determină în funcție de starea funcțională a motorului și a caracteristicilor de amestec (stratificat, omogen sărac sau omogen normal), momentul de declanșare a scânteii electrice la electrozii bujiei, a energiei dezvoltate de arcul electric și de durata necesară realizării aprinderii amestecului aer-combustibil.
Semnalele pe baza cărora UCE ia decizia optimă sunt cele transmise de următorii senzori existenți în construcția autovehiculului:
Debitmetru de aer;
Senzorul de turație;
Senzorul de temperatură a lichidului de răcire;
Poziția clapetei obturator;
Senzorul de detonație;
Poziția pedalei de accelerație;
Sonda Lambda.
Fig. 2.54. Componența sistemului de management al sistemului de aprindere.
2.3.6.5.Managementul sistemului de evacuare.
Deoarece pentru funcționarea motorului cu amestecuri stratificate și omogene sărace, emisiile de NOx (oxizi de azot) sunt mai mari decât cele stabilite de normele de poluare și decât la funcționarea motorului cu amestecuri omogene normale, este necesară utilizarea unei tobe catalitice speciale de reducere a emisiilor de NOx.
Caracteristica tobei catalitice de reducere a NOx este aceea că acest lucru se realizează printr-un proces de absorbție și depozitare a NOx din gazele de ardere în structura chimică a materialelor catalitice existente în construcția tobei. Odată ce limita de depozitare a tobei catalitice este atinsă, se declanșează un proces de regenerare (ardere) a depozitelor de NOx. Funcționarea optimă a tobei catalitice de reducere a NOx este între intervalul de temperatura de 250°…500°C a gazelor de evacuare. Deoarece la ieșirea din cilindru gazele de ardere pot atinge temperatura de 800°C, răcirea acestora se realizează prin montarea pe galeriile de evacuare a unor conducte de răcire ce utilizează aerul ambient (Fig. 2.55a), precum și prin utilizarea a 2(3) conducte separate de evacuare înainte de intrarea gazelor în toba catalitică de reducere a NOx (disipare termică mai rapidă în mediul exterior prin suprafață mai mare de contact) (Fig. 2.55b).
Fig. 2.55. Sisteme de răcire a gazelor de ardere:
a) – prin galerie de admisie a aerului ambiant separate;
b) – prin utilizarea a două canalizații a galeriei de evacuare.
Sonda lambda
Sonda lambda cu bandă largă utilizată în construcția sistemului de evacuare este montată pe galeria de evacuare a gazelor arse și are rolul de a determina fracția molară de oxigen rezidual existent în gazele de evacuare.
Sonda lambda cu bandă largă oferă acuratețe măsurătorilor efectuate (și implicit a semnalelor transmise către unitatea de control electronic) în domeniul λ= 0,7…1,6. Pentru că în cazul amestecurilor stratificate λ poate avea și valoarea 3 (peste domeniul de măsură ce oferă precizie maximă), UCE nu mai ia în considerare semnalul transmis de sonda lambda, ci se utilizează un algoritm de calcul separat de determinarea valorii λ a amestecului. Valoarea λ a amestecului aer-combustibil este controlată prin modificarea cantității de combustibil injectat
Senzorul de măsurare a temperaturii gazelor arse
Este un senzor termorezistiv de tip NTC (Negative Transfer Coefficient) care măsoară (și transmite informația către UCE) temperatura gazelor de ardere evacuate din cilindrii motorului.
Așa cum s-a prezentat anterior, toba catalitică de reducere a NOx funcționează optim la temperatura de 250°…500°C a gazelor de ardere. Din acest motiv, schimbarea funcționării motorului din regim de amestec omogen cu regim de amestec stratificat, se poate realiza doar dacă această cerință este îndeplinită.
La defectarea acestui senzor, UCE ia în considerare semnalele altor senzori (ex. senzorul de temperatură a lichidului de răcire), iar dacă nici aceștia nu oferă date suficiente, se trece automat pe funcționarea motorului în regim de amestec omogen normal.
2.3.6.6.Managementul procesului de regenerare a tobei catalitice.
Pe lângă depunerile de platină, rodiu și paladiu de pe suprafețele active ale tobei catalitice, pentru reducerea și depozitarea emisiilor de NOx se utilizează și depuneri pe suprafețele active ale tobei catalitice de oxid de bariu.
Procesele chimice de depozitare a NOx și de regenerare a tobei catalitice sunt prezentate în figura 2.56 [24].
Elementul central al sistemului de evacuare cu reducere a NOx este unitatea de comanda a senzorului și senzorul propriu-zis de determinare a concentrației de NOx din gazele de ardere (Fig. 2.57). Unitatea de comandă a senzorului de NOx are rolul de a primi, interpreta, converti și transmite ulterior semnalele de la senzorul de NOx către unitatea de control electronic a motorului.
Fig. 2.56. Procesele chimice de depozitare și regenerare a tobelor catalitice. [24]
Fig. 2.57. Construcția senzorului de NOx. [24]
Senzorul de NOx este montat în sistemul de evacuare, imediat după toba catalitică de reducere a NOx și măsoară fracțiile de NOx (camera 2) și oxigen rezidual din gazele de ardere evacuate (camera 1). Valorile măsurate sunt transmise unității de comandă a senzorului.
Semnalul transmis de senzorul de NOx este utilizat pentru:
Determinarea stării de funcționare a tobei catalitice;
Determinarea valorii λ a amestecului;
Determinarea capacității remanente de depozitare a NOx pe elementele active și pe canalele tobei catalitice.
Din punct de vedere constructiv, senzorul de NOx este format din două camere distincte de măsurare, două celule de pompare, electrozi și un încălzitor. Elementul de analiză al senzorului este realizat din oxid de zirconiu (a cărui caracteristică principală este aceea de a permite migrarea ionilor negativi de oxigen de pe electrodul negativ pe electrodul pozitiv al senzorului, la aplicarea unei tensiuni pe aceștia).
Cicluri de regenerare a reactorului catalitic
Regenerarea datorată depunerilor de NOx
Este un proces ce pornește odată ce capacitatea de stocare a NOx din gazele de ardere scade sub o valoare prestabilită.
Are loc când motorul se află în regim funcțional cu amestec stratificat, dar pentru o perioadă limitată de 2…3 secunde se schimbă funcționarea motorului cu amestec omogen (pentru a crește cantitatea de HC și CO în gazele de ardere și a declanșa reacțiile chimice specifice procesului de regenerare). Se revine imediat după aceea la funcționarea în regim de amestec stratificat, tot procesul de regenerare desfășurându-se pe parcursul a unor cicluri prestabilite de durata a 60…90 de secunde (Fig. 2.58).
Fig. 2.58. Managementul regenerării depunerilor de NOx[24]
Regenerarea datorită depunerilor de sulf
Depunerile de sulf apar când benzina utilizata are un conținut ridicat de sulf, ceea ce determină depunerea pe elementele active ale catalizatorului a compușilor sulfurosi rezultați în urma arderii. Ciclul de regenerare a tobei catalitice (pentru acest caz particular) este prezentat în figura 2.59.
Fig. 2.59. Managementul regenerării depunerilor de sulf (oxizi de sulf). [24]
2.4. Injecție directă de benzină cu aprindere prin comprimare(GDCI)
2.4.1.Noțiuni generale
Primul single cilindri pe benzină de aprindere prin comprimare directă (GDCI) a motorului a fost proiectat și construit în 2010 de către Delphi Company pentru testarea performanței, a emisiilor și a consumului specific de combustibil la frânare (BSFC). Apoi, după obținerea rezultatelor bune în performanță, emisii și BSFC pentru motor cu un singur cilindru, motorul GDCI cu mai mulți cilindrii a fost construit în 2013. Motorul cu aprindere prin comprimare are limitări, cum ar fi zgomotul mare, greutatea, emisiile PM(Particulate Matter- pulberi în suspensie ) și NOx în comparație cu motorul pe benzină. Însă eficiența ridicată, un cuplu și o mai bună economia de combustibil a motorului cu aprindere prin compresie sunt motivele pentru a utiliza strategia de aprindere prin compresie pentru construirea unui nou sistem de ardere.
Prin urmare, injecția directă de benzină cu aprindere prin compresie (GDCI) este un nou sistem de ardere care depășește multe dintre limitările fundamentale ale altor tipuri de motoare. GDCI asigură eficiența ridicată a motoare diesel convenționale cu benzină fără plumb regulate.Comparativ cu motorina, benzina are o volatilitate mult mai mare și întârzierea la aprindere mai mare.
2.4.2. Conceptul și strategia de injecție GDCI
Fig.2.60.Ciclurile de fincționare la m.a.s. [51]
Mai sus este prezentat un motor cu aprindere prin scânteie în 4 timpi. Principiul de funcționare este destul de simplu, amestecul combustibil aer este indus de admisie printr-un orificiu de admisie, urmat de compresie. amestecul este apoi aprins cu ajutorul unei bujii iar, frontul flăcării acoperă toată camera și dezvoltă puterea.
Fig. 2.61.Motor cu injectie directă de benzină cu aprindere prin compresie [51]
Imaginea de mai sus este un motor pe benzină, adică motor cu aprindere prin comprimare directă GDCI. Principalele diferențe care se observă sunt : nu există nici-o bujie dar există un injector de carburant. Aceasta este doar diferența la nivel de componente. Principiul de funcționare este cu totul diferit. Numai aerul este comprimat în cursa de compresie, iar când temperatura și presiunea sunt suficient de ridicate combustibilul este injectat în camera de ardere care se aprinde de la sine. Amestecul este stratificat într-un motor GDCI, spre deosebire de o sarcină aproape omogenă într-un motor cu aprindere prin scânteie. O altă diferență este natura amestecului combustibil aer. GDCI este proiectat exclusiv pentru amestecuri slabe în timp ce motorul cu aprinere prin scânteie rulează de o mulțime de ori pe un amestec bogat. Temperatura de ardere sunt destul de mică în comparație cu motor cu aprindere prin scânteie. Există o mulțime de diferențe între cele două motoare, dar acestea sunt cele care se văd la prima vedere.
Conceptul de motor GDCI combină cel mai bune tehnologia motoarelor cu aprindere prin scânteie și motoarelor cu aprindere prin comprimare. La fel ca motoarele diesel, raportul de compresie este mare, nu există nici un aport de ștrangulare, iar amestecul este sărac pentru îmbunătățirea raportului căldurilor specifice.
GDCI folosește un nou proces de ardere la temperatură scăzută pentru aprindere prin compresie parțial preamestecată. Multiplele injecții târzii de benzină (RON91) vaporizeză și se amestecă foarte repede, la o presiune de injecție scăzută tipică motoarelor pe benzina cu injecție directă. Temperaturile de ardere scăzute combinate cu o mișcare și amestecuri reduse de suprafață reduc semnificativ pierderile de caldură.
Schema conceptului de cameră de ardere GDCI este prezentată în figura 2.62.. Motorul dispune de o cameră de ardere acoperiș de mică adâncime, injectorul montat central și raportul de compresie 15:1. Un design simplu, camera deschisă a fost aleasă pentru a susține o stratificare amestecului și controlul injecției. Turbioanele , turbulența și strivirea au fost reduse la minim, deoarece o mișcare excesivă a amestecului poate distruge stratificarea amestecului creat în timpul procesului de injectare.
Forma de piston și bolul s-au potrivit cu sistemul de injecție și caracteristicile de pulverizare. Bolul are o formă simetrică și s-a centrat pe axele cilindrilor și injectorului.
Figura 2.62. Conceptul de cameră de ardere GDCI[51]
Strategia de injectare GDCI este esențială pentru conceptul de ansamblu GDCI și este reprezentat în Ø-T (echivalența raport cu temperatura) diagrama esteprezentată în Figura 2.63.
Contururile de culoare din figura 2.63 arată simularea concentrației de emisii de CO. Procesul de injectare implică una, două sau trei injecții în timpul cursei de compresie, care sunt prezentate sub formă de cantități Q1, Q2 și Q3. Fiecare injecție începe în partea din stânga sus a diagramei Ø- T (lichide) și rapid vaporizează și se amestecă Ø mai putin de 2 de la începutul arderii (SOC- Start of Combustion). La SOC, amestecul combustibil-aer este stratificat, pentru a obține aprinderea stabilă și cu eliberare controlată de căldură. Umezirea peretelui este minimizată și combustibilul este ținut departe de zonele reci, cum ar fi pistonul topland și cămășiile cilindrului care pot împiedica oxidarea completă.
Ideal "Linia stratificare" este prezentată în figura 2.63. și reprezintă procesul de injecție ideală. Pentru a atinge NOx redus și emisii reduse simultan PM, trebuie să aibă loc o ardere ", în caseta" prezentată în figura 2.63 (evitarea funinginei și a regiunilor de formare a NOx). De asemenea, pentru a reduce la minimum emisiile de CO, care pot compromite eficiența, arderea trebuie să aibă loc în regiune mai mică definită de 0 <Phi <1.2, cu 1300 <T <2200 grade K. Prin urmare, la SOC, care este de aproximativ ,,top-dead-center” (TDC), toate parcelele din camera de ardere nu trebuie să fie mai bogate decât Phi de aproximativ 1.2. Acest lucru corespunde cu partea de sus a liniei de stratificare în Figura 2. Linia de stratificare este înclinată datorită efectelor de răcire a parcelelor cele mai bogate mai mult decât parcele sărace.
Figura 2.63. GDCI- strategia de injectare descrisă pe diagrama Ø-T cu contururi NOx, funingine, și CO. [51]
2.4.3.Caracteristicile de ardere GDCI
În continuare este ilustrat procesul de ardere GDCI la funcționarea motorului la 1500 rpm-6 bar IMEP (Indicated Mean Effective Pressure) folosind ca strategie dubla injecție. Figurile 2.64,2.65,2.66 și 2.67 demonstrează o ardere progresivă, controlul utilizând parametrii de injecție, în timp ce atingerea nivelului scăzut de NOx, PM, și consumul de combustibil cu o stabilitate la ardere bună.
Figura 2.64. arată efectul de început al injecție pentru ultima injectare (SOIlast) pe ardere progresivă (CA50),o caracteristică U -formă de răspuns și producere care permite arderea progresivă pentru a fi controlată într-una din două regimuri. Pe partea dreaptă a curbei, în figura 2.64, SOIlast este, în general întârziată. Arderea progresivă lentă ca injecție, este întârziată, similară cu răspunsul unui sistem de combustie diesel. Indicele dwell (IDW) este relativ scăzut. Acest lucru este desemnat de regimul GDCI de injecție târzie.
Pe partea stângă a curbei în figura 2.64, SOIlast(Start of Injection), în general, este avansat și este desemnat ca regimul timpuriu de injectare. Pentru GDCI începutul injecției corespunde arderii progresive lente ca injecție avansată. Acest lucru se întâmplă pentru că mai devreme injecția determină ca IDW să crească în mod semnificativ din cauza presiunii și temperaturii inferioare din cilindru. Pentru ambele regimuri de injecție GDCI, procesul de injecție este complet înainte de începe eliberarea de căldură, astfel încât acestea sunt considerate procese de aprindere prin compresie parțial preamestecate (PPCI-parțially premixed compression ignition). Liniile punctate din figura 7 reprezintă date estimate pentru aceste teste.
Influența EGR pentru ambele regimuri este, de asemenea, indicată în figura 2.64. Adăugarea de EGR realizează creștea întârzierii aprinderii și arderea lentă. Arderea progresivă este încă injecție controlată.
Recircularea gazelor de eșapament crește temperatura de încărcare, care permite EGR mai mare.
Figura 2.64. GDCI ardere progresivă în funcție de ultima injecție, EGR, si recircularea gazelor arse (1500 rpm-6 bar IMEP). [51]
Figura 2.65. arată influența SOIlast, EGR și recirularea gazelor arse pe Nox și emisiile de fum.. Adăugarea de EGR oferă o reducere Nox și fum prin creșterea întârzierii de aprindere și asociat cu o bună amestecare. Nivelurile de fum sunt reduse sub ținta fum 0.1 FSN(Filtered Smoke Number) dar NOx nivelurile încă depășește ținta NOx 0.2 g/kWh, în acest regim.
Pentru injectarea timpurie GDCI, NOx și nivelurile de fum sunt semnificativ reduse (Figura 2.65). În acest regim adăugarea EGR nu este neapărat benefică, deoarece efectul de diluare al EGR necesită, de asemenea, o reducere a momentului de injecție și oferă un timp mai scurt pentru amestecare. Efectul net este o mică crește a NOx la o valoare constantă de ardere progresivă. Cu toate acestea, recircularea gazelor de eșapament asigură un beneficiu de NOx prin reducerea temperaturii de vârf în timp ce crește timpul de amestecare. Așa cum se arată în figura 2.65, aceasta permite o reducere a NOx de aproximativ 50 la sută în acestă condiție de funcționare.
Figura 2.66 prezintă ISFC (Indicated specific fuel consumption) în funcție de SOIlast, EGR, și de recircularea gazelor de evacuare. Aceste date arată că ISFC (Indicated specific fuel consumption) este, în general, cel mai bine să fie puțin pe partea timpurie a văii. Din moment ce NOx și emisiile de fum sunt, de asemenea, cel mai bine în această regiune, această regiune este preferată în general pentru calibrarea motorului.
Figura 2.67 prezintă stabilitatea la ardere măsurată prin coeficientul de variație al IMEP-Indicated Mean Effective Pressure- (COV IMEP)- Coefficient of Variation of IMEP. Aceste date confirmă faptul că stabilitatea de ardere în regim de injecție timpurie utilizat pentru calibrarea motorului este mai mică decât ținta COV IMEP 3%.
Figura 2.65. ISNOx și fum în funcție de ultima injecție, EGR, si recircularea gazelor arse (1500 rpm-6 bar IMEP). [51]
Figura 2.66. Consumul specific de combustibil în funcție de ultima injecție, EGR, si recircularea gazelor arse (1500 rpm-6 bar IMEP). [51]
Figura 2.67. Stabilitatea la ardere în funcție de ultima injecție, EGR, si recircularea gazelor arse (1500 rpm-6 bar IMEP). [51]
Mecanismul de eficiență pentru motoarele diesel, GDCI și SI sunt prezentate în tabelul 1.
Tabelul 1: Mecanism de eficiență pentru motorină, GDCI și SI Motoarele [52].
Deci sistemul GDCI rulează la un raport de compresie foarte mare, de aprox.15 : 1. Acesta poate funcționa cu benzină cu cifra octanică 87, un combustibil care este de obicei considerabil mai ieftin decât motorina. Pe lângă faptul că motorul GDCI costă mai puțin ca un motor diesel, emisiile poluante vor fi mai mici decât cele ale motoarelor ce utilizează motorină.
Singurul dezavantaj al motorului este că, pe lângă sistemul de aprindere al combustibilului, GDCI a preluat de la motoarele diesel și sunetul acestora.
Cap.3.
Sisteme moderne de injecție utilizate la motoarele cu aprindere prin comprimare
3.1.Evoluția sistemelor de injecție la motoarele cu aprindere prin comprimare
Orice motor cu ardere internă este echipat cu un sistem de injecție care asigură introducerea amestecului aer-combustibil în camera de ardere a cilindrilor. Există mai multe tipuri de astfel de sisteme, clasificate atât în funcție de performanțe sau principiu de funcționare cât și de motorul pentru care au fost concepute, pe benzină sau diesel.
La modul general, sistemul de injecție pentru motorul diesel este compus dintr-o pompa de înaltă presiune, o rampă comună și mai multe injectoare. Având ca principal rol introducerea combustibilului în camera de ardere a cilindrilor, sistemul de injecție realizează această sarcină indiferent de regimul de turație al motorului la un moment dat, dozând exact cantitatea de combustibil necesară funcționării sale la parametri optimi. Mai mult decât atât, sistemul de injecție este responsabil de introducerea combustibilului în camera de ardere la o presiune foarte înaltă, prin pulverizare.
După cum spuneam, există mai multe criterii ce pot fi luate în calcul la clasificarea sistemelor de injecție pentru motoarele diesel. În continuare ne vom îndrepta atentia exclusiv asupra diferitelor tipuri de sisteme de injectie directa.
Sistemul de injecție directă, prin care motorina este injectată direct în cilindru, este folosit în prezent pe aproape toate motoarele diesel moderne. Principala caracteristică a acestuia este dată de presiunea mare la care este introdus (pulverizat) combustibilul în interiorul cilindrilor. Acest lucru este posibil datorită modului de construcție al pompei de injecție, care utilizează un piston pentru crearea presiunii înalte necesare injecției (până la 2000 bari).
Pompele de injecție cu piston au fost utilizate pentru prima dată în anul 1930, așa-numitele pompe de injecție cu elementele în linie. Abia 40 de ani mai târziu au apărut pompele cu distribuitor rotativ iar din 1997 marea majoritate a motoarelor diesel sunt echipate cu pompe de injecție cu rampă comună (asa-numitele Common Rail).
a)Sistemul de injecție cu pompă cu elementele în linie (Fig.3.1.)
Cu ajutorul unei pompe de transfer (de joasă presiune) motorina este aspirată din rezervor și trimisă către filtrul de motorină iar ulterior la pompa de injecție cu elementele în linie. Pompa comprimă combustibilul și, prin intermediul unor conducte, îl trimite sub presiune la injectoare.
Fig.3.1.Sistem de injecție diesel cu pompă cu elemente în linie[33]
Caracteristica principală a unui astfel de sistem este aceea că pompa de injecție este prevazută cu un element de pompare (piston) pentru fiecare injector în parte. De asemenea, pistoanele pompei sunt acționate de un arbore cu came, antrenat la rândul său de arborele cotit al motorului, iar controlul cantității de combustibil injectate se realizează prin intermediul unei cremaliere comandată de pedala de accelerație.
b)Sistemul de injecție cu pompa cu distribuitor rotativ (Fig.3.2.)
Apariția pompei de injecție cu ditribuitor rotativ s-a dovedit a fi soluția optimă pentru înlaturarea unor neajunsuri ale pompei cu elementele în linie, cum ar fi costurile ridicate de producție sau cele de întreținere
Fig.3.2.Pompă de injecție diesel cu distribuitor rotativ și control electronic – Bosch VP44: 1.arbore de antrenare;2. modulul electronic de comandă al pompei; 3.conector pentru calculatorul de injecție; 4.electro-supapă de control a presiunii ; 5.racorduri de legătură cu injectoarele[33]
Comparativ cu pompa cu elementele în linie, cea cu distribuitor rotativ se caracterizează prin aceea ca sistemul de ridicare a presiunii este independent de numărul de cilindri, existând astfel posibilitatea de a putea fi utilizată pe motoare cu număr diferit de cilindri. Cu toate acestea, ambele tipuri de pompe prezintă dezavantajul dependenței presiunii create de turația sau sarcina motorului la un moment dat.
c)Sistemele de injecție cu pompă injector (Fig.3.3.)
Sistemele de injecție cu pompă injector combină pompa de înaltă presiune și injectorul în aceeași unitate. Fiecare cilindru al motorului este prevăzut cu căte un injector pompă montat în chiulasă. Generarea presiunii se face cu ajutorul unui arbore cu came antrenat de arborele cotit al motorului. Sistemele de injecție cu pompă injector utilizate pe automobile sunt cu comandă electrică, controlul injecție fiind efectuat de calculatorul de injecție.
Lipsa conductelor de înaltă presiune a permis creșterea presiunii de injecție la valori de peste 2000 bari, mult mai ridicată comparativ cu sistemele de injecție cu pompă rotativă.
Fig.3.3.Sistemul de injecție cu pompă injector (PD – Pumpe Düse) [33]
Comparativ cu sistemul de injecție precedent (cu pompă cu distribuitor rotativ) sistemul de injecție cu pompă injector a permis îmbunătățirea performanțelor dinamice ale motorului, reducerea zgomotului din timpul funcționării precum și reducerea emisiilor poluante și a consumului de combustibil.
Avantajele sistemului de injecție cu pompă injector (comparativ cu pompă cu distribuitor rotativ):
presiune de injecție între 1920 … 2500 bari
control precis al injecție pe fiecare ciclu de combustie
posibilitatea utilizării injecției pilot.
d)Sistemul de injecție cu rampă comună (Common Rail) (Fig.3.4)
Utilizate în prezent pe majoritatea motoarelor diesel moderne, sistemele de injecție Common Rail prezintă avantajul major al independenței presiunii combustibilului față de turația sau sarcina motorului. Rampa comună a acestui tip de sistem funcționează astfel ca un acumulator de presiune, cu rolul precis de a stoca presiunea creată de pompa și a o transmite ulterior injectoarelor.
Fig.3.4.Sistem de injecție diesel cu rampă comună Bosch: 1. debitmetru de aer ; 2.calculator injecție ; 3.pompă de înaltă presiune ; 4.rampă comună (acumulator de înaltă presiune) ; 5.injectoare ; 6.senzor turație motor ;7.senzor temperatură motor ;8.filtru motorină ;9.senzor poziție pedală de accelerație. [33]
Sistemele Common Rail sunt de asemenea recunoscute pentru contribuția adusă eforturilor continue de creștere a performanțelor dinamice ale motoarelor, concomitent cu reducerea progresivă a consumului de combustibil. Deși compuse dintr-o serie de elemente și senzori, sistemele de injecție directă cu rampă comună sunt controlate foarte precis cu ajutorul calculatorului de injecție și a unității de control electronic a motorului.
3.2. Sistemul de injecție cu rampă comună pentru motoare cu aprindere prin comprimare (Common Rail)
3.2.1.Generalități
Sistemul de injecție „Common Rail” deschide un nou capitol în tehnologia injecției diesel, sistem propus de către firma Fiat S.p.A. și realizat practic de către firma Robert Bosch GmbH. La ora actuală toate firmele importante în producția autoturismelor cu motor diesel au implementat sistemul de injecție cu rampă comună de tip ”Common Rail” în producția de serie.
O caracteristică esențială care a dus la implementarea sistemului în dotarea de serie a automobilelor a fost nivelul scăzut al zgomotului din timpul procesului de injecție, o cerință importantă a utilizatorilor. Reducerea nivelului de zgomot a fost realizată prin realizarea injecției pilot cu cantități mici de combustibil. într-un proiect de cercetare comun între firmele Robert Bosch și Mercedes-Benz pornit din anul 1994 s-a studiat aplicarea acestui sistem nou de injecție în producția de serie, în cadrul unui experiment ce a acoperit echivalentul a 2×106 km de teste funcționale [10, 11]. Concluziile finale ale acestui experiment comun au confirmat avantajele utilizării sistemului de injecție ”Common Rail”, care rezidă în principal în reducerea nivelului de zgomot în timpul procesului de injecție, reducerea nivelului de emisii poluante și avantaje tehnologice în procesul de fabricație.
În anul 1993 Daimler Benz a inițiat un studiu comparativ asupra diferitelor sisteme de injecție diesel, cu scopul de a alege pentru viitoarele generații de motoare diesel sistemul de injecție cu cele mai bune caracteristici și rezultate.
Viitorul sistem trebuia să satisfacă condițiile de funcționare ale unui motor diesel cu injecție directă, cu 4 supape pe cilindru.
Sistemele de injecție care au intrat în studiu au fost:
sistemul de injecție cu element pompă-injector cu comandă electronică;
sistemul de injecție cu pompă rotativă de înaltă presiune cu comandă electronică;
sistemul de injecție cu rampă comună „Common Rail”.
Sistemul de injecție cu element pompă individuală comandat electromagnetic a fost cercetat de Daimler Benz timp de 8 ani și s-a constatat că doar cu ajutorul injecției pilot se poate scădea nivelul zgomotului la injecție și încadrarea în viitoarele norme privitoare la emisiile poluante. Dar la acest sistem nu se poate realiza o comandă stabilă a cantității de injecție pilot, ci doar foarte limitată și în nici un caz peste turații de 3000 rot/min. Acest lucru se datorează camei de alimentare a sistemului, care limitează modificarea avansului și de asemenea limitează modificarea precisă a cantității mici de combustibil utilizată la injecția pilot
Un alt fenomen ce îngreunează dozarea precisă a micilor cantități de injecție pilot este influența vitezei de alimentare prin oscilațiile unghiului de rotație asupra axului cu came (datorate variației momentului motor transmise la pompa de alimentare).
Cu ajutorul pompei de injecție rotative comandate electromagnetic este posibilă realizarea unei injecții pilot precis dozate, dar nu în întreaga plajă de turație și sarcină.
Aceste concluzii au dus la studierea amănunțită a noului sistem de injecție propus „Common Rail”, care prezenta următoarele avantaje [10, 11]:
lipsește din construcție cama de alimentare, care limita injecția, astfel încât avansul injecției pilot și al injecției principale se poate alege teoretic fără limite;
se poate alege fără restricții valoarea presiunii de injecție, care prin utilizarea unei valori mari duce la obținerea unei preparări bune a jetului de combustibil la turații și sarcini scăzute;
presiunea de deschidere a duzei de injector este presiunea din rampă și nu presiunea de deschidere a injectorului;
construcția blocului motor, agregatele auxiliare, senzorii sunt aproximativ indentice cu cele a unui motor pe benzină;
fenomenul de post-injecție duce la studiul și posibilitatea creării unei noi generații de catalizatoare de tipul DE-NOx.
Analiza în detaliu a sistemului, realizată prin simulări pe computer a arătat, că prin realizarea unui reglaj corespunzător este posibilă comanda unei cantități de combustibil suficient de mici pentru realizarea injecței pilot De asemenea, încercările realizate pe un monocilindru au arătat că închiderea lentă a acului injectorului nu s-a dovedit a fi un dezavantaj funcțional, pentru că a fost compensată de nivelul mare al presiunii și de buna formare a jetului de combustibil.
Analizând toate aceste date, firma Daimler Benz a decis ca sistemul de injecție „Common Rail” să fie ales pentru dotarea noii generații de motoare diesel ce vor echipa automobilele Mercedes-Benz. Pentru aceasta s-a constituit un contract de asociere între firmele Daimler Benz – Robert Bosch – Fiat – Elasis (pompe de înaltă presiune), având ca scop crearea și introducerea în producția de serie a sistemului de injecție cu rampă comună „Common Rail” la mijlocul anului 1997 [19].
3.2.2.Construcție și funcționare
În figura 3.5. se prezintă schema de principiu a sistemului de injecție cu rampă comună tip „Common Rail”. Funcțional, combustibilul este aspirat din rezervor prin intermediul unui filtru, cu ajutorul unei pompe cu roți dințate ce este antrenată de axul cu came. Combustibilul trece printr-o supapă electrică de sens unic și ajunge la o presiune de aproximativ 2 bar la pompa de înaltă presiune. în pompa de înaltă presiune debitul combustibilului se desparte în două părți:
o parte curge prin intermediul unei supape în supapa de siguranță, prin camera axului cu came a pompei de înaltă presiune, având rol de răcire, și de aici mai departe spre supapa regulatoare de presiune și de acolo pe conducta de retur către rezervor;
cealaltă parte umple elementele pompei de înaltă presiune, compusă din trei cilindri.
Fig. 3.5. Schema de principiu a instalației de alimentare tip ”Common Rail”:
l-rezervor combustibil; 2-fîltru; 3,4-pompa de alimentare; 5-supapa de presiune;
6-senzor presiune rampă comună; 7-rampa comună; 8-injector;
9-magistrala de date CAN; 10-unitate de comandă și
control electronic[10]
În pompa de înaltă presiune combustibilul ajunge la o presiune ce poate atinge 1350-1800 bari și este transmis către rampa comună. în rampa comună se află un senzor de presiune ce monitorizează valoarea presiunii din rampă.
Presiunea prestabilită de comanda unității centrale electronice de comandă este realizată cu ajutorul unei supape regulatoare de presiune, ce comandă debitul prin intermediul conductei de retur.
Din rampa comună combustibilul ajunge la injectoare. în injector combustibilul se desparte într-o parte care este injectată în camera de ardere și o parte care în timpul procesului de injecție, împreună cu pierderile de carburant de la ghidajul arcului și pierderile de la pistonașul de comandă, ajunge prin intermediul returului înapoi la rezervor.
Pompa de alimentare cu roți dințate
O cerință importantă în alegerea și dimensionarea pompei de alimentare a fost necesitatea asigurării de către pompa de alimentare a aspirării rapide a aerului din sistem, apărut ca urmare a golirii complete a rezervorului de combustibil. Pentru realizarea acestei cerințe, s-a supradimensionat pompa de alimentare la funcționare în regim hidraulic.
Presiunea pompei de alimentare este reglată prin intermediul unui regulator de presiune integrat în construcția pompei.Pompa de alimentare este de tip mecanic fiind preferată fața de pompele de alimentare electrice, deoarece plaja temperaturilor de funcționare este mai largă pentru pompele de alimentare mecanice.Filtrul de combustibil este amplasat în compartimentul motor, înaintea pompei de alimentare încălzind combustibilul la temperaturi joase. Varianta de preîncălzire electrică a combustibilului a fost exclusă, datorită consumului mare de energie necesar realizării acestui lucru, în condițiile debitului specific necesar cerut de funcționarea sistemului „Common Rail". Din acest motiv încălzirea combustibilului este realizată prin lanțul lichid răcire – combustibil – radiator având integrată o supapă de scurtcircuit dependentă de temperatură.
Pompa de înaltă presiune
Pompa de înaltă presiune cu decuplare independentă pe fiecare element este prezentată în figura 3.6 [17].
La orificiul de intrare a combustibilului în pompă se află un piston acționat de un arc, care în condițiile în care nu se primește presiune de la combustibil, realizează închiderea accesului combustibilului la elementele pompei și se deschide doar în momentul în care pompa de alimentare cu roți dințate va crea presiunea prestabilită a combustibilului.
În timpul funcționării, se poate realiza controlul opririi accesului combustibilului în caz de nevoie, prin intermediul supapei de oprire care este poziționată după pompa de alimentare și datorită pistonului cu arc.
Fig. 3.6. Pompa de înaltă presiune: 1 – piston cu arc; 2 – element pompă;
3 – dispozitiv de decuplare la suprapresiune acționat electromagnetic;
4 – camă de acționare cu excentric. [17,19]
Constructiv, pompa de înaltă presiune este o pompă mecanică cu trei pistoane radiale, pistoane antrenate prin intermediul unei came cu excentric și care realizează o presiune de lucru de până la 1800…2000 bari. Pompa este antrenată prin intermediul unui cuplaj de tip Oldham, în funcție de caz la turația axului cu came sau 3/4 din turația acestuia [17,19].
Fiecare element al pompei are o supapă de aspirație și o supapă de presiune. în regimuri ce nu necesită putere maximă, unul din elemente se poate decupla cu ajutorul unui electromagnet, prin închiderea permanentă a supapei de aspirație a elementului respectiv.
Debitul de alimentare teoretic al pompei de înaltă presiune, se poate adapta în funcție de cerințele motorului, prin modificarea cursei camei cu excentric.
Pentru a adapta presiunea cantității injectate la modificări rapide de sarcină (și a se evita trecerea peste domeniul limitei de fum în funcționare], pompa trebuie să asigure un debit mai mare decât debitul în regim staționar.
Cantitatea minimă de combustibil pompat se compune din cantitatea injectată, cantitatea de comandă, pierderile în injector, cantitatea minimă de reglare a supapelor regulatoare de presiune și o rezervă dinamică pentru schimbările bruște de presiune din sistem.
Rampa comună și supapa regulatoare de presiune
Rampa comună de injecție (Fig. 3.7) trebuie să aibă o rezistență mecanică ridicată, fapt pentru care este realizată prin turnare. Reglajul presiunii se realizează prin intermediul supapei regulatoare de presiune (Fig. 3.8), iar informația referitoare la valoarea presiunii în rampa comună de injecție este obținută prin intermediul unui senzor.
Realizarea diferitelor valori ale presiunii în rampa de injecție se obține prin intermediul arcului supapei regulatoare comandat electromagnetic conform instrucțiunilor primite de la unitatea centrală de comandă electronică.
Fig. 3.7. Ansamblu rampă comună:
1 – rampă comună, 2 – senzor de presiune, 3 – supapă regulatoare de presiune, 4 – racord de refulare combustibil. [19]
3.8. Supapa regulatoare de presiune:
1 – arc; 2 – piston de decuplare; 3 – element de comandă electromagnetic. [19]
Legătura dintre rampa comună și injectoare, se realizează prin intermediul unor conducte obișnuite utilizate în sistemul de injecție diesel clasic, dar cu particularitatea că diametrele lor interioare sunt mai mari, pentru evitarea oscilațiilor de presiune. Volumul rampei comune trebuie ales astfel, încât să fie obținută o soluție de compromis, deoarece un volum mare ar duce la micșorarea oscilațiilor combustibilului datorate pompei de înaltă presiune, iar un volum mic este necesar pentru crearea rapidă a presiunii de injecție, mai ales în cazul pornirilor la cald.
Injectorul
Secțiunea printr-un injector utilizat în sistemul de injecție „Common Rail" este prezentat în figura 3.9.
Fig. 3.9. Secțiune transversală prin injector: l-ac injector; 2-element presiune; 3-arc;4-drosel secundar; 5-drosel primar; 6-supapă; 7,9-șaibă reglare; 8-șaibă ancorare; 10-bolț ancorare;
11-placă fixare; 12-bobina electromagnetică; 13-ac supapă electromagnetică;
14- miez electromagnetic; 15-capac; 16-piuliță tensionare;
17-arc lamelar;18-arc tensionare. [10]
3.3.3.Managementul injecției de combustibil.
La injectorul prezentat în figura 3.10. [11], presiunea din rampă acționează direct pe suprafața duzei de injecție și pe pistonul de comandă ce apasă pe partea posterioară a arcului duzei. Datorită faptului că pistonul de comandă are o suprafață de acționare mai mare ca și duza, va acționa cu o forță de de închidere mai mare pe duză. Pistonul de comandă este legat de rampă
prin intermediul unui drosel. După ce se deschide supapa electromagnetică, se creează o cădere de presiune pe pistonul de comandă, cu rol de deschidere a duzei injectorului. La închiderea supapei, întreaga presiune a rampei va acționa pe pistonul de comandă și duza injectorului va fî din nou închisă. Arcul duzei injectorului are rolul de a împiedica pătrunderea gazelor de ardere datorită compresiei, în momentul în care nu este exercitată asupra duzei presiunea rampei comune de injecție.
Fig. 3.10. Fazele de funcționare ale injectorului. [11]
Totuși, sistemul prezintă o particularitate funcțională, prezentată în figura 3.11., și descrisă în cele ce urmează. Când acul injector este complet deschis droselul secundar de la supapa electromagnetică, este închis prin partea superioară a pistonului de ghidare și astfel cantitatea de combustibil comandată în timpul injecției este limitată. Dacă se mărește presiunea asupra pistonului de comandă, acesta se va deplasa în jos iar droselul secundar se va deschide din nou, astfel încât în această poziție avem un permanent proces de reglare.
Procesul de transmitere a impulsurilor electrice la supapa electromagnetică a injectorului se realizează astfel: pentru realizarea dozării exacte a cantității de injecție pilot (1,5 mm3/cursă) la presiuni înalte, trebuie ca supapa electromagnetică să fie deschisă până la limită pentru evitarea pozițiilor intermediare. Durata de cuplare a supapei electromagnetice este de aprox. 200 µsec, de la începutul impulsului de comandă până la capătul de cursă.
Fig. 3.11.Funcționarea injectorului în funcție de legea de injecție[17]
Impulsul de comandă se realizează datorită unei tensiuni înalte, obținute prin descărcarea unui condensator. Prin cedarea energiei din condensator către bobina de acționare a injectorului, se ajunge în câteva microsecunde (µsec) la obținerea valorii curentului de comandă. După aceasta, tensiunea scade aproape de tensiunea rețelei de bord, iar intensitatea curentului se menține în continuare constantă prin intermediul acumulatorului mașinii [17].
Cu ajutorul unui regulator în două puncte, în timpul fazei de atragere, curentul este menținut la valoarea ce asigură deschiderea injectorului. După acest timp, injectorul este deschis stabil, iar nivelul curentului este micșorat pe parcursul perioadei de menținere până la terminarea fazei de comandă. în figura 3.12 este reprezentat modul de desfășurare a transmiterii impulsurilor electrice de tensiune la injector în timpul realizării injecției pilot și a injecției principale.
Pe parcursul desfășurării injecției pilot la închiderea supapei eletromagnetice s-a constatat apariția unor unde de presiune, cu efecte negative asupra procesului de injecție. Minimalizarea acestui efect negativ a fost realizată prin crearea unui volum cât mai mare în compartimentul de ghidaj al acului injector.
Fig. 3.12. Modalitatea de transmitere a impulsurilor electrice de tensiune de
comandă la injector. [17]
Fig. 3.13. Forma specifică a acului injector și influența asupra injecției de combustibil: a – duză simplă; b – duză cu ghidaj al acului injector. [17]
Duza injectorului
În principal a fost aleasă soluția de duză cu 6 orificii, la care diametrul orificiul de injecție este ales în funcție de mărimea cilindrului [10].
Ca și o consecință a faptului că în decursul procesului de injecție s-a constatat o variație nedorită a cantității pilot de combustibil injectat, s-a modificat constructiv forma scaunului duzei (Fig. 3.13).
Datorită solicitărilor intense ale ghidajului acului injector a fost nevoie de tratarea termică a acestuia pentru reducerea frecărilor ce apar. De asemenea, s-a aplicat și un ghidaj al acului injector chiar în imediata apropiere a scaunului pentru a avea (inclusiv la curse mici] un jet uniform pentru fiecare din cele 6 orificii de injecție. Desfășurarea procesului de injecție este stabilită în principal de suprafețele duzei, a droselului de admisie și a droselului de evacuare. La dimensionarea droselului de admisie, a celui de evacuare și a camerei de comandă trebuie să fie luate în calcul mai multe criterii funcționale specifice motorului echipat
Pe de o parte ambele drosele trebuie să fie cât mai mici pentru a avea pierderi de cantități de comandă mici, iar pe de altă parte trebuie ca injecția să se execute cu o toleranță de 1% raportată la întreg debitul hidraulic.
0 atenție deosebită trebuie acordată modificării suprafeței active a alezajului de evacuare de la supapa electromagnetică, care trebuie să se modifice în funcție de cursa supapei. Pentru ca supapa deschisă să fie independentă de cursă, trebuie ca suprafața droselului fix să fie mai mică decât cea a supapei total deschise (Fig. 3.14).
Fig. 3.14. Suprafața supapei de comandă în funcție de cursa supapei magnetice. [15]
Pentru asigurarea injectării unor cantități mici de combustibil în timpul injecției pilot, desfășurarea procesului de injecție trebuie să înceapă foarte lin, iar injecția principală să se desfășoare foarte rapid. Alegând între aceste două cerințe, s-a dat importanță minimizării cantității de combustibil injectat pe parcursul injecției pilot
0 cerință opusă, față de cele arătate mai sus, reiese din calculul și dimensionarea suprafeței duzei injectorului. în domeniul de turații joase ar fi nevoie ca orificiile duzei să fie mici (dar care în domeniul turațiilor mari ar duce la durate de injecție lungi, cu pierderi de putere și regim termic ridicat al motorului). Această problemă se rezolvă prin creșterea presiunii de injecție în rampă la turații mari, dar apar și dezavantajele legate de creșterea bilanțului energetic al procesului de injecție, precum și creșterea solicitărilor mecanice din sistem.
Desfășurarea procesului de injecție (cantitatea injectată în funcție de timp) pentru diferite turații este prezentată în figura 3.15 [10, 11].
Injecția combustibilului în camera de ardere a unui motor cu aprindere prin comprimare
echipat cu sistem de injecție cu rampă comună „Common Rail” se desfășoară în trei faze:
injecția cantității pilot de combustibil;
injecția cantității principale de combustibil;
postinjecția.
Injecția cantității pilot de combustibil.
Cantitatea de injecție pilot la motoarele cu injecție directă, este cea mai importantă mărime pentru menținerea scăzută a nivelului de zgomot și de poluare. Cu ajutorul unui set de injectoare speciale, cu care este posibilă modificarea cantității pilot injectate prin modificarea duratei de injecție, s-a determinat un domeniu admisibil prezentat în figura 8.16.
Dacă se depășește acest domeniu, emisia de particule crește semnificativ chiar dacă poluarea fonică este neafectată. Cantitatea absolută de injecție pilot trebuie monitorizată ca să nu coboare sub 0,5 mm3/cursă. Desfășurarea tipică a injecției pilot în funcție de durata de comandă, la diferite presiuni ale rampei comune de injecție este reprezentată în figurile 3.17-3.18.
Fig. 3.15. Desfășurarea procesului de injecție Fig. 3.16. Câmpul caracteristic al
la diferite regimuri de funcționare. [11] injecției pilot. [11]
Fig. 3.17. Cerințele cantității de injecție Fig. 3.18. Cerințele cantității injectate. [11]
pilot. [11]
S-a dovedit experimental [11] că este avantajoasă introducerea cantității pilot în aproape tot câmpul caracteristic, ceea ce înseamnă că sistemul de injecție „Common Rail" trebuie să asigure cantități pilot suficient de mici și în regimuri de lucru cu presiuni ridicate ale rampei comune de injecție.
Injecția cantității principale de combustibil.
Variația în timp a cantității principale de injecție în funcție de durata de comandă, fără a ține seama de injecția pilot, este prezentată în figura 3.19. Cantitatea principală poate suferi o modificare când avem și injecție pilot Acest lucru se datorează faptului că la startul injecției pilot apare o undă de presiune, care nu este amortizată până la începerea injecției principale. în funcție de faptul că injecția principală începe într-un minim sau maxim al undei de presiune, se va micșora respectiv crește cantitatea de injecție principală.
Din punct de vedere constructiv esențială pentru evitarea formării undei de presiune datorată injecției pilot, este necesitatea dimensionării atente a diametrului alezajului de înaltă presiune din injector (ales în general cât mai mare posibil).
Postinjecția.
Sistemul de injecție „Common Rail" oferă opțiunea unei post-injecții, necesară în cazul utilizării noii generații de catalizatoare DE-Nox. Durata de desfășurare a post-injecției (prin injectarea unor cantități mici de combustibil) este cuprinsă între 90 … 200°RAC. La motoarele cu un număr mai mare de cilindri se va ajunge la o suprapunere a postinjecției și de aceea este necesar ca blocul de emitere a impulsurilor de comandă electrice să aibă doi condensatori de descărcare [13]. Dezavantajul utilizării postinjecției reiese din faptul că se petrece foarte târziu, presiunea în camera de ardere este foarte mică, lungimea jetului de combustibil va crește și va ajunge la pereții cilindrului cu toate aspectele negative ce apar din acest lucru (ardere incompletă, creșterea cantițătii produșilor de ardere etc.).
Monitorizarea temperaturii combustibilului.
În cadrul sistemului de injecție cu rampă comună, există mai multe locuri în care presiunea ridicată din sistem se destinde la valori apropiate de presiunea atmosferică, ceea ce înseamnă că energia acumulată prin presiune se va transforma în căldură. în principal acest fenomen are loc la injector în timpul injecției și în timpul pierderilor de combustibil la interstițiul duzei și a pistonașului de comandă.
O încălzire suplimentară se produce prin utilizarea unei pompe de înaltă presiune nereglată, la care debitul suplimentar trece prin supapa regulatoare de presiune spre retur. Prin amplasarea unui senzor de temperatură (aflat pe conducta de retur al combustibilului), există posibilitatea decuplării unui element al pompei, iar prin aceasta să se obțină o scădere a degajării de căldură [17,19].
Fig. 3.19. Influența presiunii de injecție asupra caracteristicilor motorului. [17]
Unitatea de control electronic (UCE)
Unitatea de control electronic colecționează, stochează, prelucrează și transmite toate informațiile necesare gestionării sistemului. în bloc se evaluează semnalele transmise de senzori, iar schimbul de informații dintre unitatea de control și celelalte sisteme ale autovehiculului (ABS, ASR, ETC etc.) se realizează prin magistrala de date CAN (Control Area NetWork).
Pe lângă funcția principală de comandă a injectoarelor și a presiunii de lucru din rampa de injecție comună, unitatea de control supraveghează și creșterea temperaturii în sistem.
Structural, unitatea de control electronic se compune din:
bloc de alimentare cu tensiune;
modul de pregătire a semnalelor de intrare;
modul de prelucrare a semnalelor;
bloc de execuție.
De asemenea, unitatea de control electronic deține facilitatea de a înregistra datele referitoare la regimurile de funcționare, precum și a anumitor anomalii ce pot apărea în funcționarea motorului. Prin intermediul unei interfețe, este posibilă transmiterea acestor date (număr de kilometrii, presiuni și temperaturi din sistem etc.) către anumite dispozitive speciale, dispozitive care ușurează activitatea de diagnosticare [12, 14].
Ca și o concluzie generală (și bazată la ora actuală pe confirmările practice ale utilizării acestui sistem de injecție], putem afirma că sistemul de injecție „Common Rail” confirmă avantajele așteptate și oferă un înalt grad de flexibilitate în aplicarea lui la motoarele cu injecție directă, exploatând la maximum avantajele acestui tip de injecție. Obținerea unor valori mici a nivelului de poluare sonic și a nivelului de emisii poluante se datorează adaptabilității acestui sistem la alegerea optimă a valorii presiunii de injecție, a injecției pilot, a postinjecției etc. în funcție de regimul funcțional al motorului. Pentru viitor, sistemul de injecție cu rampă comună „Common Rail” oferă un mare potențial de dezvoltare datorită numărului mare de grade posibile de libertate în aplicațiile din cadrul procesului de injecție directă a motoarelor cu aprindere prin comprimare.
Cap.4.Diagnosticarea sistemului de alimentare
4.1.Diagnosticarea sistemului de alimentare al MAS
4.1.1 Diagnosticarea globală a sistemului de alimentare al MAS prin analiza compoziției gazelor de evacuare
Pentru diagnosticarea globală a sistemului de alimentare al MAS se pot utiliza următorii parametri:
– consumul de combustibil – este foarte sensibil la starea sistemului de alimentare, dar pentru măsurarea lui este necesară conectarea unui debitmetru la instalația de alimentare și utilizarea unui stand dinamometric care să permită încărcarea motorului în sarcină. Din aceste motive consumul de combustibil este un paramatru de diagnosticare foarte rar utilizat;
– compoziția gazelor de evacuare – variază în raport cu valoarea coeficientului de exces de aer lambda ale cărui valori sunt determinate de modul de funcționare al sistemului de alimentare.(Fig.4.1.)
Fig.4.1. Compozitia gazelor de evacuare în raport cu valoarea coeficientului de exces de aer[3]
4.1.1.1 Analizorul de gaze cu absorbție în infraroșu nedispersiv
Aparatul se bazează pe proprietatea gazelor de a avea spectre diferite de absorbție în funcție de lungimea de undă a emisiei.
Fig.4.2.Analizorul de gaze cu absorbție în infraroșu nedispersiv:
1. Țeava de eșapament, 2. Sonda de prelevare a probei de gaze (cu orificii radiale), 3. Furtun, 4. Pahar pentru condensul de apa, 5. Răcitor pentru condensarea vaporilor de apă, 6. Filtru din hârtie, 7. Surse de radiații infraroșii, 8. Morișca, 9. Ferestre din cuartz, 10. Camera de referință umplută cu aer curat, 11. Camera de măsură prin care circulă proba de gaze de evacuare, 12. Filtre optice, 13. Placa metalică cu orificii, 14. Membrana metalică elastică, 15. Punte de condensatoare și aparat de afișare, 16. Pompa pentru vehicularea probei de gaze, 17. Aparat de măsură, A, B – incinte de încălzire. [3]
Fig.4.3. Caracteristicile Iabs = f(λ) [3]
Gazele emise de motor sunt preluate de sonda 1, curățate de apă în separatorul 5 și de particulele solide în filtrul 6, apoi sunt introduse la presiune constantă în tubul 11 de către pompa 16.
Razele infraroșii provenite de la sursele 7 traversează incintele 10 si 11, sunt filtrate de 12 și ajung în A și B. În incintele 10 și 11 are loc o absorbție parțială a acestor radiatii. În incinta 11 absorbția este mai intensă datorită gazelor prezente în proba de gaze. Din acest motiv în incinta B vor ajunge mai puține radiații infrarosii decât în A. Gazul din A se va încălzi mai mult, se va dilata și va deforma membrana 14 îndepărtând-o de placa 13. Cu cât concentrația unei anumite substanțe în gazele de evacuare va fi mai mare cu atât diferența de radiație care ajunge în B față de A va fi mai mare, iar membrana 14 se va deforma mai mult. Capacitatea condensatorului format din piesele 13 și 14 se va modifica astfel proporțional cu concentrația de substanță din gazele de evacuare. Se va produce un dezechilibru al punții 15 înregistrat de aparatul de afișare. Deoarece măsurarea capacității în regim static este mai dificilă decât în regim dinamic se va utiliza morișca 8 ale carei palete vor întrerupe cele două fluxuri de radiație. Va rezulta o vibrație a membranei 14 cu frecvența constantă, dar cu amplitudine proporțională cu concentrația de substanța analizată. Spectrele de absorbite ale substanțelor din gazele de evacuare se suprapun parțial îngreunând măsurarea concentrației unei singure substanțe. Pentru rezolvarea acestei probleme vaporii de apă sunt separați din proba de gaze prin condensare în dispozitivul 5. Pentru celelalte substanțe se utilizeaza filtrele 12 care sunt permeabile într-o zona a spectrului în care absoarbe doar substanța căutată.
Tehnologia de analiză a gazelor de evacuare:
Operațiuni pregătitoare: verificarea etanșeității camerelor de ardere, verificarea
sistemului de aprindere, verificarea sistemului de alimentare cu electricitate, încălzirea motorului la regimul termic normal.
Diagnosticarea sistemelor de alimentare cu injecție de benzină prin analiza compoziției gazelor de evacuare se realizează, de obicei, la două regimuri de turație ale motorului funcționând în gol.
La mersul încet în gol concentrația de CO trebuie să fie de maxim 0,5 % pentru autovehiculele din clasele EURO 1 și 2, respectiv 0,3% pentru autovehiculele din clasele ulterioare. Emisia de CO2 trebuie să fie de minim 10%. Dacă emisia de CO2 este mai redusă decât limita menționată rezultă că tubulatura de evacuare nu este etanșă.
La regimul de funcționare în gol cu turația de cel puțin 2000 rot/min sau maxim 3000 rot/min emisia de CO nu trebuie să depășească 0,3% pentru vehiculele EURO 1 și 2, respectiv 0,2% pentru cele din clasele ulterioare. Conținutul maxim admisibil de hidrocarburi din gazele de evacuare la această turație nu trebuie să depășească 100 ppm.
4.1.2 Diagnosticarea pe componente a sistemelor de alimentare ale MAS cu injecție de benzină
Pentru efectuarea acestui tip de diagnosticare se utilizează aparate clasice ca de exemplu: manometru, aparate de măsură a mărimilor electrice, osciloscop, lampă stroboscopică, turometru etc.
Deoarece rezultatele acestor investigații pot fi influențate și de factori externi, paraziți, în prealabil se recomandă efectuarea următoarelor operațiuni pregătitoare: verificarea etanșeității camerelor de ardere, verificarea sistemului de aprindere, verificarea sistemului de alimentare cu electricitate, încălzirea motorului la regimul termic normal.
4.1.2.1 Diagnosticarea pompei de benzină și a regulatorului de presiune
Cu motorul oprit se procedează în prealabil la depresurizarea instalației care se realizează astfel: se extrage furtunul care conectează regulatorul de presiune cu galeria de admisiune și se cuplează la regulator o pompă de vid manuală; acționând această pompă, regulatorul deschide conducta de retur prin care combustibilul din conducta centrală se descarcă înapoi în rezervor.
Se cuplează la conducta centrală de combustibil un manometru cu domeniul de măsură 0 – 5 bar și cu contactul la aprindere pus, fără a acționa demarorul; în cazul utilizării unui traductor de aer cu clapetă, aceasta se deschide manual. Astfel se închide contactul debitmetrului de aer care pune sub tensiune pompa de alimentare. La sistemele cu traductor cu fir cald sau peliculă caldă nu se efectuează această manevră. Din acest moment presiunea din conducta centrală de combustibil trebuie să crească ajungând până la valoarea prevăzută de constructor situată, de regulă, în domeniul 2,4 – 2,75 bar. După stabilizarea presiunii se pornește motorul, imediat după aceasta presiunea scăzând până la valoarea caracteristică funcționării la mers încet în gol situată de obicei în intervalul 1,9 – 2,2 bar.
Fig.4.4.Schema instalației de alimentare prin injecție
1- rezervor de combustibil; 2 – sorb; 3 – pompă de alimentare; 4 – supapa de presiune constantă a pompei 3; 5 – filtru de combustibil; 6 – conductă de retur; 7 – injector de combustibil; 8 – rampa centrală de combustibil; 9 – regulator de presiune; 10 – conductă de prelevare a depresiunii din admisie; 11 – clapeta de accelerație [3]
În cazul în care presiunea este mai mică decât cea prescrisă de constructor sau decât valorile mai sus menționate se va verifica traseul dintre pompă și conducta centrală de combustibil care ar putea să prezinte ștrangulări. O verificare simplă constă în amplasarea manometrului la ieșirea din pompa de alimentare și în compararea presiunii realizate în acest punct cu aceea din conducta centrală de combustibil. Dacă presiunea în acestă zonă este sensibil mai mare, un defect posibil îl poate constitui colmatarea filtrului de benzină, caz în care el va fi înlocuit cu unul nou. Dacă se constată că și la ieșirea din pompa de benzină presiunea este redusă, se va verifica sorbul de benzină din rezervor. În cazul în care acesta este curat înseamnă că pompa de benzină prezintă uzuri excesive sau că supapa de presiune constantă din pompă nu este etanșă. O altă cauză a presiunii prea mici o poate constitui înmuierea sau ruperea arcului regulatorului de presiune 9.
Dacă presiunea a fost mai mare decât cea normală, defectul se situează la conducta de retur care poate fi obturată, la regulatorul de presiune sau la furtunul de legătură al acestuia cu galeria de admisiune, furtun care poate fi ștrangulat.
În cazul în care presiunea din conducta centrală de combustibil rămâne nulă, după ce s-a procedat la comanda pornirii pompei, se vor verifica conexiunile pompei la sursa de curent (întreruperi în cablurile de alimentare, contacte oxidate).
4.1.2.2 Diagnosticarea injectoarelor de benzină
Injectorul de carburant este elementul de acționare principal într-un sistem modern de injecție a combustibilului. Acesta este responsabil pentru alimentarea motorului cu combustibil pentru ardere.
Fig.4.4. Injector de combustibil [34]
Fig. 4.6.Circuitul de conectare a injectorului de benzină [31]
Fig.4.7.Schema electrică a injectorului [31]
Circuitul de conectare a injectorului de benzină este prezentat în fig.4.6. , observându-se că injectorul de carburant este conectat permanent la(+) iar comanda injectorului se realizează prin închiderea circuitului de la sol cu ajutorul unui tranzistor.Din punct de vedere electric , injectorul este o bobină (fig. 4.7.). Datorită conexiunii permanente a injectorului la plusul de aprindere , terminalul injectorului va furniza o tensiune constantă de 14 V , cu nici o informație despre injectorul de lucru .De aceea, în acest caz, osciloscopul va fi conectat între conexiunea minus a injectorului și masă .
O prima verificare simplă constă în auscultarea injectoarelor cu ajutorul stetoscopului. La regimul de mers încet în gol sunetele produse vor trebui să fie clare, distincte, uniforme ca intensitate și identice ca tonalitate și frecvență pentru toate injectoarele aceluiași motor. Modificări ale sunetului apar atunci când se produc blocaje ale acului, modificări ale elasticității arcului injectorului sau deteriorari ale bobinei de acționare. Dacă starea conexiunilor și a conductorilor electrici este bună se măsoară rezistența înfășurării bobinei injectorului care trebuie să fie 12-20 . Verificarea parții mecanice a injectorului se face cu un injector martor activat în locul celui cercetat: dacă acesta funcționează normal înseamnă că acul, sediul sau corpul injectorului motorului sunt defecte.
O verificare eficientă și rapidă a injectorului se poate realiza prin analiza curbelor de variație a tensiunii și intensității curentului de alimentare a injectorului. Un exemplu tipic al acestor curbe este prezentat în figura 4.8. Durata deschiderii injectorului este comandată de unitatea electronica de control (ECU) în funcție de valorile semnalelor primite de aceasta de la senzorii montați pe motor. Durata de deschidere este mărită la pornirea la rece a motorului, pe parcursul procesului de încălzire a sa și în timpul demarajelor automobilului. Din punct de vedere electric injectorul este o bobină alimentată cu o tensiune constantă pe durata funcționării motorului, conectarea la masa realizându-se de către ECU prin intermediul unui tranzistor.
Fig.4.8. Curbele de variație a tensiunii și curentului de alimentare a injectorului[31]
Când conectarea la masă este întreruptă, la bornele injectorului este indus un vârf de tensiune de peste 60V. Pentru a proteja ECU, aceasta este prevazută cu o dioda Zenner, valoarea vârfului de tensiune fiind limitată până la aproximativ 60 – 70V. La o funcționare corectă a acestei diode plafonarea vârfului de tensiune este evidențiată printr-o formă dreptunghiulară a semnalului. Lipsa acestei forme dreptunghiulare a vârfului semnalului indică existența unei defecțiuni la nivelul bobinei injectorului. Dacă ECU nu este prevazută cu o diodă Zenner, vârful semnalului este ascuțit și va avea o valoare de minim 60V atunci când injectorul este într-o stare bună.
Semnalul de tensiune se masoară între firul de comandă al injectorului și masa automobilului. Pe acest semnal se poate vizualiza foarte clar timpul în care injectorul primește comanda de la ECU pentru a se deschide. Acest timp va fi numit în continuare ,,timp aparent de injecție”. Cu ajutorul acestui semnal poate fi urmarită buna funcționare a ECU la diverse regimuri după cum a fost descris anterior. Din pacate acest semnal nu oferă nici o informație despre starea injectorului, el fiind exclusiv un semnal de comandă.
Prin vizualizarea și măsurarea semnalului de curent se pot obține informații importante referitor la buna funcționare a injectorului. Datorită faptului că deschiderea acului injectorului se realizează cu ajutorul unei bobine va rezulta o întârziere între momentul comandarii deschiderii injectorului și deschiderea efectivă a acestuia. Aceasta se datorează timpului necesar ajungerii curentului ce strabate bobina la o valoare suficientă ca forța generată de bobină să poată învinge forța arcului. Acest timp îl vom numi ,,timp de întârziere la deschiderea injectorului” (necesar pentru ajungerea curentului la valoarea Id). Acest timp depinde de caracteristicile bobinei și ale injectorului, atât mecanice cât și electrice și nu depinde de regimul de funcționare al motorului.
În momentul deschiderii injectorului, datorită deplasării acului injectorului în interiorul bobinei, inductanța acesteia se modifică și implicit și curba de variație a curentului va fi alta. Rezultă astfel că momentul deschiderii efective a injectorului poate fi vizualizat ca un punct de inflexiune pe curba de curent.
Revenind la graficul de tensiune inițial, rezultă ca timpul aparent de injecție se împarte în două subintervale distincte: timp de întârziere (de reacție a bobinei) si timp de injecție efectivă. Poziționarea diferită a punctului de inflexiune oferă informații importante despre starea injectorului, astfel un timp de deschidere mărit implică un injector parțial gripat, un timp de deschidere prea mic arată o decalibrare a arcului, iar absența punctului de inflexiune indică faptul că acel injector nu s-a deschis, deși a primit comandă.
Ca o orientare generală, durata de excitare a bobinei injectorului cu motorul cald funcționând la ralanti este de aproximativ 2,5 ms în cazul injecției simultane, respectiv 3,5 ms la injecția secvențială.
Curba intensității curentului (aceea care pornește de la 0 în figură) indică două zone pe perioada de acționare a injectorului. Prima parte realizează forța electromagnetică de ridicare a acului și durează, așa cum reiese din figură, aproximativ 1,5 ms – de la -3,6 până la – 2,1 ms; această etapă corespunde timpului de reacție al bobinei. Celelalte 2 ms reprezintă timpul în care injectorul este deschis.
La terminarea injecției, când legătura injectorului cu masa se întrerupe, pe diagramă apare vârful de tensiune retezat de dioda Zener, iar intensitatea curentului se reduce la zero. După depășirea vârfului tensiunea revine treptat la valoarea inițială de 12V.
4.1.2.3 Diagnosticarea traductorului de debit de aer
În cazul traductorului cu clapetă se verifică continuitatea rezistenței potențiometrului pe tot parcursul cursei între poziția ,,închis” și cea de deschidere maximă. Rezistența trebuie să se modifice continuu, fără ezitări sau salturi atunci când clapeta este acționată manual. Se verifică de asemenea contactele care comandă pornirea pompei de alimentare. Când clapeta debitmetrului este inchisă ele trebuie să fie deschise, la bornele lor acționând tensiunea bateriei. Când clapeta începe să se deschidă contactele se inchid iar căderea de tensiune pe contacte trebuie sa fie de maxim 0,1V. O valoare mai mare indică contact oxidat sau strapuns.
Fig.4.9.Debitmetru de aer :1-clapeta debitmetrului ;2-clapeta de amortizare ;3-supapa pentru rateuri în admisie;4-incinta de amortizare; 5-traductor de temperatură; 6-conexiuni electrice; 7- șurub reglare dozaj relanti; 8-resort ; 9-potențiometru. [30]
Fig. 4.10. Curbele de variație a tensiunii la bornele debitmetrului de aer cu fir cald[30]
Debitmetrul cu fir cald – se cuplează la bornele sale un osciloscop, se pornește motorul la mers încet în gol. Tensiunea la bornele debitmetrului este de aproximativ 1V. Se accelerează în gol motorul pentru 1-2 s și se urmarește evoluția în timp a tensiunii la bornele traductorului. MAS-urile moderne sunt prevazute cu dispozitive de amortizare la închiderea clapetei de accelerație. La aceste motoare curba descendenta este mai putin abrupta decat ramura ascendenta a semnalului. La începutul procesului de accelerare se înregistrează un prim vârf de tensiune în jur de 4V, urmat de o reducere a tensiunii după care aceasta crește din nou mai lent stabilizandu-se la o valoare apropiată de primul maxim.
4.1.2.4.Diagnosticarea traductorului cursei pedalei (clapetei) de accelerație
Acest traductor este de tip potențiometric și are o caracteristică liniară tensiune – poziție
unghiulară. Este prevăzut cu trei pini de conectare: unul pentru alimentarea cu o tensiune de 5V, al doilea reprezentând legătura la masă și ultimul fiind destinat mărimii de ieșire. Verificarea urmărește depistarea eventualelor discontinuități în evoluția semnalului de ieșire pe parcursul unei curse complete. La cuplarea unui osciloscop la borna de ieșire, în cazul unui traductor în bună stare tehnică, la poziția de mers încet în gol a clapetei se va înregistra o valoare redusă a tensiunii (Figura 4.11). Pe măsura deschiderii clapetei, tensiunea va crește continuu, iar în cursa de închidere, tensiunea va reveni la valoarea inițială.
Fig. 4.11. Curba de variație a tensiunii la bornele traductorului poziției clapetei de accelerație
Orientativ, valoarea tensiunii corespunzătoare poziției de mers încet în gol este 0,5 – 1V, crescând până la aproximativ 4V sau mai mult când clapeta este complet deschisă. Manevra de închidere – dechidere a clapetei trebuie să se încadreze în mai puțin de 2 secunde. Pe lângă potențiometrul clapetei de accelerație, se verifică și contactele electrice care semnalează cele două poziții extreme: ralanti, respectiv deschidere completă. În poziția „închis”, se acceptă o cădere de tensiune de maxim 0,1V.
4.1.2.5. Diagnosticarea traductorului de temperatură al lichidului de răcire
Traductoarele de temperatură sunt de tip rezistiv, cele mai multe având coeficientul de variație negativ. Acuratețea funcționării traductorului temperaturii lichidului de răcire este influențată de depunerile de piatră. De aceea, o primă operație constă în controlul aspectului sondei captatoare de temperatură și curățarea ei. După aceasta, sonda se montează în motor cuplând la bornele ei un ohmmetru. Se pornește motorul, iar după un minut de funcționare rezistența traductorului trebuie să se modifice cu cel puțin 200Ω. Dacă acest lucru nu se întâmplă, se oprește motorul, se demontează traductorul și se introduce într-un recipient cu apă așezat pe un încălzitor. Lângă traductor se introduce în apă un termometru de laborator. Se procedează la încălzirea apei într-un ritm suficient de lent pentru ca inerția termică a sondei să nu altereze rezultatele, iar citirile termometrului să se efectuee în mod corect. Se ridică curba de variație a rezistenței cu temperatura. Dacă aceasta nu corespunde prescripțiilor tehnice ale constructorului, se procedează la înlocuirea traductorului. Pentru a verifica dacă ECU prelucrează corect informația primită de la traductor, se va monta în locul acestuia, la cablul de legătură cu ECU un potențiometru de 150 Ω înseriat cu un rezistor de 100 Ω (pentru a preveni scurtcircuitarea ECU). Se utilizează de asemenea un osciloscop sau un Dwellmetru cuplate în paralel cu conxiunile electrice ale unui injector. Ele servesc la măsurarea duratei de deschidere a injectorului. Prin acționarea reostatului se simulează regimuri termice diferite ale motorului, situație în care ECU va trebui să reacționeze modificând duratele de deschidere a injectorului: la rezistențe mari ale reostatului corespund valori mari ale duratelor de deschidere. Deoarece pe parcursul acestei manevre dozajul amestecului se poate modifica substanțial, antrenând o destabilizare a funcționării motorului, va fi necesară o ajustare a debitului de aer cu ajutorul șurubului de reglare a turației la ralanti, amplasat în zona clapetei de accelerație.
4.1.2.6. Diagnosticarea termocontactului temporizator
Se verifică continuitatea rezistențelor de încălzire apoi se demontează de pe motor și se introduce într-un vas cu apa și gheață pus la încălzit. La bornele contactului se cuplează un ohmmetru, iar în baia de apă se imersează un termometru. Termocontactul trebuie să se deschidă la o temperatură de +20 … +40oC.
Fig.4.12. Termocontact temporizator: 1-contact electric ; 2-lama bimetal; 3.4-rezistoare de încălzire;6-conector electric. [3]
4.1.2.7. Diagnosticarea senzorului de oxigen (sonda lambda)
Fig. 4.13. Sonda lambda planară cu conectorul atașat (LSU – Bosch) [29]
Fig.4.14. Sonda lambda planară – secțiune a elementului sensibil în dreptul orificiului de difuziune:1-celulă de pompare; 2-celulă Nerst; 3-celulă de referință;4-celulă de încălzire ; A – amplificator;DSP – procesor digital de semnal (Digital Signal Processor) [29]
Senzorul de oxigen (fig.4.13.) face parte din sistemul de autoreglare în buclă închisă a sistemului de alimentare pentru asigurarea eficienței maxime în funcționare a reactorului catalitic. La automobilele moderne sunt prezente două astfel de dispozitive: unul în amontele reactorului catalitic pentru controlul dozajului amestecului proaspăt și cel de-al doilea, amplasat în avalul reactorului pentru monitorizarea eficienței sale. Cel mai des întâlnit senzor de oxigen este cel cu bioxid de zirconiu, utilizat la motoarele cu aprindere prin scânteie funcționând cu amestec omogen stoichiometric. El este un dispozitiv care generează tensiune electrică între aproximativ 0,2V la amestec sărac și 0,8V la amestec bogat. Senzorul intră în funcțiune numai după ce a atins un anumit regim termic. Pentru a reduce perioada de inactivitate la pornirea la rece a motorului, senzorul este echipat cu un rezistor de încălzire inclus în structura sa.
La funcționarea corectă a unui astfel de senzor, va avea loc o alternare a amplitudinii semnalului cuprinsă între aproximativ 0,2V și 0,8V, cu o frecvență de circa 1Hz (Figura 4.15.).
Fig. 4.15. Curba de variație a tensiunii la bornele senzorului de oxigen cu ZrO2
Cel de-al doilea tip de senzor de oxigen este destinat reglării în buclă închisă a sistemului de alimentare care realizează amestecuri stratificate sărace. El este de tip pasiv, fiind alimentat de la o sursă externă de tensiune. La o funcționare corectă, acest senzor realizează o oscilație a tensiunii cu frecvența de aproximativ 1Hz și amplitudine variind între 0,5V, la amestec sărac și 4V, la amestec bogat (Figura 4.16).
Fig. 4.16. Curba de variație a tensiunii la bornele senzorului de oxigen pentru bandă largă de dozaje
Aspectul semnalului diferă de cel al senzorului cu ZrO2 prin pantele mai abrupte la urcare și coborâre și prin micile paliere înregistrate la valorile extreme.
4.1.2.8. Diagnosticarea reactorului catalitic
Poate fi verificat dacă motorul este prevăzut cu doi senzori de oxigen, unul în amontele si cel de-al doilea în avalul sau.
Fig.4.17.Curbele de tensiune generate de traductorele din amonte si aval de reactorul catalitic
Îmbătrânirea sau îmbâcsirea unui traductor de oxigen pot duce la o deplasare a curbelor de tensiun generate de traductorul din amonte.
Fig.4.18.Curbele de tensiune generate de traductorele din amonte și aval de reactorul catalitic
4.1.2.9. Diagnosticarea sistemul de recirculare a vaporilor de benzină
În cazul în care o cantitate mare de combustibil este stocată în filtrul de carbon activ (acesta tinde să se satureze), amestecul combustibil/aer este îmbogățit prin adăugarea în colectorul de admisie a vaporilor de combustibil rezultați prin purjarea filtrului de carbon. Acestă acțiune este înregistrată de traductorul de oxigen din amontele reactorului catalitic și reprezintă o confirmare pentru buna funcționarea a sistemului de absorbție a vaporilor de benzină din rezervor.
Pentru purjarea filtrului de carbon activ solenoidul supapei de comandă se deschide cu o periodicitate diferită, în functie de parametrii de funcționare ai motorului. Această acțiune modifică presiunea din colectorul de admisie, modificare sesizată de traductorul de presiune ce trimite unității centrale a motorului aceste informații pentru corelare și verificare.
Fig.4.19.Variația parametrilor de diagnosticare a,P=f(t)
Dacă nu se înregistrează variații ale presiunii, rezultă că supapa de purjare nu funcționează corect.
4.1.2.10 Depistarea selectivă a lipsei aprinderii (rateului) în cilindri
Traductorul de turație a arborelui cotit detectează anomalii privind evoluția în timp a turației motorului. Acestea sunt cauzate de rateuri de aprindere. În corelație cu semnalul furnizat de traductorul de poziție al arborelui cu came, unitatea de control al motorului este capabilă să identifice cilindrul la nivelul căruia apare problema, memorează defectul și comandă aprinderea martorului luminos specific la bord.
Pentru a identifica cilindrul unde nu se produce arderea, unitatea centrală compară semnalul măsurat cu un semnal etalon din memorie. El corelează aceste informații cu semnalul primit de la traductorul de poziție al arborelui cu came. Semnalul furnizat de traductorul de turație diferă în funcție de cursa făcută de piston. De exemplu în timpul cursei de comprimare turația scade (frecvența semnalului scade) iar în timpul destinderii crește. Această succesiune se repetă pentru toți cilindrii în ordinea de aprindere.
La evaluarea semnalului se ține seama de sarcina motorului, cuplu, viteză de deplasare și de momentul de inerție al volantului. În funcție de acești parametri rezultă caracteristica specifică a semnalului de turație.
Fig.4.20.Caracteristica specifică a semnalului de turație
Atunci când au loc rateuri la aprindere, defectul este considerat grav, el este memorat și se aprinde martorul luminos la bord. Dacă rateurile continuă și poate fi afectat reactorul catalitic, martorul luminos devine intermitent și, în funcție de tipul sistemului de alimentare, se oprește alimentarea cu combustibil pe cilindrul respectiv.
4.1.2.11 Diagnosticarea supapei de recirculare a gazelor de evacuare
Funcționarea supapei de recirculare a gazelor arse se poate diagnostica prin monitorizarea presiunii (semnalului furnizat de traductorul de presiune) din colectorul de admisie. În momentul în care gazele de evacuare sunt direcționate în colectorul de admisie, traductorul de presiune detectează o creștere de presiune. Unitatea de control al motorului compară această variație de presiune cu cantitatea de gaze arse furnizate și deduce din aceasta starea tehnică a sistemului.
Diagnosticarea se efectuează numai pe durata unei decelerări deoarece injecția de combustibil ar putea acționa ca un factor perturbator la măsurare.
Fig.4.21.Caracteristica semnalului furnizat de traductorul de presiune din colectorul de admisie
4.1.2.12 Diagnosticarea senzorului de detonație
Senzorul de detonație este un traductor piezo-electric de vibrații care generează un semnal cu frecvența de aproximativ 15kHz și amplitudinea maximă de 4 – 5V (Figura 4.28).
Fig. 4.22. Schema traductorului de detonație :
a)construcție; b) schema funcțională
Fig. 4.23. Semnalul emis de senzorul de detonație
Pentru verificarea senzorului de detonație, acesta se demontează de pe motor și se lovește cu o cheie mică. Semnalul generat de senzor trebuie să prezinte aspectul celui din figura mai sus indicată.
4.2.Diagnosticarea sistemului de alimentare al MAC de autovehicule
4.2.1 Diagnosticarea globală prin analiza fumului emis
4.2.1.1 Analiza calitativă a fumului emis de MAC
Analiza calitativă constă în aprecierea culorii fumului emis de MAC.
a)Fum alb
După pornirea la rece a motorului din țeava de eșapament poate ieși, pentru scurt timp, un gaz de culoare albă ce reprezintă un fum fals, emisia fiind constituită din vaporii de apă care condensează de-a lungul traseului de evacuare al gazelor și la intrarea în atmosferă. După încălzirea motorului acest fum fals dispare. În anotimpul rece emisia de abur continuă să se manifeste și după încălzirea motorului. Fumul fals nu iese direct din țeava de eșapament ci se formează la o distanță de cateva zeci de mm de extremitatea acesteia. In contact cu aerul rece gazele evacuate se racesc, iar vaporii de apa vor condensa in atmosfera.
Fumul alb propriu-zis este format din microparticule lichide cu diametre de aproximativ 1 micron formate din combustibilul nears din motor. Prezența lui semnalează defecțiuni ale sistemului de injecție (blocări ușoare ale acului injectorului, uzarea orifciilor de pulverizare, avans la injecție dereglat, presiune de injecție prea mică etc.). Fumul alb propriu-zis poate apărea și imediat după pornirea motorului rece când datorită regimului termic scăzut din motor o parte din combustibil nu reușește să vaporizeze complet. Această emisie nu semnalează un defect dacă ea încetează odată cu încălzirea motorului.
b)Fum albastru
Este format din micropicături de combustibil cu diametrul de aproximativ 0,5 microni și se datorează unor cauze asemănătoare celor care generează fumul alb. Ca și fumul alb, cel albastru poate apărea după pornirea motorului rece pentru o scurtă perioadă de timp, fără ca aceasta să semnaleze o defecțiune a sistemului de alimentare. Fumul albastru poate proveni însă și din cauza pătrunderii în camera de ardere a unei cantități excesive de ulei (segmenți foarte uzați, sparți sau coxați, joc excesiv între tija supapei și ghidul ei).
c)Fum negru
Este format din particule de carbon (funingine) cu dimensiuni de aproximativ 1 micron. El semnalează griparea în poziție deschis a acului injectorului, spargerea vârfului pulverizatorului, uzuri mari ale orificiilor de pulverizare, dereglari importante ale avansului la injecție, spargerea arcului injectorului. Toate aceste defecte conduc la o pulverizare grosieră a motorinei, picăturile mari nu reușesc să vaporizeze în timpul avut la dispoziție. Rămân astfel micropicaturi care, la temperaturile ridicate din camera de ardere, suferă transformări chimice: moleculele de hidrocarburi crachează (se rup), iar hidrogenul părăsește scheletul format de atomii de carbon. În urma acestui proces rezultă grupări de atomi de carbon de dimensiuni Armstrongului Å. Aceste grupări se unesc între ele generând în final, fulgii de funingine de 1 micron.
Fumul negru poate apărea și în cazul plecării de pe loc a autovehiculului încărcat cu o sarcină mare. Pedala de accelerație este apasată energic de șofer în timp ce motorul funcționează încă la turații relativ reduse. Doza de combustibil injectată pe ciclu este mare, fiind comandată de pedala de accelerație apasată profund. În interiorul camerei de ardere viteza aerului este mică, datorită turației reduse, astfel încât nu se poate asigura o oxigenare suficientă a jetului de motorină. Drept urmare vor exista zone în camera de ardere cu amestec foarte bogat, unde micropicaturile de combustibil nu vor reuși să vaporizeze complet și nici nu vor putea parcurge toate etapele procesului de aprindere. În consecință se formează funinginea care va fi emisă până când turația motorului va crește suficient pentru a asigura vaporizarea și arderea complete ale combustibilului.
4.2.1.2 Analiza cantitativă a emisiei de fum
Pentru a evalua intensitatea fumului emis prin țeava de eșapament se pot utiliza două metode:
– măsurarea opacității unei coloane de gaze de evacuare cu dimensiuni standard;
– măsurarea gradului de înnegrire a unui filtru de hârtie pe care l-a traversat cu viteza controlată un anumit volum de gaze de evacuare.
În activitatea de diagnosticare se utilizează de regulă aparate a căror funcționare se bazează pe prima metodă.
4.24.Construcția opacimetrului
1 – sondă de prelevare a probei de gaze; 2 – sursă de radiații; 3 – ventilatoare; 4 – aer pentru purjare la calibrarea sistemului; 5 – sertar de distribuție; 6 – încălzitor; 7 – element fotoelectric; 8 – etaj electronic de prelucrare a semnalului și afișare [3]
Datorită fumului (particule + micropicaturi de combustibil) la elementul 7 va junge un flux de lumină , mai mic decât cel emis de sursa 2 – o. Cu cât fumul este mai dens cu atât diferența dintre cele două fluxuri este mai mare.
După încalzirea motorului se procedează la o accelerare în gol bruscă până la turația maximă asigurată de regulator. Opacimetrele pot consemna valoare maximă a intensității fumului și uneori curba de evoluție în timp a acesteia.
k – coeficient de absorbție [m-1]
Valori limita pentru coeficientul de absorbție:
k ≤ 2,5 m-1 pentru MAC cu aspirație naturală
k ≤ 3 m-1 pentru MAC supraalimentat
4.2.2. Diagnosticarea echipamentului de injecție al MAC prin analiza variației presiunii din conducta de înaltă presiune
Fig.4.25.Schema echipamentului de injecție
Fig.4.26.Diagrama pinj = f (α)
În momentul premergător începerii procesului de deschidere a supapei de refulare a pompei de injecție, în conductă se înregistrează o presiune remanentă, prem, care împiedică pătrunderea aerului în conductă și care favorizează o creștere rapidă a presiunii încă de la începutul procesului de pompare. Valoarea presiunii remanente este caracteristică fiecărui echipament de injecție și reflecta etansarea conductei și a racordurilor sale.
Ca urmare a acțiunii de comprimare a combustibilului în elementul de injecție al pompei, la un moment dat supapa de refulare începe să se ridice de pe sediul său. Această deplasare a supapei conduce la comprimarea combustibilului din conductă datorită acțiunii gulerului de descărcare al supapei (punctul 1 de pe diagramă). Viteza de creștere a presiunii de la punctul 1 la punctul 2, reflectată de unghiul 1, este influențată de următorii factori: profilul camei pompei de injecție în zona corespunzătoare, uzura elementului de injecție, mobilitatea supapei de refulare, caracteristica elastică a arcului supapei de refulare.
Momentul în care gulerul supapei de refulare eliberează orificiul supapei, punctul 2 pe diagramă, reprezintă momentul de deschidere a acesteia, când are loc un transfer de substanta din cilindrul elementului de injectie catre conducta. Drept urmare in cilindrul elementului de injectie are loc o foarte scurta scadere a presiunii din care cauza arcul supapei tinde sa reaseze supapa pe scaun. Se produce o usoara scadere a presiunii din conducta în zona imediat următoare punctului 2, ca urmare a deplasarii gulerului supapei. Pistonul plonjor isi continua cursa de comprimare si reia energic livrarea de combustibil catre conducta, procudând creșterea rapidă a presiunii.
În continuare, presiunea din conductă crește ca urmare a acțiunii pistonului elementului de injecție aflat în cursa de refulare. Viteza de creștere a presiunii după acest moment, apreciată prin unghiul 2, depinde de profilul camei pompei de injecție în zona respectivă, precum și de uzurile pistonului și cilindrului elementului de injecție.
Atunci când este atinsă presiunea de deschidere a injectorului, acul acestuia începe să se ridice de pe sediu realizându-se astfel începerea procesului de injecție – punctul 3 de pe diagramă. Ca urmare a apariției acestui debit de combustibil, presiunea la intrarea în injector va scădea pentru o scurtă perioadă, după care acțiunea exercitată de pistonul elementului de injecție asupra combustibilului va compensa efectul pierderilor de combustibil, iar presiunea la intrare în injector va crește din nou. Pe durata procesului de injecție, variațiile de presiune la intrarea în injector vor fi influențate de fenomenele de propagare prin conductă a undelor de presiune între pompa de injecție și injector. Din această cauză evoluția presiunii poate înregistra în această zonă anumite oscilații.
Valoarea maximă a presiunii, pmax, este definită de profilul camei pompei de injecție, de nivelul de etanșare a elementului de injecție și a conductei de înaltă presiune precum și de modul în care se realizează deplasările acului injectorului și supapei de refulare a elementului de injecție.
Odată cu încheierea cursei active a pistonului elementului de injecție, presiunea la intrarea în injector va înregistra o scădere rapidă până la valoarea corespunzătoare închiderii injectorului, punctul 4 pe diagramă. Închiderea acului injectorului este urmată de o mică creștere a presiunii datorată efectului inerțial al masei de combustibil aflat în conducta de înaltă presiune.
Inchiderea supapei de descărcare a elementului de injecție se realizeaza pentru inceput prin intermediul gulerului ei care intră în ghidajul supapei ceea ce are un efect de destindere a lichidului din conducta (volumul gulerului mareste volumul din interiorul conductei). Din acest motiv presiunea din conducta isi va relua scaderea rapida. Viteza cu care se realizează acest proces, proporțională cu mărimea unghiului 3, va depinde de modul de funcționare a supapei, de nivelul de uzură a camei elementului de injecție, de starea conductei de înaltă presiune, de viteza de închidere a acului injectorului precum și de nivelul de etanșare al injectorului.
După descărcarea conductei, de-a lungul ei are loc deplasarea unor unde de presiune între injector și pompa de injecție generate de închiderea injectorului și a supapei de refulare. Apar astfel serii de oscilații care se atenuează în intervalul dintre două injecții consecutive.
Undele de presiune reflectate în lungul conductei vor genera o creștere a presiunii la intrarea în injector – zona 5. Este important ca presiunea din aceasta undă să nu depașească presiunea de deschidere a injectorului. Dacă acest lucru are loc se va produce o injecție târzie, la presiuni mici, generatoare de picături grosiere care nu vor avea timp să vaporizeze complet și care vor genera funingine.
Presiunile pdinj si pîinj pot evidenția starea arcului injectorului precum și eventuale gripări ale acului sau în ghid. Presiunea de deschidere a supapei de refulare a elementului de injecție, pdsup, reflectă starea arcului supapei, gripări ale acesteia și nivelul de etanșare al întregului sistem. Pentru o anumită turație, durata injecției inj este proporțională cu doza de combustibil injectată pe ciclu. De obicei, se compară diagramele obținute cu diagramele etalon furnizate de constructorul echipamentului de diagnosticare.
4.2.3 Diagnosticarea injectoarelor cu comanda hidraulică pentru MAC
O primă verificare constă în auscultarea injectoarelor cu motorul funcționând la turația de mers încet în gol. Pentru verificări mai amanunțite se utilizează un dispozitiv special cu pompă acționată manual.
Fig.4.27. Dispozitiv pentru diagnosticarea injectoarelor:
1. Injectorul verificat; 2. Sistem de prindere și susținere al injectorului; 3. Incinta transparentă de pulverizare; 4,5. Inele circulare din sârmă cu diametrele Φ1 și Φ2 așezate la dinstanțele l1 și l2 față de vârful pulverizatorului; 6. Rzervor de combustibil; 7. Cilindrul pompei; 8. Piston plonjor; 9. Maneta pentru acționarea lui 8; 10,10',10". Conducte de înaltă presiune; 11. Manometru de înaltă presiune; SA – supapa de admisie; SR – supapa de refulare; R1, R2 – robinete.
Verificări:
-Presiunea de deschidere a injectorului – se acționează energic și rapid maneta 9 până când se produce prima pulverizare, apoi se acționează încet maneta căutându-se să se surprindă presiunea la manometrul 11 la care se deschide injectorul.
-Geometria jetului – cu robinetul R2 închis se acționează de două-trei ori pe secunda maneta 9 urmărindu-se încadrarea jetului în inelele 4 și 5.
-Etanșeitatea injectorului – dăcă este necesar se dereglează presiunea de deschidere a injectorului astfel încât acesta să nu se deschidă la 250 bar. După atingerea acestei presiuni se închide robinetul R1. Presiunea la manomentrul 11 trebuie să scadă de la 200 la 150 bar în minim 10 secunde.
-Etanșeitatea pulverizatorului – se aduce presiunea la o valoare cu 20 bar mai mică decât presiunea de deschidere, apoi se închide R1. Timp de minim 10 secunde la vârful pulverizatorului nu trebuie să se formeze nici o picatură. Se admite cel mult un menisc cu grosimea de maxim 1 mm.
-Zgomotul la deschidere (de "rupere") – având presiunea de deschidere reglată corect se închide R2 și se acționează energic de două-trei sau chiar patru ori pe secundă maneta 9. La deschiderea injectorului se va produce un zgomot specific, cel mai adesea acest zgomot se aseamană cu cel produs la ruperea unui material textil, de unde și numele zgomot de "rupere". Aspectul zgomotului este descris de către constructorul injectorului. În unele cazuri poate fi asemănător unui pocnet sau unui fâșâit intens. Acest zgomot, indiferent de aspectul sau, arată corecta culisare a acului în ghid și corecta funcționare a arcului injectorului. El se produce ca urmare a vibrațiilor pe care le înregistrează acul atunci cand presiunea evoluează în forma unui semnal de tip treaptă.
Fig.4.28. Curbele de variație p,s= f(t)
-Culisarea acului – se demontează pulverizatorul, se introduce acul în motorină, apoi cu o treime din lungime în pulverizatorul înclinat la 45 de grade. Acul trebuie să patrundă complet în pulverizator într-o mișcare uniformă, fără întreruperi.
4.3.Sistemul de diagnosticare la bordul autovehiculului
Cele mai bune rezultate în depistarea defecțiunilor imediat după apariția lor o constituie supravegherea permanentă a funcționării sistemelor autovehiculului, ceea ce presupune dezvoltarea unor tehnice și echipamente de diagnosticare la bord. Evoluția acestora a fost și este strâns legată de evoluția construcției automobilului. Astfel, apariția sistemelor comandate de microprocesoare a permis o lărgire considerabilă a numărului de obiective urmărite și a numărului de parametri înregistrați și analizați.
Sistemele motorului monitorizate electronic (aprindere, alimentare, distribuție, răcire), transmisiile automate și automatizate cu supraveghere și comandă electronică, sistemele moto-propulsoare capabile să evite patinarea roților în regim de tracțiune, sistemele de frânare cu evitarea blocării roților, sistemele de direcție și suspensiile asistate de microprocesoare sunt prevăzute cu propriile sisteme de supraveghere și control necesare funcționării algoritmilor de autoreglare, dar care pot fi utilizate și pentru a semnaliza apariția vreunei defecțiuni, chiar în faza sa incipientă. Informațiile captate de lanțurile de măsură respective sunt prelucrate și stocate în memoria calculatorului de bord care, în cazul depășirii valorilor normale ale parametrilor măsurați, avertizează conducătorul automobilului asupra defecțiunii.
Verificările pot fi executate și la cererea expresă a șoferului sau a tehnicianului de întreținere, ori de câte ori se dorește.
Controlul cel mai amplu și detaliat al tuturor sistemelor și subsistemelor automobilului rămâne în continuare a fi realizat în cadrul stațiilor de mentenanță preventivă a automobilelor, unde se poate utiliza o gamă mult mai largă și mai complexă de sisteme de măsuri și verificări decât o pot permite condițiile de la bord.
Sistemele de control și reglare asistate de microprocesor la bordul automobilului oferă posibilitatea efectuării unor operațiuni de diagnosticare în perioadele intermitente în care microprocesorul nu este complet ocupat cu rezolvarea calculelor necesare funcționării propriu-zise a sistemului respectiv.
Schema de principiu a acestei activități este prezentată în figura 4.29.
Dispozitivul de comandă se verifică singur, de exemplu prin memoria care are un model de test înmagazinat și care se citește periodic. La memoriile de program se face o comparație prin intermediul sumei de control care verifică datele și programale; concomitent se verifică și bus-ul de date și de adrese. La senzori se verifică dacă semnalele se încadrează în limitele normale ale valorilor lor și se pun în evidență scurtcircuitele și întreruperile. Verificarea elementelor de acționare se poate face prin intermediul valorii maxime a curentului în timpul comenzii.
Fig.4.29.Schema de principiu a diagnosticării la bordul autovehiculului[3]
Atunci când este detectată o defecțiune, informația este stocată în memorie sub forma unui număr corespunzător codului de defecțiuni conceput de constructor. În același timp, la tabloul de bord este activat un avertizor optic sau sonor și este afișată defecțiunea produsă. Funcțiunile de diagnosticare la bord pot fi activate și manual prin comanda transmisă controlerului de a intra în modul de diagnosticare. Atunci când se produce o defecțiune trebuie urmărită o anumită procedură pentru a o localiza, procedură prezentată de regulă sub forma unei organigrame în cartea de diagnosticare a automobilului.
Cu titlu de exemplu, se consideră că sistemul de diagnosticare semnalizează o defecțiune cu cod 12 care arată că senzorul de oxigen al sistemului de injecție de benzină își menține permanent tensiunea de 0,5V, caracteristică situației în care senzorul nu a ajuns la regimul termic normal și deci, nu este încă pregătit să lucreze. Cauzele posibile sunt: senzorul de oxigen nu funcționează corect; conductori sau conexiuni defecte; unitatea de control nu procesează semnalul provenit de la sondă. Sunt deci necesare investigații ulterioare pentru identificarea defecțiunii.
În acest scop se măsoară tensiunea de ieșire din senzorul de oxigen. Dacă ea este mai mică decât 0,37 V sau mai mare 0,57 V, trebuie să fie verificate cablurile. Dacă tensiunea se încadrează între cele două valori, trebuie să se verifice dacă defectul se situează la nivelul senzorului de oxigen sau la unitatea de comandă. Pentru aceasta se cuplează conductori ce vin de la sondă la intrarea în dispozitivul de comandă, simulându-se un scurtcircuit al senzorului și se măsoară din nou tensiunea. Dacă ea este mai mică de 0,05V, defecțiunea se situează la nivelul senzorului, iar în caz contrar dispozitivul de control este defect și trebuie înlocuit.
Schema logică de diagnosticare a defecțiunilor este prezentată în figura următoare.
Fig.4.30.Schema de diagnosticare a senzorului de oxigen[3]
Subsistemele de control electronic, care echipează în număr tot mai mare automobilele moderne, operau inițial cu precădere în mod independent. Având însă în vedere că toate aceste subsisteme sunt cuplate prin intermediul automobilului însuși, activitățile dintr-un sistem de control oarecare pot genera interferențe nedorite în celelalte subsisteme. Pentru a evita astfel de situații trebuie introdus suplimentar un element de optimizare a controlului care să opereze împreună cu subsitemele existente. Se ajunge astfel la un sitem cuprinzând mai multe microcomputere distribuite în diferite zone ale structurii automobilului.
Există tipuri de legături de comunicație care permit nu numai comunicarea între sistemele electronice de control, dar susțin și prelucrarea informațiilor în paralel de către controlerii distribuiți în structura automobilului. Ele oferă mecanismele de bază pentru sincronizarea proceselor și manipularea corectă a datelor. Pentru fiecare mesaj este creat un obiect de comunicare care cuprinde următoarele:
– identificatorul, precizând numele și ruta mesajului;
– segmentul de control, conținând toate informațiile de control;
– segmentul de date, numărând de la 0 la 8 bytes.
În figura de mai jos este prezentată amplasarea unei astfel de rețele în structura unui autoturism.
Fig.4.31.Amplasarea rețelei de control electronic al sistemelor unui autoturism
IEB – Injecție electronică de benzină; CPM – Controlul puterii motorului; CED – Controlul electronic al direcției; CSV – Controlul schimbătorului de viteze; BD – Bloc de diagnosticare; CAN – Magistrala rețelei de control; ABS/ASR – Sistem de frânare cu antiblocare / Sistem de reglare antipatinare[3]
Componentelor care asigură funcționarea după criterii de optimizare a sistemelor automobilului, li se alătură elementul de control al diagnosticării. Pentru a vedea cum funcționează o astfel de rețea, se consideră cazul mai simplu al grupului moto-propulsor prevăzut cu trei subsiteme electronice separate:
– pentru controlul motorului;
– pentru controlul transmisiei;
– pentru controlul operațiunilor de diagnosticare.
Aceste subsisteme comunică între ele prin intermediul magistralei CAN-bus care primește:
– informații privind regimul de deplasare al automobilului și rapoartele de transmitere utilizate, presiuni în sistemele de acționare, turație, temperaturi etc. (de la controlul transmisiei);
– informații privind sarcina și turația motorului, temperaturi, presiuni, debite, intensități ale curenților și tensiuni electrice etc. (de la controlul motorului);
– semnale standard de testare (de la contorulul diagnosticării).
Fig.4.32.Schema de control al grupului moto-propulsor[3]
Fiecare subsistem de control își culege informațiile de care are nevoie din magistrala comună, conform unui protocol de priorități la momentele disponibile și le prelucrează oferind rezultatele, tot prin intermediu CAN, celorlalte subsisteme de control ce ar putea fi interesate.
Avantajul principal al unui astfel de sistem de control descentralizat constă într-o diponibilitate superioară a întregului sistem în cazul apariției unor defecte. De exemplu, în cazul defectării calculatorului care controlează transmisia, aceasta va fi cuplată automat în treapta superioară. Automobiulul rămâne operațional, deși cu o funcționalitate degradată. Contrar situației unui sistem centralizat, controlul motorului nu va fi cu nimic afectat.
Cap.5.
Modelarea și simularea sistemelor de injecție
5.1.Posibilități de modelare și simulare a sistemelor de injecție
Simularea este parte integrantă din procesul de proiectare. Iar acesta din urmă este o etapă fundamentală în realizarea unui produs de calitate. În proiectare, ca urmare a dezvoltării programelor CAE, și în special CAD, s-a ajuns la proiectarea, simularea și evaluarea virtuală a produselor. Și tocmai aici e și punctul cheie, de o importanță strategică deosebită. Folosirea acestor tipuri de programe și aplicații a redus considerabil prețurile de cost deoarece utilizarea materialelor în această fază este nulă.
Prin simulare se realizează validarea corectitudinii unui model pornind de la o situație reală pentru a înțelege impactul modificărilor condițiilor de funcționare asupra comportării sistemului și efectul introducerii diverselor strategii de control [39]. Simularea structurii și a funcționării unui model stabilit permite obținerea tuturor situațiilor (stărilor) posibile ale modelului și deci asigură, verificarea existenței proprietăților stabilite în etapa de analiză. Faptul că aceste proprietăți nu sunt confirmate indică prezența uneia sau mai multor erori fie în alcătuirea modelului, fie în determinarea proprietăților acestuia.
Pentru a simula o serie de acțiuni care au legătură între ele trebuie să construim modelul procesului. Un model al unui obiect sau al unui proces poate fi un alt obiect sau proces sau o descriere matematică a acestora. Este posibil să construim un model fizic a cărui comportare reprezintă sistemul studiat. Descrierea instrucțiunilor de generare a datelor comportamentale și implicit, descrierea modelului unui sistem impune utilizarea unui limbaj de programare. Pentru descrierea unui sistem, componentelor acestora li se atașează o mulțime de variabile de descriere și o mulțime de parametri. Variabilele de descriere sunt: variabilele de intrare, variabilele de ieșire și variabilele de stare, denumite astfel în funcție de rolul pe care-l au în descrierea evoluției sistemului sau a interacțiunii acestuia cu alte sisteme.
Datorită numărului mare de domenii în care se aplică simularea, ca metodă de investigare a comportării sistemelor și proceselor au apărut și s-au dezvoltat numeroase programe și biblioteci de funcții folosite în simulare. Din programele cele mai folosite în simularea sistemelor ingineresti amintim Matlab/Simulink ,Catia si AMESim. Datorită multiplelor posibilități oferite de limbaj pentru elaborarea submodelelor cu ajutorul bibliotecilor interdisciplinare, AMESim a fost adoptat ca instrument fundamental de concepție de producători reputați de sisteme automate:
AEROSPATIAL, BOSCH, DAIMLER-CRIYSLER, GENERAL MOTORS, etc.
5.1.1. Mediul de programare grafic LabVIEW
LabVIEW este un mediu de programare grafică, ce include funcții specializate pentru achiziții de date, controlul instrumentelor, analiza datelor măsurate precum și pentru afișarea și prezentarea rezultatelor. LabVIEW oferă flexibilitatea unui mediu de programare puternic fără a mai avea nevoie de programarea greoaie a limbajelor tradiționale. Cu LabVIEW se pot implementa achiziții de date, analize complexe și prezentări sofisticate de date, totul într-un singur mediu de programare, astfel încât realizarea unei aplicații specifice pe o anumită platformă devine o sarcină facilă.
Spre deosebire de limbajele de programare de uz general, LabVIEW pune la dispoziția utilizatorilor funcții specifice pentru aplicațiile de măsură, control și automatizare, accelerând astfel dezvoltarea aplicațiilor. De la funcții specifice de analiză de semnale până la funcții de comunicație cu o gamă foarte largă de echipamente, LabVIEW oferă tot ce este nevoie pentru a realiza sisteme de măsură și test, sisteme de control și monitorizare procese, cercetare științifică sau achiziții complexe de date.
Fig.5.1. Aplicație de monitorizare și comandă a unui proces industrial dezvoltată cu ajutorul limbajului LabVIEW
LabVIEW permite conectarea rapidă și facilă cu echipamentele de măsură și control, astfel încât se pot configura și utiliza ușor o gamă largă de echipamente, de la instrumente de sine stătătoare până la plăci de achiziție de date, controllere de mișcare, sisteme de achiziție de imagini sau automate programabile (PLC). În plus, bibliotecile de funcții permit comunicația și controlul a peste 1000 de instrumente de la sute de producători.
O aplicație dezvoltată în LabVIEW se poate conecta și poate transfera date cu alte aplicații prin ActiveX, prin Internet, DLL-uri, prin baze de date tip SQL, prin TCP/IP, XML, OPC, comunicații radio sau alte metode de comunicație.
Viteza de execuție a unei aplicații este critică în majoritatea cazurilor. Datorită compilatorului inclus care generează un cod optimizat, viteza de execuție a unei aplicații LabVIEW este comparabilă cu viteza programelor scrise în C. O aplicație scrisă în LabVIEW va satisface cele mai stringente cerințe pe o gamă largă de platforme de la Windows, Macintosh, Unix sau sisteme real-time.
Modulele mediului de programare grafică LabVIEW sunt:
– LabVIEW Vision Development Module – pentru aplicații în domeniul prelucrării imaginilor.
• Funcții pentru măsurarea distanțelor
• Funcții avansate pentru procesarea și afișarea imaginilor
• Imagini alb-negru, color sau în format binar
• Recunoaștere de forme
• Recunoaștere de culori
– LabVIEW Real-Time – Modul real-time pentru LabVIEW
• Programare grafică pentru control real-time
• Dezvoltare rapidă a aplicațiilor
• Programare și testare pe calculator, execuție în procesoare dedicate sub sisteme de operare RTOS
• Rulează pe plăci din seria RT sau pe FieldPoint FP2000
– LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module – Pentru aplicații SCADA
• Baza de date real-time
• Managementul alarmelor
• Accesul bazei de date prin rețea
• Engine de comunicație
• Facilități de protejare a accesului la aplicație
– LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office – permite realizarea de rapoarte în format Word sau Excel direct din LabVIEW
– LabVIEW Internet Developers Toolkit
• Servere de date
• Funcții de securizare datelor
• Trimitere de email-uri din aplicații LabVIEW
• Comunicație cu servere FTP
• Posibilitatea de vizualizare a aplicațiilor prin internet
• Scrierea și rularea de programe CGI în cadrul aplicației
– LabVIEW PID Control Toolset for Windows
• Programare grafică pentru implementarea de algoritmi de control
• Algoritmi tip P, PI, PD și PID
• Funcții de autotuning
• Algoritmi fuzzy pentru sisteme complexe
Utilizarea limbajului LabVIEW în cadrul platformei de eLearning prezintă avantaje multiple. Cu ajutorul acestui limbaj se pot crea aplicații de măsură și control specifice domeniului tehnic dar, în același timp, se pot dezvolta și module de aplicații specifice sistemului eLearning. Pot fi astfel transpuse într-un format accesibil web rețele de modelare și simulare realizate în LabVIEW sau în alte limbaje dedicate.
5.1.2.Programul de modelare și simulare Catia
CATIA (Computer Aided Three dimensional Interactive Applications) este un produs al companiei Dassault Systemes reprezentând una dintre cele mai avansate platforme integrate de tip: CAD/CAM/CAE având la baza ultimele tehnologii din domeniul industriei informatice.
CATIA alaturi de pachetele software SMARTEAM si ENOVIA, dezvoltate de aceiasi companie, formeaza o solutie informatica completa de inginerie asistata definita prin acronimul PLM.
PLM (Product Lifecycle Management) reprezinta un concept de abordare strategica a procesului de management al capitalului intelectual legat de dezvoltarea unui produs, si controlul informatiei despre acel produs pe tot ciclul sau de viata.
Folosind pachetele software PLM, utilizatorii pot simula întreaga gama de procese necesara dezvoltarii unui nou produs de la faza initiala de conceptie la fazele de proiectare, analiza, fabricatie si mentenanta.
CATIA V5 disponibila înca din anul1999 beneficiaza de un ritm sustinut de dezvoltare ajungându-se astazi practic că la 2,3 luni sa apară o revizie noua. La ora actuala CATIA V5 contine peste 140 de aplicatii robuste care acopera urmatoarele domenii ale ingineriei asistate:
– modelare parametrica explicita hibrida;
– modelare de suprafete, sheet-metal;
– modelare de ansambluri, optimizarea proiectarii;
– generarea de desene de executie;
– proiectarea de matrite si forme;
– reverse engineering, rapid prototyping;
– analiza utilizând metoda elementelor finite;
– analiza cinematica folosind prototipul virtual;
– simularea proceselor de fabricatie;
– proiectarea partilor electrice, de conducte, de încalzire ventilatie si aer conditionat;
– proiectarea de uzine si nave;
– programare CNC pentru masini unelte cu comanda numerica cu 2/5 axe;
– translatoare pentru conversia entitatilor în/din alte medii de proiectare.
O solutie moderna de inginerie aistata, în special acolo unde se realizeaza ansambluri complexe si se folosesc eventual medii de proiectare diferite nu mai poate fi conceputa fara a se adopta si solutii din categoria PDM (Product Data Management).
5.1.3. Programul de modelare și simulare IMAGINE-AMESIM
IMAGINE-AMESIM este un program de modelare matematică destinat studiului proceselor dinamice complexe. Deși pe piața acestor tipuri de aplicații există o ofertă numeroasă de aplicații destinate realizării de modele matematice destinate studiului comportării dinamice a sistemelor, IMAGINE-AMESIM se remarcă prin capacitatea de a integra soluții din diverse domenii inginerești. Se pot trata astfel sisteme ce au în cadrul lor subsisteme electrice, electronice, hidraulice, pneumatice, etc. În contextul dezvoltării de soluții de modelare dinamică, firma LMS-IMAGINE din Franța s-a remarcat prin oferirea de soluții robuste de modelare, soluții validate prin studii experimentale, modelele acestora fiind utilizate de firme de renume pentru proiectarea și/sau optimizarea produselor din domeniul ingineresc oferite de aceștia.
Din punct de vedere software, IMAGINE este o aplicație dezvoltată modular, ce are la baza un "nucleu" – "kernel" și o gamă întreagă de librării dezvoltate pentru modelarea diverselor domenii din sfera tehnică. Acest concept îi oferă utilizatorului o flexibilitate sporită atât din punct de vedere al rezolvării tehnice a unei modelări cât și din punct de vedere economic, produsul IMAGINE putând fi achiziționat la un preț care variază în funcție de librăriile ce se doresc a fi achiziționate. Un alt avantaj al acestei arhitecturi software utilizată de firma LMS-IMAGINE este și posibilitatea de a utiliza aplicația împreună cu alte aplicații, de a transfera/primi rezultatele modelelor analizate de la programe ca Simulink/Matlab, Catia, Adams etc.
Fig.5.2. Mediul de simulare AMESIM
Din punct de vedere tehnic AMESIM poate oferi un mediu complex de simulare/învățare a comportamentului dinamic al unei game variate de aplicații (fig.5.2). Acesta este de un real folos atât inginerului, cercetătorului dar și studentului prin posibilitatea de a avea o privire de ansamblu a unui sistem, prin posibilitatea de a modifica datele structurale ale modelelor și de a analiza efectul produs de acestea.
Utilizarea unui program de tipul celui prezentat anterior în cadrul unui sistem eLearning oferă studentului o flexibilitate sporită în procesul de asimilare a informațiilor în general complexe și cu un grad sporit de dificultate din domeniul ingineresc.
Datorită deschiderii oferite pentru co-simularea cu alte aplicații și a posibilității accesului facil la rezultatele obținute în urma simulărilor, AMESIM poate fi integrat în structuri de tip web permițând în acest mod accesul prin rețeaua INTERNET la aplicațiile dezvoltate pe această platformă.
Un alt domeniu abordat de firma LMS-IMAGINE în dezvoltarea acestei aplicații a fost și oferirea soluțiilor de tip real-time, putându-se realiza cu ajutorul acestui program simulări hardware-in-the-loop, foarte utile pentru studiul sistemelor automate (fig.5.3.).
Fig.5.3. Modelarea dinamica in AMESIM a comportării
sistemului electrohidraulic al brațului unui excavator
5.2.Modelarea și simularea procesului de injecție a combustibilului utilizând mediul de simulare AMESim
5.2.1. Modelarea si simularea sistemelor de injecție cu benzină
În urma simulării în AMESim se vor determina anumiți parametrii ai procesului de injecție.
Următoarea schiță reprezintă un sistem complet de injecție cu benzină și este folosit pentru studiul volumelor injectate, timpului de răspuns și oscilațiilor presiunii din rampă . La acest nivel de modelare , injectoarele pot fi considerate orificii variabile pilotate de ECU .
Figura 5.4 . Modelul AMESim a unui sistem de injecție benzină
Pentru a avea o înțelegere completă a sistemului , ne putem uita la supercomponente respectiv la regulatorul de presiune și la injectoare .
regulatorul de presiune
Figura 5.5. Modelul de regulator de presiune și supercomponentele sale
Regulatorul de presiune este modelat cu o cameră hidraulică și o supapă de reglare a presiunii hidraulice.
Grație evoluției variabilelor principale în regulatorul de presiune, putem analiza răspunsul:
Figura 5.6. Evoluția presiunii în regulator
Acesta arată că regulatorul specificat reușește să se stabilizeze și să mențină o presiune in anumite limite.
Injectorul
Figura 5.7. Modelul injectorului și supercomponentele acestuia
Injectorul este pur și simplu modelat printr-un orificiu variabil pilotat și controlat de către ECU.
Secvența de ardere și de sincronizare sunt controlate de către ECU, care a emis un semnal pentru fiecare injector:
Figura 5.8. Semnalele de ieșire ale ECU (secvența de tragere)
În ceea ce privește regulatorul de presiune, putem observa presiunile la orificiile de admisie ale injectoarelor:
Figura 5.9. Presiunea la intrarea celor patru injectoare
Pentru a fi mai precis, putem vedea contribuția fiecărui injector prin zoom pe un vârf specific:
Figura 5.10. Presiunea la intrarea celor patru injectoare (zoom)
Luând în considerare întreaga secvență pentru un injector, obținem:
Figura 5.11. Evoluția debitului injectat și volumul injectat în timpul secvenței de ardere
5.2.2.Modelarea si simularea funcționării unui injector cu solenoid utilizat într -un sistem Diesel Common Rail ( CRS )
Design-ul unui injector de motorină de înaltă presiune este complexă și are nevoie de un model care include multe detalii geometrice . Metodologia de a modela această componentă presupune începerea cu un model de "simplu" . Apoi, analizând și comparând cu rezultatele experimentale , modelul poate fi realizat mai complex, într- o abordare pas cu pas . Prin această metodologie , este posibil să se înțeleagă influența diferitelor părți componente ale injectorului . Figura 1 reprezintă schița AMESim asociată unei structuri tipic de injector.
Figura 5.12 . Modelul injectorului
În Fig.5.12. se poate vedea așa-numita supapa de control, iar pistonul de comandă asociat cu acul injectorului. Fiecare componentă vizibilă în schema injectorului are echivalentul său în modelul AMESim.
În mediul AMESim pot fi modelate câteva detalii interesante ale injectorului cum ar fi:
-dinamica rețelei hidraulice interne a injectorului,
-electrovalva dispozitivului de acționare avansată a injectorului cu electronică de putere,
– compresibilitatea acului duzei injectorului
-modelul specific duză de injecție cu cameră de volum .
Pentru a avea o înțelegere completă a sistemului , ne putem uita la supercomponentele CRS respectiv la: rampa comună , duza injectorului, la traductorul magnetic liniar și la conducta de joasă presiune ( de retur ), observând umătoarele variții ale parametilor injecției :
1) presiunea în rampa comună
Fig.5.13.Parametrii injectiei din rampa comună
2) duza injectorului
Fig.5.14.Parametrii injecției din duza injectorului
Variația acestor parametrii este prezentată în graficele următoare:
Figura 5.15. Evoluția debitului injectat din portul 1 al duzei injectorului
Figura 5.16. Evoluția volumului în portul 1 din duza injectorului
Figura 5.17. Evoluția presinii din portul 1 al duzei injectorului
Figura 5.18. Evoluția debitului injectat din portul 2 al duzei injectorului
Figura 5.19. Evoluția volumului în portul 2 al duzei injectorului
Figura 5.20. Evoluția forței în portul 3 din duza injectorului
Figura 5.21. Evoluția presiunii combustibilului în camera intermediară a duzei injectorului
Figura 5.22. Evoluția volumului din camera inermediară a duzei injectorului
Figura 5.23. Evoluția presiunii combustibilului în camera de volum a duzei injectorului
Figura 5.24. Evoluția volumului combustibilului în camera de volum a duzei injectorului
3)traductorul magnetic liniar
Fig.5.25. Parametrii din traductorul magnetic liniar
Variația acestor parametrii este prezentată în graficele următoare:
Fig. 5.26.Variația tensiunii de intrare în funcție de timp
Fig.5.27. Variația curentului de intrare în funcție de timp
Fig.5.28. Variația curentului de magnetizare în funcție de timp
Fig.5.29.Variația fluxului magnetic în funcție de timp
Fig. 5.30.Variația tensiunii de intrare în funcție de timp
Fig.5.31. Variația potențialului electric în portul 1 funcție de timp
Fig.5.32. Variația potențialului electric în portul 2 funcție de timp
Fig.5.33.Variația forței în portul 3 funcție de timp
Fig.5.34. Variația forței în portul 4 funcție de timp
Fig.5.35. Variația vitezei în portul 4 funcție de timp
Fig.5.36. Variația deplasării miezului magnetic în portul 4 funcție de timp
4) conducta de joasă presiune ( de retur )
Fig.5.37. Parametri din conducta de joasă presiune
Variația acestor parametrii este prezentată în graficele următoare:
Fig.5.38. Variația presiunii în portul 1 funcție de timp
Fig.5.39. Variația semnalului de ieșire funcție de timp
Fig.5.40. Variația debitului în portul 3 funcție de timp
Fig.5.41. Variația volumului în portul 3 funcție de timp
5.3. Concluzii
Fără a mai aminti avantajele simulării aici se prezintă câteva particularități și limite ale simulării, precum si directiile viitoare de simulare.
Primul dezavantaj pe care-l putem semnala in procesul de simulare este dificultatea probării viabilității rezultatelor, și acesta se observă cu atât mai acut acolo unde se simulează dispozitive despre care nu se cunosc prea multe detalii (la proiectarea de lucruri noi). În astfel de cazuri experiența și bunul simț tehnic ingineresc sunt factorii de ghidare, pentru că fără acestea șansele de reușită în procesul de simulare scad foarte mult, iar câstigul epistemiologic este nul. Când se cunosc mai multe despre dispozitivul simulat, evaluarea simulării e mai facilă.
Pentru elaborarea modelului matematic al sistemului de injecție, se pornește de la modelul matematic al fiecarui element din componența sistemului. Pentru înbunătățirea performanțelor statice și dinamice a sistemelor hidraulice este necesară o riguroasă cercetare teoretică și experimentală. Pentru stabilirea modelului matematic se realizează schema hidraulică simplificată și schema bloc corespunzătoare sistemului de injecție care rezultă din analiza constructiv-funcțională a acestuia. Modelele matematice ale elementelor din structura sistemului hidraulic sunt în general neliniare reprezentate de ecuații diferențiale. Se utilizează metode de liniarizare ale ecuațiilor care conduc la reducerea domeniului în care se garantează performanțele sistemului. Sistemul de ecuații poate fi rezolvat în domeniul timpului, în domeniul imaginar utilizând transformarea Laplace sau în domeniul spectral utilizând transformarea Fourier. Modelul matematic al sistemului de acționare hidraulică se obține prin compunerea adecvată a modelelor matematice ale elementelor din structura schemei și permite analiza unei situații reale care poate fi redusă la soluționarea unei probleme matematice. Modelul sistemului de injecție se obține prin compunerea adecvată a modelelor elementelor din structura sistemului.
Simularea permite experimentarea de situații reale sau ipotetice, imposibil sau greu de realizat în funcționarea reală a unui sistem. Mediul AMESim permite simularea numerică a injectoarelor auto pentru analiza dinamică a funcționării acestora. Răspunsurile indiciale (volum, debit) obținute în studiul unui injector auto pentru diverse trepte de presiune, permit analiza funcționării injectorului și a elementelor din structura acestuia (valvă și duză de injecție), în fazele corespunzătoare injecției, preinjecției, injecției principale și post injecției. Creșterea presiunii reduce timpul mort, crește valoarea staționară spre care tinde debitul injectat și crește timpul de injecție.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme de injecție moderne [308568] (ID: 308568)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.