Capitolul 1. Analiza modelelor similare de arhitecturi pentru magistrale de comunicație Introducere Pentru a putea respecta normele internaționale… [308844]

Capitolul 1. Analiza modelelor similare de arhitecturi pentru magistrale de comunicație

Introducere

Pentru a [anonimizat], cu ajutorul unor unităti electronice de control.

Datorită numărului ridicat de unități electronice și a [anonimizat].

1.2 Prezentarea principalelor arhitecturi de tip magistrală de comunicare (bus) folosite în industria auto

Numărul tot mai mare al calculatoarelor prezente pe autovehicule dar și creșterea volumului de informație transmis între acestea i-a împins pe producătorii auto să dezvolte diferite tipuri de rețele. Principalele tipuri de rețele de comunicare (bus) prezente în industira auto sunt :

CAN-[anonimizat] o magistrală utilizată în industria automobilelor și asigură comunicarea între mai multe calculatoare fără a [anonimizat]. Acest tip de rețea poate atinge o viteză de până la 1Mbit/s și are un cost mediu de producție .[anonimizat] 2 (single wire / double wire CAN). [anonimizat] ,al sistemelor de siguranță activa și perifericele acestora dar poate fi folisita și la conectarea celorlalte calculatoare ([anonimizat], etc. )

Principalele avantaje ale rețelei de tip CAN bus sunt eficiența transmiterii mesajelor și flexibilitatea adăugării altor dispozitive.

[anonimizat] (ex: [anonimizat]) [anonimizat].

Fig.1.2.1 – Structura rețelei CAN

Flexray este un sistem de tip bus proiectat să fie mai rapid și mai fiabil decât magistrala CAN dar prețul acestuia este mult mai ridicat.

Acest tip de rețea poate atinge o viteză de până la 10Mbit/s iar conexiunea cu calculatoarele se poate realize prin 2 sau 4 fire în funcție de aplicație. Această magistrală se folosește la dezvoltarea motoarelor de ultima generație.

Flex ray a fost dezvoltat de consorțiul alcătuit din companiile : [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Această nouă generație de rețea bus a fost introdusă pe un autovehicul de serie în anul 2006, odată cu lansarea BMW X5 iar mai apoi în 2008 pe modelul BMW seria 7 F01.

[anonimizat] a 2 fire torsadate sau prin fibră optică

VAN sau Vehicle Area Network este o magistrală dezvoltată de grupul PSA (Peugeot Citroen) și adoptată ulterior de către grupul Renault. [anonimizat]. Poate atinge o viteză de până la 125kbit/s și este standardizat în ISO 11519-3.

LIN sau Local Interconnect Network este o [anonimizat]. Poate atinge o viteză de 40kbit/s și are un cost mic de producție. În general este folosită pentru conectearea dispozitivelor care nu țin de siguranță autovehicului .

A fost dezvoltată între anii 1990 și 2003 de consorțiul alcătuit din Volcano Automotive Group , Motorola, BMW, Audi Group,Volkswagen Group, Volvo Cars și Mercedes-Benz prima versiune fiind prezentată în Noiembrie 2002 iar a doua variantă în Septembrie 2003.

Datele sunt transmise într-un format fix de lungime variabilă , fiecare mesaj fiind compus din 2,4 sau 8 biți de date și 3 biți de control și siguranță.

Principalele avantaje ale rețelei LIN sunt prețul scăzut , ușurința instalării componentelor rețelei precum și prelungirea acesteia. Este folosită în general la conectarea senzorilor de iluminat din interiorul habitaclului, butoanele de acționare ale diverselor motoare electrice (ale geamurilor sau oglinzilor ), senzorii montați în scaune, etc.

Fig.1.2.2- Structura rețelei LIN

Fig.1.2.3 – Structura retelei MOST

MOST sau Media Oriented System Transport este o rețea multimedia optimizata pentru industria auto care poate atinge o viteză de transfer de 25Mbit/s urmând ca în viitorul apropiat viteza de transfer să crească până la 150Mbit/s.

Se folosește în general pentru transferul de date video și audio prin intermediul fibrei optice din plastic (Plastic optic fiber) și în prezent este utilizată de aproape toți marii constructori din industria auto (ex: Grupul Volkswagen, Volvo, General Motors, Mercedes-Benz, Jaguar, Land-Rover, etc.)

Rețeaua MOST permite conectarea a maxim 64 de dispozitive și utilizează 3 canale de comunicare în funcție de tipul datelor transmise. Fiecare dispozitiv este conectat la rețea prin intermediul a 2 terminale: Reciver (Rx) și Transmiter (Tx).

Rețeaua este alcătuită dintr-un dispozitiv care are rolul de master iar restul sunt pe post de slave. Master-ul are rolul de a monitorizare a rețelei, alocarea adreselor și realizarea comunicării între celelalte dispozitive.

Un mare avantaj al rețelei MOST îl reprezintă imunitatea la interferențele electromagnetice precum și masa redusă a firelor în comparație cu cele din cupru.

Din punct de vedere al costurilor firele din fibră optică sunt mai costisitoare datorită procesului complex de fabricare a acestora.

1.3 Prezentarea principalilor parametrii energetici si dimensionali ai autovehiculelor echipate cu magistrale de comunicare similare

In tabelele 1.3.1, 1.3.2, 1.3.3, 1.3.4 si 1.3.5 sunt prezentate modele similare de arhitecturi de comunicare (bus) si principalele particularitati ale autovehiculelor echipate cu astfel de sisteme.

Tabelul 1.3.1- Tipuri de arhitecturi de comunicare de tipul bus folosite [5,6]

După cum putem observa în tabelul prezentat mai sus toate tipurile de autovehicule prezente pe piața utilizează diferite tipuri de arhitecturi bus fie că vorbim despre autovehicule echipate cu motoare cu ardere prin comprimare ,motoare cu ardere prin scânteie, autovehicule hibride sau electrice.

Tabelul 1.3.2 – Principalele particularități ale modelelor similare de autovehicule [7]

Tabelul 1.3.3-Particularitățile dimensionale ale autovehiculelor studiate [7]

Legenda: La[mm]: lungimea totală ; la[mm]: lățimea totală ; Ha[mm] : ȋnălțimea totală ; L[mm]: ampatamentul ; E1 , E2[mm] : ecartament fată respectiv spate ;

Tabelul 1.3.4- Parametri masici ai autovehiculelor studiate[7]

Tabelul 1.3.5-Particularități ale motoarelor[7]

1.4 Definitivarea parametrilor dimensionali cu ajutorul metodei histogramelor

Prin organizarea generală a autovehiculului se definim modul de amplasare al tuturor ansamblurilor și subansamblurilor unui autovehicul rutier,pe acesta.

După analizarea modelelor similare de autovehicule putem observa că majoritatea folosesc rețeaua bus de tip CAN pentru a facilita comunicarea între diversele calculatoare montate pe autovehicul.

Pentru a stabili intervalele în care se vor regăsi mărimile de interes pentru autovehiculul ce folosește rețeaua bus de tip CAN a fost folosită metoda analizării histogramelor care presupune :

Stabilirea pasului de observare a intervalului cu ajutorul relației:

Δt=(1.4.1)

Unde :

tmax- valoarea maximă a mărimii;

tmin- valoarea minimă a mărimii;

n- numărul de modele similare;

Numărul intervalelor de observare se calculează cu relația :

(1.4.2)

În tabelul 1.4.1 sunt prezentate valorile pasului intervalelor de observare precum și numărul intervalelor de observare, calculate cu formulele (1.4.1) și (1.4.2).

Tabelul 1.4.1 Valorile intervalelor de observare

Legendă: ∆t- pasul intervalului de observare; Δtales – pasul intervalului de observare ales;K- numărul de subintervale de observare; Kales – numărul de subintervale de observare ales.

Histogramele rezultate pe baza mărimilor analizate sunt :

Fig.1.4.1 – Distribuția lungimii totale a modelelor similare analizate

Fig.1.4.2 – Distribuția lațimii totale a modelelor similare analizate

Fig.1.4.3 – Distribuția înălțimii totale a modelelor similare analizate

Fig.1.4.4 – Distribuția ampatamentului modelelor similare analizate

Fig.1.4.5 – Distribuția ecartamentului față al modelelor similare studiate

Fig.1.4.6 – Distribuția ecartamentului spate al modelelor similare analizate

Conform intervalelor obținute cu ajutorul metodei histogramelor ,parametrii dimensionali alesi ai autovehiculului proiectat sunt prezentati in tabelul 1.4.2 si in figura 1.4.6 iar in tabelul 1.4.3 sunt prezentate valorile parametrilor masici

Tabelul 1.4.2 Valorile parametrilor dimensionali

Fig.1.4.6 – Parametrii dimensionali ai autovehiculului proiectat

Fig.1.4.7 – Distribuția masei proprii a modelelor similare analizate

Fig.1.4.8 – Distribuția sarcinii utile a modelelor similare analizate

Tabelul 1.4.3 – Valorile parametrilor masici

Conform STAS 6926/1-90, pentru a determina masa utila a autovehiculului vom folosi următoarele date :

-masa conducătorului autovehiculului (mc), 75 kg;

-masa unui pasager (mp), 68 kg;

-masa bagajului unui pasager (mb), 7 kg;

Aleg masa bagajului suplimentar (mba): 155 kg.

Astfel masa utilă se poate calcula cu formula 1.4.3:

mu=mc+3∙(mp+mb) +mba = 75+4∙75+155 = 530 kg (1.4.3)

Cu ajutorul formulei 1.3.4 vom calcula masa totală a autovehiculului:

ma=mu+m0=500+1350=1880 kg (1.4.4)

Unde:

-ma reprezintă masa totală a autovehiculului;

-m0 reprezintă proprie a autovehiculului;

-mu reprezintă masa utilă a autovehiculului.

1.5 Organizarea generala a principalelor unitati electronice de control si conectarea acestora

În Fig.1.5.1 și Fig.1.5.2 sunt prezentate principalele unități electronice de control ale unui autovehicul modern precum și conexiunea dintre acestea.

Fig.1.5.1- Principalele unități electronice de control – vedere laterală

Fig.1.5.2 – Principalele unitati electronice de control – vedere frontala

Legenda:

Unitatea electronică de control a motorului

Unitatea electronică de control a transmisiei

Unitatea electronică de control a ușilor

Unitatea electronică de control a caroseriei

Unitatea electronică de control A.B.S

Cupla OBD

Modulul electronic de control al proiectoarelor

Modulul electronic de control al farurilor

Modulul electronic de control al centurilor de siguranță

Modulul electronic de control al geamurilor electrice

Modulul electronic de control al airbag-ului

Modulul electronic de control al ștergătoarelor

Modulul electronic de control al stopurilor

1.6 Organizarea postului de conducere

Postul de conducere trebuie să îi asigure conducătorului autovehiculului vizibilitate sporită și confort. Este necesar ca acesta să poată să acceseze comenzile din interiorul autovehiculului fără a depune efort.

Conform SR ISO 3958:2000 – Accesul conducătorului auto la comenzile manuale, sunt trei grupe de manechine bidimensionale reprezentative simbolizate cu 10%, 50% și 90% care reprezintă procentul numărului de adulți cu lungimile segmentelor A, B și C mai mici sau cel mult egale cu:

Tabelul 1.6.1 Principalele dimensiuni ale manechinelor bidimensionale [4]

Unde :

A – distanța dintre centrul articulației genunchiului și centrul articulației gleznei;

B – distanța dintre centrul articulației genunchiului și centrul articulației șoldului

C – lungimea trunchiului manechinului

Fig.1.6.1 – Principalele dimensiuni ale manechinului bidimensional

Tabelul 1.6.2 – Intervelele unghiurilor in funcție de nivelul confortului[4]

Unghiurile și dimensiunile manechinului pentru conducător și pasager se stabilesc ținând cont de parametri dimensionali ai autovehiculului ales:

Fig.1.6.2- Poziția conducătorului

Fig.1.6.3 – Poziția pasagerului

Aleg dimensiunile manechinului bidimensional de tip 90 urmând definirea dimensiunilor de legătură ale acestuia cu elementele care alcătuiesc postul de conducere.

Intervalele de variație în care sunt cuprinse principalele dimensiuni ale postului de conducere se regăsesc în standardul SR ISO 3958:2000. Stabilind aceste valori ale distanțelor vom putea realizeaza organizarea postului de conducere.

În tabelul 1.6.3 sunt prezentate principalele dimensiuni ale postului de conducere precum și intervalele de variație ale acestora.

Tabelul 1.6.3 Dimensiunile principale ale postului de conducere[4]

Valorile alese sunt prezentate in figura 1.6.4.

Fig.1.6.4– Organizarea postului de conducere

1.7 Determinarea poziției centrului de greutate al autovehiculului

Stabilitatea autovehiculului este influențată în mod direct de poziția centrului de masă și repartizarea greutății pe punți, factorul principal în alegerea pneurilor autovehiculului, dar și un criteriu de omologare.

Determinarea centrului de greutate se realizează cunoscând atât masa cât și poziția tuturor elementelor componente ale autovehiculului. Se va calcula poziția centrului de greutate atât pentru autovehiculului descărcat cât și pentru autovehiculul încărcat.

Vom folosi discretizarea subansamblurilor în forme geometrice simple iar fiecărui subansamblu i se va atribui o masă obținută experimental, preluată dintr-un catalog sau aproximată.

Poziția centrului de greutate se calculează cu ajutorul formulelor:

Unde:

mj simbolizează masa subansamblului j [kg];

xj,zj simbolizează coordonatele centrului greutate a subansamblului j, față de sistemul de axe xOz, în [mm].

Nj simbolizează numărul total de subansambluri al caroseriei.

Fig.1.7.1 – Discretizarea principalelor componente ale caroseriei

Tabelul 1.7.1-Centralizarea maselor și a coordonatelor centrelor de greutate corespunzătoare fiecărui subansamblu al caroseriei

Cu ajutorul relațiilor (1.7.1) și (1.7.2), calculăm centrul de greutate al caroseriei :

XG[mm]

ZG [mm]

Fig.1.7.2 – Coordonatele poziției centrului de greutate al caroseriei

Determinarea poziției centrului de greutate al automobilului se va realiza tot prin discretizarea componentelor principale, prezentate în tabelul 1.7.2

Fig.1.7.3– Discretizarea principalelor componente automobilului

Tabelul 1.7.2- Centralizarea maselor și a coordonatelor centrelor de greutate corespunzătoare fiecărui subansamblu al automobilului

Cu ajutorul relațiilor (1.7.1) și (1.7.2), calculam centrul de greutate al sasiului in cazul autovehicului descarcat si incarcat :

XGdescarcat 966.379 [mm]

ZGdescarcat 615,750 [mm]

XGincarcat1485,057 [mm]

ZGincarcat 702,454 [mm]

Fig.1.7.4 – Coordonatele poziției centrului de greutate al autovehiculului încărcat si descărcat

1.8 Determinarea încărcării pe punți

Determinarea încărcării pe punți se realizează după calcularea poziției centrului de greutate al autovehiculului, cunoscând masa acestuia cu ajutorul relațiilor de calcul (1.8.1) și (1.8.2)[8].

Unde:

m1 și m2 simbolizează masele pe punțile din față respectiv spate [N];

a și b simbolizează distanța dintre axa roții din față și poziția centrului de greutate respectiv axa roții din spate și poziția centrului de greutate [mm];

L simbolizează lungimea ampatamentului [mm];

ma simbolizează masa totală a automobilului în [kg].

Folosind relațiile de calcul (1.8.1) și (1.8.2) rezultă:

Pentru autovehiculul descărcat:

Pentru autovehiculul încărcat:

Cu ajutorul formulei (1.8.3) putem determina încarcarea pe punte procentual : [1]

Unde:

mi%= încărcarea in procente;

mi= valoarea incarcarii pe puntea din față/spate [kg] ;

ma = masa propie [kg].

Rezulta :

Pentru autovehiculul descărcat:

Pentru autovehiculul încărcat:

1.9 Alegerea pneurilor

Pentru alegerea pneurilor ce echipează autovehiculul de proiectat este necesară cunoașterea indicelui de sarcină. Acesta reprezintă sarcina maximă pe care un pneu o poate suporta la viteză maximă, în kilograme fiind indicată de indicele de viteză. Se determină în funcție de sarcina pe fiecare roată care se calculează cu ajutorul formulei:

Unde:

Zp = sarcina pe fiecare roată ;

m1 = masa punții față.

Așa cum s-a calculat în subcapitolul 1.8 , cu ajutorul formulei 1.9.1 calculam sarcina maximă suportată de puntea din spate , fiind cea care suportă încarcarea ce mai mare :

În urma calculului rezultă că indicele de sarcină minim este 86, însă din motive de sigurantă este indicat să se aleagă pneuri cu un indice de sarcină superior.

În urma calculelor efectuate alegem pneurile de vara Bridgestone 195/65R15 91H

1.10 Determinarea rezistentelor la înaintare și a puterilor necesare învingerii acestora

Pentru a defini performantele motorului vom calcula rezistentele la inaintare pe care autoturismul trebuie sa le invinga.

Rezistenta la rulare este principala rezistenta intalnita de automobil pana la atingerea vitezei de 60 km/h. Coeficientul de rezistenta la rulare se poate calcula cu ajutorul formulei (1.10.1) :

f `(V) = f0 + f01 V + f02 V2 (1.10.1) [1]

Unde :

este coeficientul de rezistență la rulare la viteză mică

[h/km] și [h2/km2] reprezinta coeficienții de influență ai vitezei.

Valorile coeficientilor de rezistenta la rulare a pneurilor sunt prezentate în tabelul 1.10.1

Tabelul 1.10.1 – Valorile coeficientilor de rezistenta la rulare [1]

Pneul ales este de tip radial cu secțiune joasă , rezultă că ecuația coeficientului de rezistentă la rulare devine :

f `(V) = 1.16110 10-2 +1.0002 10-5 V + 2,9152 ∙ 10-7 V2

Viteza maxima a autovehiculului este de 180 [km/h] rezultă că valoarea maximă a coeficienului de rezistentă la rulare este :

f `(V) = 1.16110 10-2 +1.0002 10-5 180 + 2,9152 ∙ 10-7 1802

1.10.1 Definitivarea coeficientului de rezistenta al aerului si calculul ariei secțiunii transversale :

La viteze ridicate rezistenta aerului reprezinta principala rezistenta pe care automobilul trebie sa o invinga la deplasarea pe un drum drept. Din literatura de specialitate putem afla ca Cx in cazul autoturismelor combi poate lua valori intre 0,3…0,34 . Aleg Cx=0,3.

Aria sectiunii transversale se calculeaza cu ajutorul formulei :

A = kAEHa [m2] (1.10.2) [1]

Unde :

kA reprezinta coeficientul de corectie a ariei

E reprezinta ecartamentul autovehiculului

Ha reprezinta inaltimea maxima a autovehicului

Considerând kA = 1 eroarea este de +5…+10% la autoturisme.

Rezultă :

A = 1.551.51 = 2.325 [m2]

1.10.2 Calculul puterilor necesare învingerii rezistențelor la înaintare

Principalele rezisțente la înaintare întâmpinate de autovehicul sunt: rezistența la rulare, rezistența la panta, rezistența la demarare și rezistența aerului. Vom calcula rezistențele la înaintare la deplasarea în palier cu viteză constantă, fără vânt, așadar ecuația pentru calculul rezistentelor la înaintare este:

Rrul + Ra + Rp (1.10.3) [1]

Rrul = f Ga cos(αp) [daN](1.10.4) [1]

Raer [daN];(1.10.5) [1]

Rrampa = p Ga [daN];(1.10.6) [1]

Unde :

k – reprezintă coeficientul aerodynamic ( k = 0,06125Cx = 0,018 )

Ga – reprezintă greutatea automobilului la sarcina maxima, Ga= 1323,8 [daN]

p – reprezintă tg(αrampă) , considerăm αrampă = 10ș ( tg(αrampă) = 0,176 )

Rezultă :

Rrul [daN]

Ra [daN]

Rrampă = 0,176 1323,8 = 232,98 [daN]

Vom calcula rezistențele la înaintare la deplasarea în palier cu viteză constantă , fără vânt , așadar ecuația pentru calculul rezistențelor la înaintare este :

(1.10.7)

(1.10.8)

Tabelul 1.10.2 Valorile rezistențelor la înaintare in funcție de viteza de deplasare

Capitolul 2 – Studiul rețelelor C.A.N.

2.1 Introducere

CAN sau controller area network este un protocol de comunicare de tip magistrala (bus) dezvoltat de Bosch în anii 1980. Acesta definește un standard pentru comunicațiile eficiente între senzori, actuatori, controlere și alte tipuri de noduri în timp real.

La început dezvoltarea protocolului a fost susținută în mare parte de industria automobilelor, în prezent fiind folosit de către majoritatea producătorilor de automobile, autocamioane, ambarcațiuni, avioane și nu numai. Protocolul CAN este de asemenea foarte des întâlnit și în aplicațiile industriale automatizate, echipamente medicale și multe alte domenii ce folosesc sisteme împerecheate (embedded systems).

În industria auto utilizarea sistemelor împerecheate a devenit o necesitate. Conectând toate subsistemele autovehiculului la o rețea care permite comunicarea acestora atât performanțele cât și siguranță acestora au fost îmbunătățite considerabil.

Progresul și succesul CAN-ului se datorează mai multor factori. Evoluția sistemelor microelectronice a pavat calea introducerii unei rețele de comunicare între microcalculatoare.

La începutul anilor 1980 lipsa unui protocol standardizat, cu costuri relativ reduse, ce putea fi folosit pentru integrarea sistemelor controlate în timp real l-a împins pe Prof. Dr. Uwe Kiencke să înceapă în anul 1983 dezvoltarea unui nou protocol de comunicație de tip magistrala. Acest protocol a fost prezentat în anul 1986 la congresul SAE din Detroit sub denumirea de CAN, fiind standardizat la nivel internațional în anul 1993 (ISO-11898-1).

Dezvoltarea protocolului a fost necesară datorită nevoii de funcționalități noi și reducere a firelor ce realizau conexiunea diverselor dispozitive. Adoptarea protocolului de către marile companii din industria auto a dus la producerea în masă a controlerelor CAN, după cum putem observa în figură 2.1. În 2007 producția anuală de module CAN a fost estimată la 600 de milioane de module.

Fig.2.1.1-Numarul de dispozitive CAN vandute intre anii 1999-2003

2.2 Tipuri de retele CAN

Rețeaua CAN poate conține diferite straturi fizice ce pot fi folosite. Acestea clasifica diferite aspecte ale rețelei precum: nivelurile electrice, schemele semnalelor, impedanța cablurilor, viteza de transfer a datelor, etc.

În funcție de aceste straturi, principalele rețele de tip CAN sunt:

Rețea CAN de mare viteză cu date flexibile: permite transferul datelor cu o viteză de până la 1Mbit/s și este folosită la comunicarea între sistemele de siguranță activa ale autovehiculului (ex: ABS, ESP, ASR, etc.), modulele de control ale motorului și ale transmisiei în cazul autovehiculelor cu cutie de viteze automată și sistemele de control ale emisiilor poluante.

Rețea CAN cu viteză redusă toleranță la erori: Cu o viteză de transfer a datelor de până la 125 Kbit/s, se folosește în general la conectarea dispozitivelor care țin de confort (ex: sistemul de climatizare) sau a dispozitivelor care au nevoie de un nivel ridicat de securitate (ex: închiderea centralizată).

2.3 Descriere

În Fig.2.2 este prezentată o rețea de tip CAN cu 3 noduri. Specificațiile protocolului definesc transferul de date între noduri.

Nodurile transmit mesaje într-un format standard, mesaje care sunt filtrate și acceptate doar de nodurile care au nevoie de informația transmisă. Exemplu: un senzor de lumină transmite un mesaj care este interpretat de calculatorul ce controlează farurile și ignorat de calculatorul de injecție.

Fig.2.2.1 – Rețea CAN cu 3 noduri

2.2.1 – Formatul mesajelor

Fig.2.2.2 – Structura unui mesaj transmis pe CAN [5]

S.O.F. (start of frame) – reprezinta inceputul structurii si ii este alocat 1 bit care poate fi 0 sau 1

Identifier – este alcătuit dintr-o înșiruire de 11 biți ce reprezintă codul de identificare al mesajului precum și prioritatea acestuia.

R.T.R (remote transmision request) – acestui câmp îi este atribuit 1 bit care are valoarea 0 atunci când nodul transmite informații și 1 când acesta solicita informații.

Control – reprezintă un câmp de 6 biți care au rolul de a indica numărul de biți ce urmează a fi transmiși în câmpul următor

Dată – este un câmp ce poate avea de la 0 la 64 de biți, ce conține informația propriu-zisă ce dorește a fi transmisă

CRC (cyclic redundancy check) – acest câmp are rolul de a calcula o sumă a biților transferați iar nodul care primește informația calculează suma biților recepționați apoi compara ambele rezultate. Dacă cele 2 sume sunt egale înseamnă că mesajul nu a fost deteriorat.

ACK (acknowledgement) – prin intermediul acestui câmp, transmițătorul, primește de la nodul care a recepționat mesajul o confirmare că mesajul a fost transmis bine. Acestui câmp îi sunt alocați 2 biți.

EOF (end of frame) – reprezintă finalul structurii. Acestui câmp îi sunt alocați 7 biți.

2.2.2 – Arbitrarea conflictelor

Arbitrarea reprezintă mecanismul care se ocupă de conflictele apărute în rețea. Atunci când banda rețelei este liberă oricare nod poate transmite un mesaj, în felul acesta fiind posibilă apariția unui conflict. Conflictele se rezolvă cu ajutorul câmpului Identifier. Fiecare nod transmite pe CAN identifier-ul care este comparat cu valorile transmise în rețea. Dacă dispozitivul detectează un nivel dominant acesta se oprește din transmiterea mesajelor până când îi este permis să transmită.

În Fig.2.4 Este prezentat un exemplu în care 3 noduri doresc să transmită mesaje în același timp.

Fig.2.2.3 – Exemplu de arbitrare a mesajelor pe CAN [5]

Inițial fiecare nod transmite pe CAN valoarea 0 care reprezintă începutul transmisiunii mesajelor. În exemplul prezentat valorile câmpului Idenifier au sunt reprezentate cu I1, I2 și I3 și au valorile:

I1 = 11001101010 I2 = 11001011011 I3 = 11001011001

După transmiterea câmpului SOF, nodurile încep transmiterea cadrelor Identifier și continua atâta timp cât valorile transmise sunt egale. Putem observa că al 6-lea bit al I1 are o valoare recesivă în timp ce I2 și I3 au o valoare dominantă. În acest moment Nodul 1 se oprește din transmiterea mesajelor și devine recesiv iar I2 și I3 continua transmiterea valorilor până la al 10-lea bit, moment în care I2 oprește transmisiunea iar Nodul 3 primește acordul să transmită mai departe mesajul pe CAN.

Consecința mecanismului de arbitrare a mesajelor pe CAN este că nodurile cărora le este atribuită o prioritate scăzută pot avea întârzieri foarte mari în transmiterea mesajelor dacă nodurile cu o prioritate ridicată sunt foarte active.

2.2.3 – Manipularea erorilor

Detectarea erorilor și manipularea acestora reprezintă un aspect foarte important al eficienței protocolului CAN. Datorită mecanismelor de detectare a erorilor probabilitatea ca o eroare să nu fie detectată este foarte mică. Erorile se pot detecta în mai multe moduri:

Monitorizarea biților – reprezintă un proces prin care fiecare transmițător monitorizează transmiterea biților și indică o eroare de bit dacă rețeaua nu transmite valoarea indicată. Această procedură nu se realizează în timpul arbitrarii conflictelor. După transmiterea a 5 biți identici (ex: 0) un nod va transmite întotdeauna o valoare opusă (1), valoare neglijată de către nodul ce recepționează mesajul.

Verificarea structurii mesajelor: este o procedură în care se verifică dacă fiecare câmp al mesajului are valoarea care ar trebui. Spre exemplu câmpul EOF este alcătuit din 7 biți cu valori recesive ce sunt verificați și apoi validați.

ACK – în momentul transmiterii câmpului ACK, valorile transmise de nodul emițător sunt recesive iar nodul care primește mesajul are obligația de a transmite înapoi valori dominante. Dacă transmițătorul nu detectează valorile dominante este semnalata o eroare.

CRC – nodul care transmite mesajul va calcula o sumă a biților transferați iar nodul care recepționează mesajul va calcula o sumă a biților recepționați. Dacă cele două sume nu sunt egale se va semnala o eroare.

Fiecare nod care primește mesaje încearcă să detecteze dacă acestea conțin erori iar atunci când o eroare este detectată se inițializeaza procesul de retransmitere a mesajului ce conține erori.

2.4 Arhitectura retelei CAN

In industria auto Controller Area Network sau CAN este folosit pentru a conecta unitatile electonice de control ale unui autovehicul la o retea performanta, capabila sa transmita date cu un randament ridicat, permitand asftel dezvoltarea noilor aplicatii necesare industriei.

Fiecare dispozitiv, indiferent de complexitatea acestuia, reprezinta un nod al retelei. Nodurile pot fi formate din dispozitive simple de intrare/iesire (I/O) sau calculatoare complexe cu o interfata CAN si un software complex.

Nodurile sunt alcatuite in general din 3 componente:

unitate centrala de procesare: are rolul de a descifra si interpreta mesajul primit. Se pot atasa senzori, actuatori si dispozitive de control.

Controler CAN: de obicei este integrat in unitatea centrala de procesare. Atunci cand un mesaj este primit controlerul are rolul de a stoca biti primiti unul cate unul pana cand mesajul este complet, moment in care mesajul este transferat unitatii centrale de procesare. Cand un nod decide sa transmita un mesaj unitatea centrala de procesare ii transfera mesajul controlerului care il trimite atunci cand reteaua este libera.

Transceiver CAN: este interfata fizica intre modulul CAN si reteaua CAN.

Fig.2.4.1 – Schema bloc a unui nod CAN

Rețeaua CAN este alcătuită din 2 fire torsadate, în scopul reducerii interferenței electromagnetice. În specificațiile tipului de cablu este prevăzut și numărul de răsuciri pe o distanță de un metru. Cu cât acest număr este mai mare cu atât mai mult este redusă interferența electromagnetică. La fiecare capăt al rețelei sunt montate 2 rezistente de 120 Ω (Fig.2.7) pentru suprimarea reflexiei, fenomen des întâlnit atunci când un semnal este transmis prin intermediul unui fir. În cazul rețelelor CAN cu viteză redusă, tolerante la erori, rezistențele sunt montate la conectarea fiecărui nod (Fig.2.6).

Fig.2.4.2 – Schema rețelei CAN cu viteza redusă tolerantă la erori

Fig.2.4.3 – Schema rețelei CAN de mare viteză

Firele rețelelor CAN de mare viteză, denumite CAN High și CAN Low sunt alimentate la o tensiune nominală de 2.5V și au o diferență de tensiune de 2 V atunci când transmit un bit dominant (0) și 0 V atunci când este transmis un bit recesiv (1). Valoarea tensiunii electrice crește până la valoarea de 3,75 V pe CAN High și scade până la valoarea de 1,25 V pe CAN Low, după cum putem observa în Fig.2.8.

Fig.2.4.4 – Modul de comunicare al rețelei CAN de mare viteză

În cazul rețelei CAN cu viteză redusă toleranță la erori valoarea tensiunii pe CAN Low crește până la 5 V și scade până la aproape 0 V (în jur de 0.3 V) pe CAN High, atunci când este transmis un bit recesiv (1). Valorile rămân neschimbată (3,75V pe CAN High și 1,25 pe CAN Low) atunci când este transmis un bit dominant, așa cum se poate observa în figură 2.9.

Fig.2.4.5 – Modul de comunicare al rețelei CAN cu viteză redusă tolerantă la erori

2.5 Avantajele/dezavantajele utilizării rețelei CAN

În trecut, pentru conectarea diverselor dispozitive electrice, se folosea câte o legătură electrică separată pentru fiecare canal de comunicație, ceea ce înseamnă o masă mare a firelor și o complexitate foarte mare a rețelei de comunicație.

Prin folosirea sistemelor de comunicație de tip CAN se elimină cantități importante de conectori și cabluri iar sistemul de comunicație se simplifică, diagnosticarea acestuia fiind mult mai ușor de realizat iar în cazul în care un fir este întrerupt comunicarea se poate realiza pe un singur fir iar informația nu este pierdută.

Principalele avantaje sunt:

Prețul redus și masa redusă a firelor – CAN este o rețea rezistența în timp, cu un cost relativ scăzut ce permite comunicarea unui număr mare de dispozitive prin conectarea acestora la o singură magistrala, comună, așadar numărul firelor cât și lungimea acestora sunt reduse drastic (Fig.2.10). Folosind rețeaua CAN compania BMW a reușit în anul 1986 să reducă lungimea firelor din interiorul automobilului cu peste 2 km iar masa acestuia a scăzut semnificativ, cu aproximativ 50 de kg.

Transmisiune partajată – Cu ajutorul unui cip, capabil să decodeze mesajele transmise, dispozitivele conectate la rețea citesc toate mesajele transmise iar fiecare este capabil să decidă dacă mesajele primite sunt relevante sau nu iar apoi să execute comanda primită dacă este cazul. Această structură permite modificarea rețelei cu un impact minim asupra funcționalității.

Prioritizarea mesajelor – Fiecare mesaj transmis are o anumită prioritate astfel încât dacă 2 dispozitive încearcă să transmită câte un mesaj simultan, cel cu prioritate mai mare va fi transmis iar celălalt va fi amânat.

Capacitatea detectării erorilor – specificațiile CAN prevăd un Cod Ciclic Redundant (CRC – Cyclic Redundancy Code) care verifica erorile fiecărui masaj. Mesajele care conțin erori sunt ignorate de toate dispozitivele iar dacă se detectează un dispozitiv care transmite un număr mare de erori în mod frecvent acesta se deconectează singur de la rețea

Fig. 2.5.1- Reducerea numărului de fire folosind rețeaua CAN

Principalele dezavantaje sunt:

Numarul limitat de noduri: Retelele de tip CAN suporta un numar maxim de 64 de noduri datorita supraincarcarii electrice.

Lungimea maxima a firelor este de 40 m.

In timp este posibil sa apara interactiuni nedorite intre nodurile retelei

Dezvoltarea softurilor si mentenanta retelei au un cost relativ ridicat.

2.6 Domenii de utilizare

Protocolul CAN a fost realizat pentru a facilita comunicatiile intre calculatoarele unui automobil dar datorita avantajelor pe care le aduce in materie de comunicare intre module electronice acest protocol este utilizat si in alte domenii:

Industria robotilor, a automatizarilor

Industria aeronautica

Echipamente electronice

Electrocasnice

2.7 Extensii ale protocolului

2.7.1 Adaptoare CAN

Adaptoarele CAN (gateways) sunt dispozitive ce permit conectarea rețelei CAN cu altă rețea ce folosește un alt protocol, de exemplu CAN- RS232 și CAN-TCP/IP.

CAN- RS232 este un adaptor care se poate conecta la Laptop prin portul USB și oferă acces la rețeaua CAN (Fig.2.11).

Fig.2.7.1- Adaptor CAN-USB

CAN-TCP/IP – este un adaptor ce poate oferi acces la rețeaua CAN prin intermediul internetului și permite monitorizarea și mentenanța rețelei de la distanță.

Fig.2.7.2- Exemplu de adaptor CAN-TCP/IP

2.7.2 Comunicatii CAN de tipul time-triggered (declansate de timp)

Standardul ISO 11898-4 denumeste acest tip de comunicatie drept TTCAN

În mod normal comunicarea pe CAN este asincrona, ceea ce înseamnă că fiecare dispozitiv poate transmite mesaje atunci când este necesar. Aceasta este o variantă eficienta în împărțirea egală a resurselor rețelei în majoritatea cazurilor.

Există totuși o multitudine de aplicații care necesită acces garantat la rețea în perioade fixe de timp. În industria auto acestea sunt aplicații ale sistemelor de control x-by-wire, sisteme ce înlocuiesc legăturile mecanice ale diverselor componente cu legături electrice, de exemplu pedala de accelerație.

Protocolul TTCAN permite funcționarea în paralel a nodurilor ce folosesc protocolul CAN. Nodurile ce folosesc TTCAN sunt sincronizate prin intermediul unui ceas iar fiecare dintre ele are la dispoziție o perioadă exactă de timp în care poate transmite mesaje.

Capitolul 3 – Structura sistemului de injecție BOSCH E.D.C.

3.1. Introducere

„Motorul meu încă face progrese enorme”, este o frază rostită de Rudolf Diesel în 1895 care se adeverește și în prezent. Motoarele cu ardere prin comprimare au trecut de-a lungul timpului printr-o continuă dezvoltare, fie că vorbim de turbosupraalimentarea acestora sau de noile metode de reducere a emisiilor poluante precum dotarea acestora cu supapa E.G.R și filtrul de particule ajungând să fie în prezent printre cele mai folosite motoare.

Fig.3.1.1- Motor Diesel staționar fabricat în anul 1902 de către compania MAN, capabil să producă o putere de 5.9 kW la 270 rpm.

3.2 Istoric

Motorul cu ardere prin comprimare sau Diesel cu este denumit după Rudolf Diesel este un motor cu ardere internă în care aprinderea combustibilului introdus în camera de ardere are loc datorită temperaturii ridicate a aerului care se afla în cilindru. Pe durata ciclului de comprimare, motoarele cu ardere prin compresie, comprima doar aer. Prin comprimarea aerului atât presiunea cât și temperatura acestuia cresc suficient de mult încât să poată aprinde combustibilul injectat și să producă mai departe lucru mecanic.

Primele pompe de injecție au fost produse în serie în anul 1927 și au fost instalate pe autovehicule comerciale în 1932 și pe autoturisme în 1936. Din acel moment dezvoltarea motoarelor cu ardere prin comprimare a fost iminentă. În anul 1976 motorul Diesel a primit o mare îmbunătățire atunci când Bosch a introdus pompa de injecție directă cu distribuitor automat de sincronizare iar 10 ani mai târziu, după un proces complex de cercetare și dezvoltare a fost introdus pe piața primul sistem electronic de control al motoarelor cu ardere prin comprimare.

Dezvoltarea sistemelor electronice de control a dus la îmbunătățirea performantelor motoarelor cu ardere prin comprimare care au devenit mai silențioase, mai economice și mai puțin poluante.

E.D.C sau electronic diesel control este un sistem de control al injecției de combustibil dezvoltat pentru a măsura și distribui cu exactitate cantitatea de motorină necesară pentru a obține un randament superior de funcționare a motoarelor Diesel.

Acest sistem este întâlnit la majoritatea motoarelor Diesel chiar dacă acestea pot folosi diferite tipuri de sisteme de injecție precum:

Injecție directă cu pompă-distribuitor

Injecție directă cu rampa comună

Injecție directă cu pompă-injector

Deși aceste tipuri de sisteme de injecție diferă din multe puncte de vedere și sunt instalate pe o gamă largă de autovehicule, fiecare este echipat cu diferite variante ale sistemului E.D.C.

3.3 Componența sistemului

Spre deosebire de sistemele de injecție convenționale conducătorul unui autovehicul dotat cu sistemul E.D.C nu are o influență directă asupra cantității de motorină injectată în cilindru așa cum se întâmplă de exemplu în cazul sistemelor convenționale în care pedala de accelerație, prin intermediu unui sistem de cabluri controlează direct injecția de combustibil.

În cazul motoarelor controlate cu E.D.C cantitatea de combustibil injectata se obține prin calcularea unor variabile cum ar fi:

Poziția pedalei de accelerație,

Temperatura motorului,

Intervenția sistemelor auxiliare (ex: sistemul de control al tracțiunii),

Respectarea strategiilor de control a emisiilor poluante, etc.

Ținând cont de aceste variabile, unitatea electronică de control sau ECU calculează atât momentul oportun cât și cantitatea de combustibil necesară pentru a realiza injecția și se reglează automat prin strategii de funcționare în buclă închisă.

Sistemul E.D.C permite comunicarea cu alte sisteme electronice ale autovehiculului precum controlul tracțiunii sau E.S.P. astfel că sistemul de management al motorului este integrat în întregul sistem de control al autovehiculului.

Acesta este alcătuit din 3 blocuri de sisteme așa cum se poate observa în Fig.3.2.:

Senzori: Sunt folosiți pentru a detecta valorile de operare (ex: turația motorului, temperatura, s.a.m.d.). Aceste valori fizice sunt apoi convertite în semnale electrice.

Unitatea electronică de control: Denumită și ECU/ECM/PCM are rolul de a procesa informația de la senzori iar apoi în urma calculelor, de a trimite informația către actuatori. Aceasta reprezintă interfața dintre senzorii motorului și celelalte sisteme electronice

Actuatori: Aceștia au rolul de a converti semnalele electrice primate de la E.C.U. în acțiuni fizice cum ar fi deschiderea supapei solenoid care controlează injecția.

Fig.3.3.2. Structura sistemului EDC: 1 – senzori ; 2 – Unitatea electronică de control ; 3 – Actuatori ; 4 – Interfata către celelalte sisteme ; 5 – Interfata pentru sistemul de diagnosticare [2]

3.3.1 Senzori

Senzorii sunt dispozitive tehnice ce măsoară mărimi fizice (masa, presiunea, temperatura, etc.) pe care le convertește apoi în semnale electrice. În industria auto senzorii reprezintă interfața dintre unitățile electronice de control și funcțiile complexe ale autovehiculului.

Cei mai important senzori care se regăsesc în component sistemului E.D.C sunt:

Senzori de temperatura: în funcție de aplicație aceștia pot fi senzori de temperatura a motorului, care măsoară temperatura lichidului de răcire, senzori de temperatura a aerului, montați în galeria de admisie, măsoară temperatura aerului care intră în motor, senzori ce măsoară temperatura uleiului sau a combustibilului precum și senzori care măsoară temperatura gazelor de evacuare. Temperaturile măsurate de acești senzori sunt în general cuprinse între -40°C și +120°C, excepție fiind temperatura gazelor de evacuare care poate atinge și 1000°C. În funcție de aplicație aceștia pot fi NTC (negative temperature coefficient) sau PTC (positive temperature coefficient) cei mai răspândiți fiind senzorii de tip NTC și sunt alcătuiți dintr-un semiconductor a cărui valoare este dependentă de temperatură. În cazul senzorilor NTC la creșterea temperaturii rezistenta electrică a acestora scade brusc (Fig.3.3) iar în cazul senzorilor PTC aceasta crește.

Fig.3.3.3 – Variația rezistenței electrice a unui sensor NTC cu temperatura [2]

Senzori de presiune: măsoară în general presiunea aerului din galeria de admisie, presiunea atmosferică, a uleiului sau a combustibilului aflat în rampă comună sau pe traseul de alimentare. În general elementul senzorial este un chip din siliciu ce are integrat o membrană senzorială și 4 rezistente din material piezo. La aplicarea presiunii asupra membranei aceasta se deformează modificând valoarea rezistentelor și rezultând o tensiune de ieșire proporțională cu presiunea (Fig.3.4).

Fig.3.3.4 – Variația tensiunii de ieșire cu presiunea [2]

Senzori de turație inductivi: aceștia măsoară turația motorului și poziția arborelui cotit pentru a putea determină poziția pistonului. În figură 3.5 a este prezentat un senzor de turație inductiv montat pe o roată dințată. Acesta este alcătuit din: 1 – magnet permanent, 2 – conector electric, 3 – suport metalic, 4 – piesa polară, 5 – bobinaj electric, 6 – strat de aer, 7 – roata dințată. La trecerea senzorului prin dreptul unui dinte al roții fluxul magnetic prin înfășurările bobinei crește ceea ce duce la o creștere a tensiunii de ieșire. Atunci când senzorul se afla în dreptul spațiului dintre dinți tensiunea de ieșire scade iar astfel putem obține frecvența de trecere a senzorului prin dreptul fiecărui dinte. Dinți fiind distanțați în mod egal această frecvență ne indică turația roții.

În figură 3.5b se observă procesul detaliat mai sus. 1- tensiunea de ieșire atunci când senzorul se află în dreptul unui dinte; 2 – tensiunea de ieșire atunci când un senzor se află în dreptul spațiului dintre dinți; 3 – Lipsa a 2 dinți consecutivi indică o rotație completă a arborelui cotit.

Fig.3.3.5a – Senzor inductiv de turație [2] Fig.3.3.5b – Variația tensiunii de ieșire în funcție de timp [2]

Senzori cu efect Hall: aceștia pot măsura turația motorului, poziția arborelui cu came, turația arborilor din cutia de viteză sau turația roților (folosiți la sistemul ABS).

Fig.3.3.6. – Exemplu de montaj al unui senzor cu efect HALL: 1 – disc metalic; 2 – magnet permanent; 3 – element sensibil HALL [2]

La trecerea magneților permanenți prin dreptul elementului sensibil Hall acesta generează un impuls electric datorită variației câmpului magnetic.

Potențiometrul: este un divizor de tensiune, practic, un rezistor cu un element mobil poziționat cu ajutorul unei manete. Este montat pe pedală de accelerație și transformă cursa pedalei într-o valoare a tensiunii de ieșire care este apoi transmisă calculatorului de injecție.

Senzori pentru măsurarea debitului de aer: se folosesc pentru a măsura debitul de aer ce intră în cilindri. Există debitmetre de aer cu fir cald (hot wire) sau cu peliculă caldă (hot film). Chiar dacă diferă din punct de vedere constructiv, principiul de funcționare este identic. Firul sau peliculă, fiind parcurse de un curent electric sunt încălzite iar odată cu creșterea temperaturii rezistenta electrică a acestora crește și ea. Când motorul este pornit iar aerul circula pe lângă fir temperatura acestuia scade împreună cu rezistența electrică iar curentul electric ce îl parcurge crește pentru a ajunge la aceeași temperatură. Astfel valoarea tensiunii electrice ce parcurge firul variază în funcție de masă de aer care trece prin senzor, așa cum se poate observa în figură 3.6.

Fig.3.3.7. – Variația tensiunii de ieșire în raport cu debitul de aer ce parcurge un debitmetru cu fir cald [2]

Senzor de oxigen (sonda Lambda): are rolul de a măsura cantitatea de oxigen din gazele de evacuare iar informațiile primite de calculatorul de injecție sunt utilizate pentru mai multe funcții de control ale motorului precum: regenerarea catalizatorului de NOx, controlul cantității de gaze arse introduse în motor de supapa E.G.R, limitarea emisiilor de fum la sarcina maximă și adaptarea cantității de combustibil introdusă în cilindru.

3.3.2. Unitatea electronică de control – E.C.U.

Fig.3.3.8 – Unitate electronică de control BOSCH E.D.C.16

Unitatea electronică de control sau ECU, este un calculator care controlează unul sau mai multe sisteme electronice într-un automobil. Acesta primește semnale electrice de la senzori, le procesează și apoi trimite semnalele de acționare a actuatorilor.

Automobilul modern are un număr din ce în ce mai mare de calculatoare diferite, cele mai importante fiind:

ECM – engine control module – calculatorul responsabil de controlul motorului

TCM – transmission control module – calculatorul responsabil de controlul transmisiilor automate

BCM – body control module – calculatorul responsabil de controlul sistemelor electronice ale caroseriei (ex: închiderea centralizată, geamurile electrice, etc.)

Condiții de operare: unitatea electronică de control este proiectat să reziste la solicitări mecanice și termice extreme cum ar fi:

Diferențe mari de temperatură (-40°C… 140°C)

Expunere la contaminarea cu ulei, combustibil, apa, etc

Expunere la praf și umezeala

Solicitări și vibrații mecanice

Pe lângă solicitările mecanice și termice o condiție importantă este funcționarea acestuia în cazul oscilațiilor de tensiune electrică sau în cazul expunerii la perturbații electromagnetice.

Design și construcție: Principalele părți componente ale calculatorului de injecție sunt: carcasa (2) din plastic sau metal, placă de bază (1) ce conține circuitele electronice și conectorul (3) prin care se primesc semnalele electrice de la senzori și se comandă actuatoarele. Majoritatea componentelor electronice folosesc tehnologia SMD (surface mounted device).

Fig.3.3.9 – Unitate electronică de control Continental EMS

În funcție de tipul motorului, M.A.S, M.A.C, electric sau hibrid sau de sistemele auxiliare ale acestuia, conectorul are un număr variabili de pini (intrări de la senzori, comanda actuatoarelor, alimentare, etc.). La un motor modern calculatorul de injecție poate depăși 100 de pini.

Fig.3.3.10 – Dispunerea pinilor la un calculator de injecție Delphi MT62.1

Procesarea datelor: Semnalele de intrare provin de la sensorii montati pe diverse componente ale autovehicului prin intermediul sistemului electric al acestuia si sunt de mai multe tipuri:

Analogice – acestea pot avea o infinitate de valori. Cateva exemple de semnale analogie sunt: Tensiunea bateriei, presiunea turbinei, temperatura lichidului de racire. Valorile semnelelor analogice sunt convertite in valori digitale de catre microprocesor.

Digitale – acestea pot lua doar 2 valori 0 si 1. Exemple de semanle digitale sunt semnalele comutatoarelor pornit/oprit. Aceste semnale sunt procesate direct de catre microcontroller.

Pulse-shaped – semnalele de tipul Pulse shaped sunt semnalele provenite de la senzorii inductivi care contin informatii despre piese aflate in miscare de rotatie.

Conditionarea semnalelor: este obligatorie pentru a pastra tensiunea semnalelor intr-un interval permisibil. Prin aplicarea tehnicior de filtrare si amplificare a semnaleor se pastreaza tensiunea necesara functionarii microcontrolerului (0-5V).

Functionarea: Din punct de vedere functional calculatorul de injectie este alcatuit din mai multe blocuri (Fig.3.10), cele mai importante sunt:

blocul de alimentare de la baterie (+BAT)

blocul de procesare a semnalelor de intrare

unitatea centrală de procesare CPU (μCONTROLER – microcontroler)

memoria nonvolatilă (EEPROM)

modulul de monitorizare

etajul de amplificare a comenzii actuatoarelor

Fig.3.3.11 – Unitate electronică de control – schema bloc [9]

Microcontroerul reprezintă componenta principală a unui calculator. Acesta controlează intrările și ieșirile, realizează operațiile matematice și logice și cronometrează timpul cu ajutorul unui cristal de cuarț. Conține la rândul lui o memorie Flash EPROM, o memorie RAM, un convertor analog/digital și un modul CAN.

Flash EPROM reprezintă o memorie ROM (read only memory) ce poate fi ștearsă electric și reprogramată. Memoria ROM este o memorie a cărui conținut a fost scris definitiv în procesul de fabricare și nu mai poate fi modificat ceea ce înseamnă că pentru realizarea unei noi aplicații este necesară adăugarea unei noi memorii. Memoria Flash EPROM are avantajul că poate fi ștearsă și reprogramată iar astfel se reduc costurile și timpul necesar realizării noilor aplicații.

Memoria RAM (random access memory) este o memorie cu acces aleator. Calculatorul are nevoie de o astfel de memorie ce îi permite să scrie sau să citească datele procesate în timp real. Este folosită în timpul funcționarii motorului pentru a stoca toate variabilele din algoritmul de control al acestuia.La oprirea motorului alimentarea calculatorului este întreruptă iar informațiile stocate în memoria RAM se pierd.

Convertorul analog/digital transforma semnalele analogice primite de la anumiți senzori (poziția pedalei de accelerație, presiunea de supraalimentare, etc.) în semnale digitale preluate și interpretate de către calculator.

Modulul CAN permite comunicarea calculatorului de injecție cu restul calculatoarelor automobilului și cu dispozitivele de diagnosticare.

Memoria EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) reprezintă memoria în care sunt salvate informațiile memoriei RAM care nu trebuie pierdute (ex: codurile de eroare). Acest tip de memorie permite ștergerea adreselor de memorie individuale fără a afecta celelalte date stocate.

Modulul de monitorizare are rolul de a supraveghea microcontrolerul iar atunci când o eroare este detectată acesta activează funcțiile de avarie pentru protejarea motorului.

3.3.3 – Elemente de acționare

Actuatoarele sunt subansamble care produc lucru mecanic fiind acționate prin diferite tipuri de semnale semnale.

În componența sistemului Bosch EDC16 sunt mai multe tipuri de actuatoare cele mai importante fiind:

Supapa E.G.R, un element de acționare electropneumatic care are rolul de a introduce o parte din gazele arse înapoi în cilindru, pentru a limita emisiile de NOx .

Supapa westgate, este un de reglare a presiunii de supraalimentare care are rolul de a limita presiunea generată de turbina la o valoare ce permite o bună funcționare a motorului.

Bujiile incandescente care au rolul de a încălzi aerul din interiorul cilindrului atunci când motorul este pornit la temperaturi scăzute.

Clapeta de accelerație, acționată electropneumatic are rolul de a controla cantitatea de aer proaspăt ce intră în cilindrii motorului.

3.3.4 – Comunicarea intre componentele calculatorului de injectie

Pentru a putea realize funcțiile necesare componentele unui calculator trebuie să comunice între ele. Acestea folosesc o magistrală de tipul adresa/date pe care microcalculatorul o folosește pentru a accesa o adresă specifică a memoriei RAM.

Uzual se folosesc magistrale de 16 biți ce pot accesa 65,536 adrese iar pentru aplicațiile complexe se folosesc magistrale de 32 de biți.

3.3.5 – Controlul electronic în buclă închisă sau deschisă

Sistemele moderne de control electronic, asemănătoare sistemului EDC, reprezintă un mare avantaj în optimizarea motoarelor cu ardere internă din punct de vedere funcțional. Acestea pot detecta și corectă anumite perturbații asftel încât funcționarea motoarele să se realizeze cât mai aproape de randamentul maxim.

Sistemele în bucla deschisă sunt sisteme de control în care valorile de ieșire sunt independente de valorile de intrare. În cazul sistemelor de control în bula deschisă actuatorii sunt acționați de către calculator luand in calcul datele de intrare iar rezultatul nu este verificat (ex: comanda bujiilor incandescente)

Sistemele în buclă închisă sunt sisteme de control în care valorile de ieșire depind de valorile de intrare iar reglarea datelor de ieșire se realizează prin compensarea variabilei de intrare cu o o variabilă de referință. În cazul sistemelor de control în buclă închisă se verifică valorile de ieșire și se compară cu valorile dorite iar dacă acestea nu sunt corecte se aplică o corecție în comandă actuatorilor. Avantajul acestui sistem de control este reprezentat de capacitatea de a detecta și corectă perturbațiile exterioare. Este folosit pentru a realiza numeroase aplicații de exemplu controlul turației de mers încet în gol.

– Aplicații ale sistemului E.D.C.

Controlul demarorului – acționarea demarorului este comandată de calculatorul de injecție. Acesta se asigura că șoferul nu poate acționa demarorul atunci când motorul funcționează și comanda acționarea acestuia pentru o perioadă scurtă de timp până când motorul pornește și funcționează la turația de mers încet în gol.

Imobilizatorul electronic – este folosit pentru a preveni pornirea neautorizată a motorului. Acesta blochează calculatorul de injecție până când pornirea este autorizată de către șofer prin diferite metode (ex: introducerea cheilor în contact).

Controlul alternatorului – sistemul EDC poate controla alternatorul prin intermediul rețelei CAN sau LIN și poate regla tensiunea de ieșire a acestuia în funcție de necesitate. La motoarele moderne atunci când starea de încărcare a bateriei are o valoare ridicată iar șoferul apasa pedala de accelerație la maxim, calculatorul de injecție poate deconecta alternatorul pentru o perioadă scurtă de timp astfel încât cuplul motor consumat de alternator să fie 0. Atunci când starea de încărcare a bateriei are valori mici calculatorul de injecție comanda o turația de mers încet în gol mai ridicată.

Controlul aerului condiționat – asemănător alternatorului, compresorul instalației de aer condiționat care poate consuma până la 30% din puterea motorului, poate fi deconectat atunci când este nevoie de cuplu maxim.

Controlul turației de mers încet în gol – atunci când pedala de accelerație nu este apăsată calculatorul de injecție trebuie să se asigure că turația de mers încet în gol are o anumită valoare. Atunci când motorul este rece, valoarea acestei turații este puțin mai ridicată. De asemenea calculatorul comanda o turație mai ridicată atunci când aerul condiționat este pornit sau starea de încărcare a bateriei este redusă.

Controlul turației maxime – în funcție de specificațiile oferite de producător calculatorul de injecție are rolul de a păstra turația maximă sub o anumită limita. Atunci când turația motorului depășește această limită calculatorul de injecție comanda oprirea injecției de motorină în camera de ardere până când turația motorului ajunge sub pragul maxim.

Controlul emisiilor poluante în buclă închisă cu ajutorul senzorilor de oxigen – prin controlul electronic în buclă închisă cu ajutorul senzorilor de oxigen s-a realizat o reducere substanțială a emisiilor poluante în cazul motoarelor cu ardere prin comprimare. Senzorii de oxigen montați în galeria de evacuare măsoară cantitatea de oxigen din gazele arse și trimit informațiile calculatorului de injecție care calculează coeficientul de exces de aer și apoi comandă deschiderea/închiderea supapei EGR sau variază timpul de deschidere a injectoarelor pentru a obține o valoare cât mai apropiată de 1.

Capitolulu 4 – Calibrarea motoarelor cu ardere internă

4.1 – Introducere

Calibrarea motoarelor cu ardere internă reprezintă procesul prin care un motor cu ardere internă este optimizat din punct de vedere funcțional pentru a obține performante optime, o creștere de putere, sau un consum redus de combustibil. Aceste scopuri sunt exclusive și nu pot fi îndeplinite simultan. Un motor calibrat să producă putere maximă va consuma mai mult combustibil față de un motor asemănător de la care se dorește o durată de viață prelungită sau un consum de combustibil redus.

Adaptarea motoarelor pentru diferite aplicații are o istorie lungă, odată cu apariția primelor automobile de curse. Aceste adaptări implica diverse modificări și ajustări, de la modificarea galeriei de admisie și cea de evacuare, înlocuirea componentelor interne ale unui motor cu unele mai rezistente (ex: pistoane și biele forjate) până la modificarea cartogramelor de injecție la motoarele noi.

În trecut, pentru obținerea unor performanțe ridicate se foloseau carburatoare modificate special să introducă mai mult combustibil în camera de ardere prin mărirea orificiului de dozare a debitului de combustibil denumit și jiclor, mărirea avansului la scânteie prin modificarea sistemelor de aprindere mecanice cu ruptor distribuitor chiar și modificarea arborilor cu came pentru a ține supapele de admisie deschise pentru o perioadă îndelungată.

Din punct de vedere principial aceste modificări se realizează și în prezent doar că modificările mecanice sunt înlocuite de modificările făcute cartogramelor calculatoarelor de injecție.

Chip tuningul este o metodă relativ nouă, apărută odată cu sistemele electronice controlate de calculatoarele de injecție. Această metodă presupune schimbarea fizică a memoriei eprom din interiorul calculatorului de injecție cu o altă memorie programată să obțină rezultatele dorite (reducerea emisiilor poluante, creșterea puterii, etc.).

În prezent demontarea carcasei calculatorului și înlocuirea cipului de memorie nu mai este necesară deoarece calculatoarele moderne sunt dotate cu memorie eeprom (electronically eraseable programmable read only memory) ce permite ștergerea și reprogramarea electronică cu ajutorul unor dispozitive speciale, majoritatea, prin conectarea la mufa OBD.

4.2 – Tipuri de modificări aduse motoarelor cu ardere internă

Sistemele electronice de control ale motorului permit calibrarea motoarelor cu ardere internă pentru diferite aplicații sau piețe cu mici modificări aduse din punct de vedere fizic. Acest lucru este posibil prin modificarea softurilor ce procesează date de intrare/ieșire a calculatoarelor de injecție.

Fenomenul este des întâlnit, în prezent, majoritatea producătorilor comercializează autovehicule dotate cu același tip de motor dar cu puteri diferite, exemplu fiind motorul de 2.0L TDI fabricat de Volkswagen ce poate produce o putere de la 82 kW (Skoda Yeti) până la 142 kW (Audi A6) cu mici modificări (injectoare diferite, pistoane și biele mai rezistente), ceea ce demonstrează că modificările aduse softurilor de procesare a datelor au un impact mare asupra comportamentului motoarelor cu ardere internă.

În lumea motor sportului sau a pasionaților de tuning, care doresc performante mai bune de la motoarele obișnuite, modificările ce pot fi aduse unui motor se împart în 3 categorii denumite Stagiul 1, Stagiul 2 și Stagiul 3 care conțin un anumit număr de modificări.

Stagiul 1 reprezintă modificarea softurilor de procesare a datelor. Această metodă este des întâlnită atunci când se dorește creșterea puterii motorului fără a aduce schimbări din punct de vedere fizic. În funcție de cerințe se poate obține o creștere a puterii cuprinsă între 15-25% fără a pune în pericol fiabilitatea motorului. În figură 4.1 se poate observa cum prin modificările software aduse calculatorului de injecție compania americană APR a reușit o creștere de putere de la 158 kW la 187,9 kW și o creștere a cuplului motor de la 303 Nm la 410 Nm.

Fig.4.2.1 – Modificare stagiul 1 realizată de compania APR – USA [10]

Stagiul 2, pe lângă modificarea parametrilor de control electronic, presupune modificarea galeriei de admisie și a galeriei de evacuare iar unele companii de tuning recomandă și înlocuirea intercooler-ului în cazul motoarelor turbo supraalimentate.

Stagiul 3 sau stagiul de circuit presupune, înlocuirea mai multor piese din interiorul motorului. Frecvent sunt înlocuite injectoarele, turbina, pistoanele și bielele dar în funcție de rezultatele dorite se pot înlocui și arborii cu came sau arborele cotit plus modificări ale softurilor de control electronic care în unele cazuri necesită înlocuirea calculatorului de injecție cu un calculator special capabil să proceseze datele mult mai rapid (Fig.4.2.2)

Fig.4.2.2 – Calculator de injectie EMU black fabricat de compania E.C.U. Master

4.3 Reprogramarea calculatoarelor de injecție

Reprogramarea calculatoarelor de injecție reprezintă un mod eficient de optimizare a motoarelor cu ardere internă în funcție de rezultatele dorite. Producătorii de automobile folosesc această tehnică pentru a corecta anumite greșeli sau a optimiza anumite probleme ale motorului care nu au fost detectate în perioada de dezvoltare a acestuia, procedeu denumit și update de software.

Procedeul se realizează prin conectarea unei interfețe de diagnosticare la mufa OBD, care, cu ajutorul unui software instalat pe un computer se poate conecta prin rețeaua CAN la calculatorul de injecție și poate scrie o nouă calibrare (Fig.4.3). Este un procedeu simplu, garantat de producător, care se folosește la mașinile de serie.

Fig.4.3.1 – Interfața de diagnosticare Mercedes Benz

Pentru reprogramarea unui calculator de injecție în scopul obținerii unor rezultate diferite de cele ale producătorilor, de exemplu consum redus sau o creștere a puterii firmele de tuning au dezvoltat de-a lungul anilor interfețe speciale care se pot conecta la calculatoare diferite și le pot reprograma în diferite moduri.

Fig.4.3.2 – Interfața pentru reprogramarea calculatoarelor de injecție prin mufa OBD

Din punct de vedere hardware interfața de reprogramare a calculatoarelor reprezintă un portal între calculatoarele automobilului și computerul utilizatorului ce dorește realizarea acestei proceduri. Interfața se conectează la rețeaua C.A.N. a autovehiculului printr-o mufă O.B.D. iar la calculator printr-o mufă USB, prin Ethernet sau chiar wireless. Aceasta traduce mesajele transmise de calculator în protocoale folosite de rețeaua automobilului și invers, astfel realizându-se comunicarea dintre ele.

Calculatoarele de injecție pot fi reprogramate în 2 moduri, demontate de pe autovehicul și reprogramate pe masa de lucru (bench mode) sau montate pe autovehicul. Indiferent de modul de reprogramare este foarte important ca tensiunea de alimentare a calculatorului să fie cuprinsă între 11,5 și 12 V, este recomandată conectarea automobilului la o sursă de tensiune.

4.4 Reprogramarea calculatorului de injectie Bosch E.D.C 16. C34

In figura 4.4.1 este prezentată schema bloc a instalației experimentale. Pentru descărcarea datelor stocate in memoria eeprom s-a folosit emulatorul C.A.N. Kess V2 împreună cu software-ul K-suite. Pentru modificarea cartogramelor de injecție a fost folosit software-ul WinOLS.

Fig.4.4.1- Schema bloc a instalației folosită la reprogramarea calculatorului Bosch E.D.C.16C34

Pentru realizarea experimentului s-a folosit un automobil Ford Focus, dotat cu un motor cu ardere prin comprimare cu o capacitate cilindrica de 1560 cm3. In tabelul 4.4.1 sunt prezentate principalele date tehnice ale automobilului:

Tabelul 4.4.1 – Prezentarea datelor tehnice ale automobilului testat

Pentru a putea observa creșterea de putere maximă și moment motor maxim automobilul a fost testat pe un stand dinamometric, rezultatele fiind prezentate în figura 4.4.3.

Fig.4.4.2 – Măsurarea puterii maxime și a momentului motor maxim cu ajutorul standului dinamometric

Fig.4.4.3 – Rezultatele testului pe standul dinamometric

În fig4.4.3 putem observa că rezultatele obținute pe standul dinamometric sunt apropiate de cele comunicate de către producător.

Pentru modificarea parametrilor de funcționare a automobilului a fost necesară descărcarea calibrării, scrisă în uzină și modificarea acesteia.

Pentru a descărca calibrarea a fost folosită interfața de reprogramare a calculatoarelor de injecție KESS V2. Aceasta funcționează ca un portal între rețeaua C.A.N. a automobilului și laptopul utilizatorului, fiind dotată cu 2 cabluri pentru conectare: un cablu cu mufa USB pentru conectarea la laptop și un cablu cu mufa OBD2 pentru conectarea la rețeaua C.A.N.

Fig.4.4.4 – Interfața pentru reprogramarea calculatoarelor de injecție

Cu ajutorul software-ului K-Suite, dezvoltat să comunice cu rețeaua C.A.N prin intermediul interfeței KESS V2 a fost descărcată calibrarea scrisă de către producător pe calculatorul de injecție Bosch E.D.C.16C32, procedura fiind detaliată în imaginile următoare.

Fig.4.4.5 – K-Suite, meniul principal

Deoarece interfața C.A.N. Kess V2 poate fi folosită la reprogramarea calculatoarelor de injectie a mai multor tipuri de vehicule, in meniul principal putem selecta tipul de vehicul ce urmează a fi reprogramat.

Fig. 4.4.6 – Selectarea tipului de automobil

Fig. 4.4.7 – Opțiuni disponibile utilizatorului

Așa cum putem observa în fig.4.10, după selectarea tipului de autovehicul este afișat un meniu secundar în care sunt prezentate mai multe opțiuni. Pentru descărcarea unei calibrări este necesar ca software-ul K-Suite să poate comunica cu rețeaua C.A.N iar primul pas este acela de a identifica tipul de calculator de injecție. După apăsarea butonului ID, se va realiza conexiunea între laptop și rețeaua C.A.N.

Fig. 4.4.8 – Identificarea calculatorului de injecție

Fig.4.4.9 – Finalizarea procedurii de identificare a calculatorului de injecție

După ce a fost realizată conexiunea iar tipul calculatorului de injecție și versiunea de software au fost identificate acestea vor fi afișate în câmpul din dreapta, urmând citirea calculatorului de injecție și descărcarea datelor stocate în memoria EEPROM.

Fig.4.4.10 – Începerea procedurii de descărcare a datelor stocate în memoria EEPROM

.

Fig.4.4.11 – Descărcarea datelor stocate în memoria EEPROM

După ce au fost descărcate, datele vor fi prelucrate cu ajutorul unui software capabil să le interpreteze. După modificarea parametrilor de interes (cantitate de combustibil injectata, presiune de turbo supraalimentare, deschidere supapa E.G.R, etc.) fișierul va fi salvat urmând să fie scris pe calculatorul de injecție cu ajutorul software-ului K-Suite prin intermediul interfeței Kess V2, procedeu detaliat în imaginile de mai jos.

Fig.4.4.12 – Reprogramarea calculatorului de injecție BOSCH E.D.C.16C34

Apăsând butonul Writing, programul ne va întreba care este fișierul ce se dorește a fi scris pe calculatorul de injecție. După selectarea acestuia se va stabili conexiunea dintre K-Suite și ECU urmând ca apoi să înceapă scrierea datelor modificate pe calculator.

Fig.4.4.13 – Realizarea conexiunii dintre E.C.U și K-Suite

Fig.4.4.14 – Reprogramare E.C.U. Bosch E.D.C.16C34

Fig.4.4.15 – Finalizarea reprogramării E.C.U. Bosch E.D.C.16C34

Fig.4.4.16 – Rezultatele obținute la testarea autovehiculului pe standul dinamometric dupa reprogramarea calculatorului de injecție

Așa cum putem observa în fig.4.4.16 în urma reprogramării calculatorului de injecție puterea maximă a motorului a crescut cu aproximativ 7 kW de la 83,4 kW la 90,2 kW iar momentul motor maxim a crescut cu 26 Nm de la 247,7 Nm la 273,7 Nm. Turația de putere maximă a scăzut de la 3885 rotații/minut la 3420 rotații/minut iar turația de moment motor maxim a crescut de la 2065 rotații/minut la 2195 rotații/minut.

Capitolul 5 – Proiectarea carcasei metalice a unui calculator de injecție

Prin tema de proiect s-a stabilit proiectarea unei carcase metalice capabila sa mentina temperatura din interiorul calculatorului de injectie sub 140șC.

Carcasa a fost proiectata in CatiaV5 si testata in Ansys.

5.1 Stabilirea dimensiunilor carcasei si proiectarea acesteia in CatiaV5

Analizând modele similare de carcase am stabilit că dimensiunea interioară a carcasei, în care este montat circuitul electronic al calculatorului este de 110 mm. În figură 5.1.1 sunt prezentate dimensiunile carcasei proiectate.

Fig.5.1.1 – Dimensiunile carcasei proiectate

Pentru a realiza schița 3D a carcasei am folosit funcția Pad, lungimea maximă a carcasei fiind de 150 [mm].

Fig.5.1.2 – Vedere 3D a carcasei.

Cu ajutorul funcției Pocket am realizat găurile pentru montarea carcasei pe caroserie. Pentru a mări aria zonei de schimb de căldură cu exteriorul pe suprafața carcasei au fost desenate canale de ventilatie.

Fig.5.1.3 – Forma finală a carcasei

5.2. – Verificarea capacității carcasei de evacuare a căldurii

Pentru a verifica capacitatea de evacuare a căldurii am folosit carcasa proiectată în CatiaV5 pe care am analizat-o cu ajutorul programului Ansys, cu ajutorul funcției Steady-State Thermal.

Fig.5.2.1 – Realizarea proiectului pentru verificarea carcasei

Fig.5.2.2 – Importarea piesei proiectată in CatiaV5

Pentru introducerea datelor de intrare vom selecta din meniul proiectului butonul 4 , Model.

Fig.5.2.3 – Selectarea materialului

Materialul selectat a fost aliaj de aluminiu.

Fig.5.2.4 – Introducerea valorii fluxului de căldură

Presupunând că puterea maximă consumată de calculatorul de injecție este transformată în întregime în căldura am considerat că puterea de 100 [W] radiază pe fata interioară a carcasei. Ținând cont că dimensiunile circuitului electronic sunt de 110[mm] lățime și 150[mm] lungime am calculat că aria acestuia este de 16500 [mm2]. Programul Ansys ne impune să introducem fluxul de căldură în W/m2, rezultând calculele :

100 [W] ………16500[mm2]

x [W] ………1000000 [mm2]

Rezulta x = 6060 [W/mm2]

Am introdus valoarea temperaturii inițiale a carcasei de 70șC pentru a simula temperatura din compartimentul motor.

Fig.5.2.5 – Introducerea coeficientului de convecție și selectarea temperaturii inițiale

Așa cum putem observa în Fig.5.2.6 temperatura maximă la care ajunge carcasa este de 126,83șC, rezultă că temperatura din interiorul carcasei nu depășește temperatura limita de funcționare a circuitelor electronice.

Fig.5.2.6 – Rezultatele simulării termice

5.3 – Verificarea carcasei la aplicarea unei forte de 100 N

Pentru verificarea carcasei la aplicarea unei forțe de 100 N am folosit CatiaV5, Generative Structural Analysis. Pentru o simulare cât mai apropiată de adevăr am desenat în Căția o nouă componentă care reprezintă restul calculatorului de injecție. Cele 2 componente au fost asamblate în Assembly Design.

Fig.5.3.1 – Asamblare carcasă calculator

Materialul ales a fost aluminiu pentru carcasă si plastic pentru capacul din fața carcasei.

Atât carcasa cât si capacul au fost încarcate cu o forta de 100 N așa cum putem observa in Fig.5.3.2.

Fig.5.3.2 – Aplicarea unei forțe uniform distribuită pe suprafața carcasei

Pentru a putea realiza simularea cele 2 piese au fost încastrate așa cum putem observa in figura 5.3.3.

Fig.5.3.3 – Încastrarea pieselor ansamblului pentru realizarea simularii

Fig.5.3.4 – Rezultate test încărcare 100 N

Fig.5.3.5 – Rezultate test încărcare 100 N

In fig.5.3.4 si 5.3.5 sunt prezentate rezultatele obținute în urma încărcării carcasei cu o forta uniform distribuită de 100 N. Așa cum putem observa , carcasa flambează ușor în partea de sus dar nu suficient de mult încât să pună în pericol componentele electronice ale calculatorului de injecție.