În figura următoare sunt arătate, cu aproximație, compoziția gazelor de eșapament ale motoarelor diesel și pe benzină. [306950]

INTRODUCERE

Automobilul a [anonimizat] “calitatea vietii”. Acesta ne oferă o [anonimizat], exprimă poziția noastră socială. [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat].

[anonimizat] a devenit un subiect din ce în ce mai delicat. [anonimizat] a [anonimizat]-o succesiune cât mai rapidă. [anonimizat].

[anonimizat]: [anonimizat], pulberi în suspensie sau hidrocarburi. [anonimizat] o fracțiune din totalul emisiilor de gaze de eșapament.

[anonimizat], compoziția gazelor de eșapament ale motoarelor diesel și pe benzină.

Fig. 1.1 Compoziția gazelor de eșapament [1]

[anonimizat] a fost folosit pentru prima dată în Statele Unite ale Americii când regulamentele emise de CARB ([anonimizat]) cer ca toate automobilele noi vândute în statul California (USA) să aibă capabilităti de diagnosticare la bord. [anonimizat], sunt denumite ca fiind OBD I, sau prima generație de diagnoză la bordul automobilelor. Succesul acestui standard nu a fost foarte mare deoarece interfața cu echipametul de diagnosticare nu era standadizată și fiecare constructor a plasat conectorul după bunul plac. De asemenea protocolul de comunicație utilizat nu era standardizat și deci imposibil de a creea un echipament de diagnosticare care să poată fi utilizat pe automobile diferite.

În 1994 CARB emite noile regulamente ce vor fi cunoscute ca OBD-2. Acestea sunt impuse tuturor automobilelor noi ce vor fi vândute în California începând cu anul 1996. Atât conectorul (interfața cu echipamentul de diagnosticare) [anonimizat].

OBD sau diagnoza la bord reprezită capacitatea unui automobil de a își diagnostica diverse componente care au impact asupra emisiilor poluante. Principalul scop al diagnozei OBD este de a aprinde martorul „Check Engine” în cazul în care s-au detectat probleme de funcționare la componentele care influentează direct sau indirect emisiile poluante.

[anonimizat], hidrocarburi și oxizi de azot nu pot fi măsurate direct. [anonimizat]. [anonimizat].

Fig. 1.2 Grafic poluare US 1975-2000 [2]

De ce a fost nevoie pentru a se implementa sistemul OBD?

Interfața de diagnosticare aflată în habitaclul automobilului standardizată

Coduri de eroare standardizate pentru toți producătorii auto

Indicarea condițiilor de funcționare în care s-a produs defecțiunea

Determinarea modului și momentului când o defecțiune afectează emisiile de gaze

Denumiri/abrevieri standardizate ale componentelor și sistemelor

Obiective:

Monitorizarea tuturor componentelor care sunt importante pentru calitatea emisiilor de gaze

Protejarea catalizatorului

Indicarea de alarme vizuale când componentele afectează funcționarea emisiilor de gaze

Stocarea defecțiunilor

Capabilitatea de diagnosticare

Monitorizare:

Catalizator

Sonda lambda

Sistemul de detectare a rateurilor

Sistemul de recirculare a gazelor de esapament (EGR)

Sistemul de purjare a rezervorului

Toți senzorii și elementele de acționare care afectează emisiile de eșapament

Transmisia automată

Fig. 1.3 Schema de principiu OBD II [2]

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ȘI REALIZĂRILOR PRIVIND SISTEMELE DE DIAGNOZĂ

Procentul tot mai mare de componente electronice cu care sunt prevăzute autovehiculele face ca identificarea și repararea calificată a unitătilor de comandă să fie una din cerințele cele mai frecvente ale posesorilor de autovehicule.

În prezent, sunt existente pe piață două mari categorii de testere de diagnoză auto. Prima categorie este reprezentată de aparatele de diagnoză profesionale, utilizate în service-urile autorizate de către producătorii sau de către importatorii oficiali ai diferitelor mărci de automobile. Aceste testere sunt, practic, niște super-computere, achiziționate la un preț exorbitant, conectate prin internet la serverele uzinelor de automobile, iar utilizarea lor necesită, pe lângă un personal instruit, o licență specifică mărcii respective, eliberată doar de uzina producătoare de automobile . A doua categorie o reprezintă uneltele de diagnoză de tip multimarca, putând acoperi majoritatea modelelor de automobile. Aceste sisteme nu sunt atât de performante precum cele din prima categorie, fiind folosite în ateliere de reparații auto mici, sau chiar de unele persoane doar ca și hobby. Prețurile pentru aceste interfețe de diagnoză multimarca variază în funcție de producător, de tipurile de chip-uri utilizate în procesul de fabricație dar și de performanță.

Din analiza soluțiilor existențe pe piața efectuată, atât pe plan național cât și internatioanal, a reieșit că pe plan național nu există nici o companie producătoare de astfel de sisteme de diagnosticare.

Fig. 2.1 Personal calificat în operația de diagnoză auto [3]

În continuare, vor fi prezentate câteva exemple din cele două categorii de sisteme de diagnoză: echipamente de diagnoză profesionale și testere multimarca, produse pe plan internațional.

Aparate de diagnoza profesionale

Cel mai performant sistem de diagnoză profesional este de departe cel oferit de către grupul VAG (Volkswagen Aktiengesellschaft), sistemul VAS 5051. Una dintre caracteristici este că acest sistem este disponibil exclusiv pentru diagnoză tuturor mărcilor din grupul VAG: Audi, Bentley, Bugatti, Lamborghini, Porsche, SEAT, Škoda și Volkswagen, fiind însă printre singurele sisteme cu care se poate efectuă diagnoza pentru modelele acestor mărci, majoritatea sistemelor de diagnoză din categoria multimarca întâmpinând dificultăți în stabilirea conexiunii.

Fig. 2.2 VAS 5051[4]

Functii VAS 5051:

Auto-diagnosticare

Diagnosticare OBD

Instrumente de testare

Constatare asistată online a defectelor

Administrare

Aplicații

Caracteristici tehnice:

Ecran cu dimensiunea de 15’’

Compatibil cu programul ElsaWin (baza de date pentru diagnoza la grupul VAG)

Performanța deosebita a procesorului

Opțiuni de extindere prin interfețe standard: ex. Imprimanta USB

Durată de utilizare în funcție de starea de încărcare și utilizare 3 ore

Fig. 2.3 Meniu auto-diagnosticare VAS 5051 [4]

Un alt super-computer de diagnoză vine din partea Bosch, unul dintre liderii globali în domeniul pieselor și echipamentelor auto, care lansează o nouă soluție compactă, completă și mobilă pentru diagnosticarea profesionistă a oricăror disfunctionalităti la unitătile de comandă ale autovehiculelor: Bosch KTS 340. Din punct de vedere al licențelor, și la acest model întâlnim restricții de marca, fiind disponibil doar pentru diagnosticarea următoarelor mărci: Audi, BMW, Mercedes Benz, Volvo.

Fig. 2.4 Bosch KTS 340 [5]

Caracteristici tehnice:

Sistem de operare Linux

Card SD de 8GB

Ecran color TFT, tactil, 8.4’’

Multimetru cu 2 canale si WLAN integrat

Durată de utilizare în funcție de starea de încărcare și utilizare aproximativ până la 2 ore

Protecție integrată la șocuri

Dimensiuni: 290 x 214 x 67 mm

Masa: 2kg

Cel mai inovativ aparat de diagnoză profesional, vine din partea britanicilor de la Autologic, care în 2015 au lansat aparatul de diagnoză Autologic Assist Plus, al cărui software a fost conceput special după specificațiile producătorului bavarez BMW. Autologic Assist Plus impresionează atât prin design-ul inovativ, cât și printr-o interfață cu utilizatorul și funcții foarte futuriste.

Fig. 2.5 Diagnosticarea modelelor BMW cu ajutorul Autologic Assist Plus [6]

Caracteristici tehnice:

Ecran color TFT, tactil, 13.3’’

2 porturi USB A, 1 port USB B

Camera foto/video 5MP

Posibilitate de alimentare de la automobil

Sistem de operare Microsoft Windows Embedded 8

Dimensiuni: 350 x 239 x 126mm

Masa: 2.4kg

Aparate de diagnoză multimarcă

Echipamentele de diagnosticare multimarca sunt și ele de mai multe tipuri. Cele mai simple sunt cele care citesc doar codurile de eroare (DTC). Echipamentele mai complexe, pe langă codurile de eroare, citesc și parametrii automobilului în timp real (temperatură motor, turație motor, viteză vehicul, etc.), realizează teste pe diverse componente sau testează senzorul de oxigen.

În continuare, vor fi prezentate câteva exemple din această categorie de sisteme de diagnoză care impresionează la momentul actual.

Cel mai simplu aparat de diagnoză multimarca este produs de taivanezii de la Innova și este reprezentat de modelul Innova CanOBD2. Acest sistem prezintă un meniu foarte simplu, iar singura funcție pe care o îndeplinește este aceea de citire și afișare a codurilor de eroare, fără a afișa însă alte detalii referitoare la codul de eroare.

Fig. 2.6 Innova CanOBD2 [7]

Americanii de la Autel vin cu o gamă foarte largă de echipamente de diagnoză, de la simple cititoare de coduri de eroare, până la platforme profesionale de diagnoză auto. Pe partea de aparate de diagnoză multimarca, la un raport foarte bun calitate-preț, Autel recomandă scannerul Autel Autolink AL619. Pe lângă funcțiile de diagnoză ale senzorilor de la motor, acest echipament oferă și diagnoză asupra sistemelor ABS și SRS. Că și puncte forte se regăsesc interfața prietenoasă cu utilizatorul, posibilitatea de upgrade a software-ului, dar și posibilitatea de a printa raporturile de diagnoză.

Fig. 2.7 Autel Autolink AL619 [8]

Caracteristici tehnice:

– Ecran color TFT, tactil

– Posibilitate de alimentare de la automobil

– Posibilitatea de upgrade a software-ului prin internet

– Dimensiuni: 199 mm x 104.5 mm x37.5 mm

– Masa: 0.3kg

Tot de peste ocean, productorul american Actron vine cu o gamă interesantă de echipamente de diagnoză, cu un nivel mediu al performanțelor, însă cu o ergonomie demnă de apreciat. Vârful de gamă al celor de la Actron îl reprezintă sistemul de diagnoză Actron CP9690. Față de alte modele, Actron CP9690 are posibilitatea de a oferi graficele a două funcții în același timp, conține o bază de data foarte detaliată a erorilor, dar și poziția senzorilor la care se regăsesc probleme.

Fig. 2.8 Actron CP9690 [9]

Caracteristici tehnice:

– Ecran color TFT, tactil

– Posibilitate de alimentare de la automobil

– Posibilitatea de upgrade a software-ului prin USB

– Dimensiuni: 340 mm x 280 mm x 100 mm

– Masa: 1.5kg

CONSIDERAȚII TEORETICE PRIVIND SENZORII SI ACUTATORII DIN CADRUL UNUI AUTOMOBIL ȘI SISTEMELE DE MONITORIZARE A ACESTORA

Structura generală a senzorilor din cadrul unui automobil

Pentru a înțelege cât mai bine rolul pe care îl au senzorii în monitorizarea tuturor componentelor care sunt importante pentru calitatea emisiilor de gaze, trebuie să se cunoască mai întâi principiul motoarelor cu combustie internă, care se regăsesc astăzi montate pe majoritatea automobilelor. Următoarea diagramă arată procesul de ardere într-un motor diesel în 4 timpi și un rezumat al componentelor de intrare și de ieșire pentru un ciclu de combustie.

Timpul I: admisia

În cadrul admisiei, aerul este indus prin filtrul de aer. În acest proces, constituenții aerului – oxigen, azot și apă – sunt transferati în camera cilindrului.

Fig. 3.1 Timpul I: admisia[10]

Timpul II: compresia

În al doilea timp, aerul din admisie este comprimat pentru a face posibilă aprinderea spontană ulterioară.

Fig. 3.2 Timpul II: compresia[10]

Timpul III: injectia si arderea

În al treilea timp, combustibilul care constă din hidrocarburi și sulf este injectat și ars.

Fig. 3.4 Timpul III: injectia si arderea[10]

Timpul IV: evacuarea

În al patrulea timp, gazele de eșapament sunt emise. Compușii chimici arsi reprezinta compoziția gazelor arse de evacuare.

Fig. 3.5 Timpul IV: evacuarea[10]

Motoarele moderne utilizate pentru propulsarea automobilelor, pe benzină sau diesel, sunt controlate în totalitate de sisteme electronice. Partea „inteligentă” a acestor sisteme de control este reprezentată de calculatorul de injecție. Acesta, pe baza informațiilor primite de la senzori (turație, presiune, poziție, etc.), determină starea motorului și acționează asupra diferitelor actuatoare (injectoare, motoare electrice, supape, etc.) în scopul atingerii regimului de funcționare cerut de conducătorul auto (exprimat prin poziția pedalei de accelerație). În limba engleză calculatorul de injecție este abreviat ECU (Electronic Control Unit), ECM (Engine Control Module), EMS (Engine Management System) sau PCM (Powertrain Controle Module).

În funcție de tipul motorului, diesel sau benzina, 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 ușor 100 de pini.

Fig. 3.6 Senzori motor [2]

Elemente:

Unitate de control

Lampă de avertizare bord

Interfață de diagnoză

Debitmetru

Pompă de detectare a scurgerilor

Canistră de carbon activ

Supapă de purjare

Senzori pozitie clapetă de acceleratie

Senzor captor viteză

Injector

Filtru combustibil

Senzor de detonație

Senzor turație motor

Senzor Hall

Distribuitor

Senzor temperatură lichid de răcire

Supapă EGR

19. EGR

Supapă Kombi

Sonda lambda I

Sonda Lambda II

Protocol CAN bus

Circuitele de intrare furnizează informații asupra condițiilor momentane de operare ale motorului, care servesc ca bază pentru comenzile care vor fi transmise de la ECU către elementele de control ale operării motorului.

Sistemul combină injecția de combustibil, pregătirea unui amestec de bună calitate și un avans corect la scânteie pentru a oferi un suport viabil pe tot domeniul de sarcini și turații întâlnite.

Fig. 3.7 Diagrama senzori-actuatori [2]

Unitatea de control a motorului (ECU)

Motoarele moderne utilizate pentru propulsarea automobilelor, pe benzină sau diesel, sunt controlate în totalitate de sisteme electronice. Partea „inteligentă” a acestor sisteme de control este reprezentată de calculatorul de injecție. Acesta, pe baza informațiilor primite de la senzori (presiune, poziție, turație, etc.), determină starea motorului și acționează asupra diferitelor actuatoare (motoare electrice, injectoare, supape, etc.) în scopul atingerii regimului de funcționare cerut de conducătorul auto (exprimat prin poziția pedalei de accelerație). În limba engleză calculatorul de injecție este abreviat ECU (Electronic Control Unit), ECM (Engine Control Module), EMS (Engine Management System) sau PCM (Powertrain Controle Module).

Fig. 3.8 ECU Bosch MS4 Sport [11]

Calculatorul de injecție este proiectat să funcționeze în condiții de solicitări mecanice și termice extreme. Acesta trebuie să lucreze la parametrii nominali fiind expus la:

temperaturi extreme: -40…120 °C

variații mari de temperatură

expunere la contaminarea cu apă, ulei, combustibil, etc.

praf, umezeală

solicitări și vibrații mecanice

Principalele părți componente ale calculatorului de injecție sunt: carcasa (2) din plastic sau metal, placa de bază (1) ce conține circuitele electronice și conectorul (3) prin care se primescsemnalele electrice de la senzori și se comandă actuatoarele (supape, motoare, etc.).

Fig. 3.9 Calculatorul de injecție Continental EMS3 [12]

Pe lângă solicitările termice și mecanice funcționarea calculatorului de injecție trebuie să fie robustă și în cazul oscilațiilor de tensiune electrică sau în cazul expunerii la perturbații electromagnetice.

În funcție de tipul motorului, benzină sau diesel, 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 ușor 100 de pini.

Din punct de vedere funcțional un calculatorul de injecție are următoarele componente:

blocul de alimentare de la baterie (+BAT)

blocul de procesare a semnalelor de intrare

unitatea centrală de procesare CPU (microcontroller)

memoria non-volatilă (EEPROM)

modulul de monitorizare

amplificarea comenzii actuatoarelor

Fig. 3.10 Procesarea semnalelor în calculatorul de injecție [13]

Microcontrolerul este componenta electronică care realizează operațiile matematice și logice ale algoritmului de control. Acesta conține la rândul lui o memorie Flash EEPROM, o memorie RAM, un convertor A/D (analogic-digital) și un modul CAN.

Informațiile stocate în memoria RAM pot fi accesate direct, prin specificarea adresei din memorie. Datele pot fi scrise și citite de câte ori este nevoie, fără restricții. Acestă memorie este utilizată în timpul funcționării motorului și conține toate variabilele din algoritmul de control care sunt modificate (calculate). La oprirea motorului (întreruperea alimentării cu energie electrică) tot conținutul memoriei RAM este pierdut, cu excepția informației salvate în memoria nonvolatilă.

Memoria Flash EEPROM este partajată de algoritmul de control al motorului precum și parametrizarea (calibrările) acestuia. Conținutul memoriei Flash EPROM poate fi reprogramat atât în zona algoritmului cât și a parametrizării, specificând zona de memorie ce se dorește a fi reprogramată. În cazul acestui tip de memorie, la reprogramare, se șterge și se rescrie tot conținutul dintr-o anumită zonă, nu se poate șterge individual a anume adresă de memorie.

Semnalele de intrare în calculatorul de injecție, în funcție de tipul senzorului, poate fi analogic sau digital. Un semnal analogic (poziția pedalei de accelerație, presiunea de supraalimentare, etc.) este de fapt o tensiune electrică, de obicei între 0-5V pentru senzori și 0-15V pentru bateria de acumulatori. Conversia acestora în valoare digitală, care poate fi interpretată de calculatorul de injecție, se face cu ajutorul unui convertor analog-digital.

Anumiți senzori (cu efect Hall ) trimit semnalele digitale către calculatorul de injecție. Acestea au două nivele logice, 0 sau 1, reprezentate de 0 sau 5V. Microcontrolerul procesează direct aceste semnal fără a avea nevoie de o conversie adițională.

Semnalul de turație al arborelui cotit este generat de un senzor inductiv. Acesta are formă de impulsuri periodice, este procesat în mod special de microcontroler și transformat ulterior în semnal digital.

Modulul CAN realizează comunicarea cu restul calculatoarelor de pe automobil: ABS (Anti-lock Braking System), BCM (Body Control Module), TCU (Telematic Control Unit), etc. și cu dispozitivele de diagnoză.

Datele care nu trebuie pierdute la oprirea alimentării calculatorului de injecție (coduri de eroare, km parcurși, codul imobilizatorului, etc.) sunt stocate în memoria EEPROM (non-volatilă). Datele conținute în acest tip de memorie, ca și memoria Flash EPROM, se pot șterge. Avantajul acestui tip de memorie este că poate șterge adrese de memorie individuale.

În cazul motoarelor cu control electronic al obturatorului, calculatorul de injecție este prevăzut cu un modul adițional de monitorizare a anumitor parametrii ai motorului (poziție pedală accelerație, presiune rampă combustibil, etc.). De exemplu, cuplul motor este calculat redundant, de două microprocesoare. Dacă se detectează diferențe între cele două valori de cuplu, se ridică un cod de eroare iar motorul intră în stare de avarie. Acesta este un mod de protecție deoarece o valoare a cuplului motor calculată eronat, poate conduce la accelerări bruște ale motorului și implicit la posibile accidente.

Clapeta de accelerație

Reglarea sarcinii la motorul pe benzină se face prin controlul masei amestecului aer-combustibil introdusă în motor. În funcție de cantitatea de aer care intră în motor, calculatorul de injecție calculează masa de combustibil ce trebuie injectată. Clapeta de accelerație reglează masa de aer care intră în motor prin obturarea galeriei de admisie.

Fig. 3.11 Localizarea clapetei de acceleratie la motorul 2.0 TDI[14]

Cuplul motor cerut de conducătorul auto este exprimat prin poziția pedalei de accelerație. Când conducătorul auto dorește să accelereze automobilul, practic cere un cuplu mai mare de la motorul termic. În cazul clapetelor de accelerație controlate electronic calculatorul de injecție comandă, prin intermediul unui motor electric, de curent continuu, poziția obturatorului (clapetei).

Fig. 3.12 Clapeta de accelerație electronică Bosch DV-E5 [11]

Componente:

corpul clapetei de accelerație

clapeta de accelerație

angrenaj cu roți dințate

senzor de poziție clapetă

motor electric de curent continuu

conector electric

Fig. 3.13 Clapeta de accelerație – componente [15]

Sistemele cu clapetă de accelerație electronică se mai numesc și sisteme „drive by wire” deoarece nu există o legătura directă, mecanică între pedala și clapeta de accelerație. Pedala de accelerație este prevazută cu un senzor de poziție care trimite informația calculatorului de injecție. În funcție de poziția pedalei de accelerație calculatorul de injecție comandă motorul electric pentru a ajusta poziția clapetei de accelerație. Cuplul motorul electric este amplificat de un angrenaj cu roți dințate și transmis mai departe clapetei de accelerație. Un senzor de poziție citește poziția clapetei de accelerație pe care o trimite calculatorului de injecție.

Fig. 3.14 Moduri de actionare a clapetei de acceleratie [16]

Fig. 3.15 Clapeta de accelerație – sistemul de control [16]

Sistemul de control electronic al clapetei de accelerație a fost introdus în principal pentru a reduce consumul de combustibil al motorului. Comparativ cu o clapeta de accelerație cu comandă mecanică, clapeta de accelerație electronică permite strategiilor de control motor, din calculatorul de injecție, să optimizeze punctul de funcționare al motorului în sensul scăderii consumului de combustibil. De asemenea în cazul automobilelor cu transmisie automată clapeta de accelerație electronică a permis o anumită flexibilitate în ceea ce privește legile de schimbare a treptelor de viteză (acestea depind în principal de poziția pedalei de accelerație și de viteza automobilului).

Senzorul de debit masic (MAF)

Senzorul de debit masic este montat in carcasa filtrului de aer și măsoară fluxul de aer în motor (care este o indicație a sarcinii motorului).

Fig. 3.16 Locatia debitmetrului [45]

Senzorul de masă de aer utilizează un fir încălzit pe lângă care curge aerul din admisie. Firul este încălzit deoarece este parcurs de un curent electric. Odată cu creșterea temperaturii firului crește și rezistența electrică a acestuia. Din acest motiv curentul electric ce trece prin fir este limitat la o valoare maximă. Când motorul este pornit aerul începe să curgă pe lângă fir reducându-se astfel temperatura acestuia. Prin răcire se reduce rezistența electrică a firului iar curentul electric ce-l parcurge crește până ce se ajunge la o nouă temperatură de echilibru.

Fig. 3.17 Caracteristica debitmetru[13]

Astfel, curentul electric din fir variază în funcție de masa de aer care trece prin senzor. Senzorul are integrat un circuit electronic care transformă curentul electric într-o tensiune electrică cu valori între 0 și 5V. Această informație este transmisă calculatorului de injecție care, cu ajutorul caracteristicii senzorului, transformă tensiunea electrică înapoi în masă de aer și o utilizează la calculul parametrilor injecției. Pe lângă informația de masă de aer, senzorul mai transmite și informația de temperatură a aerului din admisie. Senzorul de temperatură al aerului din admisie este integrat în senzorul de masă de aer.

Fig. 3.18  Debitmetru de tip “hot-wire”[17]

Senzorul de presiune aer admisie (MAP)

La motoarele termice masa aerului admis în motor este utilizată pentru calculul cantității de combustibil ce trebuie injectată. Determinarea masei de aer se poate face în două moduri: prin utilizarea unui debitmetru masic de aer sau prin utilizarea unui senzor de presiune a aerului din admisie.

Fig. 3.19 Locatia senzorului de presiune aer admisie [45]

Senzorul măsoară presiunea absolută a aerului din galeria de admisie. Acest senzor mai este cunoscut și sub denumirea de senzor MAP. Utilizarea unui senzor de presiune aer în locul unui debitmetru este determinată de costul mult mai redus al acestui senzor.

Senzorul de presiune aer admisie este poziționat după clapeta de accelerație. În cazul în care motorul este turbo supraalimentat mai există un senzor de presiune aer înainte de clapeta de accelerație (după compresor) care citește preiunea aerului comprimat.

Pentru calculul masei de aer din cilindri, utilizând un senzor de presiune aer, calculatorul de injecție utilizează în plus următoarele informații:

cilindreea motorului

densitatea aerului

presiunea absolută a aerului din admisie

turația motorului

randamentul volumetric

temperatura motorului

temperatura aerului din admisie

De asemenea, în cazul în care motorul este prevazut cu sistem EGR, calculatorul de injecție, pentru calculul masei de aer proaspăt din cilindri, ține cont și de debitul de gaze arse introduse în motor.

Fig. 3.20  Senzor de presiune aer admisie – componente [18]

Componente:

capac de protecție

conector electric

element sensibil

sistem electronic de procesare a semnalului

canal de legătură cu galeria de admisie

Elementul sensibil, care măsoară presiunea aerului din admisie, conține un element piezorezistiv. Acesta generează o tensiune electrică proporțională cu presiunea aerului măsurat. Circuitul electronic conține și un sistem de compensare a influenței temperaturii asupra valorii presiunii măsurate.

Senzorul de presiune aer poate fi utilizat atât pe motoarele aspirate cât și pe cele supraalimentate. Domeniul de măsură este situat între 0.4 și 2.5 bari. Pentru măsurarea presiunii, sensorul necesită o tensiune de alimentare, de obicei de 5V.

Fig. 3.21  Senzor de presiune aer admisie cu 3 pini [18]

Conectare senzor 3 pini:

pin 1 – alimentarea senzorului +5V

pin 2 – ieșirea senzorului (semnalul de presiune)

pin 3 – masa senzorului

Deoarece la calculul masei de aer, utilizând informația de presiune a aerului din admisie, intră și valoarea temperaturii aerului, anumite versiuni au un pin adițional prin care se citește temperatura aerului din admisie. Acest timp de senzor de presiune conține și un termistor de tipul NTC care-și modifică rezistența electrică în funcție de temperatura aerului din admisie (la creșterea temperaturii rezistența electrică scade). Prin modificarea rezistenței se modifică tensiunea electrică (echivalentul temperaturii) citită de calculatorul de injecție.

Fig. 3.22  Senzor de presiune aer admisie cu 4 pini [18]

Conectare senzor 4 pini:

pin 1 – ieșirea senzorului (semnalul de presiune)

pin 2 – alimentarea senzorului +5V

pin 3 – ieșirea senzorului (semnalul de temperatură)

pin 4 – masa senzorului

Senzorul de pozitie al arborelui cotit si senzorul de pozitie al axului cu came

La motoarele cu ardere internă moderne calculatorul de injecție controlează deschiderea injectoarelor, producerea scânteii, fazele de distribuție (la motoare cu distribuție variabilă), în funcție de poziția pistoanelor în cilindri. Calculatorul de injecție trebuie să recunoască poziția fiecărui piston în cilindru în funcție de semnalul de turație al arborelui cotit și/sau semnalul de poziție arbore (ax) cu came.

Fig. 3.23  Locatie senzor poziție ax cu came [13]

Poziția mecanică a pistoanelor în cilindri, în timpul funcționării motorului, se poate determina pe baza poziției arborelui cotit și a axului cu came. Cu aceste informații calculatorul de injecție realizează sincronizarea motorului (recunoașterea poziției pistoanelor).

La un motor cu 4 cilindri în linie ordinea de aprindere uzuală este 1-3-4-2. Din punct de vedere geometric, la aceste motoare 2 pistoane sunt decalate cu 180° față de celelalte 2. Astfel, în timpul funcționării motorului, când pistoanele 1 și 4 se vor afla la PMI, pistoanele 2 și 3 se vor afla la PME.

În acest caz, când pistoanele 1 și 4 sunt la PMI, un piston este la sfârșitul cursei de comprimare iar cel de-al doilea la sfârșitul cursei de evacuare. Este evident că aprinderea/injecția trebuie să se facă doar la pistonul care se află la sfârșitul cursei de comprimare.

La motoarele mai vechi, cu aprindere mecanică (benzină) sau cu pompă de injecție mecanică (diesel) sincronizarea sistemului de aprindere/injecție cu poziția pistoanelor în cilindri se realizează automat, datorită legăturii mecanice directe cu arborele cotit.

La motoarele moderne, la care aprinderea și injecția sunt controlate de către calculatorul de injecțiesincronizarea nu este automată ci trebuie facută pe baza informațiilor provenite de la senzori. Sincronizarea poziției pistoanelor se poate face în două moduri:

utilizând doar informația de poziție arbore cotit (turația motorului)

utilizând atât informația de poziție arbore cotit cât și cea de poziție ax cu came

Fig. 3.24  Locatie senzor poziție arbore cotit [19]

Fig. 3.25  Senzor arbore cotit Bosch [11]

Prima metodă are avantajul că nu necesită un senzor de poziție adițional pe arborele cu came. Calculatorul de injecție conține algoritmi care sincronizează poziția pistoanelor prin încercări succesive. Altfel spus, dacă 2 pistoane se regăsesc în PMI, calculatorul de injecție va comanda succesiv, pentru fiecare cilindru, injecția de combustibil. Apoi cu ajutorul senzorului de poziție arbore cotit va deduce care piston produce cuplu motor (măsurat prin creșterea turației), de unde rezultă că acesta a fost la PMI iar cel de-al doilea la PME.

Dezavantajul acestei metode este timpul mai mare de demarare, pornire motor. De asemenea, în cazul defecțiunii senzorului de poziție arbore cotit (turație motor) pornirea motorului este imposibilă. Această metodă nu se aplică motoarelor cu distribuție variabilă deoarece pentru acestea este necesară informația de poziție arbore cu came.

A doua metodă, mai des întâlnită, impune utilizarea unui senzor de poziție pe arborele cu came. Majoritatea senzorilor funcționează pe principiul efectului Hall. Poziția arborelui cu came este citită cu ajutorul unei roții metalice (pin) fixată pe acesta.

Fig. 3.26  Ax cu came motor Daimler OM651 [13]

Componente:

roată de antrenare arbore cu came

arbore cu came

roată metalică poziție arbore cu came (pentru senzorul de poziție)

În funcție de tipul motorului există mai multe variante de citire a poziției arborelui cu came. Se pot utiliza pini metalici sau roți metalice cu număr și lungime de dinți variabile.

Tabel 1- Tipuri de roti metalice [13]

Fig. 3.27 Senzor de poziție arbore cu came + roată metalică în formă de semilună (motor Chrysler 2.8 litri) [13]

Prin utilizarea semnalelor celor doi senzori (poziție arbore cotit și arbore cu came), calculatorul de injecție poate determina care piston se află pe cursa de admisie și care este pe cursa de evacuare (în cazul unui motor cu 4 cilindri în linie.

Semnalul dat de senzorul de poziție arbore (ax) cu came și roată metalică semilună este pozitiv (+13.5 V) când semiluna este în dreptul senzorului și nul (0 V) când semiluna nu este în dreptul senzorului.

Fig. 3.28 Semnale electrice generate de cei doi senzori de poziție (arbore cotit și arbore cu came) [13]

Senzorul de poziție arbore cotit detectează când pistoanele sunt la PMI (ex. 1 și 4). Apoi, cu ajutorul semnalului de poziție de la arborele cu came (pozitiv sau nul) se determină care din cele două pistoane este pe cursa de comprimare.

În cazul utilizării unei roți metalice cu dinți multipli, cu lungime variabilă, sincronizarea este mai rapidă, iar în cazul defectării senzorului de poziție motor, funcționarea în mod degradat a motorului este asigurată de senzorul de poziție arbore cu came.

Senzorul de poziție arbore cu came ce funcționează pe principiul efectului Hall are 3 pini:

alimentare (+5 V)

masă (0 V

semnal de poziție(+13.5 V)

Fig. 3.29 Senzor Hall [15]

Senzorul de detonație

Detonația reprezintă o auto-aprindere necontrolată a amestecului carburant care apare în anumite condiții și care este specifică motoarelor pe benzină. Fenomenul de detonație apare în cursa de comprimare o dată cu creșterea presiunii și temperaturii în camera de ardere, când local amestecul carburant atinge temperatura de auto-aprindere rezultând un front de flacără ce se propagă instantaneu, exploziv și necontrolat.

Fig. 3.30 Fenomenul de detonație [20]

Având în vedere că vorbim de o ardere necontrolată fenomenul de detonație este unul nedorit, care trebuie evitat. Variațiile de presiune rezultate în urmă detonației conduc la o uzură prematură a lagărelor motorului, iar în cazul funcționării prelungite cu detonație se pot produce avarii serioase ale motorului. Vârfurile de temperatură rezultate în urma detonației pot conduce de asemenea la deteriorarea componentelor motorului.

Fig. 3.31 Arderea cu detonație [20]

Motoarele care funcționează cu benzină fără plumb utilizează un senzor pentru detecția detonației. Acest senzor este de fapt un senzor pentru detecția vibrațiilor și funcționează pe principiul piezoelectricității. Senzorul se montează direct pe blocul motor, prin intermediul unui șurub.

Fig. 3.32 Senzor de detonație [11]

Fig. 3.33 Locatia senzorilor de detonatie la BMW E46 [21]

Senzorul de detonație conține un cristal piezoelectric (3) și o masă seismică (1). La apariția detonației sunt produse vibrații puternice în cilindru care sunt propagate prin blocul motor și captate de senzor. Vibrațiile se transmit masei seismice care apasă pe elementul piezoelectric și se produce o tensiune electrică.

Fig. 3.34 Secțiune printr-un senzor de detonație [13]

Componente:

masă seismică

carcasă

element piezoelectric

electrozi

contacte electrice

Tensiunea generată de senzorul de detonație este captată de unitatea electronică de control a motorului. Pe baza acestui semnal și a poziției pistoanelor în cilindru calculatorul de injecție poate determina în care cilindru s-a produs detonația.

Detonația se elimină prin corectarea avansului la aprindere. Astfel, dacă se detectează detonația pe un anumit cilindru, avansul va fi redus și apoi crescut gradual până la detectarea unei alte detonații. La motoarele supraalimentate (turbo sau cu compresor mecanic) unitatea electronică de control a motorului intervine și asupra sistemului de supraalimentare reducând presiunea aerului comprimat.

Detonația are efect distructiv asupra motorului și din acest motiv se impune luarea de măsuri de siguranță în cazul în care circuitul de detecție este defect. Imposibilitatea de a detecta detonația poate avea ca sursă un defect al senzorului de detonație, a circuitului electric de legătură sau a unității electronice de control.

Oricare a fi cauza defectului, nedetectarea detonației impune reducerea avansului la aprindere și reducerea presiunii de supraalimentare (în cazul motoarelor turbo sau cu compresor mecanic). În cazul unui defect, avansul la aprindere este setat la o valoare fixă, scăzută față de valoarea nominală, pentru preveni posibilitatea apariției detonației. Această măsura de siguranță are efecte asupra performantelor motorului. Cuplul motor este diminuat deoarece presiunea medie efectivă pe ciclu este de asemenea redusă.

Sonda lambda binară (senzorul de oxigen)

Sonda lambda (numită și sonda sau senzorul de oxigen) are o importanță deosebită relativ la reducerea emisiilor poluante de pe automobile. Produs al companiei Bosch, sonda lambda a fost utilizată pentru prima oara alături de un catalizator pe un automobil Volvo la sfârșitul anilor 1970. Dezvoltarea și proiectarea sondei a fost începută în timpul anilor 1960 sub supravegherea dr. Gunter Bauman, în cadrul companiei Robert Bosch GmbH.

Fig. 3.35 Sonda lambda Volvo 240 [22]

Aplicațiile principale ale sondei lambda sunt motoarele pe benzină. Sonda se utilizează și pe motoarele diesel dar mult mai restrâns. Motivul este acela ca motoarele pe benzina funcționează în jurul amestecului stoichiometric în timp ce motoarele diesel funcționează cu amestecuri sărace.

Cea mai des utilizată metodă de a reduce emisiile poluante de pe un automobile este catalizatorul. În cazul în care catalizatorul reduce proporțiile de CO, NOx și HC din gazele de evacuare, acesta se numește catalizator pe trei căi. Orice sistem de post tratare a emisiilor poluante al unui automobil, ce utilizează un catalizator, are în componenta și o sondă lambda. Eficacitatea catalizatorului depinde în întregime de buna funcționare a sondei lambda.

Pentru a asigura arderea completă a combustibilului din motor (benzină sau motorină) este nevoie de o anumita cantitate de oxigen deci de o anumita cantitate de aer. Astfel, pentru a arde complet 1 kg de benzină avem nevoie de aproximativ 14.7 kg de aer. Dacă acest raport se păstrează (14.7:1) și în cilindru putem spune că amestecul din cilindru este stoichiometric. Notația utilizată în literatura de specialitate, pentru evalua raportul aer:combustibil din motor, este litera greceasca lambda (λ). Relativ la tipul amestecului aer-combustibil din motor putem avea urmatoarele situații:

amestec bogat (λ < 1): în acest caz combustibilul este în exces, aerul nefiind suficient pentru o ardere completă;

amestec stoichiometric (λ = 1): în acest caz raportul aer-combustibil este ideal arderea fiind completă;

amestec sărac (λ > 1): în acest caz aerul este în exces, arderea fiind completă dar cu exces de oxigen;

Tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau sărac, influențează în mod direct nivelul emisiilor poluante. Astfel în caz unui amestec bogat, combustibilul fiind în exces, arderea este parțială, rezultă emisii bogate în monoxid de carbon (CO) și hidrocarburi (HC). În cazul amestecurilor sărace, oxigenul fiind în exces, conduce la creșterea nivelului de oxizi de azot (NOx) din gazele de eșapament. Compromisul este făcut în cazul amestecului stoichiometric, caz în care emisiile sunt la un nivel mediu pentru fiecare din cele trei componente (CO, HC și NOx).

Fig. 3.35 Nivelul emisiilor poluante ale unui automobil în funcție de tipul amestecului aer-combustibi [13]

Eficacitatea catalizatorului este maximă atunci când amestecul aer-combustibil este stoichiometric. Rolul sondei lambda este de a informa calculatorul de injecție care este starea amestecului aer-combustibil. Pe baza informație primite de la sondă calculatorul va ajusta injecția de combustibil astfel încât amestecul să se mențină în jurul valorii stoichiometrice.

Fig. 3.36 Controlul în bucla închisă al injecției de combustibil [13]

Schema de principiu a controlului amestecului aer-combustibil în jurul valorii stoichiometrice se compune din:

senzorul de masă de aer

catalizatorul primar

catalizatorul secundar

injectoarele de combustibil

sonda lambda amonte

sonda lambda aval

circuitul de alimentare cu combustibil

galeria de admisie

galeria de evacuare

Utilizând informația de la senzorul de masă de aer, calculatorul de injecție ajustează timpul de deschidere al injectoarelor reglând astfel cantitatea de combustibil injectată. Acest mod de control al injecție se numește control în bucla închisă (closed loop control) și se bazează pe informația primită de la senzori.

A doua sondă lambda, de după catalizator, are rolul de a monitoriza activitatea catalizatorului, pentru a ne asigura că acesta funcționează în parametrii normali. Cu alte cuvinte rolul sondei lambda în aval de catalizator este de a diagnostica funcționarea catalizatorului.

În echiparea automobilelor de serie exista mai multe tipuri de sonde lambda. Un criteriu de clasificare ține cont de principiul de funcționare și de numărul de conexiuni electrice.

Astfel, dacă le clasificam după principiul de funcționare, distingem:

sonde lambda binare

cu zirconiu;

cu titan;

sonde lambda liniare

Sondele lambda binare cu zirconiu sunt primele tipuri de sonde lambda utilizate în industria automobilelor. Principiul de funcționare se bazează pe modul de funcționare al unei celule de combustie (fuel cell), numita celulă Nernst. Acest tip de sondă lambda este de tipul senzorului generator, senzor care produce o tensiune electrică fără să fie alimentat la o sursa de tensiune exterioară. Tensiunea electrică generată de sondă este produsă de diferența de molecule de oxigen din gazele de eșapament și aerul atmosferic.

Fig. 3.37 Secțiune longitudinala printr-o sondă lambda [13]

Sonda lambda se conectează pe galeria de evacuare (1) prin intermediul carcasei cu filet (2). În interiorul tubului de protecție (3) se găsește corpul ceramic din dioxid de zirconiu (4). Acesta este învelit cu doi electrozi (5), unul în contact cu gazele de evacuare iar cel de-al doilea cu aerul atmosferic. De reținut că electrodul care este în contact cu gazele de evacuare este acoperit de un material ceramic poros care permite pătrunderea gazelor și în același timp protejează suprafața electrodului de coroziune. Carcasa de protecție (6) conține orificii (8) care au rolul de a permite aerului atmosferic să intre în contact cu unul dintre electrozi. Arcul (7) asigura contactul între conectorul (9) și electrod.

Fig. 3.38 Sonda lambda – componente [13]

În funcție de cantitatea de oxigen din evacuare sonda lambda generează o tensiune care semnalează calculatorului de injecție dacă amestecul este sărac sau bogat. Astfel dacă amestecul este bogat (λ < 1) atunci în gazele de eșapament se află o cantitate foarte mică de oxigen. În acest caz sonda lambda va genera o tensiune de aproximativ 0.8-0.9 V. În cazul în care amestecul este sărac (λ > 1) oxigenul se va găsi în cantitate mare în gazele de evacuare, diferența de molecule de oxigen fiind mică tensiunea generată va fi de ordinul 0.1-0.2 V. Cu cat diferența dintre moleculele de oxigen este mai mare, între gazele de eșapament și aerul atmosferic, tensiunea generată de sonda lambda este mai mare.

Fig. 3.39 Principiul de funcționare al sondei lambda [13]

Ionii oxigenul din gazele de evacuare sunt conduși prin intermediul dioxidului de zirconiu către electrodul în contact cu aerul atmosferic. Se creează astfel o diferență de potențial între electrod și masă (galeria de evacuare) care este citită și interpretată de calculatorul de injecție. În cazul în care amestecul este bogat (aprox. 0.9 V) calculatorul de injecție va aplica corecții, ceea ce va conduce la o sărăcire a amestecului (aprox. 0.2 V). Rezultă că tensiunea de ieșire a sondei lambda va avea un salt de la 0.9 la 0.1 V sau de la amestec bogat la amestec sărac.

Fig. 3.40 Nivelul tensiuni generate de senzorul de oxigen în funcție de tipul amestecului aer-combustibil [13]

Denumirea de sondă binară vine de la faptul că sonda identifică doar două stări ale amestecului, bogat sau sărac, fără a putea determina care este nivelul exact de îmbogățire sau sărăcire. Un dezavantaj al sondei lambda este acela că funcționează numai la temperaturi în jur de 350 °C. Din acest motiv controlul îmbogățirii amestecului nu funcționeaza exact din momentul demarării motorului, ci numai după ce temperatura sondei a ajuns la valoarea nominală. Acest mod de funcționare este în defavoarea reducerii nivelului de emisii poluante. Astfel, pentru a minimiza timpul de inactivitate al sondei lambda toate versiunile curente sunt prevazute cu o rezistență electrică de încălzire.

Fig. 3.41 Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu un singur fir [13]

Fig. 3.42 Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu trei sau patru fire [13]

În funcție de tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau sărac, sonda lambda generează o tensiune ce are forma semnalului similara cu o sinusoidă.

Fig. 3.43 Tensiunea generată de o sondă lambda binară [13]

Odată ce senzorul a ajuns la temperatura nominală de funcționare (aprox. 350 °C), pentru o turație a motorului termic în jur de 2000 rot/min, tensiunea generată de sonda lambda ar trebui să sa situeze în intervalul 0.2-0.9 V. Trecerea de la tensiunea de 0.2 V la 0.9 V ar trebui să se producă în aproximativ 0.3 secunde (durata tranziției). Diferența de tensiune dintre amestecul bogat și sărac ar trebui sa se situeze în jurul valorii de 0.45 V. Perioada semnalului trebuie să se încadreze între 0.7 și 1 secunde în cazul în care sonda lambda funcționează la parametrii nominali.

Fig. 3.44 Semnalul sondei lambda în cazul unei funcționări defectuoase [13]

În cazul în care perioada semnalului este mai mare decât valorile recomandate, sonda ar trebui examinată în detaliu și înlocuită dacă este cazul. O reacție mai lentă din partea sondei conduce la concluzia că aceasta prezintă defecte sau este îmbătrânită, ne mai fiind funcțională la parametrii nominali.

Configurațiile care conțin două sonde lambda sunt utilizate pentru a monitoriza eficiența catalizatorului.Implementarea celui de-al doilea senzor s-a făcut datorită normelor OBD 2 care cer ca fiecare componentă care este implicată direct în reducerea emisiilor poluante să fie diagnosticată. În cazul în care catalizatorul funcționează corect tensiunea sondei lambda de după catalizator (aval) are amplitudinea mai mică, aceeași frecvență și faza cu tensiunea sondei dinainte de catalizator (amonte).

Fig. 3.45 Semnalul sondei lambda după catalizator – funcționare corectă [13]

Diferența de tensiune dintre sonda lambda din amonte și cea din aval ajută la diagnosticarea catalizatorului. Este mai puțin probabil ca sonda de după catalizator sa se defecteze (datorită îmbatrânirii) deoarece este supusă unor regimuri termice mai scăzute. Din acesta cauza calculatorul de injecție utilizează tensiunea produsă de sonda de după catalizator pentru a compensa abaterile de la parametrii nominali ale primei sonde. Performanța sondei lambda este monitorizată de calculatorul de injecție utilizând următorii parametrii:

tensiunea de ieșire;

scurt circuitele;

rezistența internă;

viteza de trecere de la amestec bogat la amestec sărac;

viteza de trecere de la amestec sărac la amestec bogat;

În cazul defectării sondei lambda amestecul aer-combustibil va fi neechilibrat, consumul de combustibil va crește, emisiile de fum se vor intensifica iar performanțele automobilului vor fi diminuate.

Fig. 3.46 Senzor de oxigen Bosch Premium [11]

Pompa de aer secundar

Motoarele cu ardere internă, mai ales în faza de pornire la rece, datorită temperaturilor scăzute și a arderii incomplete din cilindru, produc cantități importante de emisii poluante. La motorul pe benzină pricipalele emisii ale motorului rece sunt monoxidul de carbon (CO) și hidrocarburile (HC).

Una din metodele clasice de tratare a emisiilor poluante o reprezintă postarderea termică. Această metodă se realizează prin injectarea de aer proaspăt în galeria de evacuare, cu scopul de a continua procesul de ardere al monoxidului de carbon și al hidrocarburilor.

Fig. 3.52  Pompă de aer secundar Pierburg [23]

La pornirea la rece, un motor pe benzină funcționează cu amestec bogat (lambda < 1.0), uneori ajungându-se și la valori ale coeficientului de exces de aer de 0.6. Din acest motiv monoxidul de carbon și hidrocarburile sunt în cantități importante în gazele de evacuare.

Sistemul de injecție de aer secundar presupune injectarea de aer atmosferic comprimat în galeria de evacuare, imediat după supape, în scopul continuării procesului de ardere.

Fig. 3.53  Schemă de principiu a sistemului de injecție de aer secundar [23]

Componente:

motor termic

filtru de aer

pompă de aer secundar

supapă de aer secundar

catalizator pe trei căi

Avantajele utilizării unui astfel de sistem sunt evidente. Pe de-o parte se reduc emisiile de monoxid de carbon și hidrocarburi, iar pe de alta parte, datorită continuării arderii pe galeria de evacuare și creșterii temperaturii, catalizatorul pe trei căi ajunge mai repede la temperatura nominală de funcționare.

Sistemul conține o pompă centrifugală acționată electric, o supapă acționată pneumatic care realizează injecția și o supapă electrică de control. Atât pompa de aer cat și supapa electrică sunt controlate de calculatorul de injecție.

Fig. 3.54  Componentele sistemului de injecție de aer secundar [13]

Componente:

pompă de aer secundar

releu de acționare

supapă de aer secundar

supapă electrică cu solenoid

supapă de sens

La pornirea la rece a motorului calculatorul de injecție comandă releul pentru pornirea pompei de aer. Aceasta aspiră aer atmosferic pe care-l comprimă și-l furnizează ulterior supapei. Tot calculatorul de injecție comandă supapa cu solenoid care, prin intermediul vacuumului din galeria de admisie, deschide supapa pentru a permite injectarea aerului comprimat în galeria de evacuare.

Fig. 3.55  Pompă de aer secundar Pierburg-componente [23]

Componente:

carcasă suflantă

carcasă motor electric de acționare

conector electric

racord aer comprimat

racord aer aspirat

Pompa de aer secundar comprima aerul cu ajutorul unei suflante radiale, care funcționează similar cu compresorul unui turbocompresor. Prin intermediul conectorului calculatorul de injecție comandă motorul electric de curent continuu ce acționează suflanta.

Fig. 3.56  Pompă de aer secundar Pierburg-componente [23]

Injecția aerului secundar în galeria de admisie se realizează cu ajutorul unei supape comandate pneumatic. Acesta conține și o supapa de sens integrată care împiedică pătrunderea de gaze arse în pompă. Acționarea supapei de injecție se face prin intermediul vacuumului din galeria de admisie controlat cu ajutorul unei supape electromagnetice cu solenoid. Ultimele generații de supape de aer secundar sunt comandate electric, direct de calculatorul de injecție.

Sistemul de aer secundar funcționează la pornirea la rece a motorului, la turația de ralanti și la sarcini parțiale, pe o durată totală de aproximativ 20 de secunde. Pe lângă acționarea pompei de aer și a supapei electromagnetice, calculatorul de injecție modifică și parametrii injecției pentru a obține un efect termic asupra catalizatorului cât mai eficient.

Nu toți producătorii auto echipează motoarele pe benzină cu sistem de injecție de aer secundar. Grupul VAG (VW, Audi, Seat, Skoda, etc.) este unul dintre producătorii care utilizează acest sistem pentru tratarea emisiilor poluante.

Senzorul de temperatură a motorului

Senzorul de temperatură monitorizează temperatura lichidului de răcire al motorului, deci implicit temperatura medie a acestuia. Informația furnizată de senzorul de temperatură este utilizată de calculatorul de injecție în principal pentru controlul turației de ralanti și pentru controlul îmbogățirii amestecului (raportul aer-combustibil), mai ales în faza de pornire a motorului.

Perioada dintre pornirea motorului și momentul în care acesta ajunge la temperatura nominală de funcționare (aprox. 80-90 °C) este critică mai ales pentru nivelul de emisii poluante. De reținut că senzorul de temperatură motor are o influență semnificativă asupra consumului, orice defect care alterează semnalul transmis către calculatorul de injecție are ca efect modificarea consumului de combustibil.

Fig. 3.62  Caracteristica senzorului de temperatură al motorului [13]

Principiul de funcționare al senzorului de temperatură motor are la bază un dispozitiv semiconductor numit termistor. Majoritatea materialelor conductoare au un coeficient pozitiv de temperatură. Acest lucru presupune că atunci când temperatura conductorului crește, rezistența electrică crește de asemenea. La polul opus se află termistorul, care are coeficient negativ de temperatură. Astfel la creșterea temperaturii rezistența electrică a semiconductorului scade.

Fig. 3.63  Elementele componente ale unui senzor de temperatură motor [24]

Componente:

Conector

Carcasa

Termistor

Senzorul de temperatură este introdus în blocul motor cu ajutorul unui filet prevăzut pe carcasa metalică. Termistorul, prin intermediul carcasei metalice, preia temperatura lichidului de răcire al motorului. Contactele electrice transmit semnalul electric către calculatorul de injecție, legătura dintre acestea fiind realizată prin intermediul conectorului din plastic.

Funcționarea motorului (simptomele) în cazul unui defect al circuitului de măsura a temperaturii:

se aprinde martorul MIL (Malfunction Indicator Lamp): deoarece defectul senzorului de temperatură are impact asupra amestecului aer-combustibil și se depășesc limitele de emisii poluante

pornirea motorului devine dificilă: la pornirea la rece cantitatea de combustibil nu este ajustată corect în funcție de temperatură

crește consumul de combustibil: nu se face ajustarea corectă a îmbogățirii amestecului în funcție de temperatură

emisii de fum: datorită îmbogățirii excesive a amestecului aer-combustibil (oxigen insuficient) arderea nu este completă

funcționarea defectuoasă și/sau intermitentă a ventilatorului radiatorului motorului

Sistemul de injecție cu rampă comună și injectoare piezoelectrice cu acționare directă

Normele de poluare din ce în ce mai severe au impus utilizarea sistemelor de injecție cu control electronic pe motoarele cu ardere internă. De asemenea, aceste sisteme au permis obținerea de puteri specifice mai mari precum și un consum mai scăzut de combustibil.

Fig. 3.64  Sistem de injecție motor benzină V6 (rampe combustibil, injectoare și regulator de presiune) [18]

Cantitatea de combustibil injectată trebuie să fie controlată foarte precis deoarece se face în funcție de masa de aer care intră în cilindri. Pe baza informației primită de la senzorul de masă de aer, calculatorul de injecție controlează momentul și durata deschiderii injectoarelor.

Injectorul de combustibil este un dispozitiv electromecanic care debitează, pulverizează și direcționează combustibilul în galeria de admisie, în poarta supapei de admisie. Injectoarele sunt montate pe galeria de admisie. Acestea sunt instalate etanș pe galerie pentru a preveni scăparea de aer admis în motor.

În 2008 sistemele de injecție cu rampă comună de la Delphi au evoluat semnificativ prin utilizarea injectoarelor piezoelectrice cu acționare directa DFI3. În acest sistem de injecție, care lucrează cu presiuni de până la 2000 de bari, acul injectorului este acționat direct de actuatorul piezoelectric și nu de un sistem de control hidraulic cu supape acționate electric.

Fig. 3.65  Injectorul piezoelectric cu acționare directa DFI3 [18]

Actuatorul piezoelectric acționează foarte rapid asupra acului injectorului, independent de presiunea combustibilului din rampa comună. Această facilitate conduce la reducerea emisiilor poluante și a consumului de combustibil, precum și la creșterea densității de putere și a cuplului motor. De asemenea, controlul injecțiilor multiple este optimizat deoarece nu mai apar oscilații de presiune în injector. Injectorul DFI3 este capabil să execute până la 7 injecții pe ciclu într-un timp mai scurt, comparativ cu injectoarele cu solenoid și acționare electro-hidraulică.

Fig. 3.66  Injectorul piezoelectric cu acționare directa DFI3 – secțiune [18]

Injectoarele DFI3 sunt proiectate să funcționeze fără pierderi hidraulice și din acest motiv nu au conductă de retur (de joasă presiune). Astfel se economisește până la 1 kW de putere disipată, comparativ cu sistemele de injecție cu retur de combustibil.

Fig. 3.67  Injectorul piezoelectric cu acționare directă DFI3 – elemente componente [18]

Componente:

racord de înaltă presiune

conector electric

carcasa injectorului

actuatorul piezoelectric (piezo-ceramic)

acul injector

Acul injectorului este acționat de actuatorul piezoelectric atunci când acesta este alimentat cu curent electric. Prin racordul injectorul este alimentat cu combustibil de la rampa de înaltă presiune. Calculatorul de injecție comanda injectorul prin intermediul conectorului electric.

Fig. 3.68  Injectorul piezoelectric cu acționare directă DFI3 – detaliu [18]

Elemente:

orificii de injecție

canale de curgere combustibil

carcasa injectorului

actuatorul piezoelectric

acul injectorului

Injectorul piezoelectric cu acționare directă se remarcă prin faptul că este înconjurat de combustibil, în volumul dintre carcasa și actuatorul piezoelectric fiind combustibil sub presiune. Prezența volumului de combustibil din injector acționează ca un acumulator de presiune evitându-se astfel crearea de unde de presiune între injector și rampă, în momentul deschiderii acului injector. Combustibilul (motorina) intră în camera acului injector prin canalele și este injectată în cilindru prin intermediul orificiilor.

Fig. 3.69  Secțiune printr-un injector cu solenoid (A) și unul piezoelectric (B) – schemă de principiu [18]

Componente:

A – injector cu acționare electro-hidraulica (solenoid)

actuator cu solenoid (electromagnet)

supapa de control

circuitul hidraulic de acționare

acul injectorului

B – injector piezoelectric cu acționare directa

actuator piezoelectric

rezervor (volum) de combustibil

amplificator hidraulic de mișcare

acul injectorului

În cazul injectorului cu acționare electro-hidraulică (A), acul injectorului nu este acționat direct de actuatorul cu solenoid, ci se deschide ca urmare a diferențelor de presiune ce se formează în circuitul hidraulic. Modificarea presiunilor se datorează deschiderii supapei de control. Astfel, comanda electrică a calculatorului de injecție alimentează actuatorul cu solenoid care deschide supapa de control, se modifică presiunile din circuitul hidraulic de comandă și implicit se deschide acului injector.

Noul injector piezoelectric cu acționare directă (B) are avantajul că acul injectorului este acționat direct de actuatorul piezoelectric. Între acul injectorului și actuator nu este legătura mecanică directă, mișcarea fiind transmisă și amplificată hidraulic. Deoarece combustibilul este incompresibil, la alimentarea cu energie electrică a actuatorului piezoelectric, mișcare este transmisă instantaneu acului injector.

Tabel 3- Timpii de injectie la injectorul cu solenoid si la injectorul piezoelectric [18]

Datorită deschiderii foarte rapidă a acului injector, în cazul injectorului piezoelectric, se pot efectua până la 7-8 injecții pe ciclu fără timpi de așteptare între ele. Comparativ cu un inject or cu solenoid deschiderea și închiderea unui injector piezoelectric este de aproximativ 3 ori mai rapidă.

Avantajele acestui sistem de injecție, comparativ cu injectoarele electro-hidraulice, sunt remarcabile:

reducerea emisiilor de oxizi de azot și particule cu aproximativ 30%, creșterea cuplului și a puterii motorului cu aproximativ 10%, datorita îmbunătățirii pulverizării combustibilului injectat și a controlului mai precis a cantității de combustibil injectată

creșterea randamentului motorului datorită lipsei pierderilor hidraulice ale injectoarelor (lipsa returului)

timpul de deschidere și închidere al injectoarelor este independent de presiunea din rampa comună de înaltă presiune

Senzorul de presiune rampă combustibil

Motoarele diesel cu injecție directă precum și motoarele pe benzină cu injecție directă utilizează senzori de presiune care măsoară presiunea combustibilului din rampă. Cu acesta informație calculatorul de injecție ajustează timpul de deschidere al injectoarelor astfel încât să livreze în cilindri cantitatea optimă de combustibil pentru ardere, în funcție de regimul de funcționare al motorului termic.

Fig. 3.70  Senzor de presiune rampă combustibil Bosch [11]

Senzorul de presiune rampă trebuie să măsoare presiunea de combustibil cu o acuratețe destul de mare și într-un timp foarte scurt. Informația trimisă de acest senzor este critică și absolut necesară în procesul de injecție.

Fig. 3.71  Sistemul de injecție directă benzină Bosch [11]

Componente:

pompă de înaltă presiune

injector

rampă comună

senzor de presiune combustibil

regulator de presiune

Un senzor de presiune rampă conține în interior un element sensibil și un circuit electronic integrat. Combustibilul sub presiune pătrunde printr-un canal din corpul senzorului până la elementul sensibil. Acest convertește presiunea în tensiune electrică, care este amplificată de circuitul electric și trimisă prin intermediul contactelor electrice către calculatorul de injecție.

Fig. 3.72  Senzor de presiune rampă combustibil-componente[11]

Componente:

canal (prin care pătrunde combustibilul sub presiune)

corp (conține elementul sensibil și circuitul electronic)

conector electric

Senzorul de presiune rampă este un senzor tensometric rezistiv. Funcționarea acestui tip de senzori se bazează pe efectul piezorezistiv: rezistența electrică a unui conductor variază în funcție de deformația mecanică longitudinală.

Elementul sensibil al senzorului conține mai multe pelicule semiconductoare pe bază de siliciu, conectate în punte Wheatstone. Această arhitectură permite și compensarea efectelor temperaturii asupra senzorului.

Senzorul de presiune rampă combustibil este un senzor activ. Acesta trebuie alimentat de la o sursă de tensiune, de obicei de +5V. Conectorul electric conține 3 pini: masă, tensiunea de alimentare (UA) și tensiunea de ieșire (UV).

Fig. 3.73 Senzor de presiune rampă combustibil-pini[11]

Pini:

1 – masă (GND)

2 – tensiunea de ieșire (UA)

3 – tensiunea de alimentare (UV)

Semnalul (tensiunea) generat de senzor, în funcție de presiunea combustibilului din rampă, variază între 0 și 70 mV. Circuitul electronic integrat în senzor evaluează și transformă acest semnal într-o tensiune ce variază între 0.5-4.5 V.

Fig. 3.74 Caracteristica senzorului de presiune rampă combustibil [13]

Domeniul de măsură al unui senzorului de presiune rampă combustibil se situează în intervalul 0 … 1800 (2000) de bari. Pentru ca sistemul de injecție să funcționeze corect este deosebit de importantă precizia de măsură a senzorului. La presiuni de injecție medii deviația presiunii măsurate, față de valoarea reală, nu trebuie să depășească ±2%.

În funcție de tipul sistemului de injecție și de presiunea maximă de injecție presiunea combustibilului din rampă poate fi de 280 la bari la regim de mers încet în gol (ralanti) și de 1800 de bari la sarcină maximă.

Semnalul generat de senzorul de presiune rampă combustibil face parte din bucla închisă de control a injecției. La apăsarea pedalei de accelerație, calculatorul de injecție calculează cantitatea de combustibil necesară pentru obținerea cuplului motor dorit. Pentru aceasta se calculează nivelul de presiune la care trebuie să fie combustibilul din rampa comună.

Fig. 3.75 Semnal (tensiune) de ieșire senzor presiune rampă combustibil [13]

Legenda:

A – contact pus (motor oprit, senzor alimentat)

B – motor pornit (regim ralanti)

C – regim de sarcină și turație medie a motorului

D – alimentare senzor oprită

Controlul presiunii se face prin supapa (regulator) de presiune aflată pe pompa de injecție sau pe rampă. În funcție de semnalul primit de la senzorul de presiune rampă, calculatorul de injecție comandă supapa (regulatorul) de presiune pentru a obținea presiunea necesară în rampă.

Simptomele automobilului/motorului în cazul defectării senzorului de presiune rampă combustibil:

motorul nu pornește sau pornește greu

consumul de combustibil crește

martori aprinși în bordul automobilului (MIL și Service)

Regulatorul de presiune a combustibilului

La un motor termic cu sistem de injecție cantitatea de combustibil injectată trebuie să depindă exclusiv de timpul de deschidere al injectoarelor. Astfel, la un motor cu injecție indirectă, diferența dintre presiunea combustibilului în rampă și presiunea aerului din galeria de admisie trebuie să rămână tot timpul constantă indiferent de regimul de funcționare al motorului.

Fig. 3.76 Rampă de combustibil cu injectoare și regulator de presiune [11]

Pentru a asigura acestă diferență de presiune, este necesară utilizarea unui dispozitiv care să ajusteze presiunea combustibilului din rampă în funcție de variația presiunii aerului din galeria de admisie. Regulatorul de presiune controlează cantitatea de combustibil ce se întoarce în rezervor astfel încât căderea de presiune pe injector (diferența între presiunea din rampă și cea din galeria de admisie) să fie tot timpul constantă.

Fig. 3.77 Regulator de presiune benzină [11]

La motoarele cu sistem de injecție multipunct regulatorul de presiune este montat de obicei la capătul rampei de combustibil iar la motoarele cu injecție monopunct în corpul injectorului central.

Fig. 3.78 Circuitul de alimentare cu combustibil al unui motor pe benzină [13]

Componente:

rezervor de  combustibil (benzină)

pompă de combustibil de joasă presiune (electrică)

filtru de combustibil

rampă combustibil

regulator de presiune

injector

În funcție de numărul și poziționarea racordurilor de combustibil și aer, există mai multe tipuri constructive de regulatoare de presiune. De asemenea, acestea pot fi cu retur de combustibil în rezervor sau fără retur, cele mai des utilizate fiind cele cu retur.

Fig. 3.79 Regulator de presiune benzină cu retur-componente [13]

Componente:

canal de intrare combustibil (din rampă)

retur combustibil (către rezervor)

racord aer admisie

Regulatorul este de fapt o supapă de control a presiunii reglată pneumatic (vezi figura de mai jos). Acesta conține o diafragmă (membrană) elastică (4) care împarte corpul regulatorului în două camere: de combustibil și de aer. În interiorul regulatorului se află o supapă (5) și un arc elicoidal (2). Supapa este ținută pe sediu datorită apăsării arcului. În momentul în care forța datorată presiunii din rampă devine mai mare decât forța de apăsare a arcului, supapa (5) se deschide (se ridică) și combustibilul este refulat către rezervor prin intermediul canalului de retur (7).

Fig. 3.80 Secțiune printr-un regulator de presiune benzină [13]

Elemente:

racord aer admisie

arc elicoidal

corp supapă

diafragmă

supapă

canal de intrare combustibil (din rampă)

retur combustibil (către rezervor)

Forța de apăsare a arcului deci implicit presiunea maximă din rampă este reglată de depresiunea din camera de aer. Cu cît depresiunea aerului este mai mare cu atât forța de apăsare a arcului este mai mică deoarece se creează o forță de sucțiune care tinde să deschidă supapa.

Camera de aer a regulatorului este conectată prin racordul de aer cu galeria de admisie după clapeta obturatoare. În acest mod se reglează presiunea din rampa de combustibil în funcție de sarcina motorului.

Fig. 3.81 Variația presiunii în rampa de combustibil în funcție de presiunea aerului [13]

Presiunea maximă de injecție la motoarele cu injecție indirectă se situează în jurul valorii de 3-4 bari. Această presiune se obține la sarcina maximă a motorului, când presiunea în colectorul de admisie este aproximativ egală cu presiunea atmosferică (1 bar). Astfel, la sarcini mici ale motorului (ex. ralanti), presiunea în galeria de admisie scade deoarece clapeta obturatoare este parțial închisă. Pentru a compensa scăderea presiunii din admisie este redusă și presiunea din rampa de combustibil pentru a păstra constantă căderea de presiune pe injector (ex. 3 bari).

În cazul în care regulatorul de presiune se defectează compensarea presiunii de injecție, în funcție de presiunea aerului din galeria de admisie, nu se va mai face. Din acest motiv cantitatea de combustibil injectată în cilindri nu va mai fi controlată rezultând într-o funcționare anormală a motorului.

Pompa de injecție directă

Sistemul de alimentare cu combustibil pentru motoarele pe benzină cu injecție directă necesită presiuni ridicate ale combustibilului. Presiunea combustibilului pentru motoarele cu injecție directă variază între 5 și 130 de bari, sistemele de ultimă generație mergând până la 200 de bari. Cu cât presiunea de injecție este mai mare cu atât atomizarea (pulverizarea) combustibilului și penetrația jetului în cilindru sunt mai bune. Comparativ, la sistemele de injecție indirectă, în poarta supapei, presiune cobustibilului variază între 2.5 și 5 bari.

La un sistem de alimentare cu injecție directă de benzină, presiunea este clasificată în două categorii:

Joasă: generată de pompa de alimentare, presiunea combustibilului fiind între 1-5 bari

Înaltă: generată de pompa de injecție, presiunea combustibilului variind între 5-200 bari

Fig. 3.82 Sistemul de alimentare cu combustibil–schemă de principiu [24]

Componente:

rezervor combustibil

pompa de joasă presiune/alimentare (electrică)

filtru de combustibil

pompa de înaltă presiune/injecție (mecanică)

rampă combustibil

supapă de control

sensor presiune combustibil

injectoare

Fig. 3.83 Sistemul de alimentare cu combustibil Bosch [11]

Componente:

pompă de injecție

rampă combustibil

senzor presiune combustibil

injector

Pompa de injecție este antrenată mecanic, de o camă cu 2, 3 sau 4 lobi aflată pe arborele cu came. Dacă motorul este cu cilindri în V, pentru a asigura debitul necesar de combustibil, se pot utiliza și două pompe de injecție. Presiunea de lucru se situează între 5-10 bari (regim ralanti) sau 150 – 200 de bari (sarcină totală).

Fig. 3.84 Pompă de injecție directă benzină Bosch [11]

Componente:

supapă de control a presiunii

racord admisie (presiune joasă)

racord evacuare (presiune înaltă)

suport arc de revenire

Funcțiile principale ale pompei de injecție sunt:

să comprime combustibilul

să livreze permanent injectoarelor cantitatea de combustibil cerută de calculatorul de injecție, indiferent de punctul de funcționare al motorului termic (sarcină, turație)

să limiteze presiunea combustibilului la o valoare maximă pentru a evita defecțiunile cauzate de suprapresiune

Fig. 3.85 Pompă de injecție directă de benzină – secțiune [11]

Componente:

armătură mobilă supapă de control a presiunii

supapă de admisie

cilindru

garnitură de etanșare (o-ring)

piston

suport arc de revenire

arc de revenire

flansă de fixare

supapă de evacuare

racord evacuare (către rampa de combustibil)

supapă de siguranță

Pistonul este acționat de o camă dedicată prevăzută pe arborele cu came al motorului. Contactul dintre camă și piston este menținut permanent datorită presiunii arcului de revenire. În faza de admisie pistonul se deplasează în jos (împins de arc) iar combustibilul pătrunde în cilindrulul pompei prin supapa de admisie. Pe faza de comprimare, cama acționează pistonul care începe faza de comprimare. Dacă supapa electromagnetică nu este energizată (alimentată cu energie electrică) supapa de asmisie rămâne deschisă și combustibilul este împins înapoi (refulare) în circuitul de joasă presiune.

Fig. 3.86 Fazele de funcționare ale pompei de injecție directă de benzină [13]

Presiunea combustibilului la ieșirea de pompă este controlată de calculatorul de injecție. Când este necesară creșterea presiunii, supapa electromagnetică este energizată pe faza de comprimare, armătura mobilă permite închiderea supapei de admisie și pistonul începe să comprime combustibilul. Când presiunea din cilindrul pompei devine mai mare decât presiunea din rampa de combustibil, supapa de evacuare se deschide și combustibilul este împins în rampă.

Injecția directă a permis îmbunătățirea substanțială a performanțelor dinamice și de consum ale motoarelor pe benzină. Comparativ cu sistemul de injecție indirectă de benzină, dezavantajul este costului mai mare al sistemului de înaltă presiune, care se reflectă în costul final al automobilului. De asemenea, sensibilitatea componentelor de înaltă presiune la calitatea combustibilului este mai pronunțată. Din acest motiv este deosebit de important să se respecte indicațiile constructorului în ceea ce privește combustibilul utilizat cât și condițiile de mentenanță și service.

Sistemul de recirculare a gazelor de evacuare (EGR)

Oxizii de azot (NOx) sunt emisii poluante din gazele de evacuare ale unui automobil care au efect nociv asupra sănătății. Atât motoarele pe benzină cât și cele diesel produc oxizi de azot în urma arderii amestecului aer-combustibil. Datorită principiului de funcționare și a caracteristicilor diferite ale combustibililor celor două motoare, nivelul emisiilor de NOx este diferit.

Motorul diesel se caracterizează și prin funcționarea cu amestec sărac, aerul necesar arderii în totalitate a motorinei fiind în exces. În plus, datorită presiunii înalte din cilindru, temperatura la care are loc arderea este de asemenea ridicată. Oxigenul în exces și temperaturile înalte sunt elementele de bază pentru producerea de oxizi de azot. Din acest motiv motorul diesel, comparativ cu motorul pe benzină, produce mai mult NOx.

Fig. 3.87 Limita emisiilor de NOx pentru autoturisme prevăzută de legislația europeană [13]

EGR-ul este un sistem care permite reintroducerea gazelor rezultate în urma arderii înapoi în galeria de admisie. Acest procedeu conduce la scăderea semnificativă a emisiilor de NOx deoarece reduce cele două elemente care stau la baza producerii acestuia.

Prin reintroducerea gazelor arse în admisie o parte din oxigenul necesar arderii este înlocuit cu gaze arse ceea ce conduce la scăderea cantității de oxigen în exces. Pe de alte parte deoarece gazele arse absorb o parte din căldura generată în urma arderii se reduce și temperatura maximă pe ciclu.

Fig. 3.88 Sistemul de admisie și evacuare al unui motor termic [11]

Componente:

compresor

turbină

sondă lambda

supapă EGR cu comandă electro-pneumatică

obturator admisie

galerie admsie

galerie evacuare

injector

Recircularea gazelor arse în galeria de admisie nu se face continuu în timpul funcționării motorului. Unitatea de control electronică (ECU) comandă supapa EGR pentru a permite gazelor arse să intre în admisie. Pe motoarele supraalimentate controlul debitului de gaze arse se face și cu ajutorul obturatorului care, prin închidere, scade presiunea în galeria de admisie și facilitează curgerea gazelor dinspre galeria de evacuare.

Sistemul EGR reduce semnificativ cantitatea de NOx dar, dacă gazele de evacuare sunt introduse excesiv în admisie, poate avea impact asupra creșterii emisiilor de monoxid de carbon (CO), hidrocarburi (HC) și particule (PM), deoarece acestea se produc ca urmare a arderii incomplete a combustibilului din lipsă de oxigen.

Utilizarea EGR-ul se face în domeniul sarcinilor parțiale ale motorului și la turații mici și medii, domenii în care oxigenul este în exces. În cazul în care conducătorul dorește un cuplu ridicat de la motor sistemul EGR este dezactivat.

Fig. 3.89 Domeniul de utilizare al EGR-ului pentru motoarele pe benzină și diesel [23]

Reglarea EGR-ului trebui să se facă astfel încât să se gasească compromisul optim între emisiile poluante și performanțele dinamice ale automobilului.

Odată cu intrarea în vigoare a normelor de poluare Euro 3 EGR-ul a devenit echipament standard pentru majoritatea automobilelor echipate cu motor diesel. EGR-ul s-a dovedit un sistem eficient și ieftin pentru a reduce emisiile de oxid de azot.

Cu cât temperatura gazelor arse introduse în admisie este mai scăzută cu atât densitatea acestora este mai mare. Prin răcirea gazelor de evacuare, înainte de a fi recirculate, se îmbunătățește eficiența sistemului EGR deoarece cantitatea de gaze inerte în admisie crește ce rezultă într-o temperatura la sfîrșitul arderii mai mică și cantitatea de oxigen în cilindru mai redusă.

Începând cu normele Euro 4 motoarele diesel cu EGR sunt prevăzut cu radiator de răcire a gazelor de evacuare și supapă de by-pass (ocolire).

Fig. 3.90 Sistemul EGR cu răcire intermediară [25]

Componente:

conductă prin care trece lichidul de răcire al motorului

radiator pentru răcirea gazelor de evacuare

galeria de evacuare

chiulasă

galeria de admisie

supapa EGR cu acționare electrică

unitatea de control electronică

După ce temperatura motorului ajunge la valoarea nominală, pentru a crește eficiența sistemului EGR gazele arse sunt răcite prin intermediul unui radiator. Supapa de by-pass este activată atunci când motorul este rece, gazele arse ocolesc radiatorul de răcire și intră direct în motor.

Componenta principală a sistemului EGR este supapa de recirculare a gazelor arse care mai este numită și supapă sau vană EGR.

Primele supape EGR comercializate erau cu acționare electro-pneumatică. Acest tip de acționare avea avantajul izolării părții electronice a EGR-ului de componentele cu temperatură înaltă. Motoarele moderne cu sisteme EGR sunt dotate aproape integral cu supape acționate electric și comandate direct de unitatea de control electronică a motorului.

Fig. 3.91 Supapă EGR acționată electric [26]

Avantajul supapelor EGR cu acționare electrică cu motor electric de curent continuu, comparativ cu cele cu acționare electro-pneumatică, este timpul de răspuns mai mic. Pentru aceste supape deschiderea și închiderea se poate realiza sub 100 de milisecunde. Acest lucru este important deoarece se dorește închiderea completă a supapei EGR când conducătorul auto dorește cuplul motor maxim.

Pentru răcirea gazelor de evacuare se utilizează radiatoare care folosesc lichidul de răcire al motorului ca agent termic.

Fig. 3.92 EGR cu răcire intermediară și supapă de by-pass [27]

Unele radiatoare sunt prevăzute cu mai multe tuburi centrale prin care circulă gazele de evacuare. Pe lângă aceste tuburi curge lichidul de răcire a motorului care preia o parte din căldura gazelor de evacuare.

Fig. 3.93 Secțiune printr-un radiator EGR [28]

Calculatorul pilotează o electrovană în mase secvențiale. Cu cât vana este comandată mai mult, cu atât depresiunea creată de pompa cu vid se aplică vanei EGR și o deschide. Cu cât vana se deschide, cu atât rata de recirculare este mai importantă.

Fig. 3.94 Diagrama bloc EGR [29]

Gestionarea electronică permite obținerea unei rate de recirculare variabilă care poate fi cartografiată în funcție de mai mulți parametri. În anumite cazuri, va fi posibilă buclarea sistemului controlând poziția reală a vanei EGR.

În cazul gestionării electronice a vanei E.G.R, anumite informații sunt esențiale pentru calculator:

Sarcina informează calculatorul de cererea de sarcină determinând comandarea E.G.R.-ului numai la sarcini joase și interzice comanda vanei în decelerație (se evită emisiile de fum).

Viteza vehiculului informează calculatorul despre viteza vehiculului pentru strategia E.G.R-ului; de exemplu dacă viteza vehiculului este nulă și pedala accelerație ridicată sau viteza motorului la relanti, atunci E.G.R se va dezactiva; când viteza devine mai mare de 40km/h E.G.R. este din nou activată; aceasta pentru a evita ancrasarea supapelor.

Regimul motor, la fel ca și la informația viteză vehicul, utilă la strategia de comandă a vanei E.G.R.; în majoritatea cazurilor E.G.R.-ul nu mai este comandat peste 3000rot/min și sub un regim de minim 800 rot/min pentru a evita calarea motorului.

Presiunea atmosferică informează asupra altitudinii pentru activarea vanei; cu creșterea altitudinii oxigenul se rarefiază, temperatura de ardere scade, deci nu mi este utilă comandarea vanei.

Poziția vanei este controlată printr-un captor de tip potențiometru care este integrat în aceasta. Acesta informează calculatorul de poziția exactă a vanei, calculatorul determinând deschiderea reală precum și funcționarea vanei. În caz de defectare a acestui captor vana nu mai poate fi comandată.

PROIECTAREA SISTEMULUI DE MONITORIZARE A SENZORILOR DIN CADRUL UNUI AUTOMOBIL

Structura sistemului

După cum a fost prezentat și în capitolul 2. Stadiul actual al cercetărilor și realizărilor privind sistemele de diagnoză, există două tipuri de dizpozitive de diagnosticare: de șine stătător, care pur și simplu se conectează la portul OBD al automobilului și poate fi utilizat direct pentru citirea parametrilor motorului și sisteme ce rulează pe diverse sisteme de operare (Windows, Android) și care utilizează un adaptor/decodor pentru interpretarea semnalelor venite de la calculatorul de injecție.

Fig. 4.1 Mod de diagnosticare folosind PC [29]

Fig. 4.2 Diagnosticare folosind un dispozitiv de diagnosticare de sine stătător [3]

După un studiu realizat asupra celor două tipuri de dispozitive s-a ajuns la următoarele concluzii.

În cazul efectuării diagnozei folosind un PC, dezavantajele sunt reprezentate de necesitatea unui PC, de spațiul pe care îl ocupă acesta, punându-se însă și problema duratei bateriei sau a alimentării. Totodată, pentru a diagnostica un automobil folosind PC-ul este nevoie achiziționarea de un software de diagnoză, al cărui preț nu este deloc neglijabil.

Pe de altă parte, dispozitivele de diagnosticare de sine stătătoare prezintă avantaje precum: meniu ușor de utilizat, manevrabilitate ridicată, spațiu mic de depozitare, nu necesită achiziționarea unei licențe, sunt însă dezavantajate de prețul ridicat de achiziționare.

În urma unui chestionar oferit unor potențiali utilizatori al unui echipament de monitorizare a senzorilor în cadrul unui automobil, la întrebarea „Cat de mult v-ar influența următorii factori la achiziționarea unui astfel de sistem?” a reieșit că respondenții au fost influențați cel mai mult de preț, apoi de spațiul ocupat de către sistemul de diagnoză, iar în ultimul rând de design-ul echipamentului.

Fig. 4.3 Influența factorilor în achiziționarea unui sistem de diagnoză: Preț/Design/Spațiul ocupat

Subsistemul hardware

În proiectarea sistemului de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil s-a ținut cont de influența acestor factori, în ordinea importanței lor pentru potențialii utilizatori, astfel că s-a optat că punctele cheie ale sistemului să fie un preț cât mai accesibil și un gabarit cât mai mic.

Figura 4.4 este o reprezentare a schemei bloc a sistemului de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil, pentru a intelege cat mai bine modul de functionare al acestui sistem.

Fig. 4.4 Diagrama bloc a sistemului

Termenul OBD-2 implică cerințe standardizate atât pe partea de hardware (electronică, conector) cât și pe partea de software (protocol de comunicație, parametrii măsurați). Pe scurt putem spune că standardul OBD-2 se referă la:

conector

protocol de comunicație

mod de funcționare (informații/parametrii înregistrați și puși la dispoziția utilizatorului automobilului)

Conectorul OBD-2

Standardul american SAE J1962, echivalent cu ISO 15031-3, prevede dimensiunile conectorului OBD-2 din vehiculului și pentru echipamentul de diagnosticare. De asemenea locația conectorului din vehicul este standardizată, astfel fiecare automobil ce respecta standardul OBD-2 permite accesul utilizatorului.

Fig. 4.5 Conector OBD-2 vehicul [30]

Conectorul trebuie să fie situat în habitaclu, în zona volanului a tabloului de bord sau a consolei centrale. Accesul trebuie să se facă ușor, de pe scaunul conducătorului auto, locația preferată fiind între coloana de direcție și axa longitudinală a vehiculului.

Fig. 4.6 Dimensiuni connector OBD-2 conform standardului ISO 15031-3 [31]

Accesul la conectorul OBD-2 din vehicul trebuie să se facă fără utilizarea unor instrumente speciale în cazul în care conectorul este acoperit de un capac de protecție. Amplasarea conectorului trebuie să permită montarea și demontarea echipamentului de diagnosticare cu o singură mână, în condiții de siguranță.

Fig. 4.7 Locatie conector OBD-2 Renault Twingo

Setul de regulamente SAE și ISO ce definesc OBD-2 prevede o interfață hardware (conector) standard cu 16 pini. Spre deosebire de conectorul OBD-1, care poate fi găsit uneori și în compartimentul motor, conectorul OBD-2 este necesar să fie la o distanță de 0.61 m de volan Numerotarea și definiția pinilor este descrisă in figura 4.8 si in tabelul 4.

Fig. 4.8 Numerotarea pinilor la conectorul OBD-2 [31]

Tabel 4 Definitia pinilor la conectorul OBD-2 [13]

Pinii 1, 3, 8, 9, 11, 12, 13 nu sunt explicit definiți de către regulament și sunt la discreția constructorului de automobile. Utilizarea pinilor se face în funcție de protocolul utilizat. Astfel un automobil care utilizează protocolul CAN pentru OBD-2 va avea în conectorul din vehicul pinii 4 (-), 16 (+), 6 și 14. Pe de altă parte un echipament de diagnosticare (scantool) care nu depinde de un anume protocol de comunicație va avea un conector cu toți pinii, identificarea protocolului făcându-se în mod automat.

Interfața OBD-2 pentru majoritatea automobilelor poate utiliza unul din cinci protocoale de comunicație. Deducerea protocolului utilizat se poate face prin identificarea pinilor de pe conectorul OBD-2 al automobilului:

SAE J1850 PWM: Protocolul este utilizat în principal de către Ford Motor Company, viteza de transfer a datelor fiind de 41.6 kB/sec. Utilizează pinii 2 (+) și 5 (-) pentru transmiterea semnalelor.

SAE J1850 VPW: Este un protocol standard utilizat de către General Motors, viteza de transfer a datelor fiind între 10.4 și 41.6 kB/sec. De asemenea utilizează pinii 2 (+) și 5 (-) pentru transmiterea semnalelor.

ISO 9141-2: Protocol utilizat cu precădere de către producătorii de automobile europeni, asiatici și Chrysler. Viteza de transfer a datelor este de 10.4 kBaud. Pentru comunicare utilizează pinul 7 (K-line) și opțional pinul 15 (L-line).

ISO 14230 (KWP2000): Protocol similar cu ISO 9141-2. Pentru comunicare utilizează pinul 7 (K-line) și opțional pinul 15 (L-line). Viteza de transfer a datelor este cuprinsă între 1.2 și 10.4 Kbaud.

ISO 15765 (CAN): Protocolul CAN este produsul companiei Bosch și este larg utilizat în industria automobilelor. În funcție de viteza de transfer a datelor, pentru OBD-2, se poate utiliza CAN de 250 kBit/sec sau de 500 kBit/sec. Pentru transmiterea datelor se utilizează pinul 6 (CAN high) și 14 (CAN low). Începând cu 2008, toate vehiculele noi vândute în SUA sunt obligate să utilizeze protocolul CAN pentru OBD-2.

Interfața OBD-2

Pentru a citi și a interpreta valorile senzorilor și codurile de eroare provenite de la automobil prin conectorul OBD-2 este nevoie de o interfață OBD-2. Această interfață practic o punte de legătură între port-ul OBD-2 și o interfață serială RS232.

ELM 327 este o interfață de diagnoză universală, multimarca, compatibilă cu aproape toate mărcile și modelele de mașini din pe benzină din 2000 până în prezent și cele pe motorină din 2004 până în prezent, ce dispun de mufă OBD ÎI. Interfețele ELM327 sunt dezvoltate pe microcontrollere din familia PIC18F2480, produse de cei de la Microchip Technology.

Fiind printre cele mai populare în întreagă lume ,atât datorită prețului accesibil cât și datorită versatilității, această interfață a fost aleasă și pentru acest proiect.

Fig. 4.9 Interfata ELM327 [32]

ELM 327 este echipat cu LED-uri de semnalizare: Power, OBD Tx / Rx, USB Tx / Rx. Aparatul este conceput pentru orice persoana preocupata de diagnoza , precum si pentru atelierele auto mici si mijlocii. Unitatea este proiectata profesional, dar usor de utilizat. Elm 327 permite citirea si stergerea DTC (coduri de eroare) si previzualizare parametri motor in timp real.

Fig. 4.10 Pinii microcontrollerului PIC18F2480 [33]

Fig. 4.11 Diagrama bloc ELM327 [33]

Platforma de procesare Arduino UNO V3

Pentru a realiza conexiunea dintre ECU și un sistem de afișare de tip LCD mai este nevoie și de o Platformă Arduino. Această, cu ajutorul unui algoritm, asigură transmiterea și interpretarea datelor primite de la ECU.

Ținând cont de numărul redus de porturi de care este nevoie, 6 porturi pentru conectarea sistemului de afișare LCD, un port de alimentare +5V și un port GND, a fost suficientă utilizarea unei platforme Arduino UNO.

Fig. 4.12 Platforma Arduino UNO V3 [34]

Caracteristici:

Microcontroler: ATmega2560

Tensiune de lucru: 5V

Tensiune de intrare (recomandat): 7-12V

Tensiune de intrare (limite): 6-20V

Pini digitali: 54 (14 au ieșire PWM)

Pini analogici: 16

Curent de iesire: 40 mA

Curent de iesire 3.3V Pin: 50 mA

Capacitate Memorie Flash: 256 KB , 8 KB pentru bootloader

Capacitate Memorie SRAM: 8 KB

Capacitate Memorie EEPROM: 4 KB

Frecvența de ceas: 16 MHz

Sistem de afișare de tip LCD cu butoane

Pentru afișarea informațiilor procesate, dar și pentru interfața cu utilizatorul a fost nevoie de utilizarea unui sistem de afișare de tip LCD având propria sa interfață cu utilizatorul. Din considerente economice, nu s-a ales un LCD color sau unul cu touchscreen, ci s-a ales un LCD 16×2, cu caractere negre, backlight verde și o tastatură format din 5 taste: select, sus, dreapta, jos și stânga, produs de către cei de la LinkSprite.

Fig. 4.13 LCD 16×2 LinkSprite [35]

Fig. 4.14 Schematic LCD [35]

Subsistemul software

Programele de functionare pentru sistemul de monitorizare a senzorilor

Subsistemul software este format dintr-un program care se încărca pe platforma Arduino, care solicită informații de la automobil, iar apoi decodifică datele primite de la unitatea de control a motorului.

Pentru a implementa acest program, a fost nevoie de cunoașterea unor moduri de comunicare, denumite OBD PIDs (On-board diagnostics Parameter IDs), moduri de comunicare folosite pentru a solicita datele de la unitatea de control a motorului.

Standardul J/1939 definește multe coduri OBD PID, însă unii producătorii definesc, de asemenea, o serie de coduri OBD PID specifice pentru vehiculele lor.

Modul de lucru al modurilor de comunicare OBD PID:

Instrumentul de diagnosticare trimite codul PID către unitatea de control;

Un dispozitiv din cadrul unității de control recunoaște codul PID și raportează valoarea pentru codul respectiv;

Programul software citește răspunsul, îl decodifică, iar apoil îl afișează.

Modurile OBD-2 sunt numerotate de la 1 la 9 și sunt simbolizate 01, 02, …, 09. Fiecare mod are rolul de a extrage anumite informații specifice legate de automobil.

Fig. 4.15 Modurile OBD-2 [13]

Modul 01 (Read real-time data) este utilizat pentru a citi date în timp real privind funcționarea motorului. Viteza cu care se face citirea datelor depinde de protocolul utilizat. De exemplu în cazul protocolului ISO 14230 (KWP 5BAUD) se pot citi până la 9 parametrii pe secundă iar în cazul protocolului ISO 15765 până la 55 parametrii pe secundă. Parametrii pot fi calculați de unitatea de control a motorului sau pot fi măsurați de senzori.

Modul 02 (Freeze frame data) este utilizat pentru a afișa parametrii motorului înregistrați în momentul în care a apărut un defect. Acești parametrii au rolul de a il ajuta pe cel care efectuează reparația să pună un diagnostic cât mai bun. Numărul de parametrii înregistrați depinde în mare măsură de performanțele unitatii de control a motorului.

Modul 03 (Read stored fault codes) returnează codul defectelor confirmate ale motorului. Un cod de defect numit DTC (Diagnostic Trouble Codes) este compus din o literă urmată de patru cifre, dupa cum se poate vedea in tabelul 5.

Tabel 5 Descrierea codurilor de eroare OBD 2 [13]

(1) Powertrain – Categoria Sistemelor de Propulsie include motorul, transmisia precum și sistemele auxiliare asociate trenului de rulare.

Ex. P0135 (O2 Sensor Heater Circuit) – defect al circuitului de încălzire al senzorului de oxigen

(2) Body – În acestă categorie, Caroserie, sunt incluse sistemele, componentele care sunt prezente în general în habitaclu. Sistemele din acestă categorie sunt responsabile cu asistența pasagerilor în timpul deplasării, comfortul și siguranța acestora.

Ex. B0028 (Right Side Airbag Deployment Control) – defect al sistemului de control al airbag-ului stânga

(3) Chassis – Categoria Șasiu cuprinde sistemele care sunt în afara habitaclului. În acestă categorie de obicei sunt incluse sistemul de frânare, sistemul de direcție și suspensia.

Ex. C0051 (Steering Wheel Position Sensor) – defect al sensorului de poziție pentru coloana de direcție

(4) Network – Categoria rețea cuprinde funcțiile care sunt comune calculatoarelor și sistemelor aflate pe un automobil. Un exemplu este rețeaua de comunicare CAN.

Ex. U0121 (Lost Communication With ABS Control Module) – defect ce reprezintă pierderea comunicării cu modulul de control al ABS.

Modul 04 (Erase fault-codes and stored values) este utilizat pentru ștergerea codurilor de eroare precum și a informațiilor asociate (freeze frame).

Modul 05 (Read Lambda sensor self test results) este utilizat pentru raportarea stării de funcționare a senzorului de oxigen (sonda lambda). Parametrii raportați sunt în număr de zece și se referă la:

$01 – nivelul de tensiune la care se face tranziția între amestec bogat și amestec sărac

$02 – nivelul de tensiune la care se face tranziția între amestec sărac și amestec bogat

$03 – tensiunea minimă utilizată pentru calculul timpului de trecere între amestec sărac și bogat

$04 – tensiunea maximă utilizată pentru calculul timpului de trecere între amestec sărac și bogat

$05 – timpul în care se face tranziția de la amestec bogat la amestec sărac

$06 – timpul în care se face tranziția de la amestec sărac la amestec bogat

$07 – tensiunea minimă (utilizată pentru testarea senzorului)

$08 – tensiunea maximă (utilizată pentru testarea senzorului)

$09 – timpul între valorile tensiunilor de tranziție

$0A – perioada semnalului

Fig. 4.16 Tensiunea electrică generată de o sondă lambda [13]

Modul 06 (Read component monitoring self test) este utilizat pentru citirea rezultatelor testelor efectuate asupra diferitelor componente, ce au impact direct asupra emisiilor poluante. Rezultatelor cuprind de obicei o valoare minimă, una maximă și nivelul înregistrat în momentul citirii.

Modul 09 (Request vehicle information) este utilizat pentru a obtine informatii despre vehicul precum: seria VIN (Vehicle Identification Number) sau codul unitatatii de control a motorului.

Datorită performanței limitate a interfeței OBD-2 ELM327, care poate monitoriza doar o serie de parametrii ai motorului, pentru sistemul prezentat s-au implementat următoarele funcții:

Monitorizare senzori motor

1. Temperatura motorului, în grade Celsius

2. Sarcina motorului, în procente

3. Presiunea absolută în galeria de admisie, în kPa

4. Deschiderea clapetei de accelerație, în procente

5. Monitorizarea senzorului de oxigen de dinaintea catalizatorului, în procente

6. Monitorizarea senzorului de oxigen de după catalizator, în procente

7. Rotațiile motorului, în rotații/minut

8. Viteza, în km/h

9. Avansul aprinderii, în grade

10. Temperatura aerului din admisie, în grade Celsius

11. Distanța parcursă de când s-a aprins lampa MIL, în km

12. Tensiunea bateriei, în volți

Citirea codurilor defectelor confirmate ale motorului

Implementarea algoritmului software

Implementarea algoritmului sofware s-a făcut în mediul de programare Arduino, conceput special pentru plăcile de dezvoltare cu același nume. Limbajul de programare este asemănător cu limbajul C++, având în plus implementate diverse funcții și metode de lucru special concepute.

Funcțiile principale, specifice limbajului de programare Arduino sunt:

void setup() – Secvențele de cod scrise în această buclă, rulează o singură dată, la

începutul programului. Tot în interiorul aceste bucle, se stabilesc intrările/ieșirile

și tipul acestora;

void loop() – Codul scris în interiorul acestei bucle de program este rulat linie cu

linie în mod continuu;

pinMode(nr. pin, tip) – este folosit pentru stabilirea tipului de intrare/ieșire. Nr.

pin reprezintă numărul înscris pe platforma în dreptul pinului, iar tipul poate fi

INPUT sau OUTPUT. Se folosește doar în cazul pinilor I/O sau PWM;

digitalWrite(nr. pin, stare) – este folosit pentru setarea pinilor digitali. Starea

acestora poate fi 1 logic (1 sau HIGH) sau 0 logic (0 sau LOW);

digitalRead(nr. pin) – citește valoarea digitală a intrării (0 sau 1);

analogWrite(nr. pin, valoare) – este folosit pentru comanda PWM a ieșirilor

compatibile. Valoarea este cuprinsă între 0 – 255;

analogRead(nr. pin) – returnează valoarea analogică a intrării (0 – 1023);

Serial.begin(viteză) – este folosit pentru inițializarea comunicațiilor seriale

folosind viteze cuprinse între 300 și 115200 biți/secundă. Cea mai des utilizată

rată de transfer este de 9600 biți/secundă. Arduino Mega are 3 porturi seriale iar

pentru apelarea lor se folosește Serial1,Serial2 sau Serial3;

delay(ms) – oprește rularea programului o perioadă de timp(milisecunde);

int – numere întregi; ocupă 16biți de memorie și au valori cuprinse între 2-15 si 215; unsigned int – numere întregi, pozitive; ocupă 16 biți de memorie și au valori

cuprinse între 0 si 65535;

long – numere întregi; ocupă 32 biți și au valori cuprinse între 2-31 si 231 ;

String – definește și implementează șirurile de caractere;

În afara funcțiilor enumerate mai sus au mai fost utilizate funcțiile specifice acestui limbaj de programare, astfel încât să poată fi calculate valorile senzorilor și afișarea acestora în format zecimal.

Pentru exemplificare, în figura 4.17 este prezentată subrutina de monitorizare a turației motorului, din cadrul rutinei void loop().

Fig. 4.17 Subrutina RPM

În cadrul meniului a fost implementată și o subrutină de personalizare a sistemului, denumită „Setări”, de unde se poate alege lumina de fundal a ecranului LCD.

Fig. 4.18 Subrutina Setări

Pentru un plus la capitolul interfață cu utilizatorul, la pornirea sistemului a fost introdus o rutină pentru generarea unui efect grafic.

Fig. 4.19 Rutină efect grafic

REALIZAREA SISTEMULUI MECATRONIC DE MONITORIZARE A SENZORILOR DIN CADRUL UNUI AUTOMOBIL

Realizarea sistemului

Pentru realizarea sistemului de monitorizarea a senzorilor din cadrul unui automobil a fost nevoie de realizarea urmatorilor pasi:

Inlaturarea sticker-ului de pe carcasa interfetei OBD-2

Fig. 5.1 Inlaturarea sticker-ului de pe carcasa ELM327

Desfacerea si inlaturarea celor 4 suruburi pentru accesul la circuitul electronic

Fig. 5.2 Inlaturarea suruburilor

Pentru un acces cat mai facil la circuitul electronic, se scoate atat conectorul USB, cat si conectorul care face legatura cu pinii de pe mufa OBD-2. La scoaterea conectorului OBD-2 este indicata insemnarea acestuia, deoarece la remontaj este foarte importanta pozitionarea acestuia.

Fig. 5.3 Scoaterea mufelor OBD-2 si USB

Pentru transmisia de date este nevoie de lipirea a doua fire RX, respectiv TX, iar pentru alimentare este necesara lipirea a doua fire: unul pentru alimentarea cu +5V a platformei Arduino si un fir pentru masa. Toate aceste fire vor avea pini pentru o conectare mai sigura si in acelasi timp mai rapida.

Fig. 5.4 Lipirea firelor RX,TX,+5V,GND

Pentru comanda sistemului de afisare de tip LCD, este nevoie de conectarea acestuia la platforma Arduino. Aceasta conexiune se face prin lipirea diuntre pinii sistemului de afisare si a pinilor de pe placa Arduino.

Fig. 5.5 Lipirea pinilor sistemului de afisare LCD

Pentru protectia circuitului electronic al interfetei OBD-2 ELM327 este indicat remontajul acestuia in carcasa. Ultimul pas este conectarea firelor de alimentare (+5V, GND) si a firelor care asigura comunicatia seriala (RX, TX) la ansamblul Arduino-LCD.

Fig. 5.6 Conectarea firelor +5V, GND, RX si TX

Testarea sistemului

Testarea sistemului de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil s-a facut pe un automobil marca Renault Twingo, an de fabricatie 2008, echipat cu conector OBD-2.

Testarea a constat in verificarea celor 2 moduri de functionare: citirea valorilor senzorilor din cadrul motorului si efectuarea unei diagnoze pentru codurile de eroare confirmate ale motorului.

Citirea valorilor senzorilor

Pentru acest mod, sistemul are disponibile urmatoarele functii:

Temperatura motorului

Sarcina motorului

Presiunea absoluta in galeria de admisie

Deschiderea clapetei de acceleratie

Corectia sondei lambda aflata inaintea catalizatorului

Corectia sondei lambda aflata dupa catalizator

Rotatia motorului

Viteza de deplasare

Avansul sistemului de aprindere

Temperatura aerului din galeria de admisie

Disanta parcursa de cand s-a aprins lampa de avertizare MIL

Tensiune baterie

Fig. 5.6 Valorile senzorilor afisate pe LCD in cadrul unui test

Pentru a putea da un verdict in cazul preciziei valorilor obtinute , s-a realizat o monitorizare a senzorilor cu ajutorul unui PC si a unui software specializat: EOBD-Facile. Dupa cum se poate vedea in cele doua figuri (Fig. 5.6 si Fig. 5.7), valorile sunt apropiate, discrepanta fiind datorata faptului ca valorile oscileaza foarte rapid in anumite intervale.

Fig. 5.7 Valorile senzorilor in software-ul EOBD-Facile

Efectuarea diagnozei pentru codurile de eroare

Pentru modul de diagnoza s-a folosit acelasi mod de lucru, iar rezultatele au fost favorabile, dupa cum se poate observa in figurile Fig. 5.8 si Fig. 5.9.

Fig. 5.8 Modul “Diagnoza” al sistemului realiza

Fig. 5.9 Codurile de eroare in software-ul EOBD-Facile

Calculul costului de realizare al sistemului

Pentru realizarea sistemului mecatronic de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil au fost achizitionate urmatoarele componente:

Plaftorma Arduino UNO v3, pret 105 RON

Sistem de afisare LCD cu tastatura, pret 99 RON

Interfata OBD-2 ELM327, pret 80 RON

Kit conectori si fire conexiune: 16 RON

Cost total: 105 + 99 + 80 + 16= 300 RON

MĂSURI DE SIGURANȚĂ

Pentru a preveni rănirea personală sau deteriorarea vehiculului și/sau a sistemului de monitorizare a senzorilor, trebuiesc respectate următoarele măsuri de siguranță de fiecare dată când se lucrează la un vehicul:

Efectuați întotdeauna testarea automobilului într-un mediu sigur;

Păstrați hainele, părul, mâinile, uneltele, etc. departe de orice piese ale motorului fierbinți sau aflate în mișcare;

Testarea automobilului se face într-o zonă de lucru foarte bine ventilată: gazele de eșapament sunt otrăvitoare;

Blocați roțile care sunt antrenate și nu lăsati niciodată autovehiculul nesupravegheat în timp ce efectuați o testare;

În jurul componentelor electrice, cabluri, bujii lucrați cu o prudență deosebită: aceste componente creează tensiuni periculoase atunci când motorul este pornit;

Asigurați-vă că vehiculul este scos din viteză (neutral pentru automobilele cu cutie de viteze manuală și parking mode pentru automobilele cu cutie de viteze automată), iar frână de mână este cuplată;

Păstrați un extinctor adecvat în apropiere;

Nu conectați și nu deconectați echipamentul de testare în timp ce contactul este cuplat sau când motorul funcționează;

Instrumentul de scanare trebuie păstrat uscat, lipsit de ulei, apă sau grăsime.

CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII, PERSPECTIVE

Lucrarea de fată, intitulată Proiectarea și realizarea unui sistem mecatronic de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil, și-a propus realizarea unui sistem de monitorizare a senzorilor care se găsesc în motorul unui automobil, dar și de citire și afișare a eventualelor erori stocate în sistemul de management al motorului.

După cum s-a arătat și în subcapitolul 5.2 Testarea sistemului, obiectivele propuse au fost atinse, iar în continure vor fi prezentate concluziile desprinse în urma realizării acestui proiect.

Pentru început, avantajele sistemului mecatronic de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil, dezvoltat în cadrul proiectului de diplomă sunt:

Cost de producție foarte mic, în comparație cu celelalte soluții existente pe piață la nivel național și internațional;

Spațiul de depozitare pe care îl necesită sistemul este unul mult mai mic față de alte sisteme de același tip;

Ansamblul de sisteme hardware și software este unul simplu, atât de realizat, cât și de utilizat;

Integrarea plăcii de dezvoltare cu microcontroller Arduino în construcția sistemului, pentru ca acesta să poată fi reconfigurabil de o persoană cu cunoștințe medii de programare;

Deoarece sistemul este alimentat de la sursa de curent a automobilului pe care îl testează, nu este nevoie de o altă sursă de curent externă.

În urma parcurgerii proiectului de diplomă s-a constatat că există unele îmbunătățiri ce trebuies aduse sistemului, pentru ca acesta să poată concura direct cu un sistem asemănător de pe piața internațională. În timpul utilizării sistemului s-au constatat mici impedimente din punct de vedere al componentelor hardware, lipsa unor cunoștințe specifice pentru realizarea anumitor subrutine în cadrul sistemului software, dar și probleme ergonomice precum lipsa unei carcase a întregului sistem sau utilizarea unor echipamente mai puțin performanțe în realizarea sistemului.

În concluzie, realizarea unui sistem de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil care să se poată preta unui atelier auto profesional, este dificil de realizat cu un buget foarte redus. Pentru a ține pasul cu tehnologia este necesară monitorizarea a cât mai multor senzori în același timp, deci este nevoie de utilizarea unei interfețe OBD-2 mult mai performantă. În zilele noastre utilizatorii țin din ce în ce mai mult la partea de design și de ergonomie, așadar utilizarea unui sistem de afișare cu ecran tactil este recomandată. Odată cu creșterea costului de producție, se poate ajunge la imbunatarirea calităților din punct de vedere al performanțelor, al design-ului și al ergonomiei.

Contribuțiile personale aduse în cadrul acestui proiect sunt:

Realizarea unei analize a sistemelor similare la nivel național și internațional;

Studiul considerațiilor teoretice privind elementele senzoriale și actuatorii din cadrul motorului unui automobil;

Realizarea unui studiu de piață pentru a cunoaște cât mai bine nevoile potențialilor clienți ai sistemului;

Proiectarea și realizarea practică a sistemului;

Adaptarea algoritmului software pentru placa Arduino, astfel încât acesta să

corespundă cerințelor proiectulu;

Testarea sistemului.

Prezentul proiect de diplomă reprezintă un punct de plecare pentru dezvoltarea unui sistem de monitorizare a senzorilor din cadrul unui automobil, iar ca perspective în această direcție, se pot considera următoarele:

Utilizarea unei interfețe OBD-2 mult mai performantă, care să poată permite monitorizarea mai multor senzori;

Înlocuirea sistemului de afișare LCD cu un sistem de afișare de tip ecran tactil, care să poată permite vizualizarea mai multor parametrii și vizualizarea de grafice;

Optimizarea algoritmului software;

Utilizarea unui modul Wi-Fi pentru a primi informațiile direct pe telefonul mobil/tabletă;

Implementarea unui sistem care permite memorarea datelor pe un suport extern (exemplu: card SD);

Realizarea unei carcase a întregului sistem.

LISTA SIMBOLURILOR FOLOSITE

ABS-Anti-lock Braking System-sistem de frânare ce previne blocarea roților;

CAN-Controller Area Network-protocol de comunicație dezvoltat de Bosch;

CARB-California Air Resource Board-organizație care are ca obiect de activitate și reglemetarea nivelelor de emisii poluante ale automobilelor pentru statul California din SUA;

ECU-Electronic Control Unit- unitate electronică de control;

ECM-Engine Control Module-modulul de control al motorului;

EPROM-Erasable Programmable Read Only Memory-memorie ROM programabilă și anulabilă;

EEPROM-Electrically Erasable Programmable Read Only Memorie-memorie ROM programabilă și anulabilă electric;

EGR-Exhaust Gas Recirculation-sistem de recirculare a gazelor de evacuare;

EOBD-European On Board Diagnosis-varianta europeană a OBD;

EPA-Environmental Protection Agency-agenție din SUA ce are ca obiect de activitate protecția mediului;

ESP-Electronic Stability Program-sistem electronic de control a stabilității automobilului;

EVAP-Evaporative Emission Control System-sistem de captare și recirculare a vaporilor de benzină;

MIL-Malfunction Indicator Lamp-martor luminos aflat la bordul automobilelor ce semnalizează un defect al componentelor ce au impact direct sau indirect asupra emisiilor poluante;

OBD-On Board Diagnosis-setul de regulamente ce definesc diagnoza la bordul automobilelor;

PCM-Powertrain Controle Module-modulul de control al grupului moto-propulsor (calculator care controlează motorul termic și cutia de viteze automată);

PWM-Pulse Width Modulation-tehnică de control a unui echipament electronic analogic prin utilizarea unei tensiuni de amplitudine constantă, forma de unda fiind dreptunghiulară și frecvență variabilă;

RAM-Random Access Memory-memorie cu acces aleator

SAE-Society of Automotive Engineers-societatea inginerilor de automobile

BIBLIOGRAFIE

[1] Documentație service Volkswagen-Audi Self-Study Programme 230: Motor Vehicle Exhaust Emissions, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[2] Documentație service Volkswagen Self-Study Programme 175: On-Board Diagnosis System, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[3] Scant Tool Center, http://scantoolcenter.com/obd2-basic/, accesat in 18.12.2015

[4] Documentație service Volkswagen-Audi Self-Study Programme 295: Diagnosis with VAS 5051, VAS 5052 and VAS 5053, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[5] Bosch Diagnostics, http://www.boschdiagnostics.com/pro/, accesat în 14.11.2015

[6] Autologic, https://autologic.com/products/assistplus, accesat în 14.11.2015

[7] Innova Electronics, http://www.innova.com/Product/, accesat în 05.12.2016

[8] Autel, http://www.auteltech.com/autelcms/, accesat în 05.12.2016

[9] Actron, https://actron.com/products/field_category/diagnostics-53, accesat în 05.12.2016

[10] Documentație service Volkswagen Self-Study Programme 315: European On-Board Diagnosis, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[11] Bosch Auto Parts, https://www.boschautoparts.com/en/auto/, accesat în 21.01.2016

[12] Continental Automotive, http://www.continental-automotive.com/www/automotive_de_en, accesat în 21.01.2016

[13] E-automobile, http://e-automobile.ro/categorie-electronica.html, accesat în 21.01.2016

[14] Documentație service Volkswagen Self-Study Programme 826803: 2.0 Liter TDI Common Rail, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[15] . E.S. Mausner, “Drive-By-Wire systems for commercial vehicles and passenger cars – present status and future perspective”, SAE Technical Paper No. 890478, 1989.

[16] Documentație service Volkswagen Self-Study Programme 210: Electronic Power Control, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[17] Documentație service Audi Self-Study Programme 941003: Engine Management Systems, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[18] Delphi Automotive, http://www.delphi.com/manufacturers/auto, accesat în 05.02.2016

[19] Documentație service Volkswagen Self-Study Programme 231: Euro On-Board Diagnostic System, accesat în perioada iulie-octombrie 2015 în cadrul institutiei SC Intercar SRL

[20] Autotehnic, https://autotehnic.wordpress.com/category/glosar-tehnic/, accesat în 06.02.2016

[21] Pelican Parts, http://www.pelicanparts.com/BMW/index-SC.htm, accesat în 06.02.2016

[22] Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_sensor, accesat în 13.02.2016;

[23] MS Motorservice, www.ms-motorservice.com/en/products-catalogues/pierburg-products/, accesat în 14.02.2016;

[24] Catalog ELWE – Sensor And Actuator Technology In Vehicles – Experimental manual;

[25] Hitachi Automotive, http://www.hitachi.com/businesses/category/automotive/index.html, accesat în 25.02.2016;

[26] Mahle Group, http://www.mahle.com/mahle/en/products-and-services/passenger-cars/, accesat în 25.02.2016;

[27] Valeo, http://www.valeo.com/en/our-activities/powertrain-systems/, accesat în 25.02.2016;

[28] Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Exhaust_gas_recirculation, accesat în 25.02.2016;

[29] Pilot Power Tuning, http://www.pilotauto.ro/tuning-magazin/category/articole-tehnice/, accesat în 25.02.2016;

[30] Car Plugs, http://www.carplugs.com/products.html, accesat în 27.02.2016;

[31] SAE Institute, http://bucharest.sae.edu/en-gb/home/, accesat în 27.02.2016;

[32] Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/ELM327, accesat în 27.02.2016;

[33] Documentație ELM Electronics: OBD to RS232 Interpreter;

[34] Robofun, https://www.robofun.ro/arduino/arduino_uno_v3, accesat în 20.03.2016;

[35] Linksprite, http://store.linksprite.com/linksprite-16×2-lcd-keypad-shield-for-arduino-v2/, accesat în 20.03.2016;

[36] C. Bell, “Beginning sensor networks with Arduino and Raspberry Pi”, Apress, 2013

[37] “Arduino pentru Incepatori”, robofun.ro

[38] Vasiu, D., Olteanu, C., Roșca, I., Iordache. P: Senzori și traductoare, Repografia Universității „Transilvania” Brașov, 1997;

[39] Sparkfun, https://www.sparkfun.com/tutorials/215, accesat in 09.04.2016

[40] Dennis A., Garner C., Taylor D., „The Effect of EGR on Diesel Engine Wear”, SAE 1999-01-0839, 1999

[41] Jack Erjavec, “Automotive technology: a systems approach”, Cengage Learning, 2005

[42] B. Hollembeak, “Automotive fuels & emissions”, Cengage Learning, 2004

[43] M.Luculescu, „Medii de programare pentru microcontrollere:indrumar de laborator”, Editura Universitatii „Transilvania” din Brasov, 2015

[44] U. Seiffert, P. Walzer, „Automobile Technology of the Future”, VDI Verlag, 1989

[45] Gilles, Tim, “Automotive Service: Inspection, Maintenance, Repair”, Cengage Learning, 2011;

[46] N. Turea, W. Thierheimer, „Diagnosticarea sistemelor autovehiculelor:suport de curs”, Editura Universitatii „Transilvania” din Brasov, 2007

[47] N. Turea, C. Salajan, V. Enache, W. Tirheimer, M. Stanescu, A. Cojocaru, S.  Bordi, „Echipamente si tehnici de diagnosticare a automobilelor : vol. 1 : Principii generale si diagnosticarea motoarelor”, Editura Universitatii „Transilvania” din Brasov, 2004

[48] N. Turea, C. Salajan, V. Enache, W. Tirheimer, M. Stanescu, A. Cojocaru, S.  Bordi, „Echipamente si tehnici de diagnosticare a automobilelor : vol. 2 : Diagnosticarea sistemelor si instalatiilor automobilelor”, Editura Universitatii „Transilvania” din Brasov, 2005

[49] N. Turea, N. Ispas, V. Enache, M. Nastasoiu, M. Stanescu, „Diagnosticarea motoarelor : suport de curs”, Editura Universitatii „Transilvania” din Brasov, 2006