Pana in momentul de fața sunt identificate două tehnologii care pot fi aplicate motoarelor diesel tip Euro 6:

CAPITOLUL 6

Euro 6 reprezintă numele dat limitei legale a emisiilor poluante care aparțin vehiculelor cu o greutate mai mare de de 3,5 tone. Face referire la cantitatea maximă de poluanți – oxizi de azot(NOx) si pulberile in suspensie pe care un motor diesel le poate avea.

Norma Euro 6 impune reducerea drastică a noxelor emise de motoarele vehiculelor cu greutate mai mică de 2,610 kg: pentru motoarele pe benzină până la limita de 60 mg / km de oxizi de azot și pentru motoarele diesel până la 80 mg/km .

Emisiile combinate de hidrocarburi și oxizi de azot ce aparțin vehiculelor diesel vor fi de asemenea reduse pentru a fi limitate la 170 mg/km, cu 26% mai puțin decât la Euro 5.

Din data de cu 1 septembrie 2014, autovehiculele diesel pot emite cel mult 80 de mg de oxizi de azot per kilometru (în comparație cu autovehiculele ce au motor cu aprindere prin scânteie si pot emite cel mult 60 de mg pe kilometru). Aceste valori înlocuiesc limita anterioară de 180 de mg pe kilometru.

Motoarele diesel, comparativ cu motoarele pe benzină, datorită specificului arderii amestecului aer-combustibil, produc emisii mai mari de NOx și de particule. Aceste emisii poluante au un efect nociv asupra mediului înconjurător și a omului.

O caracteristică importantă a normei de poluare Euro 6 pentru motoare diesel reprezinta reducerea limitei de NOx de la 0.18 la 0.08 g/km. Pentru a îndeplini această normă motoarele diesel curente de automobile au nevoie de sisteme adiționale de “post-tratare” a gazelor de evacuare.

Pana in momentul de fața sunt identificate două tehnologii care pot fi aplicate motoarelor diesel tip Euro 6:

1. catalizator/filtru de oxizi de azot (en: NOx trap)

2. injecție de uree în evacuare (AdBlue)

Metoda 1, catalizatorul de NOx, se aplică motoarelor diesel de cilindree mică și medie, cu capacitatea cilindrică mai mică de 2 litri.

AdBlue – Sistemul de tratare a emisiilor de NOx (SCR)

Acest sistem se utilizeaza pe orice motor diesel, dar fiind mai costisitor, rentează mai mult la motoarele cu cilindree mare. Procesul de reducere a NOx din gazele de evacuare, utilizând o soluție pe bază de uree, se numește “reducere catalitică selectivă”(SCR).

Denumirea consacrată a sistemul de injecție de AdBlue este SCR – Selective Catalityc Reduction.

Într-un sistem de injecție de uree (SCR) amoniacul este utilizat cu scopul de a reduce oxizii de azot (NOx). În stare liberă amoniacul (NH3) este toxic. Datorită acestui fapt se utilizează o soluție pe bază de apă și uree (CO(NH2)2), conținutul de uree fiind de aproximativ 32,5%.

Acestă soluție se stabilește din punct de vedere chimic, punctul de îngheț fiind la -11 °C.

Denumirea comercială, în Europa, a acestei soluții cu uree este”AdBlue”.

Ureea CO(NH2)2 se obține prin procedee industriale, în urma combinării bioxidului de carbon (CO2) și a amoniacului (NH3) la temperaturi și presiuni ridicate.

Substanța rezultată, ureea, este solidă, cu o formă de cristale incolore solubile în apă (H2O).

Sistemul de injecție cu uree este complex și necesită costuri adiționale mari. Acest sistem conține un rezervor de uree, sistem de alimentare cu pompă electrică, modul electronic de control (calculator), injector și catalizator.

Sistemul mai poate fi prevăzut și cu un senzor de oxizi de azot după catalizator, ce măsoară rata de conversie a catalizatorului.

1. injector uree

2. catalizator SCR

3. modul electronic de control (calculator)

4. rezervor de uree

Rezervorul de uree este prevăzut cu un senzor de nivel pentru a semnala conducătorul auto în privința necesității alimentării cu uree. Datorită temperaturii de înghețare a soluției AdBlue (aprox. -11 °C) rezervorul este prevăzut și cu o rezistență de încălzire.

Comanda rezistenței de încălzire se face de către modului electronic de control pe baza informației primite de la senzorul de temperatură din rezervor.

Modul electronic de control Injector AdBlue Sistem de alimentare AdBlue

Injecție (pompă, filtru)

Denoxtronic – sistem de tratare a emisiilor de NOx prin injecție de AdBlue

1. sistem de alimentare (pompă AdBlue)

2. rezervor AdBlue

3. filtru

4. senzor de temperatură gaze de evacuare

5. senzor de nivel soluție AdBlue

6. modul electronic de control (DCU) al sistemului de injecție de AdBlue (Bosch)

7. ieșiri modul electronic de control (comandă injector, activare rezistență de încălzire, etc.)

8. intrări modul electronic de control (senzor de temperatură, nivel AdBlue, senzori temperatură gaze de evacuare, senzor de NOx, etc.)

9. comunicare protocol CAN

10. diagnoză protocol CAN

11. injector AdBlue

12. senzor de NOx

13. catalizator de oxidare (DOC)

14. catalizator de reducere NOx (SCR)

15. catalizator de oxidare (neutralizare amoniac)

Modulul electronic de control (DCU) comunică prin intermediul magistralei CAN cu restul calculatoarelor de pe automobil (injecție, ABS/ESP, BCM, etc.). În funcție de punctul de funcționare al motorului termic și pe baza informațiilor primite de la senzori, modulul electronic de control (DCU) comandă injecția de AdBlue în sistemul de evacuare.

Utilizând amoniacul ca agent de reducere, sistemele SCR reduc drastic oxizii de azot din gazele de evacuare.

În general, un motor diesel Euro 6 pentru a reușii să atingă limitele impuse emisiilor poluante, cuprinde următoarele sistemel de post-tratare a gazelor de evacuare:

• catalizator de oxidare (reducere CO, HC, NO, conversie NO)

• filtrul de particule (reducere PM)

• catalizator SCR (reducere NO, NO2)

• catalizatorul de oxidare amoniac (reducere NH3 rezidual )

În catalizatorul de oxidare (DOC) au loc reacțiile de reducere a hidrocarburilor (HC), monoxidu-lui de carbon (CO) și a oxizilor de azot (NO).

2NO + O2 → 2NO2 monoxidul de azot (NO) si cu oxigenul (O2) este

transformat în bioxid de azot (NO2)

2CO + O2 → 2CO2 monoxidul de carbon (CO) si cu oxigenul (O2) este

transformat in bioxid de carbon (CO2)

4HC + 3O2 → 2CO2 + 2H2O hidrocarburile nearse (HC) în prezența oxigenului (O2) sunt

convertite în bioxid de carbon (CO2) și apă (H2O)

După catalizatorul de oxidare are loc injecția de Adblue (uree).

După injector, solutia AdBlue si gazele trec printr-un mixer și apoi intră în catalizatorul de hidroliză.

Rolul acestuia este de a extrage amoniacul (NH3) din soluția AdBlue.

Amoniacul (NH3) se obține prin două reacții, una de piroliză și a doua de hidroliză:

CO(NH2)2 → NH3 + HNCO (piroliză), ureea (CO(NH2)2) se descompune în amoniac

și acid izocianic (HNCO)

HNCO + H2O → NH3 + CO2 (hidroliză), acidul izocianic (HNCO) rezultat în urma reacției de

piroliză, in urma combinație cu apa (H2O), formează

amoniac (NH3) și bioxid de carbon (CO2)

Catalizatorul SCR conține metale, în special cupru (Cu) și fier (Fe), în prezența cărora au loc reacțiile de reducere a oxizilor de azot (NO și NO2), cu ajutorul amoniacului (NH3).

În urma reacțiilor rezultă apa (H2O) și azotul (N2).

8NH3 + 6NO2→ 7N2 + 12H2O

4NH3 + 4NO + O2→ 4N2 + 6H2O

2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O

Catalizatorul de oxidare a amoniacului are scopul de a neutraliza amoniacul ce nu a reacționat în interiorul catalizatorului SCR. Altfel acesta ar fi fost eliberat în atmosferă și ar fi avut un impact toxic asupra mediului înconjurător.

Sistem de postratare a gazelor de evacuare motor diesel Euro 6

1. catalizator de oxidare (DOC)

2. filtru de particule

3. catalizator hidroliză

4. catalizator SCR + oxidare amoniac

Componența chimică a gazelor de evacuare:

a – PM, CO, HC, NOx PM – particule , N2 – azot

b – PM, NOx CO – monoxid de carbon , CO2 – bioxid de carbon

c – NOx HC – hidrocarburi , H2O – apă

d – CO(NH2)2 NOx – oxizi de azot

e – N2, CO2, H2O CO(NH2)2 – uree

Sistem compact de postratare a gazelor de evacuare motor diesel (Euro 6)

1. catalizator de oxidare (DOC) 3. injector AdBlue (uree) 5. amortizor de zgomot

2. filtru de particule 4. catalizator SCR

Funcționalitatea filtrului de particule diesel (DPF)

Emisia de particule este rezultatul arderii defectuase a combustibilului.

Fenomenul acesta se reduce odata cu dezvoltarea procesului de injecție și ardere sau tratarea gazelor de evacuare.

Filtrul de particule al unui motor diesel ,intra in categoria post tratarii gazelor de evacuare .

Rolul filtrului de particule este acela de a separa particulele solide de gazele de eșapament.

Filtrul se monteaza pe galeria de evacuare a motorului .

Folosirea filtrului de particule a devenit standard odată cu normele Euro 4 care a redus la jumătate masa de particule emise in comparație cu clasa Euro 3.

Galeria de evacuare a unui motor diesel cu filtru de particule

1. injectoare piezoelectrice

2. rampă comună de combustibil (1600 bari)

3. radiator de răcire a gazelor arse recirculate (EGR)

4. catalizator de oxidare primar (DOC)

5. injector pentru regenerarea filtrului

6. senzor de presiune înainte de filtru

7. senzor de temperatură intrare catalizator

8. catalizator de oxidare secundar

9. senzor de temperatură catalizator

10. filtru de particule

11. senzor de temperatură ieșire filtru

12. senzor de presiune după filtru

Marea majoritate a filtrelor de particule sunt compuse din material ceramic poros în formă de fagure. Volumul filtrului de particule depinde de debitul de gaze arse. Cu cît cilindreea motorului este mai mare cu atât volumul filtrului se impune a fi crescut.

Sectiunea unui filtru de particule

Filtrul de particuleimpune următoarele cerințe:

• se filtrează particulele în proporție de 95%, în funcție de mărime

• se reduce la valoare minimă rezistența la curgere a gazelor de evacuare

• se filtrează particulele mici de până la 0.01 μm

• rezistență la temperaturi înalte

Structura ceramică a unui filtru de particule

În urma procesului de reținere a particulelor, după efectuarea unui anumit număr de kilometri filtrul se regenerează.

Aceasta regenerare înseamna arderea particulelor stocate în filtru.

Procesul de regenerare semnifică continuarea procesului de ardere în filtru.

Continuarea arderii în galeria de evacuare se face prin două metode:

• existența unui injector îngaleria de evacuare (injectorul nr.5)

• divizarea injecției și întîrzierea de dupa aceasta

Sistemul cu al 5-lea injector impune un injector adițional ce se montează înaintea catalizato-rului de oxidare.

Când se dorește regenerarea filtrului este injectată motorină în galeria de evacuare care, datorită prezenței oxigenului din gazele arse și catalizatorului de oxidare, începe să ardă.

Injector adițional pentru regenerarea filtrului de particule

Calculatorul de injecție este cel care decid cand si daca se regenereaza filtrul de particule.

Cu ajutorul senzorilor de presiune, înainte și după filtru,este estimat gradul de încărcare al filtrului. Cu cât filtrul este mai încărcat cu atât diferența de presiune între cei doi senzori va fi mai mare. Există și sisteme ce folosesc un singur senzor montat înaintea filtrului de particule ce face diferența dintre presiunea gazelor de evacuare și presiunea atmosferică.

Procesul de regenerare a unui filtru de particule utilizînd sistemul cu al 5-lea injector

1. filtru curat

2. acumulare de particule

3. regenerarea filtrului

Pentru a se regenerarea filtrului de particule motorul trebuie să se afle între anumiți parametri. Temperatura gazelor de evacuare trebuie să depaseasca o valoare minimă, turația motorului trebuie să fie si ea peste o valoare minimă, pentru a asigura un anumit debit de gaze arse.

Dacă pragul de regenerare (cantitatea de particule stocată în filtru) a fost depășit și motorul, datorită condițiilor de utilizare, nu intră în parametrii necesari, calculatorul de injecție da comanda de regenerare a filtrului chiar și la turația de ralanti.

Frecvența regenerărilor depinde de modul de folosire al motorului.

Cu cât motorul va fi împins mai des către zona de sarcină maximă și exploatarea se va face la temperaturi scăzute cu atît crește cantitatea de particule din filtru.

Datorită faptului că regenerarea filtrului impune utilizarea unei cantități adiționale de combustibil consumul automobilului va crește odata cu numărul de regenerări.

Filtrul de particule sectionat și etapele regenerării

1. gaze arse nefiltrate

2. secțiune prin filtrul de particule

3. modul de reținerea a particulelor

4. senzor de presiune după filtru

5. senzor de temperatură

6. fazele funcționării filtrului (A – reținerea particulelor, B – arderea particulelor, regenerarea)

7. gaze arse filtrate

Modul al doilea de regenerare a filtrului de particule presupune divizarea injecției și întârzierea post-injecției în așa fel încât arderea combustibilului să se producă în filtru.

Modul de funcționare EGR

Atat motoarele diesel cat si cele pe benzina produc oxizi de azot,care sunt emisii poluante din gazele de evacuare ale automobilului.

Nivelul de NOx este diferit datorita modului de funcționare și a caracteristicilor diferite ale combustibililor.

Motorul diesel mai poate fi caracterizat și prin funcționarea cu amestec sărac, aerul necesar arderii fiind în exces.

Presiunea înaltă din cilindru impune o temperatura ridicată la care are loc arderea, oxigenul în exces și temperaturile înalte fiind principalele elemente in producerea oxizilor de azot.

Datorită acestor lucruri motorul diesel produce mai mult NOx decat motorul pe benzină.

Limita emisiilor de NOx pentru autoturisme prevăzută de legislația europeană

Cum funcționeaza sistemul EGR

Exhaust Gas Recirculation -semnfică sistem de recirculare a gazelor de evacuare

EGR-ul reprezinta sistemul ce permite reintroducerea gazelor arse inapoi in galeria de admisie.

Prin acest procedeu se reduc drastic emisiile de NOx,deoarece se reduc cele doua elemente care stau la baza producerii acestuia.

In urma reintroducerii gazelor arse în admisie,o mare parte din oxigen este inlocuit cu gazele arse,reducandu-se astfel cantitatea de oxigen.

Temperatura maxima pe ciclu este si ea redusa deoarece gazele arse absorb o parte din căldura generată în urma arderii.

Sistemul de admisie și evacuare al unui motor termic

1. compresorul

2. turbină

3. sondă lambda

4. supapă EGR cu comandă electro-pneumatică

5. obturatorul de admisie

6. galerie admsie

7. galerie evacuare

8. injector

Gazele arse nu sunt recirculae in continuu in galeria de admisie

ECU da comandasupapei EGR ce permite gazelor arse sa intre in admisie.

Obtuatorul 5 controleaza controleaza debitul de gaze arse pe motoarele supraalimentate,care inchizandu-se scade presiunea in galeria de admisie,facilitand deplasarea gazelor dinspre galeria de evacuare.

Daca gazele de evacuare se introduc excesiv in admisie,pot creste emisiile de monoxid de carbon CO,particule si hidrocarburi deoarecea acestea apar in urma arderii incomplete a combustibilului datorita lipsei de oxigen.

Densitatea gazelor arse introduse in admisie creste odata cu scaderea temperaturii acestora.Eficienta sistemului EGR se imbunatatste prin racirea gazelor de evacuare inaintea recircularii lor deoarece cantitatea de gaze din admisie creste,rezultand o temperatura la sfarsitul arderii mai mica sicantitate de oxigen in cilindru redusa.

Sistemul EGR cu răcire intermediară

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).

Sistemul EGR cu răcire intermediară

1. conductă prin care trece lichidul de răcire al motorului

2. radiator pentru răcirea gazelor de evacuare

3. galeria de evacuare

4. chiulasă

5. galeria de admisie

6. supapa EGR cu acționare electrică

7. 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.

Componentele sistemului EGR pentru automobile

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.

Supapă EGR acționată electric

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.

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.

Sistemul EGR pentru motoarele cu benzină

Datorită faptului că majoritatea motoarelor pe benzină funcționează cu amestec stoichiometric emisiile de NOx sunt relativ scăzute și nu este necesar utilizarea unui sistem EGR. Excepție de la acestă regulă o fac motoarele pe benzină cu injecție directă care datorită modului de funcționare cu amestec stratificat pot necesita utilizarea EGR-ului.

Rolul sondei lambda

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).

Eficacitatea catalizatorului este maximă atunci când amestecul aer-combustibil 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;

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.

Controlul în bucla închisă al injecției de combustibil.

1. senzorul de masă de aer

2. catalizatorul primar

3. catalizatorul secundar

4. injectoarele de combustibil

5. sonda lambda amonte

6. sonda lambda aval

7. circuitul de alimentare cu combustibil

8. galeria de admisie

9. 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.

Modul de funcționare al unei sonde lambda

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.

1. sonde lambda binare : cu zirconiu si cu titan

2. sonde lambda liniare

Sonde lambda binare cu zirconiu

Acestea 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.

Secțiune longitudinala printr-o sondă lambda

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.

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.

Sonda lambda – componente

În funcție de cantitatea de oxigen din evacuare sonda lambda generează o tensiune care semna-lează 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 cât diferența dintre moleculele de oxigen este mai mare, între gazele de eșapament și aerul atmosferic, tensiunea generată de sonda lambda este mai mare.

Principiul de funcționare al sondei lambda

Ionii oxigenului 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.

Nivelul tensiuni generate de senzorul de oxigen în funcție de tipul amestecului

aer-combustibil

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.

Diagnosticarea sondei lambda

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

Tensiunea generată de o sondă lambda binară

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.

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).

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 parametri:

• 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.

Sonda lambda universală (senzorul de oxigen diesel) – mod de funcționare și diagnoză

Un motor diesel este caracterizat de funcționarea cu amestecuri sărace, cu oxigen în exces (lambda > 1.0). Din acest motiv utilizarea unei sonde lambda clasice, binare, nu este posibilă deoarece aceasta presupune funcționarea motorului cu amestec bogat și sărac.

Sonda lambda planară (LSU – Bosch)

Sondele lambda cu bandă largă, numite și sonde lambda planare, universale sau liniare, pot măsura coeficientul stoichiometric între valori de 0.65 până la infinit (practic nivelul de oxigen din atmosfera).

Datorită acestui mod de funcționare sonda lambda planară se poate utiliza și pe un motor diesel.

În funcție de producător sondele lambda planare au denumiri diferite, UEGO sau LSU (Bosch).

Sonda lambda planară cu conectorul atașat (LSU – Bosch)

Sondele lambda planare se utilizează în special pe motoarele diesel care se încadrează în normele de poluare Euro 5 și Euro 6.

Reducerea nivelului de emisiilor poluante în cazul motoarelor diesel a impus controlul cât mai precis al procesului de ardere din cilindri.

Controlul în buclă închisă cu o sondă lambda planară a permis optimizarea procesului de ardere și implicit reducerea emisiilor poluante.

Sonda lambda cu domeniu larg măsoara cantitatea de oxigen rezidual din gazele de evacuare.

Informațiile primite de calculatorul de injecție de la sonda lambda sunt utilizate pentru mai multe funcții de control ale motorului:

• regenerarea catalizatorului de NOx (NOx trap), pentru aplicațiile Euro 6: catalizatorul de NOx stochează oxizii de azot din gazele de evacuare; semnalul primit de la sonda lambda este utilizat cu precădere în timpul fazei de regenerare al filtrului

• controlul cantității de gaze arse introduse în motor (EGR rate): pe baza informațiilor de la sonda lambda calculatorul de injecție ajustează deschiderea și închiderea supapei EGR optimizând cantitatea de gaze arse introduse în motor

• adaptarea cantității de combustibil injectată în cilindri: cantitatea de oxigen din gazele de evacuare este imaginea cantității de combustibil injectată în cilindri pentru un anumit volum de aer; acestă informație este utilizată pentru a compensa eventualele deviații ale injectoarelor și pentru a recalibra masă de combustibil injectată

• limitarea emisiilor de fum la sarcină maximă: cu ajutorul semnalului de la sonda lambda calculatorul de injecție determină cantitatea maximă de combustibil ce poate fi injectată în motor la sarcină maximă, fără a se atinge limita de fum

Comparativ cu sonda lambda binară, sonda lambda planară are elementul sensibil compus din mai multe straturi ceramice de forma plană, dreptunghiulară.

Un tub de metal protejează elementul sensibil (de măsură), de acțiunea nocivă (mecanică și termică) a gazelor de evacuare.

Sonda lambda planară (LSU – Bosch)

1. tub metalic de protecție

2. material ceramic izolator

3. carcasa sondei/senzorului

4. tub ceramic

5. elementul sensibil (senzorul)

6. carcasa de protecție

7. conectori electrici

Sonda lambda cu bandă largă extinde principiul celulei Nerst (utilizat la sonda lambda binară) prin utilizarea unei celule de pompare.

Elementul sensibil (5) este prevăzut cu un orificiu de difuziune prin care gazele de evacuare pătrund în camera de monitorizare.

Sonda lambda planară – orificiul de difuziune de pe elementul sensibil

Sonda lambda planară – secțiune a elementului sensibil în dreptul orificiului de difuziune

1. celulă de pompare

2. celulă Nerst

3. celulă de referință

4. celulă de încălzire

A – amplificator

DSP – procesor digital de semnal (Digital Signal Processor)

Circuitul electronic de control al senzorului măsoară cantitatea de oxigen din camera de monitorizare (zona dintre celula de pompare și celula Nerst).

Tensiunea electrică generată (UN) este comparată cu o tensiunea de referință (Uref = 0.45 V).

Celula Nerst (2) generează o tensiune de 0.45 V atunci când arderea s-a făcut cu amestec stoichiometric.

Astfel, tensiunea Nerst (UN) este comparată cu tensiunea de referință (Uref) în mod continuu.

O diferență între cele două tensiuni va produce un curent de pompare IP cu ajutorul căruia oxigenul este introdus sau scos din camera de monitorizare.

Rolul curentului de pompare este de a menține tensiunea generată de celula Nerst la valoarea amestecului stoichiometric.

Când amestecul este bogat tensiunea Nerst este mai mare de 0.45 V, curentul de pompare (IP) devine negativ, oxigenul este extras din gazele de evacuare și introdus în camera de monitorizare.

Când amestecul este sărac oxigenul din gazele de evacuare va fi în exces și tensiunea generata de celula Nerst (2) va fi mai mică de 0.45 V.

Astfel curentul de pompare devine pozitiv, oxigenul este extras din camera de monitorizare și disipat în gazele de evacuare.

Extragerea și introducerea oxigenului se face prin intermediul straturilor ceramice poroase ce conțin oxid de zirconiu (ZrO2).

Caracteristica unei sonde lambda planare LSU4.9 Bosch

Valoarea curentul de pompare determină cantitatea de oxigen din gazele arse deci tipul amestecului aer-combustibil.

Senzorul este capabil sa măsoare amestecuri cu lambda începând de la 0,7.

Tensiunea de ieșire nu este trimisă direct la calculatorul de injecție ci este liniarizată cu ajutorul unui procesor digital de semnal (DSP).

Astfel calculatorul de injecție va primi o tensiune intre 0 și 5V ce corespunde unui amestec cu lambda între 0,7 și 1,3 .

Senzorul, pentru a funcționa optim, trebuie să atingă temperaturi în jurul valorii de 700…800 °C.

Pentru a ajunge la temperatura nominală de funcționare sonda lambda este prevazută cu o rezistență de încălzire alimentată la 12V și controlată de calculatorul de injecție.

De asemenea sonda lambda are un circuit de compensare a influentei presiunii atmosferice asupra cantității de oxigen din gazele de evacuare.

Sanda lambda planară Bosch LSU4.2 este prevazută cu un conector electric cu 6 pini.

Conectorul sondei lambda Bosch LSU4.2

Protocoale de comunicație pentru automobile

În prezent sistemele electronice de pe automobile cunosc o dezvoltare fără precedent. Pentru automobilele de lux se estimează că sistemele electronice reprezintă aproximativ 23% din costul total al automobilului.

De asemenea, experții estimează că aproximativ 80% din inovațiile aduse în domeniul auto fac parte din categoria sistemelor electronice.

Numărul mare de sisteme electronice aflat pe un automobil impune schimbul de informații între diferitele sisteme ce echipează automobilul.

Acest schimb de informații are ca scop reducerea numărului de senzori, prin utilizarea aceleiași informații furnizată de un senzor de către mai multe calculatoare.

În prezent, datorită numărului mare de calculatoare utilizate pentru un automobil, modul de a schimba informațiiprin realizarea unei conexiuni pentru fiecare semnal, este imposibil de folosit.

Pentru a îndepărta aceste inconveniente s-a trecut la multiplexare, care reprezinta de fapt transmiterea mai multor informații utilizînd aceleași fire electrice.

Avantajele utilizării comunicației multiplexate sunt evidente:

• mai puțini senzori, cabluri și conectori;

• reducerea greutății automobilului;

• reducerea spațiului ocupat de partea electrică a automobilului

• creșterea fiabilității automobilului datorită reducerea numărului de componente care se pot defecta.

În funcție de protocolul de comunicație utilizat conexiunea electrică poate fi realizată cu un singur fir (protocolul LIN) sau cu două fire (protocolul CAN).

Începând cu mijlocul anilor 1980 Bosch a demarat dezvoltarea protocolului CAN.

În prezent acest protocol este cel mai utilizat în industria automobilelor, în anul 2000 fiind comercializate aproximativ 100.000.000 de module CAN.

Protocolul CAN se caracterizează prin robustețe și viteză de transmitere a datelor relativ mare.

Este utilizat în principal pentru aplicații în timp real, cum ar fi managementul motorului, transmisiei și a sistemului de frânare clasic (hidraulic). CAN ( Controlled Area Network ).

Protocolul LIN ( Local Interconnect Network )este rezultatul colaborării dintre Audi AG , BMW AG , Daimler AG , Freescale, VW și Volvo. Scopul colaborării este de a crea un protocol simplu, ieftin, de viteza mică care să fie utilizat la controlul sistemului de închidere centralizată, climatizare, oglinzi electrice, etc. Față de protocolul CAN care utilizează două fire pentru a transmite informațiile protocolul LIN este monofilar, utilizează doar un fir.

Sistemele "X-by-wire" (control electronic, prin fir) cum ar fi "steer-by-wire" (sistem de directie actionat electric) sau "brake-by-wire" (sistem de frânare acționat electric) necesită un protocol de comunicație stabil, tolerant la erori și cu viteză mare de transport a informațiilor. Răspunsul la aceste cereri l-a dat cooperarea dintre BMW, Daimler, Philips și Freescale, având ca rezultat protocolul FlexRay. Prima implementare a protocolului FlexRay s-a făcut în 2006 pentru suspensia adaptiva a BMW-ului X5.

Aplicațiile multimedia de pe automobile (GPS, DVD, comenzi vocale, etc.) necesită protocoale dedicate atât din punct de vedere al vitezei de transport a datelor cât și din punct de vedere al suportului fizic. Protocolul MOST utilizează fibra optică pentru transportul datelor și este rezultatul colaborării dintre Audi, BMW, Daimler, s.a.

Protocolul Blueetoth: acest protocol wireless (utilizează undele radio pentru transmiterea informațiilor) este caracterizat prin costuri scăzute, consum mic de energie și cu arie de acoperire între 10 și 100 de metri. În domeniul automobilelor este utilizat pentru conectarea automobilului cu diferite terminale externe multimedia (telefoane mobile, MP3 player-e, DVD-uri portabile, etc.), calculatoare portabile cat și cu echipamente de diagnoza auto.

Calculatorul de injecție (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 decalculatorul de injecție.

Acesta, pe baza informațiilor primite de la senzori (poziție, turație, presiune, etc.), determină starea motorului și acționează asupra diferitelor actuatoare (injectoare, supape, motoare electrice, 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, ECM, EMS sau PCM.

Calculatorul de injecție DCM3.7

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

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.

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 primesc semnalele electrice de la senzori și se comandă actuatoarele (supape, motoare, etc.).

În funcție de tipul motorului, benzină sau diesel, sau de sistemele auxiliare ale acestuia, conecto-rul 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 (μCONTROLER – microcontroler)

• memoria non-volatilă (EEPROM)

• modulul de monitorizare

• etajul de amplificare a comenzii actuatoarelor

Procesarea semnalelor în calculatorul de injecție