referat tom

CACIULA BOGDAN ATV 1911

1

TOM Testarea si omologarea motoarelor

Referat

CACIULA BOGDAN

ATV 1911

2012-2013

Universitatea "TRANSILVANIA" din Bra ov Facultatea „Inginerie Mecanic "


2

1. SISTEME MECATRONICE LA AUTOVEHICUL

1.1 Automobilul modern ca sistem mecatronic:

Ap rut în a doua jum tate a secolului al 19-lea, automobilul a revolu ionat transporturile i a concentrat cele mai semnificative eforturi tiin ifice i inginere ti, pentru continua perfec ionare a performan elor sale. Pân în jurul anilor 1970-1980 componentele mecanice, multe dintre ele adev rate „bijuterii" tehnice, reprezentau o pondere covâr itoare în ansamblul unui automobil, partea electric i electronic rezumându-se la un num r restrâns de motoare (demaror, alternator, terg toare de parbriz), senzori (pentru temperatura uleiului i antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare, aprindere) i becuri .

Dezvoltarea microelectronicii, materializat în circuite integrate logice i analogice, circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri), realizarea unor sisteme de ac ionare, conven ionale i neconven ionale,performante, a unor tipuri noi de senzori etc., au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerin e care se impuneau tot mai acut, legate de: • Siguran a în trafic; • Economicitate; • Fiabilitate; • Confort;

• Protec ia mediului.

Fig. 1.1.1 Componente electrice i electronice într-un automobil


3

Un automobil modern, dintr-o clas medie, cuprinde circa 60-70 de motoare i un num r asem tor de senzori i sisteme senzoriale (fig.1.1.1.). Un exemplu elocvent îl constituie diferen ele majore dintre „broscu a" de mare succes a firmei Volkswagen, din anii 1960: 136 W - putere maxim consumat , 150 m de cabluri electrice i circa 80 de contacte electrice i urma ul acesteia din 2001, ma ina „New Beetle", cu un consum de 2050 W, 1500 m de cabluri i 1200 contacte electrice.

În construc ia automobilelor moderne i-au câ tigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activ etc.), pentru ca, în final, întreg automobilul s se transforme într-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate - de exemplu, CAN-Bus, sisteme de naviga ie, X-by Wire, telematic etc.).

Cre terea ponderii componentelor electrice i electronice în construc ia automobilului a facilitat introducerea unor sisteme noi, permi ând cre terea performan elor i simplificarea componentelor mecanice. Un exemplu este prezentat în figura 1.1.2, respectiv un ventil cu ac ionare electromagnetic (Electromagnetic Valve Train - EVT) - un rezonator resort/mas , care înlocuie te clasicul ax cu came destinat ac ion rii ventilelor în sincronism cu mi carea arborelui motor, i asigur sistemului de management al motorului posibilitatea comenzii libere a ventilelor, în func ie de algoritmul de optimizare impus.

Principalele efecte: îmbun irea raportului moment motor/tura ia motorului,

Fig.1.1.2 Ventil cu ac ionare electromagnetic

reducerea cu pân la 20% a consumului de carburant,


4

O alt tendin important în construc ia autovehiculelor const în îmbun irea permanent a performan elor sistemelor existente. În figura 1.1.3, este prezentat un Injection), în care o pomp alimenteaz cu motorin o ramp comun , numit „common rail", la presiuni de pân la 1500 bari. Distribu ia carburantului din aceast ramp se realizeaz cu actuatori piezoelectrici.

Common- Actuator Etaj final de Rail piezoelectric amplificare

Fig.1.1.3 Sistem de injec ie cu actuator piezoelectric


5

Actuatorii piezoelectrici sunt utiliza i în multe produse mecatronice, datorit unor caracteristici remarcabile, cum ar fi for e de ac ionare mari (de ordinul miilor de N), accelera ii de ordinul a 2000g, rezolu ii în domeniul nanometrilor etc. Foarte multe eforturi ale proiectan ilor i constructorilor de vehicule sunt dirijate în scopul cre terii siguran ei i confortului pasagerilor i implic subsisteme mecatronice sofisticate.

Sistemele de securitate pot fi active sau pasive i au câteva roluri foarte importante: evitarea eficient a coliziunilor; minimizarea efectelor coliziunilor i evitarea traumatismelor, atât pentru pasagerii vehiculului, cât i pentru pietonii implica i în accident.

Sistemele de siguran active servesc la prevenirea coliziunilor i la minimizarea efectelor acestora. Cele mai importante sunt [Continental]:

Sistemul electronic de frânare (Electronic Brake System), care include: •a ABS (Anti-locking Brake System) -are rolul de a controla presiunea de frânare,

pentru evitarea bloc rii ro ilor. Proceseaz informa iile de la senzorii care m soar viteza ro ilor i controleaz motorul pompei hidraulice i valvele care distribuie fluidul la frâne. •b Brake Assist - interpreteaz informa iile de la senzorii specifici i corecteaz manevrele de frânare ale conduc torului auto.

a. Sistemul electronic de stabilitate (ESP - Electronic Stability Program), care evalueaz în permanen datele m surate de un mare num r de senzori i compar ac iunile oferului cu comportarea vehiculului la momentul respectiv. Dac intervine o situa ie de

instabilitate, cum ar fi cea determinat de o virare brusc , sistemul reac ioneaz în frac iuni de secund , prin intermediul electronicii motorului i a sistemului electronic de frânare i ajut la stabilizarea vehiculului. Sistemul ESP include mai multe subsisteme complexe:

•c ABS (Anti-locking Brake System); •d EBD (Electronic Force Brake Distribution); •e TCS (Traction Control System); •f AYC (Active Yaw Control).

Instabilitatea poate ap rea datorit inadapt rii vitezei, a unor situa ii de urgen sau a altor condi ii neprev zute. Aceste circumstan e pot fi, în special, periculoase pentru combina ia autotractor/semiremorc , unde chiar pirderea momentan a controlului de c tre ofer poate duce la r sturnare sau rotirea semiremorcii peste autotractor.


6

b. Sistemul ESP Plus al celor de la Volkswagen transmite un impuls de virare ori de cate ori soseaua devine alunecoasa.Se aplica un usor impuls asupra volanului, dirijat de servodirectia electromecanica, impuls comandat de programul electronic de stabilitate. Aceasta este exact ceea ce are nevoie soferul pentru a initia intuitiv, actiunea corecta: contravirarea. In cursul franarii de urgenta pe sosele cu coeficienti de frecare diferiti (de exemplu, frunze ude sau zapada pe partea dreapta si suprafata uscata pe partea stanga). In astfel de cazuri, contravirarea contribuie la scurtarea distantei de oprire cu pana la zece la suta. Dar pentru a obtine acest efect, masina necesita de o directie actionata electronic. Aici intervine sistemul de directie al celor de la Volkswagen si impulsul de virare transmis de sistemul ESP Plus. Impulsul de virare transmis de sistemul ESP iese in evidenta in conditii de parcurs ca

cele descrise mai sus, toamna sau iarna, jumatate din suprafata soselei uscata iar cealalta jumatate, acoperita adesea cu frunze ude sau chiar cu zapada. Pana in prezent, scenariile in conditii de tipul celor de mai sus, cu suprafete cu coeficienti de frecare diferiti (cu diferente intre coeficientii de frecare/aderenta pentru rotile de pe stanga si cele de pe dreapta), s-ar fi incheiat - in cazul ideal, in cursul franarii de urgenta cu ESP, astfel: datorita sistemului ESP, masina nu derapeaza necontrolat, soferul putand sa-i mentina cursul si sa evite orice eventuale obstacole. Dar, intrucat efectul de franare trebuie sa actioneze asupra rotii cu cel mai mic coeficient de frecare pentru a impiedica derapajul necontrolat al vehiculului, rotile nu vor putea fi franate la fel de puternic ca in cazul franarii pe o suprafata uscata.

Explicatia este: fara contravirare in directia corecta, vehiculul ar derapa necontrolat prin supra-franarea unei roti, deoarece fortele de franare asimetrice rezultate ar imprima vehiculului o tendinta de rotire in directia suprafetei de drum cu tractiune superioara. Dar exact in acest moment intervine impulsul de virare transmis de sistemul ESP. Sistemul ESP determina directia corecta. Acesta detecteaza directia in care trebuie sa contravireze soferul pentru a decelera vehiculul in mod optim, fara a derapa necontrolat. In acest scop, sistemul comanda servodirectiei electromecanice sa trimita un impuls de virare in directia corecta. Impulsul este sesizat de sofer la nivelul volanului, acesta urmand intuitiv semnalul si executand o contravirare clasica. Ca urmare a acestei interventii de stabilizare, presiunea de franare la nivelul rotilor poate fi crescuta, simultan cu asigurarea unei aderente optime. Rezultatul consta in scurtarea distantei de oprire cu 10%.

Soferul pastreaza controlul integral al vehiculului: impulsul de virare transmis de sistemul ESP nu preia asupra sa sarcina efectiva de virare. Suveranitatea privind manevrarea vehiculului ii revine integral soferului, permanent. Sistemul este cel care ofera doar recomandarea de a vira, chiar daca este abia perceptibila, avand un cuplu de doar trei newtoni-metru. De aceea, sistemul va respecta intotdeauna urmatoarele limite: ESP gandeste, iar soferul vireaza - este pur si simplu mai eficient.


7

c. Noul sistem ESP Scania aduce o mare contribu ie la siguran prin monitorizarea parametrilor de stabilitate i declan ând în mod automat comenzile potrivite situa iei. Sistemul este disponibil pentru toate autotractoarele 4x2 echipate cu frâne disc controlate electronic. Este proiectat s func ioneze pe drumuri ude sau alunecoase (scopul fiind de a preveni rotirea semiremorcii peste autotractor în condi ii de subvirare sau supravirare) i pe drumuri uscate (unde marele risc este r sturnarea ca rezultat al vitezei excesive sau a înclin rii adverse în curbe).

Sistemul are senzori care m soar accelera ia lateral a centrului de greutate al autovehiculului. Dac accelera ia lateral dep te o limit predeterminat , cuplul motor este anulat i sistemul de frânare intr în ac iune. În circumstan e extreme, întreaga for de frânare poate fi aplicat autotractorului i semiremorcii.

Sistemul poate detecta reac ia oferului prin compararea unghiului de înclinare a ansamblului cu ungiul direc iei. Dac acestea nu corespund, cuplul motor este anulat i sistemul de frânare intr în func iune pentru a stabiliza autovehiculul. Care din frâne vor fi activate (la care roat i la care din axe) depinde de natura instabilit ii.

Sistemul poate fi dezactivat. Acest mod este pentru autotractoarele care au de obicei centrul de greutate ridicat atunci când sunt complet înc rcate, dar foarte coborât când sunt desc rcate. Aceast caracteristic elimin riscul intr rii nedorite în func iune a ESP-ului când autovehiculul este gol.

Cand sistemul ESP intr în func iune, informa ia este stocat în memoria acestuia.

Importanta sistemului ESP Procentul automobilelor noi care sunt comercializate avand in dotare sistemul ESP

creste de la an la an. Si nu este de mirare, programul electronic de stabilitate fiind in urma sistemului ABS, poate cel mai important factor de siguranta activa.

Sistemul ESP contribuie semnificativ la stabilitate atunci cand masina negociaza manevre dificile, optimizand manevrabilitatea prin corijarea efectelor de supravirare sau subvirare. Activitatea sistemului ESP este pe cat de sofisticata, pe atat de eficienta. Sistemul imbunatateste controlul asupra automobilului in situatiile periculoase, spre exemplu in cazul unui derapaj (cand una sau mai multe roti au o turatie diferita si nepotrivita unei anume situatii de rulare), comparand constant comportamentul normal al masinii cu valorile nominale indicate ulterior.

Atunci cand masina nu raspunde corect comenzilor soferului, programul electronic de stabilitate actioneaza atat la nivelul franelor cat si la nivelul cuplului motor, corectand astfel anomaliile in cateva fractiuni de secunda.

Este indicat astfel, ca la achizitionarea unei masini noi sa comandati si sistemul ESP, mai ales ca se apropie iarna. In raport cu pretul unei masini noi, investitia in acest sistem nu este mare, dar va poate salva viata. Si daca acest considerent nu este de ajuns, trebuie spus ca valoarea unei masini rulate care beneficiaza de sistemul ESP, este mai mare.


8

Deci merita din toate punctele de vedere sa va dotati masina cu Programul Electronic de Stabilitate.

Sistemul de prevenire a accidentelor, care poate include: • Controlul adaptiv al coliziunilor (Adaptive Cruise Control -ACC), bazat pe senzori

radar de distan e mari. Începând cu anul 1999, firma Continental Automotive Systems [Continental] a introdus sistemele ACC în produc ia de serie, devenind primul furnizor global de astfel de sisteme. ACC regleaz automat viteza vehiculului, în func ie situa ia ma inilor din trafic, pentru a asigura o distan adecvat fa de vehiculul din fa . Sistemul radar utilizeaz principiul impulsuri Doppler pentru m surarea independent a vitezei i distan ei.

• Distan redus de frânare (Reduced Stopping Distance), bazat pe un sistem de frânare automat în eventualitatea unei coliziuni;

• Avertizare de distan (Distance Warning); • Stop & Go, bazat pe un sistem radar în infraro u, pentru distan e mici, destinat asisten ei

pentru traficul urban sau pentru situa iile de pornire i oprire; • Sprijin pentru urm rirea axului drumului (Line Keeping System), cu camer CCD i

interven ie activ asupra sistemului de direc ie; implic un algoritm de procesare a imaginilor i în cazul devierii de la axul drumului, oferul este avertizat printr-o u oar mi care a volanului, p strând îns suprema ia în manevrarea acestuia;

• Controlul global al asiului (Global Chassis Control); • Reac ie „haptic " de pericol la nivelul pedalei de accelera ie (Haptic Danger Feedback)

etc. Sistemele senzoriale i de ac ionare care asigur managementul motorului, asisten a la

frânare i controlul stabilit ii, permit, prin extinderi adecvate, în special în domeniul software-ului, realizarea altor ac iuni, importante pentru siguran a i confortul conduc torului auto. De exemplu, momente foarte dificile apar, în special pentru oferii mai pu in experimenta i, în cazul pornirii pe pante înclinate, a opririlor/pornirilor la semafoare sau în parc ri. Programul Hill Start Assist (HAS) este destinat asisten ei în astfel de situa ii: dup ce oferul a eliberat frâna de mân , HAS între ine în sistemul de frânare o presiune care asigur

men inerea ferm pe loc a ma inii. Pe parcursul pornirii (acceler rii), HAS reduce presiunea de frânare, în corela ie cu cre terea momentului motorului. Controlul presiunii de frânare se bazeaz pe: presiunea de frânare aplicat de ofer; informa ii privind motorul i transmisia; înclinarea pantei (m surat de un senzor de accelera ie longitudinal).


9

Din ce în ce mai complexe i sofisticate sunt sistemele de siguran pasive, care au rolul de a proteja pasagerii i pietonii contra accidentelor suferite în urma coliziunilor. Ele includ o serie de sisteme de protec ie: centuri de siguran , sisteme de tensionare, mecanisme de blocare, airbag-uri frontale i laterale, protec ie a capului i genunchilor, protec ie contra r sturn rii, precum i o serie de senzori i actuatori inteligen i: senzori pentru anticiparea coliziunilor (detec ia i clasificarea pietonilor, sesizarea condi iilor premerg toare impactului pentru ac ionarea adecvat a sistemelor de protec ie), senzori pentru sesizarea i analiza impactului (direc ie, intensitate, tip, posibilitatea r sturn rii), senzori pentru detectarea i clasificarea pasagerilor, airbag-uri inteligente, a c ror expandare depinde de for a i locul de impact, sisteme reversibile de pretensionare a centurilor de siguran , sisteme pentru optimizarea pozi iei scaunelor i închiderea automat a u ilor i trapelor pentru minimizarea efectelor coliziunii, sisteme de protec ie a pietonilor etc. Pentru a ilustra modul în care mecatronica a revolu ionat construc ia automobilului, se va prezenta, ca un ultim exemplu, modulul de comand a unei u i, care este atât de complex, încât necesit un microcontroller propriu (fig.1.1.4) .

Fig.1.1.4 Modul de comand a u ii din fa (CP = circuite de putere)

În comanda u ii intervin 4 motoare: unul pentru închiderea/deschiderea ferestrei, unul pentru blocarea/deblocarea u ii în cadrul sistemului de blocare centralizat i alte dou pentru pozi ionarea, dup dou direc ii (x-y), a oglinzii retrovizoare. La acestea se adaug un sistem pentru înc lzirea oglinzii retrovizoare. Un num r de întrerup toare permit conduc torului auto


10

TL

Mirror BUG Haatirvg System

efectueze manevrele dorite pentru ac ionarea celor patru motoare. Multe module de comand a u ilor includ i senzori, care sesizeaz gradul de închidere/deschidere a ferestrelor, atingerea limitelor de sus/jos, apari ia unor obstacole. Modulul de comand cuprinde: • Interfa a cu întrerup toarele i senzorii; • Circuitele de comand pentru motoare i rezistorul de înc lzire a oglinzii: pun i în H (complete) pentru fereastr i blocarea u ii i semipun i pentru pozi ionarea oglinzii, tranzistor de comand a rezistorului de înc lzire; • Circuite de comand : microcontroller i interfa CAN-Bus; • Regulator de tensiune.

Implementarea pe scar larg a unor astfel de module, la milioane i milioane de vehicule, a impus proiectarea i producerea de circuite integrate specifice diferitelor func ii. În figura 1.1.5 este prezentat o schem din documenta ia firmei INFINEON, în care fiecare func ie detaliat mai sus este realizat cu câte un circuit integrat dedicat. Comanda este asigurat de un microcontroller de 8 bi i, C505, dotat cu interfa CAN. În schem nu sunt detaliate semnalele de la microîntrerup toare, dar semnalul de la un senzor de curent din circuitul de putere al motorului pentru închiderea/deschiderea ferestrei (linia A/D) poate fi utilizat pentru a sesiza eventuale obstacole în calea ferestrei sau limitele de închidere/deschidere, materializate prin cre terea curentului în înf urarea motorului.

Fig. 1.1.5 Schem de comand a u ii, cu microcontroller C505 i circuite integrate


11

1.2 CAN BUS - exemplu de magistral serial în automobil [DUM04a] Dezvoltarea CAN a început odat cu implementarea unui num r tot mai mare de dispozitive electronice în autovehiculele moderne. Exemple de astfel de dispozitive sunt sistemele de management al motorului, suspensiile active, ABS, controlul cutiei de viteze, controlul farurilor, aerul condi ionat, airbag-urile i închiderea centralizat (fig.1.2.1).

Controller Area Network (CAN) este un protocol de comunica ie serial, care asigur

controlul distribuit, în timp real, cu un mare grad de siguran . A fost dezvoltat ini ial de firma Robert Bosch GmbH, care de ine i licen a CAN, în ultima parte a anilor 1980. Este standardizat pe plan interna ional de International Standardization Organization (ISO) i de Society of Automotive Engineers (SAE).

> CAN de vitez mare are la baz standardul ISO 11898 (rate de transmisie de pân la 1 Mbit);

> CAN de vitez mic (rate de transmisie < 125 Kbit) se bazeaz pe ISO 115192; > Extensii în specifica iile 2A and 2B (datorit cerin elor produc torilor de hardware)

diferite lungimi ale identificatorilor (2A cu identificatori de 11 bi i; 2B cu identificatori de 29 bi i);

> Un alt standard este CiA DS-102: standardizez ratele de transmisie (baud-rates) i timpii impu i pentru transmiterea bi ilor i stabile te conductorii, conectorii i liniile de putere.

Fig.1.2.1 CAN Bus pentru conectarea subsistemelor în automobil


12

CAN în autovehicule: > SAE CAN clasa B (are la baz standardul ISO 11519-2), cu pân la 32 de noduri, este

implementat în spa iul interior al vehiculului i leag componente ale asiului i electronica destinat confortului - vezi ramura din dreapta în fig.2.6;

> SAE CAN clasaq C (are la baz standardul ISO 11898), cu pân la 30 de noduri, este implementat pentru conectarea i controlul motorului, a transmisiei, a frân rii, suspensiei - vezi ramura stâng în 1.2.2.

CAN este protocolul cel mai utilizat în autovehicule i automatiz ri. Cele mai importante aplica ii pentru CAN sunt automobilele, vehiculele utilitare i automatiz rile industriale. Alte aplica ii ale CAN se reg sesc la trenuri, echipamente medicale, automatizarea cl dirilor, echipamente electrocasnice i automatizarea birourilor. Concepte de baz

Structura liniilor CAN bus line i nivelele de tensiune care corespund celor dou st ri

ale magistralei - dominant and recesiv, sunt prezentate în figura 7. Fig.1.2.2 Liniile i nivelele de tensiune ale CAN Bus (ISO 11898)


13

Propiet i ale CAN Iat câteva dintre cele mai remarcabile propiet i ale CAN:

> Priorizarea mesagelor: Identificatorul (identifier) define te o prioritate static a mesajului în timpul accesului la magistral . Atunci când magistrala este liber , oricare unitate poate demara începerea unei transmiterii unui mesaj. Dac încep s transmit simultan dou sau mai multe unit i, conflictul de acces pe magistral este rezolvat prin arbitrarea bit cu bit, utilizând identificatorul. Mecanismul arbitr rii garanteaz c nu se pierde nici timp nici vreo informa ie. Pe parcursul arbitr rii fiecare transmi tor compar nivelul bitului transmis cu nivelul existent pe magistral . Dac nivelele sunt egale, unitatea continu s transmit . Dac ea transmite un nivel "recesiv" i magistrala monitorizeaz un nivel "dominant", unitatea pierde arbitrarea i trebuie s se retrag ,

a mai transmite un singur bit. Acest sistem de arbitrare, conceput special pentru autovehicule, permite rezolvarea unor evenimente de importan mai mare în func ionarea ma inii, care necesit o decizie mai rapid , prioritar fa de evenimente pentru care deciziile mai pot întârzia.

> Multimaster: Magistrala nu presupune o ierarhizare a nodurilor; când magistrala este liber , oricare unitate poate începe transmiterea unui mesaj. Unitatea cu mesajul cel mai prioritar va câ tiga accesul la magistral .

> Siguran : Pentru a realiza cea mai mare siguran în transferul datelor, în fiecare nod al magistralei CAN sunt implementate mijloace puternice pentru detectarea erorilor, semnalizarea acestora i auto-verificare.

> Conexiuni: Leg tura serial de comunica ie CAN este o magistral la care pot fi conectate un anumit num r de unit i. Acest num r nu are o limit teoretic , limita practic fiind determinat de timpii de întârziere i/sau consumul de putere pe magistral . Nodurile magistralei nu au adrese specifice, adresa informa iei fiind con inut în identificatorul mesajului transmis i în prioritatea acestuia. Num rul nodurilor poate fi modificat dinamic, f ca acest lucru s perturbe comunica ia dintre celelalte noduri.

> Rata de transmisie: Viteza CAN poate fi diferit în diferite sisteme, dar pentru un anumit sistem rata de transmisie este fixat i constant .


14

2. STRATEGII DE CONTROL AL MOTORULUI

Controlul electronic al procesului de schimbare al rapoartelor de transmitere în cazul unui autoturism echipat cu cutie de viteze mecanic în trepte pretinde pe de o parte controlul dispozitivelor de ac ionare a cutie de viteze, a ambreiajului i a motorului (la nivelul pedalei de accelera ie cel pu in), iar pe de alt parte, controlul strategiei de trecere de la un raport de transmitere la altul.

În cazul folosirii pe autoturism a unui m.a.s. modern având func ii controlate electronic (injec ie de benzin cu comand electronic , distribu ie adaptiv comandat electronic, etc.), cei mai mul i fabrican i î i pun problema controlului electronic "integrat" al grupului motor-transmisie (grupul propulsor), i a elabor rii strategiei optimiz rii func ionale a controlului electronic, pe baza unor criterii.

O strategie care s r spund unor criterii de economicitate, depoluare, dinamicitate, stilul i cerin ele oferului, dar cu mijloacele tehnice la îndemân , într-o aplica ie de schimbare

automat a treptelor cutiei de viteze cu 4+1 trepte care echipeaz un autoturism clasic este dezvoltat în cele ce urmeaz .

Motorul cu aprindere prin scânteie de 1,3 litri, patru cilindri în linie alimentat prin carburator dispune de un dispozitiv de control al pozi iei obturatorului care ac ioneaz pe durata trecerii între treptele cutiei de viteze i controleaz tura ia de mers în gol pe durata înc lzirii motorului. Ambreiajul este de tip monodisc cu frecare uscat i arc diafragm .

Sistemele moderne de control ale motorului au la baz o arhitectur de control a momentului motor i pot fi echipate cu un bloc electronic de control propriu sau instalate direct pe motor.

Sistemele moderne de control ale transmisiei se bazeaz pe identificarea cerin elor oferului i adaptarea modului de schimbare a treptelor de viteze, fiind realizate fie cu bloc de

control propriu, fie instalate direct pe cutia de viteze. Comunica ia între sistemul de control al motorului i cel al transmisiei are drept scop reducerea emisiilor poluante (în faza de înc lzire a reactorului catalitic) i de a proteja cutia de viteze împotriva unor suprasolicit ri.

Scopul sistemelor de control integrat al grupului propulsor este depistarea unui optim global al grupului care s înlocuiasc optimizarea în parte a motorului i separat a transmisiei.

Aceast abordare a condus la o structur ierarhic ce include un meta-controler i sec iuni subordonate pentru motor i transmisie, ca în cazul sistemelor integrate promovate de firma Siemens.

Avantajele meta-controlerului constau în faptul c el dispune de o mare flexibilitate în adaptarea unor optimiz ri dinamice între antipozii ce se manifest în cazul autoturismelor echipate cu motoare de putere redus , maniabilitate redus datorit rezervei reduse de putere pe de o parte i necesitatea de a func iona cu consum cât mai redus de combustibil, pe de alt parte. Aceste avantaje sunt posibile datorit concep iei meta-controlerului care nu folose te control strict dedicat unei func ii a motorului (exemplu, bazat nu numai pe controlul pozi iei obturatorului i pe cel al presiunii de supraalimentare ci i pe alte func ii care pot fi specifice chiar unui m.a.c.). Pedala de accelera ie r mâne în orice împrejurare simbolul cerin elor oferului, i împreun cu al i parametri m surabili ai motorului (tura ia, temperatura) poate de

sura valorii momentului efectiv al motorului, pentru a r mâne la idea controlului motorului prin valoarea momentului motor. În practic sunt folosite diferite criterii de interpretare a pozi iei i a cursei pedalei de accelera ie, în corela ie i cu condi iile de deplasare a automobilului, iar constrângerile date de realizarea fizic a unor interfa ri dedicate unui tip de dispozitiv de comand conduc tot la folosirea în final a unui semnal de ie ire tot de tip "moment motor". Solu ia propus este ca valorificarea semnalelor de intrare ce ar determina semnalul de ie ire tip "moment motor" s se


15

fac printr-un procedeu multi-criterial, o bun metod de realizare fiind utilizarea logicii Fuzzy.

Speciali tii atrag aten ia în privin a unor constrângeri în interpretarea valorii momentului la roata motoare, care constau în faptul c momentul motorului are limite absolute i în necesitatea folosirii unui traductor al cursei pedalei de accelera ie cu sensibilitate egal pe întreaga curs i f zone moarte. Un alt factor limitativ în aprecierea momentului la roat îl poate constitui îns i tipul de transmisie; de exemplu, în cazul folosirii unei cutii de viteze în trepte cu schimbare automat , pe durata schimb rii treptelor au loc întreruperi de moment, iar o cre tere a momentului de intrare dup efectuarea schimb rii ar cauza o deteriorare a confortului procesului de schimbare. De aici rezult necesitatea folosirii valorii momentului motor i a pozi iei pedalei de accelera ie care în anumite împrejur ri sufer unele corec ii.

Se prezint în continuare abordarea sec iunilor de control pentru motor i pentru transmisie.

2.1 CONTROLUL MOTORULUI

Metodica controlului func ion rii motorului prin momentul s u pretinde analiza tuturor factorilor cu influen asupra momentului motor. O schem logic a sec iunii de control a unui m.a.s. este prezentat în figura 2.1.1.

Din aceast schem se desprind condi iile de proiectare a interfe ei cu meta-controlerul asupra:

- ac ion rii obturatorului i vitezei lui de ac ionare; - modulariz rii cilindreei; - întreruperii aliment rii cilindrilor în timpul decelera iilor. Interfa a este astfel proiectat încât s poat fi comod calibrat (etalonare simpl i

coordonarea momentului motor s se efectueze cu evitarea posibilit ilor de interferen a diferitelor por i i c i de intrare).

Deosebit de important este asigurarea priorit ilor semnalelor de intrare. Momentul motor necesar autopropuls rii va fi rezultatul ponder rii flexibile a tuturor

factorilor de intrare (propor ia înc rc turii proaspete, unghiul de avans la aprindere, dozajul) în concordan i cu restric iile specifice ale motorului.

Momentul instantaneu calculat este furnizat ca semnal de reac ie în bucl închis meta-controlerului.

Pentru verificarea concordan ei valorilor calculate ale momentului instantaneu, cu cele reale, (calibrare), se poate folosit un traductor de cuplu instalat pe autoturism. Instala ia de

surare a momentului motor se bazeaz pe m surarea reac iunilor în punctele de suspendare a grupului propulsor pe autoturism


16

Figura 2.1. 1Schema bloc a sistemului de control al motorului


17

2.2 STRUCTURI CLASICE DE CONTROL

O analiz eficient a performan elor motoarelor trebuie s aib în vedere modul în care este structurat sistemul de control al aliment rii cu combustibil i al aprinderii. Dac pân de curând controlul era practic asigurat de sisteme de reglaj mecanice (cu toate limit rile lor specifice), în ultima perioad se remarc o dezvoltare spectaculoas a sistemelor electronice.

Pentru a studia modalit ile de perfec ionare în continuare a sistemelor electronice de control al injec iei de benzin i al aprinderii sunt necesare o sistematizare i o analiz comparativ a solu iilor existente.

O prim structur bloc de motor cu aprindere prin scânteie este prezentat în fig 2.2.1

Fig 2.2.1 Schema bloc a unei structuri clasice de control al motorului

Acest tip caracterizeaz motoarele cu carburator, sistemele de injec ie . mecanic i injec ia electronic de benzin f control în bucl închis X i de control al detona iei. M rimile specifice ce apar sunt urm toarele: s - sarcin ; n - tura ie; a - avans la aprindere; d - dozaj carburant; p - factori poluan i (gaze de evacuare); v - vibra ii (specifice detona iei); i 1 ^ i m - parametri interni; e1 ... en - parametri externi; ce - m rimi de corec ie a influen ei parametrilor externi; ci - rimi de corec ie a influen ei parametrilor interni. Dac ne referim la controlul electronic existent în prezent, conform încadr rii enun ate ini ial, pentru fig. 3.2 în regim stabilizat i condi ii standard de func ionare avansul am= fa(s,n) i dozajul dm=fd (s,n) pot fi considerate ca fiind memorate sub forma unor matrice, A respectiv D, având dimensiunile s1xn1 i respectiv s2xn2

rimile sunt cuantificate, respectând condi iile: aiJ i diJ GN. rimile de control ce ac ioneaz asupra motorului, notate ac i dc, rezult pe baza rela iilor analitice:


18

unde Ua i Ud sunt m rimi unitare specifice blocului de control, astfel încât ac i dc sunt din punct de vedere dimensional m rimi echivalente avansului la aprindere, respectiv dozei de benzin .

Pentru un regim sta ionar, dar pentru alte valori ale parametrilor determina i de factorii interni i externi, apare necesitatea aplic rii unor corec ii. Uzând de acela i formalism matematic, aceste corec ii pot fi exprimate (în cazul când acestea au un caracter aditiv) prin dou matrice de corec ie Ca i Cd:

Aceste matrice de corec ie vor fi utilizate pentru prelucrarea m rimilor memorate A, respectiv D. Generarea m rimilor de control folosite va fi realizat de rela ii similare cazului precedent, în care îns apar matricele; Af pentru avansul la aprindere, respectiv Df pentru doza de benzin .

Valorile elementelor din matricele de corec ie apar ca func ii de tipul:

Schema din fig. 2.2 corespunde unui sistem în bucl deschis ; o reac ie negativ (de stabilizare a sistemului) poate fi considerat totu i dac se ine seama de reglajele (manuale) periodice efectuate, îns , din afara sistemului, de operatorul uman (cum ar fi reglarea amestecului, a avansului ini ial la aprindere). Evident c reglajele periodice îmbun esc performan ele, dar acestea sunt, strict vorbind, de conjunctur . Deriva performan elor se va înscrie în limitele tehnologice de realizare a elementelor.

În ceea ce prive te analiza regimurilor sta ionare la care îns apar abateri ale parametrilor de stare fa de condi iile standard se pot eviden ia anumite corec ii ce se pot realiza dup factorii interni sau externi (cu ajutorul semnalelor c i ce din fig. 3.2). Evident, acurate ea corec iilor va fi mult mai bun la sistemele electronice (de injec ie sau carburator electronic), gra ie posibilit ilor mult mai mari de prelucrare a semnalelor electrice furnizate de traductoare. Prelucrarea semnalelor i adaptarea sistemului vor fi asigurate pe baza unor algoritmi adecva i i de o complexitate corespunz toare situa iei. Sistemele pur mecanice au posibilit i mult mai reduse din cauza lipsei de flexibilitate a structurilor (se poate exemplifica cu ocul automat cu lamel bimetalic ce asigur o îmbog ire a amestecului la pornire, dar de o manier aproximativ , prin exces).


19

Figura 2.3.1 Schema bloc a unui sistem de control al motorului în bucl închis

Criteriile pe baza c rora se determin caracteristicile statice implementate în memoria sistemelor sunt:

a. pentru dozaj:

- economicitatea; - economicitatea i reducerea polu rii; - reducerea polu rii; - reducerea polu rii i economicitatea. b. pentru avansul la aprindere: - evitarea detona iei; - reducerea polu rii; - putere maxim (pentru un dozaj dat). Men inerea performan elor ini iale se face în aceste cazuri pe seama reglajelor

periodice. Se poate deduce din aceste observa ii c principalul neajuns al structurii din fig. 3.2

este lipsa unor bucle de reac ie negativ cu efect stabilizator. Din acest motiv s-au elaborat alte structuri de control care s includ în buclele de reac ie negative informa ii despre dozaj (parametrul X) i avans la aprindere (prezen a detona iei).

2.3 STRUCTURI DE CONTROL ÎN BUCL ÎNCHIS

Prezen a buclelor de reac ie negativ permite men inerea, în mod automat, a performan elor motoarelor în limitele tehnologice asigurate de sistem pe toat durata de (bun ) func ionare. Problema buclelor de reac ie a fost formulat cu acuitate o dat cu schimbarea priorit ilor la formarea amestecului (dozaj) de la economicitate c tre reducerea polu rii. Realizarea dozajului cu o eroare maxim de 1% fa de amestecul stoichiometric constituie o condi ie obligatorie pentru func ionarea eficient a convertorului catalitic cu trei c i. Un sistem în bucl deschis nu poate realiza practic (atât din considerente tehnice, cât i economice) o astfel de performan . Din punctul de vedere al regl rii avansului la aprindere criteriul de optimizare, respectiv de stabilizare a r spunsului îl constituie func ionarea la limita de detona ie, când randamentul motorului atinge un maxim.

Pentru cre terea performan elor motoarelor s-a trecut la o structur de control de tipul celei prezentate în fig. 2.3.1


20

Evident c aceste structuri nu pot fi realizate decât cu sisteme electronice de control

(cu injec ie sau carburator electronic). Fa de structura din fig. 2.3.1 mai apar semnalele: X -semnal despre dozaj (furnizat de sonda Lambda); z - semnal de la senzorul de detona ie.

Superioritatea în regim sta ionar a structurii din fig. 2.3.1 fa de cea din fig. 2.3.1 se eviden iaz în primul rând când apar abateri ale parametrilor de stare fa de valorile ce corespund condi iilor standard de func ionare. Ca urmare a schimb rii parametrilor de stare se va modifica i r spunsul sistemului (motorului), modific rile fiind puse în eviden de senzorii X i de detona ie. Semnalele de la ace ti senzori, fiind incluse în bucle de reac ie negativ , vor determina varia ii compensatoare, de semn contrar, care s asigure revenirea

rimilor a i d la valori care s satisfac criteriile de func ionare (dozaj cu X = 1 ± 1% i avans corespunz tor func ion rii la limita de detona ie). Modificarea m rimilor de control din sistem se face discret, practic prin increment ri i decrement ri ale m rimilor a i d, ceea ce are ca efect varia ii prin trepte de valoare Ua, respectiv Ud ale avansului la aprindere i ale dozajului. Pentru a facilita sarcina men inerii condi iilor de bun func ionare, corec iile pot ac iona direct în memoria cartogramelor caracteristice, modificând valorile existente în sensul de a le apropia cât mai mult de valorile reale necesare. Se realizeaz practic o structur de sistem adaptiv, ce relaxeaz „efortul" buclelor de reac ie. În regim sta ionar un sistem adaptiv de acest tip va converge c tre valorile reale necesare, evoluând în limitele erorilor de cuantificare (± 1/2 Ua, ± 1/2 Ud ).

Exist posibilitatea de a desprinde urm toarele concluzii din analiza regimurilor sta ionare:

a. în regim sta ionar de func ionare a motorului i condi ii standard de func ionare nu se pot pune practic în eviden deosebiri esen iale între structuri i, în cadrul structurilor, între solu iile tehnologice

b. în regim sta ionar de func ionare a motorului i în condi ii de func ionare stabile, dar descrise de parametri cu valori ce se abat de la condi iile standard, sistemele cu reac ie sunt superioare, datorit efectului stabilizator al reac iei negative.

La func ionarea în regim dinamic (tranzitoriu), pentru m rimile reglate avans la aprindere, respectiv dozaj, apar dependen e complexe, descrise de ecua ii diferen iale. Chiar dac inem seama c varia iile se manifest în jurul unor valori bine determinate i în aceste condi ii liniariz m ecua iile, apare ca evident faptul c simularea la stand i

Figura 2.3.2. Schema bloc a unui sistem de control al motorului în bucl închis


21

memorarea tuturor valorilor pentru avans la aprindere i dozaj corespunz toare tuturor tipurilor de dependen e ce pot ap rea este (tehnic) practic imposibil , iar economic extrem de costisitoare. Ca urmare, sistemele actuale se bazeaz pe anumite simplific ri: reducerea ordinului de dependen , eliminarea unor variabile, care în final vor permite totu i încadrarea erorilor dinamice între anumite limite i la un nivel rezonabil de cost i complexitate.

Îmbun irea r spunsului dinamic elimin din start solu iile mecanice, bazate pe regulatoare lente (de exemplu, regulatorul centrifugal ce are caracteristic integratoare) i cu precizie sc zut . O caracteristic specific motoarelor cu injec ie intermitent este aceea c timpul apare ca o

rime cuantificat (alimentarea prin ac ionarea injectoarelor i aprinderea se fac la anumite momente de timp, urmate de pauze). Aceast caracteristic poate fi exploatat în mod corespunz tor prin utilizarea regulatoarelor electronice. Acestea asigur viteze de

spuns ridicate. Problema este ca, în timpul dintre dou comenzi succesive, blocul de comand s poat determina valorile m rimilor de comand cu erori dinamice cât mai reduse; în aceste condi ii apar evidente tr turile unui reglaj dinamic ideal:

- timpul de r spuns egal cu pauza dintre dou comenzi succesive; - erorile dinamice de fixare a avansului i dozajului în limitele erorii de cuantificare

(± 1/2 Ua, ± 1/2 Ud). Compararea r spunsului dinamic al diferitelor variante de motoare eviden iaz clar

superioritatea injec iei de benzin multipunct, discontinu i cu bucle de reac ie negative. Buclele de reac ie asigur stabilizarea valorilor de regim sta ionar i prin aceasta

reducerea erorilor dinamice (cel pu in în faza ini ial a regimului tranzitoriu). Afirma ia are un grad înalt de valabilitate practic , întrucât motorul func ioneaz în cea mai mare parte a timpului în regim cvasista ionar. Totu i, erorile dinamice nu vor putea fi men inute mult timp în limitele erorilor de cuantificare, deoarece mecanismul reac iei lucreaz cu m rimi cuantificate, putând varia m rimile reglate cu cel mult o treapt de cuantificare la o cuant de timp. La modific ri rapide apar erori de neurm rire. La sfâr itul procesului tranzitoriu motorul va trece într-un nou regim stabilizat, pentru care reac ia va asigura convergen a

rimilor de control spre m rimile ideale. Asigurând minimizarea erorilor ini iale de regim sta ionar, sistemele adaptive vor

avea i un r spuns dinamic bun. Totu i, vor ap rea abateri de la condi iile impuse unui spuns dinamic ideal, având în vedere c func ionarea sistemelor adaptive se bazeaz pe un

algoritm validat în principal prin repetabilitatea unui anumit r spuns. Aceasta impune un anumit num r de cuante de timp, deci o anumit întârziere a r spunsului.

a dup cum s-a precizat, reducerea nivelului de poluare a gazelor de evacuare fixeaz extrem de restrictiv dozajul la valoarea X = 1 ± 1%. În regim sta ionar controlul X în bucl închis realizeaz (relativ) u or aceast condi ie. În aceste situa ii convertorul catalitic are eficien maxim i nivelul polu rii este minim.

Prin urmare, utilizând convertor catalitic, reducerea în continuare a nivelului polu rii se poate face numai prin îmbun irea r spunsului dinamic. Problema este deci de maxim interes, cu atât mai mult cu cât motoarele func ioneaz mai mult în regim dinamic în cazul circula iei în ora e, unde se pune i problema polu rii. Apare chiar un concurs de împrejur ri nefavorabil, poluarea crescând cu num rul de automobile, iar num rul mare de automobile impunând un regim dinamic de func ionare mai pronun at al motoarelor, datorit dificult ilor din trafic. Deci, îmbun irea r spunsului dinamic impune o alt concep ie de sistem, care în esen trebuie s permit anticiparea comport rii la modificarea condi iilor de func ionare.


22

Necesitatea în cre tere de men inere a parametrilor func ionali în interiorul unor limite rezonabile a impus realizarea unui volum semnificativ de cercet ri în domeniul sistemelor de control în timp real.

Majoritatea aplica iilor de timp real implic elemente i sarcini specifice în ceea ce prive te traductoarele, elementele de interfa i arhitecturile, precum i algoritmii i

programele. Controlul computerizat de timp real al proceselor implic urm toarele cerin e: - men inerea sistemului între anumite limite prestabilite; - mijloace de control efectiv în condi ii critice sau în prezen a erorilor. Din acest

punct de vedere, controlul vehiculelor rutiere este o aplica ie de timp real de o complexitate extrem de ridicat .

referat tom

Documents