II

II.5 Reglarea proceselor din instalaia de aprindere la MASControlul proceselor care au loc n instalaia de aprindere comandat a motoarelor cu aprindere prin scnteie are o mare importan asupra performanelor de putere ale motoarelor, asupra economicitii acestora ct i asupra nivelului emisiilor poluante produse de acestea.

Posibilitatea efecturii reglajelor asupra momentului aprinderii, duratei scnteii i energiei de descrcare ofer premisele controlului arderii, a degajrii de cldur i n final a performanelor directe ale motorului. Desigur c, sistemele iniiale de aprindere, prea puin reglabile cu regimul funcional al motorului, i totui fiabile n raport cu durata de exploatare a motorului, au cedat locul sistemelor moderne, convenionale i neconvenionale, care ofer posibilitatea automatizrii complete a aprinderii.II.5.1 Instalaia de aprindere clasic

Principiul de funcionare a unui sistem de aprindere se bazeaz pe transformarea tensiunii joase de 12 V c.c., disponibil de la baterie, ntr-o tensiune foarte nalt (de ordinul kV) necesar strpungerii spaiului dintre electrozii bujiei. Transformarea se realizeaz cu ajutorul bobinei de inducie, care funcioneaz pe principiul unui transformator de tensiune. ntreruperea curentului n circuitul primar al acesteia determin prin variaia fluxului magnetic apariia tensiunii induse n circuitul secundar i implicit producerea scnteii electrice. Momentul ntreruperii curentului din circuitul primar al bobinei este momentul care determin producerea scnteii electrice.

n Fig. II.5.1.1 este prezentat schema de principiu a unui sistem clasic de aprindere inductiv [19].

Circuitul primar (de joas tensiune) este format din baterie (BA), ruptor (R) precum i de nfurarea primar a bobinei. Circuitul secundar (de nalt tensiune) este compus din nfurarea secundar a bobinei, distribuitor (D) i bujii (BU). Ruptorul, la instalaiile de aprindere vechi, realizeaz ntreruperea curentului pe cale mecanic, pe cnd la instalaiile moderne, este sub forma unui etaj electronic, nglobat n controlerul sistemului de aprindere. n fiecare dintre cazuri, el este comandat pe baza semnalelor de turaie i de sarcin.

n Fig. II.5.1.2 sunt trasate variaiile intensitii curentului din circuitul primar i a tensiunii din circuitul secundar n funcie de timp. Sgeata din figur indic momentul de declanare a scnteii electrice, ca urmare a deschiderii circuitului principal.

n figura de mai sus, [s] este perioada de alimentare a bobinei (ruptor nchis), curebtul evolund dup o curb specific unui circuit RLC. Perioada [s] este cea de descrcare a bobinei (ruptor deschis), n care aceasta transfer energia pe care a primit-o iniial de la baterie, bujiilor. Acestor dou perioade li se poate asocia duratele unghiulare prin intermediul relaiei:

[grd.RAC] = 6n[rpm] [s]

(1)

unde n este turaia motorului.Raportul dintre durata unghiular iniial, notat cu indicele 1 i cea cumulat, se noteaz cu %Dw i se numete unghi, sau procentaj Dwell:

[%] = [%] = %Dw

(2)Unghiul Dwell caracterizeaz timpul de ncrcare a bobinei. n cadrul unui ciclu de funcionare, uzual, unghiul Dwell ia valori ntre 60 i 63%. Limitarea sa se realizeaz din considerente de durabilitate a sistemului de aprindere. Valoarea maxim a energiei pe care o acumuleaz bobina are valoarea:

E = L1i21,max / 2

(3)relaie n care, L1 este inductana circuitului primar, iar i1,max este valoarea maxim a curentului din nfurarea primarului.

Exemplu:

Pentru un MAS care funcioneaz la turaia de 1000 rpm, se calculeaz Da = 180 grd.RAC. Dac se adopt %Dw = 60%, nseamn c 1 = 1800.6 = 108 grd.RAC, iar perioada echivalent 1 = 18 ms. La o turaie de 5000 rpm, meninnd constant unghiul Dwell, perioada unghiular 1 este aceeai, dar durata echivalent n timp 1 scade la 3.6 ms. Cu scderea timpului de ncrcare a bobinei scade i energia disponibil care poate fi transferat bujiilor, deci este afectat capacitatea de aprindere a amestecului proaspt din cilindru, cu consecine negative evidente asupra ntregului proces de ardere.

Deci la creterea turaiei de funcionare a motorului, unghiul Dwell scade, motiv pentru care un obiectiv fundamental al controlului sistemelor actuale de aprindere este meninerea cvasiconstant a energiei de aprindere. Acest lucru este posibil prin majorarea %Dw la creterea turaiei.II.5.2 Optimizarea funcionrii instalaiei de aprindere clasice inductive

n Fig.II.5.2.1 este nfiat schema unui sistem de aprindere cu control al unghiului Dwell (sistem cu energie constant) [19]. Unitatea de control nglobeaz dou module destinate controlului avansului i respectiv procentajului Dwell. Pentru a controla momentul declanrii scnteii electrice sunt necesare a fi cunoscute valoarea avansului i referina unghiular pe ciclul de funcionare. Valoarea avansului se stabilete pe baza informaiilor de turaie i de sarcin cu ajutorul hrii de optimizare a avansului stocat la nivelul ECU. Referina unghiular se obine cu ajutorul unui generator de impulsuri care primete un semnal (notat cu 1 n figur) de la un tradustor inductiv de poziie montat la extremitatea arborelui cotit. Semnalul este prelucrat, i la ieire se nregistreaz un semnal dreptunghiular (notat cu 2). Fiecrui impuls i corespunde o anumit poziie unghiular n raport cu care controlerul de avans poate s-i stabileasc momentul declanrii scnteii.

Controlerul comand un circuit de putere care realizeaz reglajul intensitii curentului din circuitul primar al bobinei. Al doilea controler, cel cu aciune asupra unghiului Dwell, asigur energia constant a descrcrii independent de regimul de turaie. n circuitul primar este inserat un detector de curent, al crui rol este acela de a determina valoarea maxim a curentului. Dac instensitatea curentului scade, controlerul Dwell va mri timpul de alimentare a bobinei. n acest fel, att curentul, ct i energia de descrcare se menin la valoare constant. Blocul etichetat ali senzori poate include: accelerometre, pentru nregistrarea nivelului de vibraii ale blocului motor (necesare n acest mod pentru avertizarea la funcionarea cu detonaie), traductoare de presiune, traductoare de temperatur, etc. II.5.3 Instalaie de aprindere inductiv cu putere i energie de descrcare mrite.

Acest paragraf prezint caracteristicile unei instalaii de aprindere de tip inductiv la care creterea energiei de descrcare a fost obinut prin mrirea duratei de descrcare [20] [21] (vezi Fig. II.5.3.1).

Schema instalaiei de aprindere modificate este conceput n jurul a dou surse de energie, una principal, i cea de-a doua, cea auxiliar. Sursa principal este o surs de energie convenional, care-i aduce aportul de energie n timpul fazei de strpungere, faza median de descrcare electric, situat ntre fazele de arc i de plpire n procesul de descrcare. Energia furnizat este rezultatul acumulrii de energie n bobina de inducie, iar ntreruperea curentului din circuitul primar se realizeaz printr-un ruptor electronic. Sursa de energie auxiliar furnizeaz surplusul de energie pe celelalte faze ale descrcrii (cea de arc i cea de plpire), prin contribuia unui convertor de tensiune care ncarc o baterie de condensatoare la o tensiune de aproximativ 1000 V n intervalul dintre dou scntei consecutive. Deci, n timp ce descrcarea asigurat de sursa principal rmne de tip inductiv (tipul clasic), descrcarea produs de sursa auxiliar este de tip capacitiv. Scopul principal urmrit prin utilizarea acestui tip modificat de instalaie l reprezint posibilitatea extinderii plajei de funcionalitate a motorului n zona amestecurilor srace, prin diminuarea variabilitii ciclice, prin creterea eficienei n funcionare i prin scderea nivelului de emisii poluante.

n figura II.5.3.2 sunt trasate curbele de variaie a intensitii medii a curentului electric de descrcare pentru cele dou tipuri de instalaii (clasic C i modificat - M) [20] [21].

Rezultatele testrii pe bancul motor a celor dou tipuri de instalaii de aprindere evideniaz urmtoarele:- Instalaia modificat genereaz o scnteie cu o durat de aproximativ 3.5 ori mai mare dect cea clasic.- Intensitatea medie a curentului de descrcare este de 1.6 ori mai mare n cazul instalaiei clasice fa de cel al utilizrii instalaiei clasice. - Pe ntreg domeniul de turaii, instalaia modificat ofer o energie de descrcare amplificat. Factorul de amplificare variaz n funcie de turaie i de distana dintre electrozii bujiei electrice de (n cazul meninerii constante a distanei la platin dp).

Rezultatele experimentale au scos n eviden ctigurile utilizrii unei astfel de instalaie, cu putere i energie de descrcare mrite, care constau n creterea puterii efective, creterea randamentului efectiv i diminuarea nivelului emisiilor poluante ale MAS pe domeniul de funcionare cu amestecuri srace ( = 1.0-1.2) (vezi Fig. II.5.3.3 II.5.3.7).

Parametrii de lucru pentru care s-au trasat graficele din fig. II.5.3.3-II.5.3.7 sunt: turaie 1800 rpm, sarcin 40%, ca avans la producerea scnteii a fost setat avansul optim pentru turaia i sarcina anunate, distan ntre electrozi de = 0.7 mm, distan la platin dp = 0.4 mm.

n comparaie cu avantajele evidente, n ceea ce privete creterea puterii efective, creterea randamentului efectiv i scderea nivelului de emisii, n funcionarea MAS echipat cu o instalaie de aprindere cu energie i putere mrite se evideniaz i un dezavantaj major, acela al unei fiabiliti mai reduse a componentelor instalaiei. Creterea valorii energiei de descrcare antreneaz necesitatea nlocuirii mai dese a bujiilor electrice, a bobinei de inducie, sau a platinei. Materialele mai rezistente, care le pot nlocui pe cele utilizate n mod curent n producia de serie a elementelor instalaiei de aprindere, sunt mai scumpe i cresc pe ansamblu preul de achiziie a acesteia. II.5.4 Utilizarea instalaiilor neconvenionale de aprindere

Fa de instalaiile de aprindere care realizeaz descrcarea electric pe cale inductiv, exist i alte tipuri de instalaii, care aplic alte principii de comunicare a energiei necesare aprinderii amestecului carburant din cilindrul MAS. Aa cum s-a prezentat n paragraful anterior, instalaia de aprindere era de tip mixt, sursa principal de energie realiznd descrcarea de tip inductiv (de tip clasic), iar cea auxiliar o descrcare de tip capacitiv. Alte tipuri de dispozitive de aprindere utilizeaz electrozi generatori de plasm, sau realizeaz aprinderea cu ajutorul unui jet de flacr, sau a unei jerbe de scntei. Scopul utilizrii acestor dispozitive neconvenionale de aprindere este reuita ct mai sigur a aprinderii i asigurarea premiselor desfurrii unui proces de ardere ct mai eficient, n funcie de regimul funcional al motorului.II.5.4.1 Sisteme de aprindere cu jet de plasmLa aceste sisteme descrcarea electric se produce ntr-o cavitate care nconjoar electrozii bujiei [22]. Cavitatea comunic cu camera de ardere printr-un orificiu (vezi Fig.II.5.4.1). Energia de descrcare este majorat n comparaie cu cea de la instalaiile clasice de aprindere, datorit prezenei unui condensator care este ncrcat la o tensiune relativ joas. Condensatorul elibereaz energie imediat dup ce scnteia a fost declanat ntre electrozii bujiei. Energia mare de descrcare creaz o plasm cu presiune i temperatur ridicate, care va ptrunde n camera de ardere prin orificiul de legtur sub forma unui jet la viteze supersonice. Aprinderea are loc n jet, flacra avnd un aspect turbulent, spre deosebire de instalaia clasic, la care flacra are iniial un caracter laminar. Penetraia jetului depinde de momentul producerii sale, de energia descrcrii, de forma i de dimensiunile orificiului. De asemenea, cu ct cavitatea conine o cantitate mai mare de vapori de combustibil, aprinderea este mult uurat datorit prezenei unui numr nsemnat de atomi de hidrogen creai n plasm i care au un grad mare de reactivitate. Prin utilizarea unui astfel de sistem, se realizeaz o extindere a limitei de srcire a amestecurilor combustibile utilizate n mod obinuit, i se elimin aproape complet posibilitatea ratrii aprinderii.

II.5.4.2 Sisteme de aprindere cu jet de flacrCaracteristica acestor sisteme este existena unei camere separate n care se iniiaz aprinderea, legtura cu camera principal fiind asigurat prin unul sau mai multe ajutaje [22] (vezi fig.II.5.4.2). Pe msur ce flacra se dezvolt n camera separat, presiunea n cavitate crete, fornd gazul s treac n camera principal sub forma unui jet sau mai multor jeturi de flacr turbulente. Aprinderea propriu-zis este asigurat de o bujie convenional. Rolul antecamerei este acela de a transforma flacra care se formeaz n jurul electrozilor bujiei n mai multe flcri, care ptrund n camera principal de ardere, i care avnd o suprafa mai mare sunt capabile s ard amestecuri cu un exces mai mare de aer.

Cea mai simpl variant constructiv (cea schematizat n figur), este cunoscut sub denumirea de torch cell. Cavitatea nu posed un sistem special de alimentare cu amestec combustibil, i nici o cale de evacuare a gazelor arse. Funcia ei este doar aceea de a accelera dezvoltarea iniial a flcrii ntr-o zon n care turbulena este mai mare dect n camera de ardere. Funcionarea sistemului depinde n mare msur de volumul antecamerei, de numrul i forma orificiilor (ajutajelor) de legtur, precum i de poziia bujiei. Dezavantajele soluiei sunt legate de faptul c evacuarea gazelor arse din antecamer este deficitar, astfel nct fracia gazelor arse reziduale va fi mai mare n aceast configuraie dect n cea care utilizeaz o instalaie de aprindere standard.

Legend:

BA = Baterie

R = Ruptor

BO = Bobin

D = Distribuitor

BU = Bujii

Fig. II.5.1.1 Schema de principiu a unui sistem clasic de aprindere

Fig.II.5.1.2 Variaia n timp a mrimilor electrice tensiune i curent din circuitul instalaiei de aprindere

Fig. II.5.2.1 Schema sistemului de control al aprinderii cu reglarea unghiului Dwell

Fig.II.5.3.1 Instalaie de aprindere inductiv cu putere i energie mrite

Fig.II.5.3.2. Comparaie ntre variaiile intensitilor curenilor de descrcare electric n cele dou tipuri de instalaii: clasic i modificat

Fig. II.5.3.7 Comparaie ntre nivelurile concentraiilor de CO2 ale motorului echipat cu cele dou instalaii

Fig. II.5.3.3 Comparaie ntre puterile efective ale motorului echipat cu cele dou instalaii

Fig. II.5.3.4 Comparaie ntre randamentele efective ale motorului echipat

cu cele dou instalaii

Fig. II.5.3.6 Comparaie ntre nivelurile concentraiilor de NOx ale motorului echipat cu cele dou instalaii

Fig. II.5.3.5 Comparaie ntre nivelurile concentraiilor de HmCn ale motorului echipat cu cele dou instalaii

Fig.II.5.4.1 Sistem de aprindere cu jet de plasm

Fig.II.5.4.2 Sistem de aprindere cu jet de flacr