revista inginerilor de automobile

se distr ibuie gr atuit ca supli m en t al r evistei au totestvol. 8, nr. 4 (33) / decembrie 2014

SIAR eSte membR

InteRnAtIonAlfedeRAtIon ofAutomotIveenGIneeRInGSocIetIeS

euRopeAnAutomobIleenGIneeRScoopeRAtIon

Ingineriaautomobilului Societatea Inginerilor

de Automobiledin Romnia

RegistrulAutoRomn

Supported by

l Simularea performanelor unui mas supraalimentat l Analiza mecanismului de depoluare a motoarelor diesel l Model numeric pentru firele de NiTi l Principii de calibrare a strategiilor de control i protecie pentru un m.a.s. l Indicatori compozii de siguran rutier

Science and Management of Automotive and Transportation

SMAT 2014

METODE I MIJLOACE DE DEPOLUARE A MOTOARELOR PENTRU AUTOMOBILEAutori: Florian IVAN, Daniel LI, Andrei BUOI

Editura: MATRIX ROMAnul apariiei: 2014ISBN: 978-606-25-0038-2

Automobilul cunoate o dezvoltare impetuoas n ciuda numeroaselor restricii impuse de criza energetic de combustibili fosili i de normele de poluare tot mai severe. Dar, multiplele efecte sociale benefice ale automobilului trebuie analizate n raport cu efectele nocive generate de emisiile poluante emanate de acesta. Conceperea motoarelor de automobil se confrunt astzi cu probleme complexe impuse de realizarea unor motoare curate. Conceptul de auto-mobil verde tinde sa devin o realitate. n lucrarea de fa autorii ofer o imagine asupra activitilor teoretice i practice ce se desfoar n domeniul asigurrii unei interaciuni ct mai prietenoase a motoarelor automobilelor cu mediul.Ca urmare, se parcurg succesiv urmtoarele capitole:o Interdependena Ecologie-Poluareo Poluanii produi de autovehiculele rutiereo Mecanisme de formare a poluaniloro Originea i mecanismul formrii poluanilor din gazele evacuate la MAS. Influena factorilor constructivi, funcionali i de stare tehnic. Influena naturii combustibiluluio Mijloace de depoluare chimic la automobilele echipate cu MASo Originea i mecanismul formrii poluanilor din gazele de evacuare la MAC. Cazul MAC cu injecie direct. Influena factorilor constructivi, funcionali i de stare tehnic . Influena naturii combustibiluluio Mijloace de depoluare chimic la automobilele echipate cu MACo Metode i aparatur de msurare a concentraiei noxelor chimice din gazele de evacuare. Instalaii si standuri de ncercareLucrarea cuprinde i o ampl bibliografie.

BAZELE INGINERIEI AUTOVEHICULELOR. ELEMENTE TEORETICE I APLICATIVEAutori: Amalia Ana DASCL, Tiberiu Nicolae MACARIE

Editura: PIMAnul apariiei: 2013ISBN: 978-606-13-1684-7

Lucrarea este destinat studenilor care urmeaz programele de studii universitare de licen Autovehicule Rutiere i Ingineria Transportului i Traficului i persoanelor interesate de construcia, funcionarea i ntreinerea autovehiculelor i a elementelor din componena acestuia.n lucrare se trateaz ntr-o manier sistematic o serie de teme necesare cunoaterii teoretice i practice de ctre studeni a construciei generale a autovehiculelor, precum i cunoaterii parametrilor constructivi i funcionali ai acestora, astfel:

o Compunerea, organizarea general i dimensiunile principale ale autovehiculelor rutiereo Compunerea i organizarea transmisiilor mecanice ale autovehiculelor rutiereo Compunerea i organizarea motoarelor cu ardere interno Compunerea i organizarea ambreiajeloro Compunerea i organizarea cutiilor de viteze mecanice cu schimbare manual a treptelor de vitezo Compunerea i organizarea transmisiilor automateo Compunerea i organizarea general a cutiilor de viteze cu variaie continu a raportului de transmitereo Compunerea i organizarea general a transmisiei longitudinaleo Compunerea i organizarea general a mecanismelor de putere ale punii motoareo Compunerea i organizarea general a sistemelor de frnareo Compunerea i organizarea general a sistemelor de direcieo Compunerea i organizarea general a suspensiilor autovehiculelor rutiereo Compunerea i organizarea sistemelor de rulareo Bibliografie

3Ingineria automobilului Vol. 8, nr. 4 (33) / decembrie 2014

Lucru bine fcut, de oameni buni, animai de un om mareWell Done, by Right People, Enthused by a Great Man

Volkswagen este un gigant n lumea automo-bilelor constituit ca platform raional i eficient a mrcilor Audi, Volkswagen, Seat, Skoda, Bentley, Bugatti, Lamborghini, Porsche, MAN, Scania i Ducati.La sfritul anului trecut concernul avea pe plan mon-dial 572 de mii de angajai spre comparaie, n 1972 erau 192 de mii vnzrile aducnd 197 de miliarde

de euro (2013). n cele 107 uzine ale concernului, n 19 ri europene i n 8 ri din Asia, America i Africa sunt produse zilnic aproape 40 de mii de automobile. Cine este omul care dirijeaz un asemenea imperiu?Cu puin timp n urm, nepotul lui Ferdinand Porsche creatorul auto-mobilelor i apoi al mrcilor Porsche i Volkswagen domnul Ferdinand Piech, preedintele consiliului de administraie al concernului Volkswa-gen i principalul acionar al acestuia, a fost numit profesor onorific la o universitate relativ mic, dar cu o puternic i cunoscut facultate de auto-mobile la Zwickau, locul de natere al firmei Audi. Ferdinand Piech vorbete ncet, msurat, aparent rece doar ochii l trdeaz, ochii unui inginer pasionat de ceea ce face i de ceea ce le spune studenilor. Inovaia este la originea lucrurilor, inovaia este motor, inovaia este viaa ochii studenilor preiau aceast form de via pe cale magnetic. Argu-mentarea teoretic este impecabil, exemplul fascinant i neateptat. Exemplul de inovaie adus de domnul Piech studenilor, exemplu docu-mentat n multe forme i detalii, este centrat pe mezinul excentric, dar genial, al concernului: Ducati.Ingenuitatea soluiilor funcionale ale motorului, profilele uoare i graioase ale structurilor de rezisten, amortizare sau ghidaj, elegana,

chiar frumuseea tehnic a fiecrei piese sunt n concepia domniei sale modele de inovaie pentru inginerii de la Audi, Porsche i Volkswagen. Bineneles c o inovaie este greu de transpus de la un vehicul exotic la un automobil de serie mare, condiiile de proiectare i producie fiind diferi-te. Dar potenialul ntre un lucru bine fcut de un maestru i un lucru bine fcut de mii de aspirani la miestrie genereaz noi inovaii. La cei 77 de ani ai si, Ferdinand Piech le vorbete studenilor n prima zi de curs 6 ore nentrerupte, n cea de-a doua zi 4 ore, dup care i invit la o vizit a uzinei Volkswagen din Zwickau, vizit n care dumnealui personal le este ghid. n decursul celor dou zile de curs, pe platforma din faa amfi-teatrului sunt expuse cele mai noi modele de Bugatti, Bentley, Golf, Audi, Porsche, cu care studenii pot avea contact direct. Ferdinand Piech se implic direct, ca inginer, n concepia, dezvoltarea i fabricarea fiecrui nou model, dumnealui piloteaz primul prototipurile.Ferdinand Piech insufl creatorilor de automobile respect i entuziasm o bun baz de lansare pentru inovaie.Domnilor profesori, membri ai SIAR, pe foarte muli dintre dumneavoas-tr v cunosc i v preuiesc. Nu avem n Romnia un mnunchi de mrci celebre ca Volkswagen, dar avem multe capete tinere, luminate, crora pu-tem s le insuflm respect i entuziasm, ca germeni sntoi de inovaie avem cmpuri fertile, care ateapt smna, am ncredere c roadele din care vom face mnunchiuri vor veni. Dai-le domnilor profesori, studenilor, doctoranzilor i tinerilor ingineri, n aceast revist a noastr, ct mai des cu putin, exemple din ceea ce tii s facei dumneavoastr, din coala pe care ai creat-o, din experiena i din viziunile pe care le avei.

Al dumneavoastr,Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. Cornel STAN

Sumar Ingineria automobilului Nr. 33 (vol. 8, nr. 4)3 Lucru bine fcut, de oameni buni, animai de un om mare Well Done, by Right People, Enthused by a Great Man 5 Science and Management of Automotive and Transportation Engineering SMAT 2014 Congresul Internaional al Societii Inginerilor de Automobile din Romnia SIAR International Congress of the Society of Automotive Engineers of Romania SIAR7 Simularea performanelor unui MAS supraalimentat, cu injecie direct, obinut prin conversia motorului de serie K7M710. Studiu de caz Simulating the Performances of a DI Turbocharged Spark Ignition Engine Obtained by Converting the Commercial K7M710 Engine. A Case Study12 Analiza mecanismului de depoluare a motoarelor diesel folosind sistemele de tip NOxTRAP i HC-NOxTRAP Analysis of the Depollution Mechanism on Diesel Engines Using

the Systems NOxTRAP and HC-NOxTRAP15 Model numeric pentru firele de NiTi, realizat ca instrument pentru aplicaii din domeniul actuatorilor Numerical Model for NiTi Wires Designed as a Tool for Actuator Applications18 Principii de calibrare a strategiilor de control i protecie pentru un motor cu aprindere prin scnteie Tuning Principles of Control and Protection Strategies for a S.I. Engine22 Indicatori compozii de siguran rutier Composite Indicators of Road Traffic Safety22 Concursul Naional Studenesc de Inginerie a Autovehiculelor Prof. univ. ing. CONSTANTIN GHIULAI Domeniul Dinamica autovehiculelor. Ediia I-a, 2014 The National Contest for Students in Automotive Engineering Professor Eng. CONSTANTIN GHIULAI. Domain Dynamics of Vehicles. First Edition, 2014


RegistRul Auto Romn

Director generalGeorge-Adrian DINC

Director tehnicFlavius CMPEANU

Director AdjunctDorin LEEA

Auto test

Redactor efLorena BUHNICI

RedactoriRadu BUHNI

Emilia PETREGeorge DRUGESCU

Gabriel MANOLE

Contact:Calea Griviei 391 A,

sector 1, cod potal 010719, Bucureti, Romnia

Tel/Fax: 021/202.70.17E-mail: [email protected]

www.rarom.rowww.autotestmagazin.ro

siAR

ContactFacultatea de TransporturiUniversitatea Politehnica

BucuretiSplaiul Independenei 313

Sala JC 005, Cod potal 060042, sector 6, Bucureti, Romnia

Tel/Fax: 021/316.96.08E-mail: [email protected]

www.ingineria-automobilului.rowww.siar.ro

TIPAR

ARt gRouP int sRl

Str. Vulturilor 12-14, sector 3, Bucureti

Reproducerea integral sau parial a textelor i imaginilor se

face numai cu acordulRevistei Auto Test,

a Registrului Auto Romn.

soCietAteA ingineRiloR De AutomoBile Din RomniAPreedinte: Conf. dr. ing. Adrian ClenCi, Universitatea din Piteti

Preedinte de onoare: Prof. dr. ing. eugen negRu, Universitatea Politehnica din BucuretiVicepreedinte: Prof. dr. ing. Cristian AnDReesCu, Universitatea Politehnica din Bucureti

Vicepreedinte: Prof. dr. ing. nicolae BuRnete, Universitatea Tehnic din Cluj-NapocaVicepreedinte: Prof. dr. ing. Anghel CHiRu, Universitatea Transilvania din Braov

Vicepreedinte: Prof. dr. ing. Victor ot, Universitatea din CraiovaVicepreedinte: Prof. dr. ing. ioan tABACu, Universitatea din Piteti

Secretar General: Prof. dr. ing. minu mitReA, Academia Tehnic Militar din Bucureti

Redactor ef: Prof. Dr. -Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h.c. Cornel stAn West Saxon University of Zwickau, Germany

Redactor ef executiv: Prof. dr. ing. mircea oPReAn, Universitatea Politehnica din BucuretiRedactori-efi adjunci:

Prof. dr. ing. gheorghe-Alexandru RADu, Universitatea Transilvania din BraovProf. dr. ing. ion CoPAe, Academia Tehnic Militar din Bucureti

Conf. dr. ing. tefan tABACu, Universitatea din PitetiRedactori:

Conf. dr. ing. Adrian sACHelARie, Universitatea Tehnic Gh. Asachi din IaiConf. dr. ing. ilie DumitRu, Universitatea din Craiova

S.l. dr. ing. Cristian ColDeA, Universitatea Tehnic din Cluj-NapocaS.l. dr. ing. marius Bu, Universitatea Politehnica din Bucureti

S.l. dr. ing. george DRAgomiR, Universitatea din Oradeasecretar de redacie: Prof. dr. ing. minu mitReA, Secretar General SIAR

AVL List Romania Werner moseRRegistrul Auto Romn RAR george-Adrian DinC

Renault Technologie Roumanie sorin BueUniunea Naional a Transportatorilor Rutieri din Romnia UNTRR Florian miHu

Colegiul De ReDACie

Comitetul De onoARe Al siAR

Comitetul tiiniFiCProf. Dennis AssAnis

University of Michigan, Michigan, United States of America

Prof. Rodica A. BRnesCuUniversity of IIlinois at Chicago College of

Engineering, United States of America

Prof. nicolae BuRneteUniversitatea Tehnic din Cluj-Napoca, Romnia

Prof. giovanni CiPollAPolitecnico di Torino, Italy

Dr. Felice e. CoRCioneEngines Institute, Naples, Italy

Prof. georges DesComBesConservatoire National des Arts et Metiers de Paris,

France

Prof. Cedomir DuBoKAUniversity of Belgrade Serbia

Prof. Pedro esteBAnInstitute for Applied Automotive Research

Tarragona, Spain

Prof. Radu gAiginsCHiUniversitatea Tehnic Gh. Asachi din Iai,

Romnia

Prof. Berthold gRnWAlDTechnical University of Darmstadt, Germany

Eng. eduard goloVAtAi-sCHmiDtSchaeffler AG & Co. KG Herzogenaurach, Germany

Prof. Peter KuCHARUniversity for Applied Sciences, Konstanz,Germany

Prof. mircea oPReAnUniversitatea Politehnica din Bucureti, Romnia

Prof. nicolae V. oRlAnDeARetired Professor, University of Michigan Ann Arbor, M.I., USA

Prof. Victor otUniversitatea din Craiova, Romnia

Prof. Pierre PoDeVinConservatoire National des Arts et Metiers de Paris, France

Prof. Andreas seelingeRInstitute of Mining and Metallurgical Machine, Engineering, Aachen, Germany

Prof. ulrich sPiCHeRKalrsuhe University, Karlsruhe, Germany

Prof. Cornel stAnWest Saxon University of Zwickau, Germany

Prof. Dinu tARAZAWayne State University, United States of America

Ingineria automobilului: an apariie ediia tiprit 2006 (ISSN 1842 4074) / ediia electronic 2007 (ISSN 2284 5690). Serie nou a Revistei Inginerilor de Automobile (RIA), tiprit n perioada 1990-2000 (ISSN 1222-5142)


n perioada 23.10 25.10.2014 au avut loc lucrrile Congresului internaional anual al SIAR SCI-ENCE AND MANAGEMENT OF AUTOMOTIVE AND TRANS-PORTATION ENGINEERING SMAT 2014 ediia a III-a n organizarea Facultii de Mecani-c a Universitii din Craiova prin Departamentul de Autovehicule, Transporturi i Inginerie industrial, cu sprijinul FISITA (International Federation of Automotive Enginee-ring Societies).Pentru a treia oar, gazd a Congre-sului internaional al SIAR SMAT- SCIENCE AND MANAGE-MENT OF AUTOMOTIVE AND TRANSPORTATION ENGINEE-RING a fost Departamentul de Au-tovehicule, Transporturi i Inginerie Industrial din cadrul Facultii de Mecanic a Universitii din Craio-va, unul dintre centrele de excelen n cercetarea aplicativ i fundamen-tal din domeniul ingineriei autove-hiculelor i transporturilor rutiere, cu o larg recunoatere naional i internaional.Congresul a fost nsoit de un ansamblu de manifestri care au atras atenia specialitilor romni i strini din domeniul ingineriei autovehiculelor i transporturi-lor rutiere prezeni la Craiova cu aceast ocazie. Aceste manifestri au fcut ca municipiul Craiova s devin pentru cteva zile un centru internaional al ingineriei

autovehiculelor, oferind astfel pri-lejul stabilirii unor contacte utile de colaborare i informare n do-meniul problemelor actuale pri-vind dezvoltarea autovehiculelor, sigurana transporturilor rutiere, protecia mediului.Schimbul activ de idei, alturi de mobilitatea cercettorilor, caracteri-zeaz societatea actual i constituie unul dintre motoarele de dezvoltare a domeniului ingineriei automobi-lelor. Participarea la lucrrile con-gresului a unui numr important de specialiti din mediile academic, so-cial i economic din ar i de peste hotare a permis crearea unui cadru prielnic abordrii cu substan a te-melor importante care preocup so-cietatea contemporan i constituie provocri continue.Direciile de interes propuse pentru Congresul Internaional al SIAR SMAT 2014, au asigurat un cadru tiinific adecvat unor schimburi de idei i dezbateri intense i obiective, au reflectat aceste preocupri din domeniul ingineriei autovehiculelor, fiind orientate pe urmtoarele teme: sisteme avansate de propulsie; auto-vehicule rutiere i mediul; sisteme moderne de transport i trafic auto; vehicule grele i speciale; metode

avansate de inginerie;materiale i tehnologii.Cei 200 de participani la congres au avut ocazia de a se implica activ la lucrrile tiinifice prezentate n sesiunea plenar, ct i n cadrul seciunilor, work-shop-uri, expoziii, vizite tematice, activiti sociale.n cadrul ceremoniei de deschi-dere a congresului au prezentat salutul lor dr. ing. Ludwig G.E. VOLLRATH, vicepreedinte al FISITA i preedinte EAEC (Eu-ropean Automotive Engineers Co-operation), prof. Gunter HOHL, vicepreedinte al Austrian Society of Automotive Engineers - OVK Austria, fost vicepreedinte FISITA i preedinte EAEC, prof. dr. ing.

Victor ILIESCU, reprezentnd Mi-nisterul Educaiei Naionale, prof. dr. ing. Dan POPESCU prorecto-rul pentru cercetare al Universitii din Craiova, prof. dr. ing. Nicolae DUMITRU - decanul Facultii de Mecanic din Universitatea din Craiova, prof. dr. ing. Daniela TARNI - directorul centrului de cercetare n inginerie mecani-c din Universitatea din Craiova, conf. dr. ing. Adrian CLENCI preedintele SIAR, ec. Ion PRIO-TEASA preedintele Consiliului Judeean Dolj, Mihaela SAS - re-prezentant ADR SV Oltenia, John OLDHAM - Plant Manager la Cra-iova FORD Engine Plant, Stefan KANYA - Director regional Europa

Science and Management of Automotive and Transportation Engineering SMAT 2014Congresul Internaional al Societii Inginerilor de Automobile din Romnia SIAR International Congress of the Society of Automotive Engineers of Romania SIAR

Prof. dr. ing.Minu MitreaSecretar General SIAR

[email protected]


SE AVL List Gmbh, ION MIHAIU - director tehnic laPOPECI GRUP SA Craiova i prof. dr. ing. Victor OT vicepreedinte SIAR i preedinte al comitetului de organi-zarea congresului SMAT 2014.Dup ceremonia de deschidere a congresului care a avut loc n Sala Albastr a Universitii din Craiova, s-a trecut la prezentarea lucrrilor n plen. Prima lucrare, susinut n plen de John OLDHAM, a descris direciile relevante n viziunea Ford pentru dezvoltarea automobilului n perioada urmtoare.A doua lucrare n plen, prezentat de Liviu POPESCU, Research Projects Manager la Renault Technologie Ro-umanie, a abordat o tem de prim importan n aceast perioad i anu-me soluiile electrice pentru propulsia automobilelor, evideniind preocup-rile Renault n acest domeniu.n continuare Gunter Hohl a avut o intervenie urmrit cu mult interes de auditoriu cu titlul Dezvoltarea

colaborrii ntre inginerii de automobi-le din Romnia i din alte ri europene.Lucrarea Diesel versus Otto: Sy-nergy or competition? susinut de Stefan Kanya de la AVL List GmbH a evideniat preocuprile i realiz-rile companiei austriece n aria in-tegrrii autovehiculului intr-o lume interactiv i ntr-o continu schim-bare, tendinele i provocrile pen-tru perioada urmtoare n domeniul ingineriei automobilelor echipate cu cele dou tipuri de motoare.Ing. Adrian STROE a susinut o prezentare a modului n care CA-DWORKS Craiova a reuit s se dezvolte ntr-un mediu concurenial puternic oferind soluii competitive n domeniul suportului software specific industriei de automobile.i prezentarea reprezentantului CA-ELynx Craiova dr. ing. tefan Cas-travete a sustinut rolul deteminant al soluiilor software integrate n reuita proiectelor din ingineria autovehicule-lor. Ambele prezentri au fost centrate

pe soluiile originale dezvoltate de specialitii romni din domeniu.Ing. Oana RCOMNICU UNGA a susinut o prezentare orientat pe evidenierea nevoii de corelare i coor-donare a proiectelor de dezvoltare n ingineria automobilelor, mprtind din experiena INAS Craiova n aceas-t direcie.Lucrrile pe seciuni au fost prezen-tate ntr-un cadru special, expresiv i elegant asigurat de Casa Universitar Romanescu prin slile Eminescu, Iorga, Romanescu, Sala Verde i Sala Roie.La lucrrile Congresului au participat cadre didactice universitare, cercet-tori i specialiti din domeniul ingine-riei autovehiculelor i transporturilor rutiere din Austria, Bulgaria, Frana, Germania, Irak, Israel, Macedonia, Republica Moldova, Pakistan, Serbia, SUA, Ungaria i din Romnia. Congresul a prilejuit att prezenta-rea rezultatelor activitilor de cer-cetare desfurate, ct i schimburi

de opinii pe diverse teme de interes. Pe durata congresului internaional SMAT 2014, s-a organizat o vizi-t tehnic la FORD Romnia, iar 14 firme cu activiti de profil i-au prezentat produsele n spaiul expoziional special destinat. n cadrul a dou work-shop-uri, participanii au dezbtut probleme specifice ingineriei autovehiculelor, aplicaii software i sisteme com-plexe de testare a autovehiculelor.Desfurarea n paralel cu lucrrile congresului internaional SMAT 2014 a fazei pe ar a primei ediii a Concursului naional studenesc de inginerie a autovehiculelor Prof. univ. ing. Constantin GHIULAI cu participarea studenilor re-prezentnd apte universiti, ctigtori ai fazelor locale, a con-tribuit din plin la construirea n rndul participanilor a unei ima-gini optimiste, pline de ncredere n viitorul ingineriei autovehiculelor n Romnia.


1. intRoDuCeReUtilizarea motoarelor cu aprindere prin scnteie (m.a.s.) n domeniul autoturismelor, n condiiile nca-drrii n normele de poluare din ce n ce mai stricte i mai greu de res-pectat pare a arta totui pentru ur-mtoarea perioad o revenire sem-nificativ. Acest lucru se datoreaz n mare parte rezervei de potenial de ameliorare n ceea ce privete densitatea de putere (kW/l), ran-damentul efectiv (%) i emisiile poluante specifice pe care acestea le au (g/kWh). Pentru motoare-le cu aprindere prin comprimare (m.a.c) se estimeaz c resursele lor de ameliorare par a fi limitate pe de o parte din cauza caracteristicilor dezvoltrii procesului de ardere i

pe de alta datorit costurilor im-portante necesare adaptrii echi-pamentului de injecie de presiune ridicat i a sistemelor complexe de tratare a gazelor arse.Noile tehnologii de alimentare i formare a amestecurilor stratifica-te prin injecie direct de benzin n cilindri, asociate cu supraali-mentarea dubl de joas i nalt presiune, cu reducerea volumului

Simularea performanelor unui MAS supraalimentat, cu injecie direct, obinut prin conversia motorului de serie K7M710. Studiu de cazSimulating the Performances of a DI Turbocharged Spark Ignition Engine Obtained by Converting the Commercial K7M710 Engine. A Case StudyAbstrActThe use of the spark ignition engines for passenger cars under the more and more restrictive and difficult in reaching emissions legislation standards seams to become attractive for the next period. The new technologies of fueling and air-fuel mixtures formation as stratified charges by gasoline in-cylinder direct injection, associated with methods of down-sizing and down-speeding offer new perspectives to increase spark

ignition engines efficiency. The present work represents the beginning of a research pro-ject dedicated to the study of fueling DI spark ignition engines with different alterna-tive fuels. Engines characteristics have been obtained using a simulation model based on commercial Renault K7M710 engine. Keywords: spark ignition engine, turbo-charging, direct injection, simulation, efficiency, emissions.

Ing.andrei DrU

Prof. dr. ing.radu CHiriaC

. l. dr. ing. alexandru raCOVitZ

Universitatea Politehnica Bucureti, Splaiul Independenei nr. 313, 060042, [email protected]

Fig.1. schema injeciei directe de benzin n cilindrul m.a.s

Fig.2. Caracteristica de degajare a cldurii n cazul regimului nominal


motorului (downsizing) precum i cu reducerea turaiei de cuplu ma-xim (downspeeding) aplicate mo-toarelor cu aprindere prin scnteie par s reprezinte soluia de perspec-tiv pe care numeroi constructori de motoare o promoveaz de ceva timp.Un numr mare de studii i cer-cetri desfurate nc din anii 1960 [1-3] stau la baza aplicrii

acestei soluii. Studii recente ale c-ror rezultate prezentate ca exemplu n [4,5] scot n eviden faptul c motoarele cu aprindere prin scn-teie supraalimentate cu injecie direct permit o mbuntire evi-dent a cuplului la turaii joase i a funcionrii motorului n regimuri tranzitorii. Combinaia ntre arde-rea amestecurilor stratificate pen-tru regimurile de sarcini i turaii

joase n care coeficientul de dozaj al aerului este mult mai mare dect 1 i arderea amestecurilor omogene pentru regimurile de sarcini i tura-ii ridicate cu valori ale coeficientu-lui de dozaj apropiat de cel stoichi-ometric impune un anumit mod de injecie a combustibilului n cilin-dru; injecia ghidat de aer, injecia ghidat de perete sau cea orientat direct n apropierea bujiei, asociate

cu o anumit form a orificiului in-jectorului [6-10].Rezultate spectaculoase n privina reducerii consumului specific efec-tiv de combustibil cu pn la 20% fa de soluia clasic de injecie indirect multipunct sunt prezen-tate n [11,12]. Rezultate nc i mai atractive par s fie oferite de o nou dezvoltare n domeniul m.a.s. i anume injecia direct de benzi-n cu aprindere prin comprimare GDCI [13], n care randamentele se apropie de cele m.a.c., iar emi-siile de NOx i de particulele sunt mult sub valorile limit ale norme-lor EURO V.Prezentul articol face parte dintr-un studiu mai larg pe care un co-lectiv din cadrul Departamentului Termotehnic, Motoare, Echipa-mente Termice i Frigorifice, de la Facultatea de Inginerie Mecanic i Mecatronic din Universitatea Politehnica Bucureti, referitor la funcionarea unui m.a.s. cu injecie direct alimentat cu diveri com-bustibili i-a propus s l realizeze n perioada urmtoare. Studiul pornete de la o analiz pe baz de simulri, ce este efectuat cu scopul transformrii motorului Renault K7M710, care echipeaz autoturis-mele Logan 1.6 n motor cu injecie direct.2. moDel De CAlCulStudiul de simulare a caracteris-ticilor motorului cu injecie di-rect, supraalimentat, pornete de la configuraia unui motor de serie pentru Dacia Logan, de tip K7M710, cu admisie normal i injecie multipunct indirect, cu urmtoarele date constructive i de performan: 4 cilindri n linie, ale-zaj 79.5 mm, curs 80.5 mm, raport de comprimare 9.5:1, cilindree total 1598 cmc, putere nominal de 64 kW la turaia de 5500 rpm, cuplu nominal de 128 Nm la turaia de 3000 rpm. n cazul motorului modificat, caracterizat prin injecia direct de benzin i aplicarea tur-bosupraalimentrii, modelarea propus ine cont de similitudinea cu un motor de serie existent n

Fig.3.1. legea de ridicare a supapei de admisie

Fig.3.2. legea de ridicare a supapei de evacuare


exploatare i anume motorul Ford Escort RS 1.6 l Turbo [14], avnd caracteristicile: putere nominal de 96 kW la turaia de 6000 rpm, cuplu maxim de 145 Nm la 4500 rpm, 4 cilindri n linie, alezaj 79.5 mm, curs 82.5 mm, raport de comprimare 9:1, cilindree total de 1597 cmc. Se precizeaz faptul c, n acest stadiu, studiul nu i propu-ne abordarea problematicii legate de apariia fenomenului de ardere cu detonaie (vezi fig.1 schema injeciei directe de combustibil [15] n cilindrul unui m.a.s). Modelarea proceselor din ansam-blul motor-grup turbocompresor se realizeaz cu ajutorul programu-lui AVL Boost v.2011.1. Ecuaiile utilizate de program privesc con-servarea energiei i a masei totale schimbate ntre exteriorul i interi-orul cilindrului, precum i ecuaiile globale ale curgerii unidimensiona-le prin conducte i ale transferului de cldur. n cadrul acestora s-a particularizat transferul de cldur din cilindru, fiind propus o relaie de tip Woschni (1990), iar pentru precizarea caracteristicii de degaja-re a cldurii s-a introdus o funcie de tip Vibe (vezi fig.2). Transferul de mas este de asemenea particu-larizat prin ecuaiile de curgere n regim subsonic i sonic la nivelul supapelor pentru schimbul de gaze i prin legea de injecie comandat injectorului de benzin pentru ali-mentarea cu combustibil. n figurile 3.1 i 3.2 sunt reprezenta-te legile de ridicare ale supapelor de admisie i de evacuare, pe baza in-troducerii fazelor de distribuie i a caracteristicilor geometrice ale pro-filurilor camelor. Schema-bloc de analiz a ntregului sistem de lucru, rezultat prin particularizarea ele-mentelor funcionale i de legtur ale ansamblului motor, este cea din fig.4. n figura nr.5 este reprezentat harta de variaie a debitului masic i a randamentului grupului turbo-compresor n funcie de presiunea de supraalimentare, la mai multe valori ale turaiei acestuia. Alege-rea parametrilor de funcionare s-a

fcut pentru trei regimuri de turaie (44269 rpm, 55390 rpm i 66664 rpm), fiind n final reinute setrile asociate turaiei mai sczute, valori-le de optim pentru debitul masic i randamentul grupului turbocom-presor corespunznd presiunii de supraalimentare de 1.6 bar. Aceas-t valoare de presiune este pus n eviden i de valorile parametrilor

funcionali ai motorului, respectiv valoarea de deschidere unghiula-r (procentual) a clapetei de aer (71.4%), respectiv turaia, pe inter-valul de variaie ntre 2400 rpm i 6800 rpm.3. ReZultAte oBinuteSimularea performanelor celor dou tipuri de motoare prin pache-tul de softuri AVL Boost permite

compararea direct a valorilor de putere efectiv, de moment motor efectiv, de presiune indicat i de consum specific efectiv de com-bustibil pe un interval de turaii cu-prinse ntre 750 rpm i 5500 rpm. n figurile 6 i 7 sunt reprezentate variaiile cu turaia ale puterii efec-tive i momentului motor efectiv. n ceea ce privete compararea

Fig.5. Alegerea parametrilor optimi pentru grupul turbocompresor

10

Ingineria automobilului Vol. 8, nr. 4 (33) / decembrie 2014

valorilor din cele dou diagrame, se constat o cretere progresiv n cazul motorului supraalimentat, pe tot domeniul de reprezentare, de la aproximativ 30% la 1000 rpm, la 48% pentru 3000 rpm i respectiv 54% pentru turaia de 5500 rpm. La turaia de 5500 rpm, pentru mo-torul supraalimentat, cu injecie di-rect s-a obinut puterea efectiv de 97 kW, fa de 63 kW, ct reprezint maximul acestei mrimi n cazul motorului original, cu admisie nor-mal i cu injecie indirect. n di-agrama de comparare a cuplurilor efective, n cazul motorului modifi-cat se evideniaz o valoare maxim de 181 Nm la 3100 rpm, n timp ce la motorul original K7M710 se nregistreaz o valoare maxim de 128 Nm pentru turaia de 3000 rpm. n figura 8 sunt reprezentate suprapus diagramele de presiune din cilindru ale celor dou motoa-re, pentru turaia de 5500 rpm la sarcina total [16]. n cazul moto-rului modificat, presiunea maxim are valoarea de 81 bar, presiunea medie indicat fiind de 15.4 bar, iar n cazul motorului iniial, presiunea maxim este de 67 bar, presiunea medie indicat fiind de 10.6 bar.n ceea ce privete indicatorii de economicitate ai celor dou mo-toare, aa cum se observ din figura 9, consumurile specifice efective au o cretere continu cu turaia pe gama de turaii ntre turaia de cuplu maxim i turaia de putere maxim, dar n cazul motorului modificat, panta de cretere este mai redus. Se constat n acelai timp c economicitatea motorului supraalimentat este mai bun de-ct a celui iniial la turaii ridicate, ajungnd s fie cu 15% mai mare la turaia de putere maxim, de 5500 rpm. n schimb, valorile sunt inver-sate n cazul turaiilor sczute, eco-nomicitatea motorului modificat fi-ind cu 7% mai sczut dect a celui iniial la turaia de 2750 rpm, cea apropiat de turaia de cuplu ma-xim. O posibil explicaie pentru aceasta scdere de economicitate ar Fig.7. Variaia momentelor efective cu turaia

Fig.6. Variaiile puterilor efective cu turaia

tabelul 1 Presiunea de supraalimentare n funcie de sarcina i de turaia motorului

11


fi aceea c n cazul motorului cu in-jecie direct pentru regimurile de sarcini i turaii sczute nu s-a adap-tat n mod corespunztor n simu-lri valoarea coeficientului de dozaj al aerului pentru funcionarea cu amestecuri srace si stratificate.4. ConCluZiiStudiul efectuat prin simulri a permis punerea n eviden a ten-dinelor favorabile de cretere a performanelor i a economicitii care sunt asociate cu transformarea motoarelor cu aprindere prin scn-teie din motoare cu injecie indirec-t n poarta supapei n motoare cu injecie direct n cilindru.Rezultatele obinute au evideniat o posibil marj de 50% pentru cre-terea puterii maxime de 40% pen-tru cuplul maxim i de 15% pentru scderea consumului specific efec-tiv, n cazul concret al transform-rii motorului Renault K7M710 n motor cu injecie direct supraali-mentat, fr ns a ine cont de alte eventuale optimizri.Aceste rezultate trebuie ns corela-te i amendate cu limitrile impuse de evoluia emisiilor poluante spe-cifice pe care autorii le au deocam-dat n analiz.

mulumiriAutorii doresc s mulumeasc AVL- Advanced Simulation Technologies pentru sprijinul constant furnizat n derularea cercetrilor.

bibliogrAfie[1] Conta, P., and Durbetaki, P., A Method Of Charge Stratification For Fo-ur-Stroke-Cycle Spark-Ignition Engines, SAE Technical Paper 580127, 1958, doi:10.4271/580127.[2] Hussmann, A., Kahoun, F., and Taylor, R., Charge Stratification by Fuel Injection into Swirling Air, SAE Technical Paper 630477, 1963, doi: 10.4271/630477.[3] Miyake, M., Okada, S., Kawahara, Y., Assai, K., A new stratified Charge Combus-tion System (MCP) for Reducing Exhaust Emissions Combustion Science and Te-chnology 1976, Vol. 12, pp. 29-46.[4] Kleeberg, H., Tomazic, D., Lang, O., and Habermann, K., Future Po-tential and Development Methods for High Output Turbocharged Di-rect Injected Gasoline Engines, SAE

Technical Paper 2006-01-0046, 2006, doi:10.4271/2006-01-0046.[5] Bandel, W., Fraidl, G., Kapus, P., Sikinger, H. et al., The Turbocharged GDI Engine: Boosted Synergies for High Fuel Economy Plus Ultra-low Emission, SAE Technical Paper 2006-01-1266, 2006, doi: 10.4271/2006-01-1266.[6] Kume, T., Iwamoto, Y., Iida, K., Murakami, M. et al., Combustion Con-trol Technologies for Direct Injection SI Engine, SAE Technical Paper 960600, 1996, doi: 10.4271/960600.[7] Fraidl, G., Piock, W., and Wirth, M., Gasoline Direct Injection: Actual Trends and Future Strategies for Injection and Combustion Systems, SAE Technical Pa-per 960465, 1996, doi: 10.4271/960465.[8] Stan, C., Guenther, S., Mar-torano, L., and Tarantino, C., As-pects of Mixture Formation and

Combustion in GDI Engines, SAE Tech-nical Paper 2000-01-0648, 2000, doi: 10.4271/2000-01-0648. [9] Sarikoc, F., Kettner, M., Velji, A., Spicher, U. et al., Potential of Reducing the NOX Emissions in a Spray Guided DI Gasoline Engine by Stratified Ex-haust Gas Recirculation (EGR), SAE Technical Paper 2006-01-1261, 2006, doi:10.4271/2006-01-1261.[10] Matsumura, E., Sugimoto, T., Kan-da, M., and Senda, J., Analysis of Fuel Flow and Spray Atomization in Slit Nozz-le for Direct Injection SI Gasoline Engines, SAE Technical Paper 2006-01-1000, 2006, doi:10.4271/2006-01-1000.[11] Takeda, K., Sugimoto, T., Tsu-chiya, T., Ogawa, M. et al., Slit Nozzle Injector for A New Concept of Direct Injection SI Gasoline Engine, SAE Tech-nical Paper 2000-01-1902, 2000, doi:

10.4271/2000-01-1902.[12] Schwarz, C., Schnemann, E., Durst, B., Fischer, J. et al., Potentials of the Spray-Guided BMW DI Combustion System, SAE Technical Paper 2006-01-1265, 2006, doi: 10.4271/2006-01-1265.[13] Sellnau, M., Sinnamon, J., Hoyer, K., and Husted, H., Full-Time Ga-soline Direct-Injection Compression Ignition (GDCI) for High Efficiency and Low NOx and PM, SAE Int. J. Engines 5(2):300-314, 2012, doi: 10.4271/2012-01-0384.[14] http://www.auto-data.net/ro/?f=showCar&car_id=7515[15] http:// autotehnic.files.wordpress.com/2013/08/injection_directe.jpg[16] Dru, A., Studiul performanelor motorului K7M710, cu injecie direct de combustibil, turbo-supraalimentat, UPB, 2014

Fig.8. Diagramele de presiune ale motoarelor la turaia de 5500 rpm

Fig.9. Variaiile consumurilor specifice efective cu turaia

12


1. motiVAiA AnAliZeiPoluarea aerului a devenit o pro-blem social major ncepnd cu anii 60 atunci cnd s-a produs o cretere semnificativ a populaiei urbane. Concomitent, dezvoltarea transportului rutier a fcut i mai dificil meninerea calitii aerului, mai ales n zonele urbane. Diminu-area impactului asupra mediului n-conjurtor a presupus apariia unor norme care s legifereze concentra-iile maxime admise pentru prin-cipale noxe din gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere intern. n tabelul 1 este prezentat evolu-ia normelor europene cu privire la limitele maximale impuse concen-traiilor emisiilor poluante.n acest context experiena a artat

c filtrul de particule, FAP (FP-Filtre Particule) i convertoarele catalitice de oxidare, DOC (Diesel Oxidation Catalyst) i convertoarele catalitice cu trei ci, TWC (Three Way Catalyst) sunt elemente indis-pensabile n structura lanului unui sistem de depoluare specific mo-toarelor destinate traciunii uoare, dar insuficiente pentru ncadrarea n limitele normei EURO 6.Ca urmare, actualmente se ntreprind cercetri de anvergur att n ceea ce privete mecanismul de formare a noxelor chimice i depoluare la gene-z, ct i n ceea ce privete dezvolta-rea unor noi sisteme de post-tratare capabile s reduc valoarea concen-traiilor de oxizi de azot (NOx), de particule mecanice (PM) i de hidro-carburi nearse (HC).

Experiena a artat c oxizii de azot reprezint noxele cel mai greu de tratat la genez. n cilindru i n camera de ardere acetia se for-meaz n condiii de temperatur i presiune ridicat i n prezena oxigenului. n plus, mecanismul de formare a NOx este n interde-penden cu cel de formare a PM, astfel c, cercetrile de optimizare devin absolut indispensabile. n plus, respectarea limitelor de depo-luare cerute de legislaie impun cu stringen cercetri de optimizare a sistemelor de post-tratare a gaze-lor de evacuare. ntruct motoarele diesel funcioneaz cu amestecuri srace, reducerea NOx, PM i HC folosind sistemele de post-tratare a gazelor de evacuare devine o sarci-n extrem de complex.

2. PARtiCulARiti Ale CoRelAiei DintRe CAlitAteA AmesteCului i meCAnismului De FoRmAReA nox i PmLa temperaturi nalte (mai mari de 2000 K), oxigenul i azotul din aer se combin formnd monoxidul de azot, NO, un oxid extrem de stabil care nu se descompune n N2 i O2 dac temperatura scade. n prezen-a oxigenului se poate transforma progresiv n NO2. Astfel, sub denu-mirea generic de oxizi de azot se nelege un amestec de NO i NO2 n proporii variabile cu calitatea amestecului, respectiv cu regimul de lucru al motorului.Experiena a artat c parametrii eseniali care condiioneaz for-marea acestora sunt temperatura,

Analiza mecanismului de depoluare a motoarelor diesel folosind sistemele de tip NOxTRAP i HC-NOxTRAPAnalysis of the Depollution Mechanism on Diesel Engines Using the Systems NOxTRAP and HC-NOxTRAP

AbstrActThe paper includes a detailed analysis of the functioning of modern depollution sys-tems on automotive engines, meant to realize the chemical retaining of the polluting emission like nitrogen oxides, called NOxTRAP or the simultaneous retaining of ni-trogen oxides and unburned hydrocarbons, called HC-NOxTRAP. In the first phase it is presented the motivation of the analysis starting from the evolution of European pol-lution standards and then are analyzed the correlations between the quality mixture and the formation mechanism of nitrogen oxides (NOx) and mechanical particles (PM) based on the Pischinger diagram. In the second part of the paper are analyzed the depollution mechanism phases of diesel engines using these systems: adsorption

phase and reduction phase, with the detailed presentation of the specific chemical reactions.It is also evidenced the way of managing the engine operation through the NOx sen-sor present in all the applications containing restraint systems of nitrogen oxides. It is concluded that the potential and the retention qualities of NOx, under the conditions of decreasing the concentration of PM and HC require the collaboration of these sys-tems with the engine, meaning important calibration research to ensure an optimum temperature regime and a quality mixture rigorously controlled.Keywords: nitrogen oxides, particulates, unburned hydrocarbons, NOxTRAP, HC-NOxTRAP

Dr. ing.andrei BUOi

Drd. ing.alina tU

Prof. univ. dr. ing. Florian iVaN

Universitatea din Piteti, Str. Trgu din Vale, nr. 1110040 Piteti, [email protected]

tabel 1 evoluia normelor euRoID injecie direct IDI injecie indirect

13


concentraia de oxigen i timpul n care au loc reaciile de formare de-scrise de mecanismul formrii oxi-zilor de azot studiat de Zeldovitch:O + N2 NO + N (1)N + O2 NO + O (2)N + OH NO + H (3)n figura 1, cunoscut ca diagrama lui Pischinger, se red influena temperaturii i a coeficientului ex-cesului de aer, , asupra formrii PM i NOx. Se pot distinge 3 zone : - zona 1, caracterizat de un coe-ficient al excesului de aer, , apro-piat de 0.5 i temperatura gazelor arse cuprins ntre 1500 i 2500K. Aceasta ndeplinete condiiile ne-cesare formrii particulelor.- zona 2, reprezint zona formrii oxizilor de azot i este caracterizat de un amestec srac i temperaturi ridicate de ardere; - zona 3, reprezint zona de oxidare a particulelor, PM, datorit tempe-raturilor ridicate i a prezenei oxi-genului n exces.La sfritul comprimrii aerului, n cilindru are loc injecia de combus-tibil. Acesta are foarte puin timp la dispoziie pentru a se vaporiza i a se amesteca cu aerul, aproximativ 10RAC, timp care reprezint peri-oada de ntrziere la autoaprindere. De aceea, amestecul este foarte ete-rogen i nu se poate reprezenta, n funcie de temperatur i , printr-un singur punct. Starea amestecu-lui este redat printr-un numr de puncte repartizate de-a lungul unei curbe, prezentat n partea de jos a diagramei Pischinger, curba galbe-n. Temperatura gazelor la sfritul comprimrii este de aproximativ 800K, cu excepia zonei amestecu-lui bogat, partea stng, care are o valoare inferioar datorit cldurii latente de vaporizare. O dat cu de-clanarea procesului de ardere va-loarea temperaturii crete, iar curba galben se deplaseaz spre zona superioar a diagramei (curba roie superioar). Punctele caracterizate de amestec bogat, din jurul jetului de combustibil, vor intra n zona 1, zona formrii funinginii, (1500K). Adus la temperaturi foarte mari,

funinginea devine incandescent i d culoarea galben a flcrii. Datorit optimizrii micrii ames-tecului n camera de ardere, punc-tele caracterizate de amestec bogat sunt deplasate ctre dreapta, zona 3 de oxidare, reuind astfel elimina-rea a 98% din particulele formate. Flacra galben dispare, devenind din nou transparent. Punctele caracterizate de amestec stoichio-metric aferente amestecului srcit vor intra n zona 2 (2300K), zona formrii oxizilor de azot. Exist to-tui cteva puncte care nu formeaz nici funingine i nici NOx. Acestea sunt caracterizate de un amestec puin bogat sau foarte srac. Moto-rul Diesel va forma n acelai timp att oxizi de azot ct i particule. Problema major se datoreaz fap-tului c acesta va avea ntotdeauna oxigen n gazele de evacuare, iar un catalizator nu poate s reduc NOx ntr-un mediu oxigenat. De ace-ea, interpunerea unui element de stocare a oxizilor de azot, denumit NOxTRAP, n lanul sistemului de tratare a gazelor de evacuare a de-venit o necesitate pentru a asigura ncadrarea n limitele severe impu-se de normele de depoluare recente (v.fig.4).3. AnAliZA meCAnismul De DePoluARe A motoAReloR Diesel FolosinD noxtRAP i HC-noxtRAPn principiu, sistemul NOxTRAP este constituit dintr-un reactor catalitic, care are rolul de a stoca emisiile de oxizi de azot. Acesta ndeplinete funciile unui DOC asigurnd atingerea temperaturii de regenerare n contextul conlucrrii cu filtrul de particule, i, n plus, n-deplinete i funcia de stocare/re-ducere a NO

X. Construcia acestuia este similar reactoarelor catalitice clasice, diferena major fiind aceea c materialul activ conine bariu sau zirconiu, pe lng metalele no-bile (platin, rodiu).Funcionarea NOX-TRAP presupu-ne dou faze, i anume: faza de absorbie, are loc n

perioada de funcionare normal a motorului; n aceast faz, n urma reaciei cu platina NO este trans-format n NO2, demonstrat fiind faptul c gradul de stocare al NO la 300oC pe suportul Pt/Ba/Al2O3, fr aport de oxigen, este foarte sczut, crescnd proporional cu concentraia de O 2. De asemenea viteza de absorbie este de 5 ori mai mare n cazul NO2, raportat la NO si O2. [13,15]. Un rol deosebit n faza de stocare l au n egal msur temperatura i cantitatea de metale preioase. Ast-fel, pentru temperaturi mai mici de 300oC oxidarea NO este limitat. n ceea ce privete metalele prei-oase, experiena a artat o cretere a cantitii stocate de NOx, propor-ional cu concentraia de Pt [7,9], pn la un prag de 2g/l de Pt. De-osebit de important este i disper-sia elementelor active pe suprafaa convertorului catalitic: o dispersie important favorizeaz formarea oxidului de platin, inactiv pentru

oxidarea NO [14], n timp ce o dis-persie redus poate limita reaciile de oxidare [13].Moleculele de NO2 rezultate in-teracioneaz cu oxidul de bariu, rezultnd un compus, nitratul de bariu, Ba(NO3)2, reinut pe supra-faa monolitului acoperit cu mate-rialul activ, dup reaciile chimice de mai jos:2 NO+ O2 = 2 NO2 (4)BaO + 2NO2 + 1/2O2 = = Ba(NO3)2 (5)Cercetrile experimentale au de-monstrat producerea unei molecu-le de NO la fiecare 3 molecule de NO2 consumate [6]. Deoarece sto-carea NOX se realizeaz progresiv, de-a lungul ntregului convertor, este foarte probabil ca molecula de NO rezultat s fie oxidat pn la ieirea n atmosfer. faza de reducere este caracteri-zat de o funcionare a motoru-lui apropiat de =1. S-a consta-tat c funcionarea motorului n cele 2 faze trebuie s aib loc cu

Fig. 1. Diagrama Pischinger

Fig. 2. Fazele funcionarii sistemului nox-tRAP

Fig. 3. senzorul nox principiu de funcionare

14


o frecven bine stabilit; astfel faza de regenerare trebuie s fie de aproximativ 30 de ori mai scurt dect cea de stocare, aceasta din urm fr a depi 120 secunde. Reducerea NO 2 stocai cu ajutorul Ba este foarte greu de realizat la temperaturi joase. Pentru tempe-raturi cuprinse intre 100-250o C cel mai bun reductor este hidro-genul, H2, iar pentru temperaturi superioare valorii de 250oC este oxidul de carbon, CO, [12], [11], [13]. S-a constatat c CO este cel mai bun agent reductor local. Acesta reacioneaz progresiv pe toat lungimea monolitului cu elemen-tele de Pt i cele adsorbante de O2. Astfel oxizii de azot, NOX, au po-sibilitatea de a difuza rapid n zo-nele cu reacii de reducere parial,

rezultnd cantiti substaniale de N2H. n ceea ce privete H2, acesta difuzeaz mult mai rapid i reaci-oneaz preferenial cu Pt. Are un efect de reducere al nitrailor mai lent, dar n urma reaciei vor rezul-ta doar molecule de N2 , [10]:Ba(NO3)2 + CO/HC/H2 CO2 + H2O + N2 (6)Cele doua faze de funcionare sunt prezentate schematic n figura 2.Gestionarea modului de funci-onare al motorului se realizeaz cu ajutorul senzorului de NOx, prezent la toate aplicaiile ce con-in sisteme de reinere a oxizilor de azot. Schema de principiu este prezentat n figura 3. Gazele de evacuare sunt testate tot timpul, iar concentraia de oxizi de azot arat capacitatea de acumulare a NOx-TRAP-ului. n celula de

pompare, concentraia de O2 este stabilit ca referin pentru rapor-tul stoichiometric, 14,7 kg aer / 1kg combustibil. Procentul de oxi-gen determin curentul de pompa-re a crei valoare este proporiona-l cu coeficientul excesului de aer. Fluxul de gaze arse strbate bariera de difuziune i ajunge n celula de msurare, unde, cu ajutorul elec-trozilor de reducere, oxizii de azot sunt separai n O2 i N2. n urma acestor reacii ia natere un curent de pompare pentru oxigen care determin concentraia de NOx.n figura 4 sunt prezentate elemen-tele componente ale unui sistem de depoluare de tip NOX-TRAP i modul n care este dispus n arhi-tectura sistemului de evacuare. Se poate observa c pentru o eficaci-tate maxim este absolut necesar conlucrarea optim a tuturor ele-mentelor, calculatorul de injecie, motor, actuatori i senzori, siste-me de depoluare.O problem major asupra func-ionrii sistemului NOx-TRAP o constituie coninutul de sulf din combustibil. Oxizii de sulf sunt re-inui asemenea oxizilor de azot n faza de absorbie, iar pentru faza de reducere necesit un mod de func-ionare al motorului cu

15


1. intRoDuCeReAliajele cu memoria formei sunt materialele care prezint proprieti unice, care nu exist n majoritatea materialelor utilizate n aplicaii inginereti. Firele de NiTi sunt cele mai cunoscute aliaje cu memoria formei, datorit diferitelor utiliz-rii lor n diferite aplicaii, bazate pe efectul de memorie a formei (EMF) i pseudoelasticitate (PE) [6], [8-9]. Aceaste proprieti sunt raportate la transformarea martensit-austenit (care este i reversibil). Avantajele utilizrii lor sunt: ductibilitate bun, rezisten la coroziune, biocompa-tibilitate i regenerarea formei [6] [9]. Atunci cnd sunt utilizate ca si

actuatoare, este important s se cu-noasc variaia deplasrii n funcie de timp, la o solicitare mecanic constant i variaia energiei electri-ce n funcie de timp. Cu scopul de a reduce pierderile datorate testelor, se va realiza un model matematic prin care se poate descrie, ntr-un mod mai uor, comportamentul firelor de NiTi, atunci cnd efectul de memorie a formei este activat electric. Pentru validarea modelului a fost necesar efectuarea unor teste - fizice. Unul din principiile de baza care au stat la modelarea efectului de memorie a formei l reprezint transformarea energiei electrice n cldur, cunoscut sub numele de principiul Joule.Pe durata procesului de transforma-re a structurii martensitice n struc-tur austenitic firul de NiTi va lua alt form. Este cunoscut acest lu-cru, de la alte modele [1-3, 7, 11-18], faptul c firul de NiTi de tip actuator poate s-i schimbe forma atunci cnd are o anumit temperatur, temperatur care poate fi atins fie de la o surs exterioar, fie utiliznd energie electric. n industria actua-toarelor deformarea este raportat la tenisunea mecanic i timp. Dac tensiunea mecanic este mare atunci temperature de schimbare a struc-turii va crete. Dependena dintre cele dou este una liniar (Figura 1). Acest comportament este cunoscut

sub denumirea, dependenei tem-peraturii de tensiunea mecanic, de care se va ine cont i n aceast modelare. Aceste dou principia (Principiul lui Joule i dependena temperaturii de tensiunea mecanic ) reprezint baza unor modele matematice pen-tru firele din NiTi. Aceste modele sunt mprite n trei grupuri: micro-scopic, mesoscopic i macroscopic. Fiecare consider efectul de memorie a formei un effect termo-mecanic [1-3, 7-18].Modelele microscopice [7] anali-zeaz atomii i energia intern ne-cesar dislocrii lor. n opoziie cu acestea, modele macroscopice [1]

analizeaz forma exterioar pe care o preia firul, deasemeni folosind prin-cipiile termodinamice. In domeniul actuatoarelor, unde un aspect im-portant este i spaiul de asamblare, se poate cu uurin alege modelul microscopic ca fiind cel mai bun compromis spaiu-efect de memo-rie a formei [17].Aplicaiile tehnice, in cont de aspec-tul termodinamic al firelor din NiTi i de asemeni de spaiul de asambla-re. Aceste modele sunt mesoscopi-ce. Ultimile modele dezvoltate n direcia aceasta sunt Lexcellent and Lagoudas model [8-9].n teoria termodinamicii putem n-tlni i relaii care nu sunt reversibile,

Model numeric pentru firele de NiTi, realizat ca instrument pentru aplicaii din domeniul actuatorilorNumerical Model for NiTi Wires Designed as a Tool for Actuator Applications

AbstrActShape Memory Alloys (SMA)have unique properties which do not exist in many ma-terials traditionally used in engineering applications. Most important of these extraor-dinary characteristics are the pseudo-elasticity and the shape memory effect. This paper offers a new mathematical model for the shape memory effect when electrically activated. Many engineering applications start with the question concerning the required electrical energy, the prevent displacement and the needed space for the assembly. The behaviour of the NiTi-SMA actuator wirecan be mathematical described. Numerical simulations to

show qualitatively the ability of the model to capture the behavior of the shape memory alloys are also presented.The background of this paper is the development of a mathe-matical model which is able to give information about electrical tension, current intensity and deformation, when concrete values for diameter, length and/or mechanical tension of the SMA actuator wires are given. These information are very useful as an engineering tool in order to design actuator.Keywords: shape memory alloy, NiTi wires, mathematical model, numerical model, SMA model

Dr. ing.Viorel Gheorghi1,3

Dr. ing.Joachim Strittmatter1,2

Prof. dr. ing. anghel Chiru3

1 University of Applied Sciences Konstanz, Brauneggerstrasse 55, 78467 Konstanz, Germania,2WITg Institut fr Werkstoffsystemtechnik Thurgau an der Hochschule Konstanz, Konstanzer Strasse 19, 8274 Tgerwilen, Elveia,3Universitatea Transilvania Braov, Str.Politehnicii nr. 1, 500024 Braov, [email protected]

Fig. 1. Variaia temperaturii de transformare n funcie de solicitarea mecanic [8]

16


relaii de care unele modele [3, 7, 10-18] in cont. Modelul de fa are la baz utilizeaz relaiile de echilibru ale termodinamicii, care descriu ci-nematica transformrii martensitice. Ecuaiile constituitive sunt dezvol-tate n ecuaii nonlineare, avnd la baz energia liber i legile termodi-namice. Boyd i Lagoudas [8] au ex-tins teoria termodinamic aplicat n modelul dezvoltat de Ortin i Planes [12-13] i Raniecki i Lexcellant [9] cu scopul de a fi aplicabil pen-tru condiiile generale de solicita-re ca: ncrcare neproporional corelat cu micarea neuniform a

atomilor [15]. Modelele sunt mai greu accesibile unei scri largi de utiliyare. Un punct important n dezvoltarea acestor modele l re-prezint definirea unor parametric, direci proporionali cu temperatu-ra. Pentru o acuratee ct mai bun a modelului, acest pas este foarte important. Pentru definierea aces-tor parametrii ca: temperaturile de schimbare de faz, modulul elastic, coeficientul de transfer termic, etc. sunt determinate cu echipamentul DSC [19].Aceste informaii sunt foarte im-portante, ca i dispozitiv de calcul,

cu scopul dezvoltrii actuatoarelor. Scopul dezvoltrii acestui model este concentrate pentru fire din NiTi utilizate in domeniul sistemelor de siguran din autovehicule [5].Dar acest dispozitiv de calcul poa-te fi cu success utilizat pentru alte aplicaii ale aliajelor cu memoria for-mei n alte domenii, ca de exemplu un manon din aliaj cu memorie a formei, activat termic, i care repre-zint elemntul active pentru depla-sarea intramedulara a oaselor [20].Aliajele cu memoria formei sunt caracterizate de o transformare so-lid ntre austenit-martensit, ca

rspuns a unei ncrcri mecanice, termice sau electrice.2. DesCRieReA moDeluluiModelul curent pornete de la teoria lui Ortin i Planes. Scopul este s se deter-mine deformarea unui aliaj cu memoria formei, atunci cnd acesta este solicitat mecanic (constant), iar efectul de me-morie a formei este activat electric.Baza acestui model o constituie primul i al doilea principiu al ter-modinamicii, dar i inegalitatea lui Clausius Duhem [4].Modelul a fost mprit n patru mici modelri: Pentru sistemul mecanic;Pentru sistemul termic;Pentru Histerezis;Bilanul de energie.Poate fi scris faptul c energia elec-tric ar trebuie s fie egal cu cantita-tea de cldur necesar transform-rii structurii prezentat prin relaia 1.

(1)Pentru a modela comportamentul unui fir din AMF este necesar s se modeleze variaia rezistenei electri-ce a temperaturii i a procentului de martensit:

(2) (3) (4)

Unde:R rezistena electric;T valoarea temperaturii (poate fi As, Af, Ms or Mf); solicitare mecanic; procentul de martensit.Dup rezolvarea bilanului de ener-gie, poate fi dezvoltat un model nu-meric in Matlab-Simulink, care este este alctuit de modele mai mici (ala cum a fost prezentat, model mecha-nic, bilan de energie, histerezis, etc.)Principalele ecuaie pentru schim-barea de structur i care depinde de temperatur sunt prezentate mai jos: Pentru Martensit Austenit pro-cesul de nclzire poate fi modelat conform cu relaia 5.

Fig. 2. modelul matematic pentru AmF.

Fig. 3. Variaia procentului de martensit n funcie de temperatur la u=12V i a) i=3A, b) i=3.5A, c) i=4A, d) i=7A

A) B)

C) D)

17


(5)Pentru Austenit Martensit, pro-ceusl de rcire, poate fi modelat con-form cu relaia 6.

(6)Unde:As i Af sunt temperaturile de start/sfrit pentru austenit;Ms i Mf sunt temperaturile de start/sfrit a structurii martensitice;Tc temperatura camerei; procentul de martensit.Programul Matlab esste conceput ca o bucl nchis i este conceput pe baza relaiilor 1 6. Schema bloc este prezentat n figura 2. Prima aplicaie este de a determina energia electric pentru a obine cel puin 4% deformare a firului de NiTi.Cel mai important graphic pentru aceast simulare il reprezint variaia procentului de martensit n funcie de temperatur. Pentru a determina energia electric necesar unei defor-mri de cel puin 4% ntr-o secun-d, este utilizat un fir cu diametrul 0.5mm, lungimea 250mm i o tensi-une mecanic de 400N/mm2.Dac structura este complet mar-tensit, se consider c procentul de martensit este 1, figura 3a, se poate observa c o intensitate a curentului de 3A nu schimb structura probei. Firul este nclzit pn la 135C, dar nu i schimb structura com-plet n austenit. Dac intensitatea

curentului crete la 4A, se va obine structura austenit complet. Peste o valoare a intensitii curentului mai mare de 4A, proba va fi supran-clzit i deteriorat.3. ReZultAteRezultatele obinute n urma mode-lrii sunt comparate cu rezultatele obinute n urma msurrii. Pentru aceast comparare, au fost realizate teste pentru fire cu diameter cuprin-se ntre 0.1-0.5mm, la lungime con-stant. n tabelul 1 sunt prezentate re-zultatele comparrii pentru o tensiu-ne mecanic constant de =250N/mm2. Se poate observa faptul c modelul se apropie foarte mult de rezultatele obinute pe cale eperi-mental. Diferena cea mai mare este pentru proba de d=0.3mm, unde valoarea deformrii obinut prin model este de 9.2% fa de va-loarea msurat. Msurtorile au fost realizate n diferite perioade ale zilei, iar temperature camerei nu a fost nregistrat. Acest lucru poate fi motivul, diferenelor dintre cele dou valori, innd cont de faptul c modelul consider temperature ca-merei de 20C constant. n acest caz pentru pentru domeniul actuatoare-lor, modelul de fa poate fi folosit cu success [5].4. ConCluZiiRezultatele demonstreaz faptul c efectul de memorie a formei din fi-rele de NiTi poate fi activat utiliznd energia electric. Aceast activare poate fi descris printr-un model (relaii matematice), care n raport cu valorile msurate prezint o diferen mic.

n industria constructoare de auto-vehicule, energia electric este limi-tat, din acest motiv actuatoarele au nevoie de o anumit energie. nainte de a realiza fizic actuatorul, utiliznd modelul prezentat se pot determina parametrii importani ca: diametrul, lungimea i numrul de fire.

ACKnoWleDgementMulumiri adresate la HTWG Konstanz pentru suportul fi-nanciar oferit, cu scopul de a realiza aceast cercetare n ca-drul proiectului numit Small Research Project.

bibliogrAfie[1] F. Auricchio, Shape memory al-loys: applications, micromechanics, macromodeling and numerical simula-tions, Ph.D. Dissertation, University of California at Berkeley, Berkeley, CA, USA, 1995[2] J.C. Boyd, D.C. Lagoudas, A ther-momechanical constitutive model for shape memory materials. Part I. The monolithic shape memory alloy, Int. J. Plasticity 12, 805, 1996[3] L.C. Brinson, M.S. Huang, Simplifications and comparisons of shape memory alloy constitutive models, J. Intell. Matl.Syst. &Struct., 7 108, 1996[4] M. Fremond, The clausius-Duhem inequality - an Interesting and Productive Inequality, Advance in Mechanics and Mathematics, 12, 107-118, 2006[5] V. Gheorghita, P. Gmpel,J.Strittmatter, A.Chiru,T. Heitzand M. Senn, Using Shape Memory Alloys in au-tomotive safety systems, Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congres, Lecture Notes in Electrical Engineering Volume 195, 909-917, 2013[6] P. Gmpel, Formgedchtnis-legierungen Einsatzmglichkeiten in Maschinenbau, Medizintechnik und Aktuatorik, Expert-Verlag, Renningen, 156 p., 2004[7] A. Kelly, K. Bhattacharya, R.M. Murray, A constitutive Relation of Shape Memory Alloys, California Institut of Technology, 180 p., 2009[8] D.C. Lagoudas, Shape Memory AlloysModeling and Engineering Applications, New York, Springer, 350p, 2008[9] C. Lexcellent, Shape memory Alloys Handbook, Wiley, London, 390 p., 2013[10] C. Liang, C.A. Rogers, One-dimensional thermomechanical constitutive relations for shape memory materials, J. Intell. Mater.SystemsStruct. 1, 207, 1990[11] H. Maier and A. Czechowicz,

Computer-Aided Development and Simulation for Shape Memory Actuators, Metallurgical and Materials Transaction, VOL 43A, 2882-2890, 2012[12] J. Ortin, A. Planas, Thermodynamic analysis of thermal measurements in ther-moelastic martensitic transformations, Acta Metall. Mater.36, 1873, 1988[13] J. Ortin, A. Planas, Thermodynamics of thermoelastic mar-tensitic transformations, Acta Metall. Mater. 37, 143, 1989[14] K. Otsuka, and C.M. Wayman, Shape Memory Materials, Press Syndicate of the University of Cambridge, Cambridge, 2002[15] V.P. Panoskaltsis, S. Bahuguna, D. Soldatos, On the thermomechani-calmodeling of shape memory alloys, International Journal of Non-Linear Mechanics 39, 709-722, 2004[16] B. Raniecki, C. Lexcellent, RL-models of pseudoelasticity and their speci-fication for some shape memory solids, Eur. J. Mech. A 13, 21, 1994[17] F. Schiedeck, Entwicklung eines Modells fr Formgedchtnisaktoren im geregelten dynamischen Betrieb. PhD, Leibniz, 150 p., 2009[18] K. Tanaka and R. Iwasaki, A phe-nomenological theory oftransformation superelasticity, Eng. Fract.Mech. 21, 709, 1985[19] G. Laino, R. De Santis, A. Gloria, T. Russo, D. S. Quintanilla, A. Laino, R. Martina, L. Nicolais and L. Ambrosio, Calorimetric and Thermomechanical Properties of Titanium-Based Orthodontic Wires: DSCDMA Relationship to Predict the Elastic Modulus, Journal of Bimaterials Applications, 26, 829-844, 2012[20] T. M. Boes, P. Guempel, R. Storz Irionand J. Strittmatter, Implantatvorrichtung zur Gewebe-und/oder Knochendistrak- tion sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen, Patent no. EP2173267B1, February 2009

tabelul 1 Comparaie ntre msurtori i model

18


1. intRoDuCeReInfluena motoarelor cu combustie intern asupra mediului este o pro-blem bine cunoscut n societatea de astzi i este principalul factor ce motiveaz dezvoltarea unor motoare mai eficiente i mai puin poluante. Pentru ca aceste motoare s respecte legislaia viitoare cu pri-vire la emisiile toxice este necesar utilizarea unor concepte mai avan-sate de control motor i al arderii.Aceste concepte beneficiaz n mod semnificativ de controlul mbuntit al arderii prin folosi-rea dozajului n bucl nchis i a

sistemelor de adaptative a timpilor de injecie, spre deosebire de siste-mele tradiionale de pre-calibrare pentru controlul arderii n bucl deschis. Cu toate acestea, orice sistem de control n bucl nchis se bazeaz pe informaii corecte ale procesului de ardere primite de la diferite configuraii de senzori. Totalitatea senzorilor cuprinde dispozitivele localizate n cilindri, precum senzorul de presiune n cilindru sau de curent ionic, pe blo-cul cilindrilor, pe arborele cu came sau pe arborele cotit. Aceti senzori care monitorizeaz procesul de

ardere permit, totodat, obinerea tuturor informaiilor necesare dez-voltrii unei strategii de estimare a momentului motor.Estimarea momentului motor a fost un domeniu activ de cercetare n ultimul deceniu, n primul rnd n ceea ce privete unitile de con-trol electronic care au devenit om-niprezente pe vehiculele moderne pentru optimizarea performanei motorului, reducnd n acelai timp, emisiile poluante.[1] Este, de asemenea, nevoie de estimarea mo-mentului motor pentru elaborarea unor strategii de protecie a cutiilor

Principii de calibrare a strategiilor de control i protecie pentru un motor cu aprindere prin scnteieTuning Principles of Control and Protection Strategies for a S.I. Engine

AbstrActEngine effective torque is not only a preformance parameter but also a control pa-rameter. Calibration of the developed torque of a s.i. engine requires a strategy and cartograms assemblies that allow the computer software to estimate the value of this injection parameter. Estimation is done by interpreting several engine operating pa-rameters: the spark advance, enrichment, intake air flow, engine speed. Knowing the torque available for any speed and load allows inter-system exchanges between the engine electronic control unit and other control units of vehicle and possible use of

security surveillance strategies for the powertrain.The achievement of an accurate estimation for the engine torque can influence and develop multiple areas: engine diagnostics, engine control starting from the developed torque, traction control and vehicle dynamic control.The paper contains a description of a calibration principle for estimating the engine torque and its use in the development of control and protection strategies.Keywords: Estimate torque, S.I. engine, filling efficiency, enrichment efficiency, spark advance efficiency

Drd. ing.George Marian triC

Drd. ing.alina tU

Prof. dr. ing. Florian iVaN

Universitatea din Piteti, Str. Trgu din Vale, nr. 1110040 Piteti, [email protected]

Fig.1. Ansamblul de senzori i actuatori folosii pentru controlul clapetei de acceleraie

19


de viteze i a altor componente ale transmisiei n funcie de treapta angajat.Evident c performanele unui sis-tem de control al motorului depind de precizia modelului de estimare a momentului motor. 2. ContRolul eleCtRoniC Al ClAPetei De ADmisie motoRiZAte si A suPRAAlimentRii n ConteXtul estimRii momentului motoR CA stRAtegie De CAliBRARe A ReglAJului motoRului.Controlul electronic al clapetei de acceleraie (ETC = Electronic Throttle Control) se dezvolt de la sistemele de antrenare mecanice convenionale ce folosesc prghii i cabluri pentru a controla poziia clapetei de acceleraie.Controlul electronic folosete o unitate electronic de control, un motor electric pentru modificarea unghiului clapetei obturator i un traductor de poziie unghiular pentru cunoaterea deschiderii re-ale a clapetei. n acest fel sistemul este capabil s controleze poziia

clapetei de acceleraie n concor-dan cu o multitudine de parame-tri funcionali i poate, de aseme-nea, s asume unele funcii cum ar fi reducerea momentului pentru con-trolul electronic al traciunii (ASR)

sau pentru transmisia automat.n figura 1 s-au folosit urmtoarele notaii:R.A.S. Rcitorul aerului de supraalimentare;W.G. Waste gate;

Mono 1 Monolit 1;Mono 2 Monolit 2;E.C.U. Unitatea de control a motorului;1 senzor de poziie pedal de acceleraie;2 senzor de turaie;3 senzor de temperatur n repar-titorul de admisie;4 senzor de presiune absolut n repartitorul de admisie;oferul autoturismului apas pedala de acceleraie iar poziia ei este citi-t i transmis unitii electronice de control de ctre traductorul de poziie (1). mpreun cu semnalele primite de la senzorii de temperatu-r, presiune, turaie, poziia pedalei de acceleraie determin cererea de moment motor. Momentul cerut va fi realizat prin pilotarea avansu-lui la scnteie ct i prin pilotarea debitului de aer admis n motor, acesta din urm fiind controlat prin ajustarea unghiului clapetei obtu-rator sau a modificrii presiunii de supraalimentare.Dup ce a calculat debitul de aer ne-cesar obinerii momentului motor unitatea de control modific poziia clapetei avnd, n acelai timp, un

Fig 2. Determinarea momentului indicat pornind de la avansul la scnteie [4]

Fig 3. influena mbogirii asupra momentului indicat dezvoltat [4]

20


retur de la senzorul montat n corpul acesteia. n acelai fel este controlat i presiunea de supraalimentare prin pilotarea waste-gate-ului. [2][3]Motoarele moderne cu aprindere prin scnteie au o clapet de des-crcare controlat de ECU pentru a devia presiunea de supraalimentare n momentul nchiderii clapetei de acceleraie.3. PRinCiPiul CAliBRRii estimRii momentului motoR lA m.A.s.Calibrarea momentului dezvoltat de motor presupune un ansamblu de strategii i cartograme care permit soft-ului din calculatorul de injecie s estimeze valoarea acestui para-metru. Estimarea se realizeaz prin interpretarea mai multor parametri

de funcionare ai motorului: avans la scnteie, mbogire, debit de aer admis, turaie motor. n sensul ana-litic, un exemplu de calcul al valorii momentului efectiv estimat poate fi: Meest = Mimax s R u + Mpp (1)n care: Meest momentul motor efectiv, es-timat de softul din calculatorul de injecie pe baza valorilor celorlali parametri: s, R, u.Mimax momentul motor maxim indicat, dezvoltat de motor pen-tru o turaie i sarcin constante i reinut n urma calibrrii; s randamentul de avans la pro-ducerea scnteii, i poate fi scris sub forma: s = apl / opt (2)Notaiile din ecuaia 2 reprezint :

apl vansul aplicat pentru care se obine momentul motor indicat Mapl (calculat n funcie de avansul aplicat pentru R=1, u=ct. i n=ct. pe baza parabolei de avans);opt Mopt (reinut n cartogram pentru R=1, u =ct. i n=ct.);R randamentul de mbogire a amestecului este exprimat prin ecuaia: R = Rapl / Ropt (3)n ecuaia 3 sunt folosite urmtoa-rele notaii:Rapl mbogirea aplicat ;Ropt mbogirea pentru care mo-torul dezvolt momentul maxim. n figura 3 se observ R determinat pentru s=ct., n=ct. i u=ct.

u randamentul de umplere, care poate fi scris sub forma ecuaiei:u = uapl / umax (4) Ecuaia 4 utilizeaz urmtoarele notaii:uapl reprezint umplerea real, sau cerut, obinut prin modificarea poziiei clapetei obturator;umax umplerea maxim a motoru-lui n condiii standard (temperatu-r 25 C i presiune 1013 mb).Pentru motoarele aspirate natural randamentul de umplere u=0,96, datorit pierderilor gazo-dinamice din admisie.Mpp momentul motor aferent pierderilor proprii, care se calcu-leaz prin nsumarea pierderilor mecanice, pierderilor prin pompaj i pierderilor datorate accesoriilor.

n ecuaia 1 se observ c modi-ficarea randamentului umplerii i pstrarea constant a celorlali parametri determin modificarea momentului estimat sau cerut. n figura 4 se observ o transpunere a ecuaiei 1.4. stRAtegii De PRoteCie i suPRAVegHeRe PentRu un m.A.sUtilizarea unitilor de control electronice i a diferitelor softuri de control motor a permis realizarea diagnosticrii unor componente sau protejarea motorului n faa anumitor procese fizice aprute n timpul funcionrii.Strategiile de protecie realizeaz modificarea automat a anumitor parametri motor n sensul diminu-ri sau controlrii anumitor feno-mene fizice duntoare motorului. O strategie de protecie poate fi detectarea i reducerea detonaiilor aprute n timpul funcionrii mo-torului cu aprindere prin scnteie. Detonaia, ca fenomen de ardere anormal a amestecului aer-com-bustibil, are o serie de efecte negati-ve ncepnd cu zgomotul deranjant al motorului pn la distrugerea pistonului i a chiulasei. Pentru a controla i elimina detonaiile strategia de control se bazeaz pe informaia primit de la senzorul de detonaie, un senzor piezo-electric montat pe blocul ci-lindrilor, i retrage avansul la aprin-dere n concordan cu informaia primit de la acesta. [6] n figura 5 se red zona de funcionare a acestei strategii n funcie de sar-cin i turaie pentru un motor supraalimentat.Se disting trei zone: zona fr detecie care reprezint

partea cmpului motor n care stra-tegia este inhibat pentru a elimina apariia falsei detecii i retragerea inutil a avansului. zon de detecie medie, unde stra-tegia trebuie s elimine detonaiile doar din considerente fonice. n aceasta zon este de preferat s avem non-detecie pentru ca

Fig. 5. Funcionarea strategiei anti-detonaie n cmpul regimurilor de funcionare a m.a.s.[5]

Fig. 4. schema de principiu a realizrii i estimrii momentului motor [5]

21


detonaiile nu sunt periculoase pentru motor. zon critic de detonaii, n aceas-t zon detonaiile sunt foarte pu-ternice i exist un risc accentuat de distrugere a motorului.Strategiile de supraveghere realizeaz o comparare continu a parametrilor motorului ntre valorile reale, msu-rate cu ajutorul senzorilor sau estima-te de ECU pornind de la informaiile primite de la acetia, i valorile mode-late sau cartografiate n etapa iniial de calibrare a reglajului motorului. Strategiile de supraveghere pot avea ca int fie un singur parametru motor fie ntregul ansamblu motor. Un exemplu de supraveghere a unei componente poate fi diagnoza conti-nu a presiunii din colectorul de ad-misie. n figura 6 este prezentat mo-dul de funcionare al unui diagnostic al presiunii din colectorul de admisie. Eroarea relativ dintre presiunea real msurat de senzor i presiunea mo-delizat de ECU este comparat cu dou praguri calibrate. Dac eroarea depete unul dintre cele dou pra-guri atunci se va considera ca exist o problem pe canalizaia de admisie iar performanele motorului vor fi li-mitate automat. n ceea ce privete diagnoza ntregu-lui motor, o strategie poate fi gndit pornind de la estimarea i realizarea cuplului motor prezentat n capi-tolul anterior. Se realizeaz diferena dintre un moment cartografiat n funcie de sarcin, turaie i de mo-mentul estimat pe baza informaiei primite de la senzori i actuatori. Aceast eroare este comparat cu dou praguri calibrate anterior i, n funcie de rezultat, se decide funcionarea motorului ntr-un mod de siguran pentru limitarea eventu-alelor daune. 5. ConCluZiiCreterea capacitii de calcul a unitilor de control electronic a permis folosirea soft-urilor de con-trol al motorului i, astfel, apariia strategiilor i metodelor de calibrare a reglajului motor. n momentul de fa unele strategii sunt folosite pen-tru a simula i estima diferii senzori

motor astfel nct este posibil elimi-narea lor fizic, reducnd costul de producie, crescnd profitul i, impli-cit, competitivitatea constructorului auto. Calibrarea motoarelor ofer o multitudine de posibiliti n ceea ce privete controlul motorului ct i utilizarea noilor tehnologii.Numrul mare al parametrilor gestionai de ECU determin creterea drastic a timpului necesar calibrrii i impune utilizarea unor modele matematice care s simule-ze motorul i s permit obinerea unui reglaj corelat cu o reducere a costurilor.Activitatea de calibrare a m.a.s re-prezint o necesitate absolut n ve-derea dezvoltrii unor autovehicule care s respecte limitele impuse de normele de poluare active fr a

compromite performanele dina-mice i de consum. n acest context calibrarea m.a.s.-ului pornind de la estimarea momentului motor re-prezint o activitate complex . Strategiile aferente vizeaz n acelai timp evitarea fenomenului de ardere detonant, supravegherea i protecia motorului.n cazul calibrrii motoarelor cu aprindere prin scnteie destinate traciunii uoare, respectiv auto-turismelor, apreciez c se impu-ne dezvoltarea unor metodologii specifice care s asigure reducerea duratei cercetrii cu repercusiuni n ceea ce privete costurile, fr a se face rabat de la performanele di-namice, economice i ecologice im-puse de legislaie n contextul unei concurene din ce n ce mai acerbe.

Fig. 6. eroarea relativ n funcie de timp a presiunii din colectorul de admisie.[5]

bibliogrAfie[1] A. Rakotomamonjy, R. Le Riche, D. Gualandris, and Z. Harchaoui, A comparison of statis-tical learning approaches for engine torque estimation, Control Eng. Pract., vol. 16, pp. 4355, 2008.[2] A. Y. Karnik, J. H. Buckland, and J. S. Freudenberg, Electronic throttle and wastegate control for turbochar-ged gasoline engines, Proc. 2005, Am. Control Conf. 2005., 2005.[3] P. Moulin and J. Chauvin, Modeling and control of the air system of a turbocharged gasoline engine, Control Eng. Pract., vol. 19, pp. 287297, 2011.[4] G. Tric, A. Tu, and F. Ivan, Development of a calibration strategy for a S . I . engine starting from the es-timation of the engine torque, AMMA 2013, Cluj Napoca, 2013.[5] G. Tric, Principii ale calibrrii motoarelor cu aprindere prin scnteie, Ref. Cercet., vol. 1, 2014.[6] X. Zhen, Y. Wang, S. Xu, Y. Zhu, C. Tao, T. Xu, and M. Song, The engine knock analysis - An overview, Applied Energy, vol. 92. pp. 628636, 2012.

Fig. 7. Diagnoza funcionrii ntregului motor pornind de la estimarea momentului [5]

22


1. intRoDuCeReAnual, la nivel mondial, peste 1,2 milioane de persoane i pierd viaa n accidente de circulaie rutier, costurile pagubelor materiale i a celorlalte consecine umane (r-nirea grav sau uoar a altor per-soane) nregistrate n urma acestor evenimente rutiere, ridicndu-se la sute de milioane de euro [1].n anul 2013, Romnia a nregis-trat 92 persoane decedate (din ac-cidente de circulaie) la un milion de locuitori (fig.1), tendina din ultimii ani a acestui indice fiind descresctoare. Cu toate acestea, la sfritul anului 2013, Romnia a depit media nregistrat la nivelul UE (52 persoane decedate la un milion de locuitori) i ri precum Luxemburg (87 persoane decadte la un milion de locuitori), Bulgaria (86 persoane decedate la un milion de locuitori), Letonia (86 persoane decedate la un milion de locuitori), Lituania (85 persoane decedate la

un milion de locuitori) etc.Mediul rutier romnesc a format obiectul lucrrilor multor cercet-tori care l-au caracterizat, dup caz, cu diferite grade de obiectivitate. Un grup de cercettori, ns, relatnd despre fenomenul rutier din Rom-nia, au concluzionat c n ara noas-tr aciunea public de siguran ru-tier nu apare nici bine structurat i nici bine orchestrat [2].2. inDiCAtoRi De PeRFoRmAn n Domeniul siguRAnei RutieReMonitorizarea progresului siguran-ei rutiere i a msurilor aplicate pentru mbuntirea acesteia ne-cesit, n general, utilizarea unor indicatori care s permit evaluarea

condiiilor de securitate ale unui sistem de trafic. Deseori, n acest sens, sunt ntrebuinai indicatori care se refr la numrul accidente-lor de circulaie, al persoanelor de-cedate ca urmare a implicrii lor n asemenea evenimente, al persoane-lor rnite grav sau rnite uor, ns numrul de accidente i victime nu dezvluie procesele care au de-terminat producerea lor. De aceea sunt necesari indicatori suplimen-tari de siguran rutier care s fac posibil analiza complex a ntre-gului fenomen accidentologic [3].Indicatorii de performan din domeniul siguranei rutiere (SPIs - Safety Performance Indicators) sunt definii ca fiind mrimile ce reflect condiiile de exploatare ale

unui sistem de trafic i care influen-eaz performana de siguran a sistemului [4] i [5].Acetia au fost dezvoltai n cadrul proiectului SafetyNET iniiat de forurile europene, dup modelul cunoscut n literatura despeciali-tate cu denumirea de floarea soa-relui (fig.2), pe apte subdomenii ale siguranei rutiere: consumul de alcool i droguri, viteza, sistemele de protecie, utilizarea luminilor de zi, sigurana pasiv a vehiculelor, managementul traumelor i cile rutiere (drumurile).Referitor la rolul indicatorilor de performan, unii cercettori de siguran rutier susin c acetia pot ndeplini o funcie de monitori-zare activ sau una de monitorizare

Indicatori compozii de siguran rutierComposite Indicators of Road Traffic Safety

Drd. ing.todiri-ionu DUMBraV

Prof. dr. ing.radu GaiGiNSCHi

Conf. dr. ing. adrian SaCHeLarie

Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi Bdul Profesor Dimitrie Mangeron Nr. 43 700050 Iai [email protected]

AbstrActThe modern world aims to ensure traffic on public roads under safe conditions. Thus, monitoring the progress of traffic safety and the measures taken in order to improve it generally requires the use of certain indicators which would allow the evaluation of safety conditions of a traffic system. Taking into consideration that the traffic safety management in Romania may be significantly improved, the application of certain

composite indicators, in the case of our country, becomes appropriate or the implemen-tation of modern statistics, summaries, that can capture, indeed, the reality and deter-mine the arousing interest of the general public and, therefore, the attention of decision factors. This possibility should be exploited in order to reduce the risk of victimization of motor vehicle occupants and other traffic participants.Key words: motor vehicle, indicator, risk, road, safety, traffic

Fig. 1. tendina i evoluia n timp a numrului persoanelor decedate n accidentele de circulaie care au avut loc n Romnia, raportat la un milion de locuitori [2]

23


reactiv. Prima nseamn identifica-rea i raportarea incidentelor, faci-litnd nvarea din greeli, n timp ce a doua ofer feed-back asupra performanei nainte ca un incident sau accident s aib loc. Indicatorii cu rol de monitorizare reactiv arat cnd un rezultat de siguran dorit a euat sau cnd nu a fost atins [8].3. inDiCAtoRi ComPoZii De siguRAn RutieR 3.1. necesitate i definireNevoia unor indicatori compozii de siguran rutier (CRSPI- Com-posite Road Safety Performan-ce Index), care pot descrie toate aspectele relevante ntr-un mod concis i cuprinztor se justific, n primul rnd, prin necesitatea re-alizrii unor comparaii n privina rezultatelor obinute de unele ri, principalul scop al acestui tip de cooperare internaional fiind acela de nva unii de la alii. n al doi-lea rnd, s-a observat c exist ne-cesitatea reducerii dimensiunilor problemelor de siguran rutier

la un instrument simplu i efici-ent, de planificare i monitorizare a progreselor legate de securitatea traficului, al crui nucleu s l repre-zinte evaluarea i tehnica de luare a deciziilor n aceast materie [9], [10], [11] i [12].n majoritatea lucrrilor tiinifice este prezentat ideea potrivit c-reia combinarea SPIs ntr-un CR-SPI este un proces metodologic intensiv, constnd n diverse etape [13]. n mod evident, combinarea tuturor informaiilor ntr-un singur indicator prezint avantaje i dez-avantaje, ns acestea trebuie s se manifeste n doze echilibrate [10].Abordarea floarea soarelui a de-scris domeniul siguranei rutiere ca o piramid (fig.3) format din mai multe straturi. De jos n sus [9]:yy msuri i programe de siguran-

(ca performan a politicii de se-curitate rutier);yy indicatori de performan

n domeniul siguranei, SPIs (ca

rezultate intermediare);yy numrul decedailor i / sau al

rniilor din accidentele de circula-ie (ca rezultate finale);yy costurile sociale ale accidente-

lor de circulaie rutier.Pentru a se ine cont de condiiile de fond ale sistemului sau de cele contextuale, cercettorii au adugat un alt strat la baza piramidei, denu-mit structur i cultur [9].Un CRSPI ar urma s combine principalele straturi ale piramidei de siguran rutier, dac se are n vedere faptul c, n general, un in-dice rezult din combinarea unui set de valori indicatoare i a unui set de ponderi. Compunerea unui indice ca o medie a valorilor tu-turor indicatorilor este simpl de realizat, dar nepotrivit pentru c, de exemplu, importana a doi in-dicatori ar putea diferi semnificativ i ideea de compensare complet ntre scoruri bune i scoruri rele ar fi inacceptabil. Prin urmare, n literatur, ponderile atribuite SPIs

sunt evaluate de cercettori cu foar-te mult atenie [9] i [14].3.2. Proiectarea indicatorilor compozii de siguran rutierDin literatura de specialitate reiese c proiectarea unui CRSPI const n parcurgerea a cel puin dou eta-pe principale: stabilirea SPIs care urmeaz s fie agregai i alegerea metodei de agregare.Agregarea SPIs este procesul de combinare a valorilor ntr-un singur scor, astfel nct rezultatul final s ia n considerare toate valorile indivi-duale ntr-un mod specific [13]. Metodele utilizate n mod obinuit pentru agregarea SPIs sunt tehnici de ponderare care constau n atri-buirea unei ponderi fiecruia din-tre indicatorii selectai, n funcie de importana lor, n aa fel nct acetia s contribuie n mod co-respunztor la CRSPI. Cele mai des utilizate metode de agregare pentru estimarea CRSPI sunt cla-sificate, cu aproximaie, n dou categorii (metode participative i metode statistice) i se refer la: ponderarea egal, alocarea bugeta-r, procesul de ierarhizare analiti-c, analiza de anvelopare a datelor, analiza componentei principale, analiza factorial, metoda Fuzzy Delphi, metoda Delphi gri, mo-delul TOPSIS Fuzzy ierarhic etc. [14].Versiunile moderne ale instru-mentelor de evaluare a perfor-manelor de siguran rutier sunt concepute prin exploatarea unei viziuni noi, referitoare la selecta-rea i agregarea SPIs pe perechi (astfel nct construcia CRSPI s nu depind numai de selecia in-dicatorilor, ci s ia n considerare i relaia de baz dintre indicatorii respectivi, inclusiv unitatea de m-sur, gradul de non-compensabi-litate ntre indicatorii individuali, structura lor ierarhic etc.). n aplicarea unei asemenea ver-siuni, au fost selectai urmtorii SPIs:yy numrul total al accidentelor

de circulaie soldate cu victime omeneti, care au avut loc ntr-un

Fig. 2. indicatorii de siguran rutier [7]

24


anumit interval de timp, pe un are-al dat ;yy numrul vehiculelor implicate

n toate accidentele de circulaie care s-au soldat cu victime ome-neti i au avut loc ntr-un anumit interval de timp, pe un areal dat

;yy numrul tuturor deceselor

rezultate din accidentele rutiere produse ntr-un anumit interval de timp, pe un areal dat ;yy numrul tuturor accidentelor

grave de circulaie care au avut loc ntr-un anumit interval de timp, pe un areal dat ;yy numrul tuturor accidentelor

rutiere uoare care au avut loc ntr-un anumit interval de timp, pe un areal dat ;yy numrul vehiculelor implicate

numai n accidentele rutiere uoa-re care au avut loc ntr-un anumit interval de timp, pe un areal dat .Apoi, s-a considerat c, din mo-ment ce orice accident de circula-ie presupune implicarea a cel pu-in unui vehicul, atunci i sunt comparabili i, mai mult de-ct att, sunt comparabili n mod condiionat (aspect ce rezult din faptul c, pentru ca orice vehicul s fie implicat ntr-un accident, trebuie s se consume coliziunea propriu-zis). De asemenea, ntruct un acci-dent rutier soldat cu decesul unor persoane poate avea ca urmri i existena altor victime omeneti,

rnite grav (vice-versa fiind, n egal msur, valabil ntr-o astfel de situaie), indicatorii i sunt comparabili. n plus, producerea unui accident rutier mortal (care a avut ca ur-mare decesul uneia ori mai multor persoane) sau din care au rezultat numai rnii grav este condiiona-t de consumarea unei coliziuni i de numrul vehiculelor implicate n astfel de coliziuni, iar din con-siderente de acest gen, perechea

este comparabil n mod condiionat cu perechea [14].Funcia indicelui compozit de per-forman de siguran s-a format prin contribuia tuturor funciilor marginale de performan de sigu-ran, pentru orice realizri nor-malizate date ale indicatorilor ,

, , , i , astfel [14]: (1)

(2)

(3)n care:

; reprezint numrul lui Euler;

, cu definit prin relaiile (4) i (6);

, cu definit prin relaiile (4) i (5);

, , , , i sunt realizri normalizate ale indicato-rilor , , , , i, re-spectiv, .Funciile marginale pentru

perechile de indicatori i sunt date de relaiile (5)

i (6) [14]: (4)

(5)

(6)

unde: este funcia treapt

Heaviside;, cu de-

finit prin relaiile (4) i (5);, cu

definit prin relaiile (4) i (5).De precizat c, spre deosebire de celelalte relaii, n relaia (5),

, iar indicatorii

i sunt subseturi ale indi-catorilor i (motiv pentru care s-a concluzionat c sunt nece-sare numai dou funcii marginale ale indicelui de performan n do-meniul siguranei).ConCluZiiManagementul siguranei rutiere din Romnia, neles ca un sistem sau o structur instituional com-plex care implic interacionarea i cooperarea organismelor ce sprijin sarcinile i procesele necesare pre-venirii i reducerii victimizrii prin accidente de circulai

revista inginerilor de automobile

Documents