Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

1

CONTRIBUŢII LA STUDIUL MECATRONICII GRUPULUI DE PUTERE

BREBEANU (CHIRU) Rica1, CHIRU Dan Elefterie

1

Conducători ştiinţifici: Prof.dr.ing. Adriana COMĂNESCU, Lector.dr.ing. Florian Ion PETRESCU

REZUMAT: Aparut in a doua jumatate a secolului al 19-lea, automobilul a revolutionat

transporturile si a concentrat cele mai semnificative eforturi stiintifice si ingineresti, pentru

continua perfectionare a performantelor sale. Pana in jurul anilor 1970-1980 componentele

mecanice, multe dintre ele adevarate „bijuterii” tehnice, reprezentau o pondere covarsitoare

in ansamblul unui automobil, partea electrica si electronica rezumandu-se la un numar

restrans de motoare (demaror, alternator, stergatoare de parbriz), senzori (pentru temperatura

uleiului si antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare,

aprindere) si becuri.

Dezvoltarea microelectronicii, materializata in circuite integrate logice si analogice,

circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-

uri), realizarea unor sisteme de actionare, conventionale si neconventionale, performante, a

unor tipuri noi de senzori etc. au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerinte care

se impuneau tot mai acut, legate de: siguranta in trafic, economicitate, fiabilitate, confort,

protectia mediului.

CUVINTE CHEIE: motor, senzori, grupuri de putere, control, controler.

1 INTRODUCERE

In constructia automobilelor moderne si-au

castigat locul tot mai multe sisteme mecatronice

(pentru managementul motorului, ABS, ESP,

suspensie activa etc.), pentru ca, in final, intreg

automobilul sa se transforme intr-unul dintre cele

mai reprezentative sisteme mecatronice (prin

interconectarea subsistemelor cu magistrale

adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de

navigatie, X-by Wire, telematica etc.).

Un automobil modern, dintr-o clasa medie, cuprinde

circa 60-70 de motoare si un numar asemanator de

senzori si sisteme senzoriale. Un exemplu elocvent

il constituie diferentele majore dintre „broscuta” de

mare succes a firmei Volkswagen, din anii 1960

care era echipata cu 136 W – putere maxima

consumata, 150 m de cabluri electrice si circa 80 de

contacte electrice si urmasul acesteia din 2001,

masina „New Beetle”, cu un consum de 2050 W,

1500 m de cabluri si 1200 contacte electrice.

Tendinta este ca automobilul sa contina cat mai

multi senzori si actuatori conectati la un sistem

electronic centralizat care intervine automat si

________________________________________ 1

Specializarea: Modelarea şi Simularea Sistemelor

Mecanice Mobile, Facultatea IMST;

E-mail: d_c703@yahoo.com;

efectueaza corecturile necesare pentru o functionare

optima si sigura.

2 STADIUL ACTUAL

Cresterea ponderii componentelor electrice si

electronice in constructia automobilului a facilitat

introducerea unor sisteme noi, permitand cresterea

performantelor si simplificarea componentelor

mecanice. Un alt exemplu este un ventil cu

actionare electromagnetica (Electromagnetic Valve

Train – EVT) – un rezonator resort/masa, care

inlocuieste clasicul ax cu came destinat actionarii

ventilelor in sincronism cu miscarea arborelui

motor, si asigura sistemului de management al

motorului posibilitatea comenzii libere a ventilelor,

in functie de algoritmul de optimizare impus.

Principalele efecte: imbunatatirea raportului

moment motor/turatia motorului, reducerea cu pana

la 20% a consumului de carburant, reducerea

volumului gazelor de esapament.

O alta tendinta importanta in constructia

autovehiculelor consta in imbunatatirea permanenta

a performantelor sistemelor existente. Alt exemplu

un sistem de injectie cu actuator piezoelectric.

Utilizeaza tehnologia HDI (High Diesel Injection),

in care o pompa alimenteaza cu motorina o rampa

comuna, numita „common rail”, la presiuni de pana

la 1500 bari. Distributia carburantului din aceasta

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere

2

rampa se realizeaza cu actuatori piezoelectrici.

Actuatorii piezoelectrici sunt utilizati in multe

produse mecatronice, datorita unor caracteristici

remarcabile, cum ar fi forte de actionare mari (de

ordinul miilor de N), acceleratii de ordinul a 2000g,

rezolutii in domeniul nanometrilor etc.

Foarte multe eforturi ale proiectantilor si

constructorilor de vehicule sunt dirijate in scopul

cresterii sigurantei si confortului pasagerilor si

implica subsisteme mecatronice sofisticate.

3 GRUPURI DE PUTERE

Grupul de putere (in speta motorul) este o

maşină care transformă o formă oarecare de energie

în energie mecanică. Se disting următoarele tipuri

de motoare: Electric, magnetic, electromagnetic,

sonic, pneumatic, hidraulic, eolian, geotermic, solar,

nuclear, cu reacţie (Coandă, împingătoare ionice,

ionice, cu unde electromagnetice, cu plasmă,

fotonice), termice.

3.1. Clasificarea grupurilor de putere

Grupurile de putere principale sunt:

1. Motoarele termice cu ardere externa

2. Motoarele cu reactie

3. Motoarele electrice

4. Motoarele termice cu ardere interna

3.1.1. Motoare termice cu ardere externă

- Motorul cu abur [1] este un motor termic cu

ardere externă, care transformă energia

termică aaburului în lucru mecanic. Aburul

sub presiune este produs într-un generator de

abur prinfierbere şi se destinde într-un agregat

cu cilindri, în care expansiunea aburului produce

lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston,

mişcare care de cele mai multe ori este transformată

în mişcare de rotaţie cu ajutorul unui mecanism

bielă-manivelă. Călduranecesară producerii aburului

se obţine din arderea unui combustibil sau

prin fisiune nucleară.

Motoarele cu abur au dominat industria şi

mijloacele de transport din timpul Revoluţiei

industriale până în prima parte a secolului al XX-

lea, fiind utilizate la

acţionarea locomotivelor,vapoarelor, pompelor, gen

eratoarelor electrice, maşinilor din fabrici, utilajelor

pentruconstrucţii (excavatoare) şi a altor utilaje. A

fost înlocuit în majoritatea acestor aplicaţii de

motorul cu ardere internă şi de cel electric.

- Motorul STIRLING

În familia maşinilor termice, motorul Stirling

[2] defineşte o maşină termică cu aer cald cu ciclu

închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul

deseori este utilizat pentru a se face referire la o

gamă mai largă de maşini. În acest context, "ciclu

închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un

spaţiu închis numit sistem termodinamic, pe când la

maşinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu

ardere internă şi anumite motoare cu abur, se

produce un permanent schimb de fluid de lucru cu

sistemul termodinamic înconjurător ca parte a

ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la

utilizarea unui schimbător de căldură intern care

măreşte semnificativ randamentul potenţial al

motorului Stirling.

Există mai multe variante constructive ale

motorului Stirling din care majoritatea aparţin

categorieimaşinilor cu piston alternativ. În mod

obişnuit motorul Stirling este încadrat în categoria

motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de

energie termică poate fi nu

numai arderea unui combustibil ci şi energia

solară sau energia nucleară. Un motor Stirling

funcţionează prin utilizarea unei surse

de căldură externe şi a unui radiator de căldură,

fiecare din acestea fiind menţinut în limite de

temperatură prestabilite şi o diferenţă de

temperatură suficient de mare între ele.

Fig.1.

Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling

cu mecanism de bielă rombic

1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu

închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben)

racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie

termică ce separă capetele celor doi cilindri,

5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru

închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) -

volanţi,

Nereprezentate: sursa exterioară de energie şi

radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de

refulare este utilizat fără regenerator.

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

3

3.1.2. Motorul cu reactie

Principalul domeniu de utilizare a motoarelor cu

reactie este aviatia, unde a devenit tipul de motor

predominant.

Motoarele cu reactie difera de motoarele cu

piston si elice prin principiul de producere a fortei

de tractiune.

Motorul cu piston, instalat pe un avion,

actioneaza elicea prin intermediul careia se produce

o forta care se consuma pentru a deplasa inapoi si

lateral in sens contrar deplasarii avionului, o mare

masa de aer antrenata de paletele elicei. Avionul

inainteaza datorita fortei de reactiune a masei de aer

deplasata de elice.

Forta de reactiune care asigura inaintarea

avionului nu se aplica direct asupra motorului, ci

prin intermediul propulsorului (elicei). La motoarele

cu reactie, masele de gaze sunt deplasate chiar de

catre motor, deci forta de reactiune se aplica direct

asupra motorului.

Spre deosebire de motoarele cu piston si elice, la

care forta de reactiune, deci forta de tractiune, scade

odata cu cresterea vitezei de zbor, la motoarele cu

reactie forta de tractiune nu scade cu cresterea

vitezei de zbor.

Aceasta particularitate a motoarelor cu reactie,

precum si constructia lor mai simpla, greutatea si

gabaritele mai reduse, in comparatie cu motorul cu

piston, fac ca ele sa fie indicate pentru conditii de

zbor de mare viteza.

Fig.3.

Schema unui turboreactor:

Cel mai raspandit tip de motor cu reactie in

aviatie este turboreactorul [3]. În figura 4.1. este

prezentata schema unui turboreactor tip RD - 10 cu

compresor axial.

Principalele elemente ale unui turboreactor

sunt: difuzorul, compresorul, camera de ardere,

turbina cu gaze si efuzorul reactiv.

3.1.3. Motorul electric

Un motor electric (sau electromotor) este un

dispozitiv electromecanic ce transformă energia

electrică în energie mecanică. Transformarea în

sens invers, a energiei mecanice în energie electrică,

este realizată de un generator electric. Nu există

diferenţe de principiu semnificative între cele două

tipuri de maşini electrice, acelaşi dispozitiv putând

îndeplini ambele roluri în situaţii diferite.

Majoritatea motoarelor electrice funcţionează pe

baza forţelor electromagnetice ce acţionează asupra

unui conductor parcurs de curent electric aflat în

câmp magnetic. Există însă şi motoare electrostatice

construite pe baza forţei Coulomb şi motoare

piezoelectrice.

Fig.2.

Motorul de inducţie trifazat este cel mai răspândit

motor electric

3.1.4. Motoarele cu ardere internă (Cele mai

utilizate Grupuri de Putere)

Motorul cu ardere internă este motorul care

transformă energia chimică a combustibilului prin

intermediul energiei termice de ardere, în interiorul

motorului, în energie mecanică. Căldura degajată în

camera de ardere se transformă prin intermediul

presiunii (energiei potenţiale) aplicate pistonului în

mişcare mecanică ciclică, de obicei[1] rectilinie,

după care în mişcare de rotaţie uniformă, obţinută

de obicei[1] la arborele cotit. Camera de ardere este

un reactor chimic unde are loc reacţia chimică de

ardere.

Căldura introdusă în ciclul care se efectuează în

cilindrii motorului se obţine prin arderea

combustibilului, de obicei un combustibil lichid ca:

benzina, motorina sau gazul petrolier lichefiat, dar

se pot folosi şi combustibili gazoşi, ca gazul natural,

sau chiar solizi, ca praful de cărbune. Oxigenul

necesar arderii se obţine din aerul atmosferic.

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere

4

Combustibilul în amestec cu aerul se numeşte

amestec carburant. Arderea poate fi iniţiată prin

punerea în contact direct a amestecului carburant cu

o sursă de căldură sau se poate produce aproape

instantaneu în toată masa amestecului caz în care se

numeşte detonaţie şi are un caracter exploziv.

Prin arderea carburanţilor rezultă diferite produse

de ardere cu o temperatură de aproximativ 2000 °C.

Majoritatea acestor produse se prezintă sub formă

gazoasă. Pentru o ardere completă se asigură

combustibilului o cantitate de oxigen dozată astfel

încât să producă oxidarea integrală a elementelor

sale componente.

Astazi toate motoarele cu ardere interna

functioneaza in general la standarde ridicate, cu

consumuri mici de combustibili, cu nivele scazute

de vibratii si zgomote, cu emisii de noxe extrem de

reduse, conform reglementarilor actuale care sunt

din ce in ce mai pretentioase [4].

Domeniul de utilizare a motoarelor cu ardere

interna este ete extrem de divers (Fig. 3 – 7)

Fig.3.

Transport feroviar

Fig.4.

Autoturisme

Fig.5. Utilaje

Fig.6.

Transport naval

Fig.7.

Transport aerian

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

5

3 SENZORI UTILIZAŢI IN MECATRONICA

MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA ŞI

APLICAŢIILE ACESTORA

Controlul puterii motorului - variatia pozitiei pedalei de acceleratie cunoscuta

prin variatia momentului la axul motorului sau prin

variatia presiunii gazelor

- presiunea gazului poate fi masurata prin

intermediul unui traductor cu membrana de silicon

si elemente piezorezistive. Elementele

piezorezistive produc, in urma variatiei de presiune,

un potential electric, sunt sensibile la modul de

aliniere. Utilizarea a patru asemenea elemente intr-

un singur traductor face posibila formarea unei

punti Wheatstone – tensiunea de iesire direct

proportionala cu variatia presiunii [5].

Controlul aprinderii - controlul in bucla inchisa a aprinderii in scopul

reglarii momentului aprinderii cand s-a obtinut

amestecul corect de oxigen si vapori de combustibil

(se realizeaza o ardere completa – economie de

combustibil, reducerea noxelor).

- element de referinta – pozitia arborelui cotit.

- se folosesc senzorii pe baza efectului Hall.

- o solutie mai eficace dar mai scumpa, agreata in

Uniunea Europeana, este utilizarea convertoarelor

catalitice pentru reducerea poluarii.

- pentru sesizarea pozitiei arborelui cotit se

utilizeaza senzori cu reluctanta variabila, amplasati

deasupra unei roti dintate, la o distanta de 0,6 mm.

La trecerea dintilor prin dreptul senzorilor se

produce modificarea fluxului magnetic – o tensiune

electromotoare la iesire, in functie de care se

calculeaza viteza rotii.

- utilizarea senzorilor Hall: acuratete mai mare,

distanta mai mare intre roata si senzor, detectarea

vitezelor foarte mici.

Controlul debitului de aer - masurarea debitului de aer prin galeria de aspiratie

este importanta in controlul arderii combustibilului,

- se realizeaza cu ajutorul unui contor cu paleta,

- deplasarea masei de aer prin conducte are ca efect

oscilatia unei palete legata de cursorul unui

potentiometru, tensiunea obtinuta la bornele

potentiometrului este proportionala cu deplasarea

paletei,

-se mai utilizeaza anemometre cu fir cald, la care un

fir de platina este incalzit si expus curentului de aer

din conducte.

Accelerometre - masoara fortele verticale si orizontale rezultate in

urma acceleratiei.

- aplicatii: controlul suspensiilor, franelor,

sistemului de directie si airbag,

- se utilizeaza senzori pe baza de cristale

piezoelectrice si/sau accelerometre servo,

- deplasarea unei mase “m” cu miscare accelerata,

este sesizata de un sistem optic, pentru a anula

aceasta deplasare se aplica o forta de reactiune,

- curentul electric necesar pentru producerea acestei

forte este proportional cu acceleratia

Senzori pentru deplasari unghiulare - automobilele pot avea si depasari unghiulare,

- deoarece giroscoapele clasice, utilizate in industria

aerospatiala, sunt prea scumpe si greu de

implementat la automobile, se apeleaza la

alternative:

- sisteme de detectie cu laser,

- dispozitive piezoelectrice,

- senzori bazati pe efectul Coriolis.

4 STRATEGII DE CONTROL A

MOTORULUI

Controlul electronic al procesului de schimbare

al rapoartelor de transmitere în cazul unui

autoturism echipat cu cutie de viteze mecanică în

trepte pretinde pe de o parte controlul dispozitivelor

de acţionare a cutie de viteze, a ambreiajului şi a

motorului (la nivelul pedalei de acceleraţie cel

puţin), iar pe de altă parte, controlul strategiei de

trecere de la un raport de transmitere la altul.

În cazul folosirii pe autoturism a unui m.a.s.

modern având funcţii controlate electronic (injecţie

de benzină cu comandă electronică, distribuţie

adaptivă comandată electronic, etc.), cei mai mulţi

fabricanţi îşi pun problema controlului electronic

"integrat" al grupului motor-transmisie (grupul

propulsor), şi a elaborării strategiei optimizării

funcţionale a controlului electronic, pe baza unor

criterii.

O strategie care să răspundă unor criterii de

economicitate, depoluare, dinamicitate, stilul şi

cerinţele şoferului, dar cu mijloacele tehnice la

îndemână, într-o aplicaţie de schimbare automată a

treptelor cutiei de viteze cu 4+1 trepte care

echipează un autoturism clasic este dezvoltată în

cele ce urmează.

Motorul cu aprindere prin scânteie de 1,3 litri,

patru cilindri în linie alimentat prin carburator

dispune de un dispozitiv de control al poziţiei

obturatorului care acţionează pe durata trecerii între

treptele cutiei de viteze şi controlează turaţia de

mers în gol pe durata încălzirii motorului.

Ambreiajul este de tip monodisc cu frecare uscată şi

arc diafragmă.

Sistemele moderne de control ale motorului au la

bază o arhitectură de control a momentului motor şi

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere

6

pot fi echipate cu un bloc electronic de control

propriu sau instalate direct pe motor.

Sistemele moderne de control ale transmisiei se

bazează pe identificarea cerinţelor şoferului şi

adaptarea modului de schimbare a treptelor de

viteze, fiind realizate fie cu bloc de control propriu,

fie instalate direct pe cutia de viteze.

Comunicaţia între sistemul de control al

motorului şi cel al transmisiei are drept scop

reducerea emisiilor poluante (în faza de încălzire a

reactorului catalitic) şi de a proteja cutia de viteze

împotriva unor suprasolicitări.

Scopul sistemelor de control integrat al grupului

propulsor este depistarea unui optim global al

grupului care să înlocuiască optimizarea în parte a

motorului şi separat a transmisiei.

Această abordare a condus la o structură ierarhică

ce include un meta-controler şi secţiuni subordonate

pentru motor şi transmisie, ca în cazul sistemelor

integrate promovate de firma Siemens.

Avantajele meta-controlerului constau în faptul

că el dispune de o mare flexibilitate în adaptarea

unor optimizări dinamice între antipozii ce se

manifestă în cazul autoturismelor echipate cu

motoare de putere redusă, maniabilitate redusă

datorită rezervei reduse de putere pe de o parte şi

necesitatea de a funcţiona cu consum cât mai redus

de combustibil, pe de altă parte. Aceste avantaje

sunt posibile datorită concepţiei metacontrolerului

care nu foloseşte control strict dedicat unei funcţii a

motorului (exemplu, bazat nu numai pe controlul

poziţiei obturatorului şi pe cel al presiunii de

supraalimentare ci şi pe alte funcţii care pot fi

specifice chiar unui m.a.c.). Pedala de acceleraţie

rămâne în orice împrejurare simbolul cerinţelor

şoferului, şi împreună cu alţi parametri măsurabili ai

motorului (turaţia, temperatura) poate de măsura

valorii momentului efectiv al motorului, pentru a

rămâne la idea controlului motorului prin valoarea

momentului motor.

În practică sunt folosite diferite criterii de

interpretare a poziţiei şi a cursei pedalei de

acceleraţie, în corelaţie şi cu condiţiile de deplasare

a automobilului, iar constrângerile date de

realizarea fizică a unor interfaţări dedicate unui tip

de dispozitiv de comandă conduc tot la folosirea în

final a unui semnal de ieşire tot de tip "moment

motor". Soluţia propusă este ca valorificarea

semnalelor de intrare ce ar determina semnalul de

ieşire tip "moment motor" să se facă printr-un

procedeu multi-criterial, o bună metodă de realizare

fiind utilizarea logicii Fuzzy.

Specialiştii atrag atenţia în privinţa unor

constrângeri în interpretarea valorii

momentului la roata motoare, care constau în faptul

că momentul motorului are limite absolute şi în

necesitatea folosirii unui traductor al cursei pedalei

de acceleraţie cu sensibilitate egală pe întreaga

cursă şi fără zone moarte. Un alt factor limitativ în

aprecierea momentului la roată îl poate constitui

însăşi tipul de transmisie; de exemplu, în cazul

folosirii unei cutii de viteze în trepte cu schimbare

automată, pe durata schimbării treptelor au loc

întreruperi de moment, iar o creştere a momentului

de intrare după efectuarea schimbării ar cauza o

deteriorare a confortului procesului de schimbare.

De aici rezultă necesitatea folosirii valorii

momentului motor şi a poziţiei pedalei de

acceleraţie care în anumite împrejurări suferă unele

corecţii.

Se prezintă în continuare abordarea secţiunilor

de control pentru motor.

4.1 Controlul motorului

Metodica controlului funcţionării motorului prin

momentul său pretinde analiza tuturor factorilor cu

influenţă asupra momentului motor. O schemă

logică a secţiunii de control a unui m.a.s. este

prezentată în figura 8.

Din această schemă se desprind condiţiile de

proiectare a interfeţei cu metacontrolerul asupra:

- acţionării obturatorului şi vitezei lui de acţionare;

- modularizării cilindreei;

- întreruperii alimentării cilindrilor în timpul

deceleraţiilor.

Interfaţa este astfel proiectată încât să poată fi

comod calibrată (etalonare simplă şi coordonarea

momentului motor să se efectueze cu evitarea

posibilităţilor de interferenţă a diferitelor porţi şi căi

de intrare).

Deosebit de importantă este asigurarea

priorităţilor semnalelor de intrare[6].

Momentul motor necesar autopropulsării va fi

rezultatul ponderării flexibile a tuturor factorilor de

intrare (proporţia încărcăturii proaspete, unghiul de

avans la aprindere, dozajul) în concordanţă şi cu

restricţiile specifice ale motorului.

Momentul instantaneu calculat este furnizat ca

semnal de reacţie în buclă închisă

meta-controlerului.

Pentru verificarea concordanţei valorilor

calculate ale momentului instantaneu, cu cele reale,

(calibrare), se poate folosit un traductor de cuplu

instalat pe autoturism.

Instalaţia de măsurare a momentului motor se

bazează pe măsurarea reacţiunilor în punctele de

suspendare a grupului propulsor pe autoturism

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

7

Fig.8.

Schema bloc a sistemului de control al motorului

4.1.1. Structuri evoluate de control

Vehiculele cu motor aflate în funcţionare sunt

puternic dependente de mediul înconjurător

(condiţii meteo şi de trafic, conducător, sisteme de

comunicaţii etc.) şi prin urmare controlul lor trebuie

realizat, pe de o parte, pe baza câtorva parametri

previzibili (sau estimaţi), iar, pe de altă parte, pe

baza unor condiţii imprevizibile sau întâmplătoare

privind traficul, vremea, erorile operatorului,

hazardul.

Decizia finală a controlerului trebuie să fie (în

mod ideal) de tip uman; de exemplu: acţiunile

controlerului trebuie să depindă de structura lui

internă, de informaţiile externe, de experienţa

dobândită anterior şi de antrenament.

Un motor cu ardere internă, acţionând un

vehicul, în mişcare, impune o unitate centrala de

control, capabilă să furnizeze parametrii de operare

pentru funcţionare optimală a motorului, în

combinaţie cu o interacţiune rezonabilă cu mediul

înconjurător [7].

Un controler pe bază de reguli trebuie să permită

sistemului:

- să interacţioneze cu mediul înconjurător;

- să schimbe anumiţi parametri interni ca urmare a

interacţiunilor;

- să răspundă în mod diferenţiat mediului

înconjurător datorită acestor schimbări.

Aceste aşa-numite „controlere cu învăţare" sunt

capabile să se auto organizeze, de exemplu: au

capacitatea să-şi schimbe parametrii interni încât să

achiziţioneze noi cunoştinţe, cunoştinţa fiind privită

ca un corp de date-obiect conectate, organizate într-

o formă reprezentativă (de exemplu reguli) ce pot fi

executate sau aplicate în anumitescopuri.

Acţionând într-un cadru corespunzător de reguli,

un astfel de controler poate lua cea mai bună

decizie, cu cea mai mică întârziere posibilă

Fig.9.

Schema bloc a unui sistem pentru generarea bazei de

date

Etajul supervizat de antrenare a unui astfel de

sistem impune prezenţa unui

„profesor", care intervine în mod succesiv şi

operează corecţii de structură. De asemenea,

necesită mijloace de generare a informaţiilor pentru

„profesor".

Achiziţia de cunoştinţe pentru instruirea

controlerelor de timp real necesită

explorarea sistemelor complexe, interacţionând în

mod permanent.

Schema-bloc a unui sistem experimental pentru

generarea bazei de date la motoare cu injecţie de

benzină este prezentată în figura 9.

De asemenea, modelarea teoretică pe calculator

necesită în mod uzual încercări experimentale

practice, recurgându-se la analiza experimentală a

sistemului.

Simularea condiţiilor de mediu convenţional

pentru astfel de motoare impune un stand

experimental controlat de calculator, permiţând

controlul pentru:

- sarcina motorului (frână electromagnetică,

dispozitiv de control al poziţiei clapetei de

acceleraţie, circuite de adaptare);

- turaţia motorului;

- injecţia de benzină (controlere pentru injecţie,

circuite driver, injectoare pentru

benzină);

- aprindere (timer de control al aprindere, etaj de

ieşire, traductor şi circuite pentru

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere

8

aprindere pe avans zero β0, traductor pentru avans

maxim βmax, bobină de inducţie, distribuitor de

înaltă tensiune).

Achiziţia datelor primare a fost realizată cu

ajutorul traductoarelor specifice,

proiectate pentru a da informaţii asupra unor

parametri cum ar fi:

- turaţia motorului;

- poziţia clapetei de acceleraţie;

- unghiul de avans la aprindere (traductor βmax);

- dozajul aer/benzină (senzor lambda);

- punctul mort interior (traductor β0);

- fazele de lucru ale motorului;

- temperatură (aer, lichid de răcire, benzină, gaze de

evacuare etc.);

- presiune (în galeria de admisie, benzină etc.).

Circulaţia informaţiilor şi procesarea locală sunt

realizate de un microcalculator

prevăzut cu interfeţe specifice.

Un nivel mai înalt de achiziţie al informaţiilor, de

la un sistem mobil (cum ar fi

automobile în mers în mediu real), este de asemenea

posibil, utilizând o interfaţă de comunicaţii radio de

înaltă frecvenţă cu calculatorul, aceasta permiţând o

corecţie de fineţe a datelor.

Dezvoltarea acestor interfeţe specifice impune de

asemenea dezvoltarea de software utilizator:

- programe de achiziţie;

- programe de comandă-control;

- programe de supraveghere a parametrilor;

- programe de extragere a regulilor la prelucrarea

datelor experimentale.

Utilizând acest sistem, se pot studia diferite tipuri

de interacţiuni stimuli-răspuns, obţinând ca urmare

o bază de date de prim nivel.

Aceste date generează un potenţial de informaţii,

utilizabil pentru a emite deducţii previzibile despre

comportarea ulterioară a sistemului în zonele

neexplorate ale lumii înconjurătoare reale în

transformare.

Fig.10.

Schema bloc a sistemului de control al motorului pe

bază de reguli

Această complexitate înaltă precum şi restricţiile în

abordarea analitică a unor astfel de sisteme reale

justifică dezvoltarea controlerelor cu învăţare de

reguli.

Structura-bloc a motorului cu control evoluat pe

bază de reguli este prezentată în fig.10.

Informaţia înmagazinată iniţial în memoria

acestui controler se referă la o

caracteristică tipică a motorului din gama

respectivă. Informaţiile au fost obţinute în prealabil

pe baza unor probe la un stand de încercări

specializat. Controlerul poate „învăţa" în faza de

probe de stand cu atât mai mult cu cât i se oferă mai

multe situaţii de funcţionare distincte. Din acest

punct de vedere apare ca necesară efectuarea de

probe la standul climatic. Oricum, sistemul nu poate

fi antrenat pentru toate situaţiile posibile în care va

fi pus în cazul funcţionării reale.

Având în vedere faptul că răspunsul sistemului

este cu atât mai corect cu cât a

„învăţat" mai mult, rezultă că o cantitate mare de

informaţii obţinute în probe de stand reprezintă o

sursă de performanţe potenţiale. Aceste cunoştinţe

dobândite prin antrenare vor acoperi un anumit

domeniu, în interiorul căruia răspunsul sistemului

va fi, în sensul criteriilor folosite pentru control,

corect. în afara acestui domeniu răspunsul

sistemului va avea un grad de corectitudine cu atât

mai ridicat, cu cât condiţiile de funcţionare sunt mai

apropiate de domeniul explorat anterior.

Odată trecut prin puncte exterioare domeniului

explorat anterior, controlerul va dobândi noi

informaţii, va extrage reguli specifice şi îşi va

extinde graniţele domeniului, constituindu-şi astfel

un potenţial de control mai ridicat. în acest mod se

va reduce în mod constant diferenţa dintre motorul

real şi modelul său, construit pe bază de reguli. Cu

cât sistemul de procesare va fi mai puternic şi mai

rapid, cu atât modelul va fi mai exact şi mai

apropiat în timp de obiectul modelării.

Având în vedere că motorul va avea o anumită

evoluţie în timp a caracteristicilor sale dictată de

uzură, calitatea carburantului, a lubrifianţilor,

condiţii de mediu şi de exploatare, controlerul pe

bază de reguli se va apropia de caracteristica reală a

motorului de la un moment dat, urmărind

modificările. O calitate suplimentare a unui astfel de

sistem, pe baza capacităţii de anticipare, poate fi şi

diagnoza motorului, evitându-se astfel defecte

majore, cu efecte secundare neplăcute. Astfel, se

vor putea înlocui anumite componente ce se vor

deteriora într-un viitor previzibil, înainte ca acest

fapt să se producă, dar şi la un moment justificat din

punct de vedere economic (pe baza unui criteriu de

eficienţă). Rezultă deci şi o posibilă optimizare pe

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

9

criterii economice a exploatării motorului, fapt ce

nu este deloc de neglijat.

Problemele de optimizare ale controlerelor pentru

motoare trebuie privite într-un context mai larg, de

dezvoltare a echipamentelor electronice de control

pentru automobile

Aceste echipamente devin din ce în ce mai

complexe, necesitând tehnologii avansate şi

concepţii noi în materie de testare

O altă cale de a îmbunătăţi performanţele

motorului ţine seama că, de fapt, un motor cu

aprindere prin scânteie este format dintr-un anumit

număr de cilindri, a căror comportare nu poate fi

identică în condiţii reale. Diferenţele care apar sunt

datorate limitelor tehnologice de realizare a

elementelor ce concură la construcţia fiecărui

cilindru.

Abaterile tehnologice vor conduce la anumite

deosebiri în ceea ce priveşte raportul de compresie,

ungerea, etc. De asemenea, condiţiile de

funcţionare, din punctul de vedere al factorilor

interni sau externi, nu sunt identice.

Această caracteristică poate fi foarte bine

exemplificată prin condiţiile de răcire diferite ale

cilindrilor. Astfel, pentru un motor cu patru cilindri

în linie cilindrii de pe capete (/ şi 4) vor fi mai bine

răciţi decât cilindrii din interior (2 şi 3). în acest fel,

pentru cilindrii 1 şi 4 se poate folosi un avans la

aprindere mai mare, fără apariţia detonaţiei. De

asemenea, controlul unic, prin analiza gazelor din

colectorul de evacuare, asigură un răspuns

aproximativ. Datorită condiţiilor de funcţionare

diferite şi a îmbătrânirii cilindrilor şi a

componentelor de alimentare se poate ajunge în

situaţia în care un cilindru să polueze cu CO

(funcţionând cu amestec bogat), iar altul cu NOx

(funcţionând cu amestec sărac), semnalul de la

sonda unică λ, nereuşind să reechilibreze dozajul.

În aceste condiţii, este evident că soluţia o

reprezintă utilizarea câte unui circuit de control pe

fiecare cilindru. Se poate vorbi şi de o comportare

globală a motorului, fără ca aceasta să fie constituită

din simpla însumare a efectelor produse de cilindrii

săi.

Din acest mod de abordare a problemei rezultă

că se pot extrage anumite reguli de funcţionare a

motorului, ca rezultat al funcţionării cilindrilor, fără

a considera modul propriu de reglare a mărimilor de

control la fiecare dintre aceştia. Se poate astfel

imagina o structură de control pe două niveluri:

- pe primul nivel; controlere pe baza de reguli

pentru procesele ce au loc la nivelul fiecărui

cilindru;

- pe al doilea nivel (superior); un controler pe bază

de reguli ce coordonează motorul, privit ca un

ansamblu de cilindri.

Structura-bloc a unui astfel de sistem de control este

ilustrată în fig. 11.

Fig.11.

Schema bloc a sistemului de control al motorului pe

ntru fiecare cilindru

O astfel de structură ar putea asigura o anumită

ierahizare a informaţiilor (regulilor).

Astfel, regulile cu grad înalt de generalizare se

vor implementa pe nivelul al doilea, determinând

individualizarea cilindrilor în ansamblul reprezentat

de motor, în timp ce regulile cu grad înalt de

specificitate se vor implementa pe primul nivel,

asigurând optimizarea performanţelor fiecărui

cilindru în parte.

Se va putea asigura o sporire a vitezei de lucru

globale, regulile generale fiind procesate simultan

pentru toţi cilindrii, eliminând suprapunerile.

Timpul astfel

disponibilizat poate fi utilizat pentru executarea

unor algoritmi specifici mai complecşi.

Evident că diagnoza cu un astfel de sistem de

control va fi mai precisă, individualizând defectele

la nivelul cilindrului.

Deşi este mai complex, deci mai scump, încă

insuficient conturat din punct de vedere teoretic, un

astfel de sistem va putea asigura, într-o perspectivă

relativ apropiată, optimizarea atât a exploatării, cât

şi a întreţinerii motoarelor, la un nivel de eficienţă şi

subtiliate ce poate determina efecte tehnico-

economice remarcabile.

5 CONCLUZII

În contextul actual în care industria

autovehiculelor constituie unul din cele mai

dinamice domenii privind concepţia, producerea şi

exploatarea, în componenţa produselor sale

specifice se regăsesc o serie de elemente care

înglobează cele mai noi realizări din domeniul

tehnicii actuale.

Dintre acestea se remarcă marea varietate de

senzori şi actuatori construiţi pe baza noilor

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere

10

concepte micromecanice şi mecatronice. O astfel de

categorie o constituie cea a senzorilor şi actuatorilor

care acoperă toate nivelele de siguranţă cerute de

exploatarea autovehiculelor actuale şi le conferă un

« grad ridicat de inteligenţă ».

Automobilul clasic foloseste, in general, un numar

limitat de senzori, in special pentru controlul

vitezei, indicatori de nivel pentru combustibil,

indicatori pentru presiunea uleiului, senzori de

temperatura.

Indicatoarele de bord afiseaza datele furnizate de

acesti senzori, astfel incat soferul sa poata

monitoriza situatia si, daca este necesar, sa poata

interveni la timp.

Tendinta, actuala este ca automobilul sa includa

cat mai multi senzori conectati la un sistem

controlat de un microprocesor, inlocuind controlul

uman.

Astfel, sistemul de control al automobilului poate

sa monitorizeze un numar mare de parametri si sa

efectueze corecturile necesare pentru o functionare

optima.

In linii mari, parametrii monitorizati sunt:

consumul de combustibil si emisia de gaze, sistemul

de directie, franele, confortul, respectiv culegerea

de informatii necesare pentru corectarea erorilor si

conducerea in siguranta a vehiculului.

Cercetarea si dezvoltarea senzorilor utilizati

pentru aceste scopuri este focalizata pe crearea de

senzori mici ca dimensiuni, siguri si ieftini,

utilzarea microprocesoarelor pentru prelucrarea

datelor, crearea de senzori inteligenti, etc.

De asemenea, se evita monitorizarea inutila a mai

multor parametri recurgandu-se la metode

alternative. De exemplu, controlul functionarii

cutiei de viteze realizat cu senzori de vibratii a fost

inlocuit de un senzor acustic cu ajutorul caruia se

monitorizeaza zgomotele caracteristice schimbarilor

bruste de viteza.

Automobilul modern, ca produs mecatronic

include in structura sa mai multe module cu relativa

autonomie functionala, cum ar fi: managementul

motorului, managementul transmisiei, sistemul de

franare, managementul sasiului (suspensia activa),

sistemul de climatizare, sistemul de reglare adaptiva

a farurilor, sistemul de siguranta. In tabelul urmator,

se prezinta o sistematizare a principalelor tipuri de

senzori incorporati in structura unui automobil

modern.

Numai mecatronica motorului este astazi nu doar

avansata dar si complexa si automatizata. Exista

sensori diversi montati la bordul autovehiculului

care ne arata starea principalilor parametrii ai

motorului, dar exista si o serie de mici sensori care

culeg date despre parametrii respectivi, si in plus

mai sunt concepute si functionale si multe alte

dispozitive mecatronice aferente doar grupului de

putere (motor, transmisie) care au roluri diferite, fie

de testare si control fie de modificare efectiva a

parametrilor functionali in scopul optimizarii lor

permanente pentru a se realiza un consum minim, o

putere si un cuplu maxime, o turatie optima,

eventual treapta de viteza optima, si asa mai

departe. In mecatronica de azi, sistemul de

ventilatie este comandat electronic de catre unitatea

de control electronica (UCE). Ventilatorul este

comandat de catre UCE pe baza informatiilor

procesate, furnizate de catre traductori de

temperatura. Masurarea temperaturii se bazeaza pe

diferite fenomene si efecte fizice, in care

modificarea temperaturii determina modificari ale

unor proprietati sau caracteristici ale materialelor:

variatia dimensiunilor geometrice, variatia

rezistentei electrice, aparitia unor tensiuni

electromotoare de-a lungul jonctiunii a doua metale,

variatia intensitatii radiatiei emise, variatia

frecventei de rezonanta a unui cristal de cuart etc.

6 MULŢUMIRI

Pentru sistematizarea volumului mare de

informatii necesare elaborării lucrării am colaborat

foarte bine cu colegii mei Moraru Ovidiu si Staicu

Iulian, carora le multumesc pe aceasta cale.

Deasemenea, multumesc si domnului lector dr.ing.

Petrescu Ion Florian pentu colaborarea exemplara si

sprijinul acordat.

7 BIBLIOGRAFIE

[1] Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român,

Editura Tehnică, București, 1957-1966.

[2] Walker, G. (1985). Free Piston Stirling Cycle

Engines. Springer-Verlag. ISBN 0-387-15495-7

[3] V. Pimsner Motoare aeroreactoare vol I EDP

1983

[4] Petrescu, F.I., Petrescu, R.V., Motoare termice,

Create Space publisher, USA, October 2012, ISBN

978-1-4802-0488-1, 164 pages, Romanian edition.

[5] Micu, C. Dodoc, P., Diaconcscu, Gh.,

Manolcscu. A.M., Aparate si sisteme de masurare in

constructii de masini. Editura Tehnica, Bucuresti,

1980.

[6] Szász Csaba – Digital control systems,

applications (Sisteme numerice de comandă şi

control, aplicaţii), U.T. PRES Publishing House,

Cluj-Napoca 2006, ISBN(10) 973-662-274-6,

ISBN(13) 978-973-662-274-8, 116 pag.

[7] Fraser, C., Milne, J., Integrated electrical and

electronic engineering for mechanical engineers,

McGraw-Hill Book Company, London, 1994.