CONTROLUL ELECTRONIC AL INJECŢIEI DE BENZINĂ ÎN MOTOARELE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

ELECTRONICĂ PENTRU AUTOMOBILE

68

4 CONTROLUL ELECTRONIC AL INJECŢIEI DE BENZINĂ ÎN MOTOARELE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

4.1 PROBLEME GENERALE ALE UTILIZĂRII INJECŢIEI DE BENZINĂ

Introducerea injecţiei de benzină în motoarele cu aprindere prin scânteie a urmărit, cu precădere, îmbunătăţirea performanţelor de putere şi de consum, limitate de modul de formare a amestecului şi de umplerea cilindrilor mai puţin eficiente la motoarele cu carburator. Ulterior, restricţiile privind poluarea mediului de către motoarele cu aprindere prin scânteie au pus în valoare o particularitate a injecţiei de benzină: reducerea emisiilor poluante din gazele de evacuare. Injecţia de benzină a fost aplicată cu succes încă din anii `30, pe motoare Daimler-Benz de 1000 CP şi 2500 CP destinate aviaţiei. Ulterior a pătruns şi în domeniul tracţiunii rutiere, în care motoarele cu aprindere prin scânteie deţineau întâietatea. Astfel, în anul 1952, un motor de competiţie de 3 litri a realizat performanţe deosebite de putere şi de consum. La început echipamentele de injecţie de benzină au fost furnizate de firma BOSCH şi nu difereau prea mult de echipamentele pentru injecţia de motorină. Această concepţie iniţială ridica probleme delicate în ceea ce priveşte ungerea cuplurilor de piese în frecare de pe traseul de înaltă presiune. Având în vedere calităţile antilubrefiante ale benzinei, ungerea trebuia asigurată într-un circuit separat. Ulterior echipamentele pentru injecţia de benzină în motoarele cu aprindere prin scânteie s-au adaptat cerinţelor de lubrefiere, punctului de realizare a injecţiei. Toate echipamentele s-au dezvoltat ca urmare a avantajelor pe care le prezintă injecţia de benzină la motoarele cu aprindere prin scânteie: – pulverizarea foarte fină la toate regimurile de funcţionare şi în special la sarcini

şi turaţii reduse; – uniformizarea dozei de benzină între cilindrii motorului, mai ales în situaţia

injecţiei multipunct;

4.CONTROLUL ELECTRONIC AL INJECŢIEI DE BENZINĂ ÎN MOTOARELE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

69

– creşterea coeficientului de umplere a cilindrului cu 8 … 12 %, datorită rezistenţei gazodinamice reduse a traseului de alimentare (prin eliminarea difuzorului carburatorului), lipsei încălzirii încărcăturii proaspete şi mai ales, în cazul injecţiei directe, absenţei benzinei din încărcătura proaspătă;

– creşterea puterii efective cu 10 .. 15 % în special datorită îmbunătăţirii umplerii cilindrilor, posibilităţii de mărire a raportului de comprimare (cu până la o unitate) datorită neîncălzirii încărcăturii proaspete, de răcirea suplimentară a amestecului aer-benzină şi a pereţilor camarei de ardere ca urmare a vaporizării, de uniformitatea sporită a debitului de benzină între cilindrii motorului;

– scăderea consumului specific efectiv de combustibil cu o valoare de 12 … 15% datorită formării mai bune a amestecului şi arderii mai eficiente a acestuia (este posibilă stratificarea amestecului şi arderea unor amestecuri sărace) şi uniformităţii sporite a umplerii (între cilindri);

– reducerea emisiilor poluante din gazele de evacuare, ca urmare a posibilităţilor de stratificare a amestecului şi de ardere a amestecurilor sărace;

– ameliorarea comportării motorului, eliminarea fenomenului de givraj şi a rateurilor, reducerea înălţimii motorului cu 15 … 25 cm prin lipsa carburatorului din instalaţia de alimentare.

Specific motorului cu aprindere prin scânteie alimentat prin injecţie de benzină este corelarea debitului de benzină cu debitul de aer pentru toate regimurile caracteristice de funcţionare. Aceasta impune comanda simultană a organului de reglare a debitului de benzină şi a obturatorului, fapt ce complică construcţia instalaţiei de alimentare. Procedeele folosite pentru reglarea debitului de benzină în instalaţiile de injecţie sunt: – după poziţia obturatorului; – după depresiunea din galeria de admisie; – după debitul de aer aspirat. Uneori, pentru anumite regimuri tranzitorii, cum ar fi accelerarea şi decelerarea, pentru îmbogăţirea amestecului la sarcină plină sau la mersul în gol, pentru pornirea la rece, etc., echipamentele sunt prevăzute cu dispozitive speciale care modifică debitul de benzină în conformitate cu cerinţele menţionate. De asemenea, se pot prevedea o serie de corecţii, cum ar fi după temperatura lichidului de răcire, temperatura uleiului, presiunea atmosferică, etc. Pentru realizarea unui sistem de injecţie de benzină se utilizează elemente constructive de tip mecanic, electric, electromecanic şi electronic. Primele sisteme de injecţie utilizau elemente de control de tip mecanic, în timp ce în ultima vreme s-au impus sistemele electronice.


70

4.1.1 Sisteme de formare a amestecului

Funcţia carburatorului sau a sistemului de injecţie este de a alimenta motorul cu un amestec aer-benzină optim pentru condiţiile instantanee de funcţionare. Injecţia de benzină reprezintă metoda preferată datorită avantajelor pe care aceasta le asigură în domeniul economicităţii, performanţelor, motricităţii şi nivelului scăzut al noxelor. Injecţia de benzină poate fi folosită cu o precizie extremă a dozajului, alimentând motorul cu cantitatea de benzină corectă pentru condiţiile de funcţionare şi de sarcină date, asigurând în acelaşi timp nivele minime pentru noxele din evacuare. Compoziţia amestecului este controlată pentru a menţine emisiile toxice la nivel scăzut. Injecţia de benzină multipunct. Injecţia multipunct asigură condiţiile iniţiale ideale pentru atingerea acestor obiective. Sistemul de injecţie multipunct foloseşte câte un injector separat pentru a injecta benzina în poarta supapei de admisie a fiecărui cilindru. Principiul injecţiei multipunct este prezentat în figura 4.1.

Injecţia monopunct. Injecţia de benzină monopunct descrie un sistem unitar de injecţie de benzină cu control electronic folosind un singur injector electromagnetic plasat în imediata vecinătate a clapetei de acceleraţie. Sistemul asigură o modalitate comodă de trecere a alimentării unui tip de motor dat de la carburator la injecţie

Figura 4.1 1 - benzină, 2- aer, 3- clapeta de acceleraţie, 4- galerie de admisie, 5- injectoare,

6 - motor

4

6

1

2

3

5


71

fără prea multe transformări constructive (în special în ceea ce priveşte galeria de admisie şi corpul clapetei de acceleraţie). Principiul injecţiei monopunct rezultă din figura 4.2.

4.2 ASPECTE ALE UTILIZĂRII INJECŢIEI ELECTRONICE DE BENZINĂ

Echipamentele electronice de injecţie sunt acele echipamente de injecţie la care, pentru realizarea funcţiilor de alimentare: dozaj, corecţii, etc., electronica intervine cu un anumit grad de participare. Elementele de bază utilizate în acest sens sunt: – unităţile electronice de comandă şi control (în prezent cu microprocesoare); – traductoare de măsurare mecano-electrice; – elemente de execuţie (ce transformă semnalele electrice în mărimi mecanice). Dozarea combustibilului poate fi realizată la admisia acestuia în pompa de benzină sau la refulare. În ambele cazuri este posibilă participarea electronicii, fie prin acţionarea unei electrovalve, fie acţionând cremaliera pompei de injecţie. În cazul utilizării injectoarelor electromagnetice, dozarea se face prin reglarea

Figura 4.2 1 - benzină, 2- aer, 3- clapeta de acceleraţie, 4- galerie de admisie, 5- injector,

6 - motor

1

2

4

3

5

6


72

timpului de deschidere a acestora, controlând durata semnalului electric emis de unitatea electronică. Declanşarea injecţiei, precum şi precizarea momentului producerii acesteia pe ciclu pot fi uşor comandate electronic, asigurându-se şi o precizie ridicată. În acest scop se utilizează semnale electrice de declanşare, emise de sensori speciali sau de întrerupătoare acţionate de came speciale, în corelaţie cu turaţia şi ordinea la aprindere a motorului. De asemenea, semnalele de declanşare pot fi livrate de unitatea electronică, după un program special. Introducerea combustibilului în cilindrul motorului sau în colectorul de admisie se pretează, în cazul utilizării injectoarelor electromagnetice, la comandă şi control electronic. În sfârşit, distribuţia uniformă a combustibilului între cilindrii motorului, legată de funcţiile de dozare şi introducere a combustibilului în motor, se pretează cu uşurinţă la controlul electronic. Avantaje suplimentare ale injecţiei de benzină rezultă şi din faptul că se pot introduce un număr însemnat de mărimi de corecţie pentru toate regimurile de funcţionare ale motorului. În Europa primul echipament electronic de injecţie a fost produs în anul 1967 şi montat pe un motor VW de 1,6 litri cu 4 cilindri. După zece ani circulau deja peste un milion de autoturisme echipate cu injecţie de tip K sau L – Jetronic (Bosch). Injecţia de benzină devenise o necesitate, în conjunctura în care se cerea un automobil economic şi nepoluant. Principala sarcină a echipamentului electronic de injecţie constă în realizarea dozajului optim pentru fiecare regim de funcţionare a motorului. Rezolvarea problemei întâmpină dificultăţi deosebite din punct de vedere tehnic. Pentru aceasta se recurege la măsuri ce permit exprimarea unor dependenţe cunoscute între cantităţile de aer şi de benzină şi o serie de parametri ai motorului (depresiunea din colectorul de admisie, turaţia, poziţia obturatorului, etc.). Cantitatea de aer aspirată de motor poate fi exprimată în funcţie de parametrii menţionaţi. La exprimarea cantităţii de benzină în funcţie de aceşti parametri trebuie ţinută seama de presiunea de injecţie, secţiunea de curgere prin injector şi durata injecţiei. Pentru valori constante ale presiunii şi secţiunii de curgere prin injector, modificarea cantităţii de benzină injectată pe ciclu, în concordanţă cu regimul de funcţionare a motorului, se poate realiza prin modificarea duratei injecţiei. Partea electronică de comandă a echipamentelor de injecţie asigură modificarea timpului de deschidere a injectorului fără dificultate şi cu suficientă precizie.

4.2.1 Structura sistemelor de injecţie electronică de benzină

Structura unui echipament electronic de injecţie este prezentată în figura 4.2. O pompă de alimentare aspiră benzina din rezervor şi o refulează către injectoarele electromagnetice. Presiunea benzinei în amontele injectoarelor este


73

menţinută constantă cu ajutorul unui regulator de presiune care permite returnarea către rezervor a surplusului de benzină. Injectoarele electromagnetice, asociate fiecărui cilindru al motorului, sunt deschise o dată pe ciclu (la o rotaţie a axului cu came) prin impulsuri provenite de la unitatea electronică de comandă. Durata impulsurilor de comandă depinde de sarcina motorului (exprimată într-una din modalităţile menţionate anterior), turaţie, precum şi de o serie de mărimi de corecţie. Mărimile necesare sunt măsurate cu ajutorul unor traductoare adecvate, fiind transmise unităţii electronice de comandă sub formă de semnale electrice.

Majoritatea instalaţiilor de alimentare prin injecţie de benzină cu comandă electronică se datorează firmei Bosch, care a dezvoltat seria Jetronic. În figura 4.4 se prezintă, la nivel de schemă bloc, concepţia de bază a acestor echipamente, aşa cum a rezultat din instalaţia dezvoltată iniţial de firma Bosch. Instalaţia este de tipul cu injecţie intermitentă în galeria de admisie, cu distribuţia jetului în poarta supapei de admisie. Fiecărui cilindru al motorului îi este asociat câte un injector electromagnetic 5, alimentat cu benzină cu ajutorul pompei de alimentare 3. Presiunea benzinei în avalul pompei de alimentare este menţinută riguros constantă prin intermediul regulatorului de presiune 4. Presiunea are o valoare de 2 daN/cm2, rezultată ca un compromis între necesitatea de formare a unui amestec calitativ superior şi complexitatea elementelor componente ale instalaţiei de alimentare care concură la vehicularea benzinei la presiunea de injecţie menţionată. Reglarea cantităţii de benzină, în concordanţă cu regimul de funcţionare a motorului, se face prin modificarea corespunzătoare a duratei de deschidere a injectoarelor electromagnetice, utilizând unitatea electronică de comandă 12. Pentru reducerea costului părţii electronice, injectoarele electromagnetice se pot cupla în grupe de câte două (la motoare cu 4 cilindri) sau câte trei (la motoare cu 6 cilindri).

Figura 4.3

regulator de presiune

rezervor

pompă de alimentare

injectoare electromagnetice

MOTOR

unitate electronică de comandă

turaţiesarcină

corecţii


74

Informaţiile cu privire la regimul de funcţionare a motorului sunt introduse în blocul electronic de comandă de către întrerupătorul obturatorului 8, întrerupătorul manometric 9, traductorul de presiune 10 şi traductoarele de temperatură 14. Informaţiile cu privire la turaţia motorului sunt transmise blocurilor de comandă prin intermediul frecvenţei impulsurilor de declanşare emise de declanşatorul de impulsuri din distribuitorul 11. În urma prelucrării acestor informaţii, în unitatea electronică de comandă se stabileşte prin comparaţie cu informaţiile memorate, durata de deschidere a injectoarelor electromagnetice şi deci cantitatea de benzină injectată pe ciclu la regimul de funcţionare respectiv. Acest fapt este posibil prin aceea că, pentru orice tip de motor, în unitatea electronică sunt memorate informaţiile cu privire la dependenţa dintre cantitatea de benzină injectată pe ciclu la fiecare regim de funcţionare şi timpul de deschidere a injectorului. Dependenţa se stabileşte anticipat, la standul de probe, folosind unităţi de comandă controlate manual, după criterii cum ar fi: consumul specific efectiv minim, moment motor maxim şi emisii poluante minime. Valorile astfel determinate sunt memorate de unitatea electronică a echipamentului de injecţie sub formă de tabele sau curbe de variaţie a timpului de deschidere a injectorului în funcţie de turaţie şi sarcină (determinată fie prin depresiunea în galeria de admisie, fie prin poziţia unghiulară a obturatorului). În figura 4.5 se prezintă forma acestor curbe de dependenţă.

Figura 4.4

regulator de presiune - 4

rezervor 1

pompă de alimentare - 3

injectoare electromagnetice - 5

MOTOR

unitate electronică de comandă - 12

declanşator de impulsuri

(distribuitor) -11

întrerupător obturator - 8

traductoare de temperatură -14

filtru de aer 6

filtru 2

obturator 7

baterie de acumulatori -13

traductor de presiune - 10

întrerupător manomertic - 9

galerie de admisie


75

Din forma acestor curbe rezultă că traductoarele utilizate trebuie să fie de o precizie deosebită.

Pentru regimurile de funcţionare care nu pot fi cuprinse în caracteristici de tipul celor din figura 4.5, sunt prevăzute anumite dispozitive de corecţie. Astfel, pentru îmbogăţirea amestecului la sarcină plină, se prevede măsurarea depresiunii în galeria de admisie cu ajutorul întrerupătorului manometric 9. Pentru întreruperea alimentării cu benzină la regimurile de funcţionare din zona regimului de mers în gol este introdus întrerupătorul 8. Pentru pornirea motorului la rece se foloseşte un traductor de temperatură care permite corectarea amestecului în sensul îmbogăţirii acestuia. Dezvoltarea în continuare a echipamentelor de injecţie a fost facilitată de dezvoltarea tehnologiilor din domeniul electronicii şi impusă de cerinţele concrete în legătură cu consumul specific efectiv de combustibil şi emisiile poluante din gazele de evacuare cerute de beneficiarii motoarelor echipate cu injecţie electronică de benzină. Au apărut astfel echipamente de injecţie relativ simple, la care formarea amestecului aer-benzină este reunită într-un ansamblu unic, montat pe colectorul de admisie (Mono-Jetronic), dar şi sofisticate, care combină injecţia electronică cu controlul electronic al aprinderii (Motronic).

4.3 SISTEMUL DE ALIMENTARE CU AER

Amestecul ars în motor este format din aer şi benzină. Perfomanţele unui motor vor depinde deci de modul în care sunt controlate cele două componente ale amestecului. În continuare se vor prezenta câteva probleme specifice legate de alimentarea cu aer.

Figura 4.5

1000 2000 3000 4000 5000 0

2

4

6

8

10

n [rot/min]

ti [ms]

1000 2000 3000 4000 5000 0

2

4

6

8

10

n [rot/min]

ti [ms]

sarcină plină

60°

40° 30°

20° 15°10°

α = 82°

3°

sarcină plină

0.920 0.790

∆p [daN/cm2]

0.658

0.526

0.924 0.939 0.971

0.962


76

4.3.1 Filtre de aer

Filtrul de aer ajută la reducerea uzurii motorului prin prevenirea aspirării în motor a aerului încărcat cu praf. Pe drumuri pavate conţinutul mediu de praf este de aproximativ 1 mg/m3, iar pe drumuri nepavate şi în zonele aflate în construcţie poate atinge valori ridicate de până la 40 mg/m3. Aceasta înseamnă că funcţie de condiţiile de drum şi de funcţionare, un motor de capacitate cilindrică medie poate aspira până la 50 g de praf la 1000 km. Pentru autoturisme se folosesc elemente filtrante din hârtie întroduse în corpuri adecvate plasate central sau pe aripă. În afară de filtrarea aerului în admisie, aceste ansambluri sunt folosite pentru preîncălzirea şi reglarea temperaturii aerului şi pentru a atenua zgomotul de admisie. Reglarea temperaturii aerului ajută la un răspuns lin al motorului şi afectează de asemenea compoziţia gazelor de evacuare. Se pot folosi temperaturi diferite ale aerului pentru funcţionare la sarcini parţiale sau la sarcină plină. Admisia de aer cald este plasată în contact cu sistemul de evacuare. Pentru a doza cantitatea de aer cald de la această sursă cu aerul proaspăt mai rece din curentul de admisie se foloseşte un mecanism cu volet. Mecanismul regulator este în mod uzual de tip automat şi este controlat fie de un dispozitiv de acţionare cu vacuum conectat la galeria de admisie, fie de un element cu expansiune. O temperatură controlată a aerului din admisie (şi astfel constantă) contribuie la un management mai bun al benzinei şi îmbunătăţeşte distribuţia amestecului aer-benzină, cu avantaje în ceea ce priveşte puterea, economia de benzină şi noxele de evacuare.

4.3.2 Compresoare de supraalimentare

Procese de supraalimentare. Puterea motorului este direct proporţională cu masa de aer pompată prin el. Masa de aer este la rândul său o funcţie de densitatea sa. Prin urmare este posibil să se crească puterea prin comprimarea aerului de încărcare înainte ca el să intre în cilindru. Factorul de amplificare (boost ratio) reprezintă creşterea densităţii în comparaţie cu motorul cu aspiraţie naturală. Acesta depinde de sistemul folosit (raportul de comprimare obtenabil) şi pentru o creştere specifică dată se obţine un maxim atunci când temperatura aerului comprimat nu creşte sau este adusă la temperatura iniţială folosind răcire intermediară (intercooling). La motoarele cu aprindere prin scânteie, amplificarea maximă este definită de limita de detonaţie a motorului. Din această cauză motoarele cu supraalimentare (cu turbocompresoare) sunt caracterizate de un raport de comprimare (volumetric) mai mic decât motoarele corespunzătoare cu aspiraţie naturală.


77

Răcitoare intermediare (intercoolers). Prin răcirea aerului comprimat se reduce solicitarea termică a motorului, simultan cu reducerea temperaturii gazelor de evacuare, a emisiilor de NOx şi a consumului de benzină. De asemenea creşte rezistenţa la detonaţie a motoarelor cu aprindere prin scânteie. Răcitoarele intermediare pot folosi fie aerul atmosferic, fie lichidul de răcire al motorului pentru a îndepărta căldura din masa de încărcare, funcţie de tipul de proiectare. Răcitoarele intermediare aer - aer sunt cele mai folosite pentru autoturisme şi vehicule comerciale. Supraalimentare dinamică. Cel mai simplu tip de supraalimentare exploatează răspunsul dinamic intrinsec al încărcării admisiei. Următoarele sisteme folosesc aceste caracteristici dinamice în galerii de admisie proiectate pentru a obţine un efect de amplificare în admisie prin: – supraalimentare cu efect de presiune dinamică; – dipozitive cu admisie acordată (rezonanţă). Ambele tipuri pot fi folosite în combinaţie cu galerii de admisie cu configuraţie variabilă, aşa cum se prezintă înfigura 4.6.

Compresoare mecanice. Puterea de antrenare a compresorului mecanic este asigurată de motor prin intermediul unui cuplaj fără alunecare (cuplaj mecanic între motor şi compresor). Compresorul de supraalimentare funcţionează în mod obişnuit la un raport fix referit la turaţia motorului. Pentru un control selectiv al operaţiei de supraalimentare se folosesc adesea ambreiaje mecanice sau electromagnetice. Pentru ca un compresor de supraalimentare să fie potrivit pentru utilizare pe automobil, atunci trebuie să furnizeze aer într-o cantitate caracterizată printr-o relaţie fixă, liniară în raport cu propria viteză de rotaţie. Ca urmare, sunt folosite

Figura 4.6 1 - cameră rezonantă I, 2 - dispozitiv de reglaj, 3 - cameră rezonantă II

1

3 2


78

pompele volumetrice (de refulare) folosind configuraţii cu piston, rotor cu palete sau Roots. Turbocompresoarele centrifugale nu sunt potrivite în aceste aplicaţii. Turbocompresoare cu gaze de evacuare. Turbocompresorul extrage energia de acţionare a compresorului din curentul gazelor de evacuare (cuplaj hidrodinamic între motor şi compresor). Această soluţie exploatează energia de expansiune, care în cazul motorelor cu aspiraţie naturală rămâne neutilizată. În acelaşi timp, turbocompresorul crează o presiune de ieşire mai mare în propria sa sursă de alimentare - gazele de evacuare - atunci când acestea ies din motor. În motoarele actuale cu turbocompresor o turbină antrenată de gazele de evacuare converteşte energia din gazele de evacuare în energie mecanică, făcând posibilă folosirea unui turbocompresor dinamic (rotor cu pale) pentru a comprima aerul din admisie. Supraalimentare cu undă de presiune. În acest caz se foloseşte schimbarea directă de energie între gazele de evacuare şi aerul din admisie pentru a-l comprima pe acesta din urmă (cuplaj fizic şi hidrodinamic). Conceptul exploatează diferenţa între vitezele moleculelor de gaz şi undele de presiune precum şi proprietăţile lor de reflexie. Avantajele de principiu pentru supraalimentarea cu undă de presiune sunt răspunsul rapid pe durata tranziţiilor sarcinii şi rapoartele de compresie ridicate la turaţii reduse ale motorului.

4.3.3 Controlul aerului din admisie

Sistemul electronic de management al motorului monitorizează toate datele de funcţionare esenţiale pentru funcţiile sale primare (formarea amestecului şi aprinderea). Respectivele date sunt disponible pentru integrare în sisteme de control intensificat. Astfel de sisteme asigură exploatarea optimă a dispozitivelor de supraalimentare descrise anterior, în timp ce se realizează şi alte numeroase funcţii. Sisteme ce au fost iniţial independente, cum ar fi injecţia de benzină şi aprinderea, devin componente integrale într-un sistem extins de management al motorului ce asigură nivele de integrare mai înalte ale sistemului. Cele mai importante dintre aceste funcţii integrate vor fi descrise în continuare.

4.3.3.1 Controlul electronic al mersului în gol

Curentul aerului din admisie, factorul excesului de aer λ şi momentul aprinderii afectează turaţia de mers în gol a motorului. Turaţia de mers în gol poate fi reglată prin modificarea cantităţii de aer (modificarea încărcării) şi/sau momentului aprinderii (reglarea aprinderii). Reglarea turaţiei de mers în gol prin modificarea încărcării cilindrilor (controlul mersului în gol, reglarea aerului) este o metodă eficientă şi este acceptată ca standard.


79

Dispozitivele de control sunt proiectate astfel încât să asigure turaţii de mers în gol stabile, de valori minime, pentru a asigura emisii toxice minime şi a intensifica economia de benzină pe toată durata de utilizare a vehiculului (sisteme fără întreţinere). Sensorii monitorizează turaţia motorului, temperatura lichidului de răcire şi poziţia clapetei de acceleraţie. Sistemul poate de asemenea să monitorizeze sarcinile impuse de o serie de dispozitive, cum ar fi transmisia automată, aerul condiţionat, servodirecţia şi influenţele altor mărimi. Se transmite un semnal spre dispozitivul de control al turaţiei de mers în gol, care reglează turaţia de mers în gol la valoarea dorită prin creşterea sau scăderea debitului de aer.

4.3.3.2 Controlul electronic al clapetei de acceleraţie (ETC)

Controlul electronic al clapetei de acceleraţie (ETC = Electronic Throttle Control – "E gas", "drive-by-wire") reprezintă o dezvoltare ce pleacă de la sistemele de antrenare mecanice convenţionale ce folosesc pârghii şi cabluri pentru a controla poziţia clapetei de acceleraţie. Controlul electronic foloseşte o unitate electronică de control şi un motor electric. În acest fel sistemul este capabil să controleze poziţia clapetei de acceleraţie în concordanţă cu o multiudine de parametri funcţionali şi poate de asemenea să asume unele funcţii, cum ar fi reducerea cuplului pentru controlul electronic al tracţiunii (ASR). Un sensor de deplasare urmăreşte poziţia pedalei de acceleraţie şi transmite un semnal corespunzător la unitatea electronică de control. Unitatea electronică de control foloseşte de asemenea şi semnale de la alte surse (de exemplu ASR, managementul motorului) pentru procesarea semnalului de la sensorul de deplasare ca bază pentru semnalul de control al dispozitivului de acţionare a clapetei de acceleraţie. Un potenţiometru amplasat în interiorul dispozitivului de acţionare a clapetei de acceleraţie asigură închiderea buclei de reacţie pentru unitatea electronică de control. În acest fel este posibil să se aplice un control în

Figura 4.7 1-pedală de acceleraţie, 2-sensor de poziţie clapetă de acceleraţie, 3-unitate electronică

de control cu: 3a-microcomputer, 3b-magistrală, 4-dispozitiv de acţionare clapetă


80

buclă închisă al poziţiei pentru a asigura un reglaj de precizie al unghiului clapetei de acceleraţie (figura 4.7). Unitatea electronică de control supraveghează în permanenţă toate componentele pentru a se asigura că sistemul funcţionează corect. Se folosesc sensori duali şi două circuite de procesare. Redundanţa sistemului facilitează comparaţii ale semnalelor necesare pentru verificări suplimentare ale sistemului. În completarea acestor sisteme la care legătura între pedala de acceleraţie şi dispozitivul de acţionare este exclusiv electrică, există de asemenea configuraţii în care este prevăzut un element de antrenare suplimentar (cum ar fi un cablu) ca mecanism de rezervă, ceea ce permite funcţionarea vehiculului în ipoteza în care un defect ar decupla dispozitivul de antrenare. Intrucât controlează în mod electronic clapeta de acceleraţie, sistemul (ETC) poate să preia diferite alte funcţii ce îmbunătăţesc siguranţa în conducere, comoditatea şi asigură o eficienţă mai mare pentru managementul motorului. Elementele de siguranţă includ atât sistemul ASR (controlul tracţiunii) cât şi controlul cuplului de frânare (MSR), ce folosesc deschideri programate ale clapetei de acceleraţie pentru a reduce frâna de motor la nivele necritice şi a preveni astfel pierderea tracţiunii pe roţile de antrenare. Elementele de confort şi comoditate se referă la controlul regimului de croazieră şi la opţiunea de a utiliza sistemul ETC pentru un răspuns tranzitoriu mai lin pe durata acceleraţiilor şi deceleraţiilor bruşte.

4.3.3.3 Controlul electronic al amplificării presiunii

Turbocompresoarele trebuie să atingă presiunile amplificate specificate, dar în acelaşi timp trebuie să asigure un răspuns bun (creşterea presiunii) la turaţii reduse ale motorului. Obiectivele proiectării sunt amplificare mare la turaţii reduse, caracteristici de presiune – şi în acest fel şi de cuplu – echilibrate la toate turaţiile şi poziţiile pedalei de acceleraţie şi nivele optime ale eficienţei volumetrice. Capacitatea turbocompresorului cu regulator mecanic de a realiza aceste obiective este limitată. În schimb, un mecanism electronic cu poartă de descărcare, împreună cu turbocompresorul corespunzător, îmbină o curbă de amplificare virtual optimă, extinsă în întreg domeniul de funcţionare a motorului, cu un răspuns tranzitoriu bun. Datele privind amplificarea presiunii pentru toate valorile de turaţie şi sarcină ale motorului sunt stocate sub formă de cartograme. Informaţia despre sarcină poate proveni de la depresiunea din galeria de admisie sau de la debitmetrul (eventual masic) de aer din admisie. Pentru a asigura o funcţionare eficientă fără probleme, dispozitivul de control al amplificării presiunii funcţionează întotdeauna în tandem cu un sistem de control al detonaţiei. Acesta permite motorului să funcţioneze cu valoarea maximă a


81

avansului la aprindere, rămânând în acelaşi timp imun la defectele provocate de detonaţie. (figura 4.8). Dacă sistemul determină că o reducere excesivă a avansului ameninţă turbocompresorul, el răspunde mai întâi prin îmbogăţirea amestecului aer-benzină pentru a proteja turbocompresorul de valori excesive ale temperaturii gazelor de evacuare. Dacă aceste măsuri se dovedesc a fi insuficiente, sistemul reduce amplificarea de presiune.

4.3.3.4 Recircularea gazelor de evacuare (EGR)

Recircularea gazelor de evacuare (EGR = Exhaust Gas Recirculation) asigură un mijloc eficient de reducere a emisiilor de oxizi de azot. Sistemul adaugă gaze de

Figura 4.8 1-admisie de aer, 2-compresor, 3-turbină, 4-la sistemul de evacuare, 5-valvă cu poartă de

scăpare, 6-clapetă de acceleraţie, 7-potenţiometrul clapetei de acceleraţie, 8-sensor de temperatură, 9-sensor detonaţie, 10-valvă de controEGRl, 11-unitate electronică de control p1- presiunea înaintea compresorului, p2-presiunea amplificată, p'2-presiunea în galeria de admisie, p3-presiunea gazelor de evacuare, SK-semnal sensor detonaţie, SR-semnal turaţie,

TL-temperatura aerului comprimat, VA-debit volumetric gaze de evacuare, VT-debit volumetric prin turbină, VW-debit volumetric prin poarta de scăpare, αD-unghi clapetă de

acceleraţie, αZ-unghi de avans la aprindere

VA

1

7

VT

8

11

3

2

4

5

6

VW

10

p1

VA

p2

p3

p '2

9


82

evacuare (arse) în amestecul proaspăt aer-benzină cu scopul de a reduce temperaturile de vârf din timpul arderii. În acest fel se reduc emisiile de oxizi de azot legate de temperaturile ridicate. O anumită proporţie de gaze de evacuare este recirculată "intern" în timpul suprapunerii deschiderii ("încrucişării") supapelor de admisie şi de evacuare. Aceasta este o particularitate inerentă de proiectare a tuturor motoarelor cu ardere internă. O anumită cantitate reziduală de gaze de evacuare – dependentă de gradul de suprapunere – este reintrodusă în cilindru împreună cu amestecul aer-benzină proaspăt. La motoarele cu distribuţie variabilă este teoretic posibil să se influenţeze emisiile de NOx prin modificarea ratei de recirculare internă a gazelor de evacuare. În mod virtual toate sistemele EGR utilizate pe automobilele contemporane funcţionează pe principiul recirculării "externe" a gazelor de evacuare. O anumită proporţie din gazele de evacuare ale motorului este extrasă şi transmisă înapoi în amestecul proaspăt aer-benzină prin intermediul unei valve de control. Recircularea gazelor de evacuare este în general controlată de un sistem pneumatic sau mecanic proiectat pentru a doza gazele de evacuare în concordanţă cu anumiţi factori cum ar fi turaţia motorului, presiunea din galeria de admisie şi temperatura motorului. Pentru a activa valva EGR, în unele sisteme, unitatea electronică de control foloseşte un traductor electro-pneumatic. Sistemul EGR poate fi folosit pentru a reduce emisiile de NOx cu până la 40%. Creşterea emisiilor de hidrocarburi nearse împreună cu o funcţionare brutală a motorului impun o limită superioară a ratei de recirculare. În acest fel sistemul EGR este decuplat la mers în gol, când oricum nivelul emisiilor de NOx este nesemnificativ. Recircularea gazelor de evacuare este în general activată pe timpul funcţionării la sarcini parţiale, unde sistemul este foarte eficient. Condiţiile nefavorabile de presiune limitează aplicarea EGR la sarcini extreme.

4.3.3.5 Controlul emisiilor de vapori

Intrucât benzina din rezervor se evaporă, în atmosferă scapă hidrocarburi. Intensitatea procesului creşte cu temperatura. Armonizarea cu reglementările oficiale privind emisiile de vapori se realizează prin instalarea canistrelor cu carbon activ care să stocheze vaporii emanaţi din rezervor. Rezervorul este ventilat în mod exclusiv numai pe circuitul canistrei. Totuşi, volumul limitat de acumulare impune o regenerare continuă a cărbunelui. Cu motorul în funcţiune, aerul este absorbit prin cărbunele canistrei, ceea ce antrenează benzina care va fi folosită pentru ardere în motor. Pentru a asigura o funcţionare lină şi a respecta reglementările privind noxele de evacuare, sistemul


83

de management al motorului controlează rata de recirculare folosind o aşa-numită valvă de purjare a canistrei.

4.3.3.6 Galerie de admisie cu lungime variabilă

Curba de cuplu pentru orice motor este proporţională cu masa de aer indusă funcţie de turaţie. Modificările proiectării în ceea ce priveşte configuraţia galeriei de admisie reprezintă o cale de a influenţa cuplul. În mod particular, injecţia de benzină multipunct asigură o mare libertate pentru aplicarea acestui concept. Galeriile de admisie standard constau din canale de alimentare individuale (reglare în lungime) combinate cu camere de distribuţie a aerului şi clapete de acceleraţie (reglare în volum). O curbă de cuplu virtual ideală poate fi obţinută folosind o galerie de admisie cu lungime variabilă. Un astfel de dispozitiv poate reacţiona la factorul de sarcină a motorului, turaţie şi deschiderea clapetei de acceleraţie pentru a asigura următoarele opţiuni: – reglare infinit variabilă a lungimii canalelor de admisie, – capacitate de a comuta între diferite lungimi ale canalelor de admisie, – capacitate de a comuta între diferite diametre ale canalelor de admisie, – capacitate de a dezactiva un singur canal pe cilindru în canale cu căi multiple, – capacitate de a regla volumul camerei de distribuţie. Aceste opţiuni arată că galeria de admisie cu lungime variabilă poate fi folosită pentru a îmbunătăţi funcţionarea dinamică sau pentru a reduce consumul de benzină fără nici un sacrificiu în ceea ce priveşte răspunsul.

4.3 COMPONENTE ALE SISTEMULUI DE ALIMENTARE CU BENZINĂ

Asigurarea alimentării de benzină într-un sistem de injecţie electronică este funcţia subsistemului de alimentare cu benzină. Acesta este format din: pompa electrică de benzină, filtru de benzină, rampă, regulator de presiune, amortizor hidraulic de pulsaţii şi injectoare electromagnetice. Pompa de benzină, de tip cu role, furnizează benzina adusă din rezervor prin filtru într-o conductă de distribuţie la o presiune de 2 … 2,5 bari. Rampa asigură (prin efect de acumulator) alimentarea în mod egal a injectoarelor electromagnetice. La capătul din amonte al rampei se găseşte regulatorul de presiune ce menţine constantă diferenţa dintre presiunea benzinei şi presiunea din galeria de admisie. Surplusul este transmis înapoi în rezervor printr-un amortizor de pulsaţii. Prin curgerea uniformă, liniştită, a benzinei, aceasta este oricând


84

utilizabilă în sistem, fiind prevenită formarea bulelor de vapori, ceea ce asigură o pornire bună la cald a motorului. O schemă simplificată a sistemului de alimentare cu benzină este prezentată în figura 4.9.

Pompa de benzină este de tip cu role, cu antrenare electrică. Pompa şi motorul de antrenare sunt încapsulate într-o carcasă unică, astfel încât benzina asigură răcirea electromotorului. Schema, într-o secţiune longitudinală a pompei, este prezentată în figura 4.10. Întotdeauna pompa furnizează mai multă benzină decât are nevoie motorul, astfel încât, pentru toate regimurile de funcţionare se asigură o presiune suficientă în sistemul de alimentare. Pompa cu role, aşa cum rezultă din figura 4.11, constă dintr-o cameră cilindrică şi în care se găseşte un rotor plan excentric. Pe periferia rotorului sunt prevăzute degajări ce permit antrenarea rolelor. Forţa centrifugă presează rolele spre exterior; acestea funcţionează ca o membrană ce se rostogoleşte. Pomparea are loc întrucât rotorul excentric cu role formează periodic un volum mărit la intrare şi un volum descrescător la ieşire. După pornirea motorului, pompa funcţionează atât timp cât contactul este pus. Un circuit de

Figura 4.9 1-rezervor de benzină, 2-pompă electrică de benzină, 3-filtru de benzină, 4-rampă de

carburant, 5-injector de benzină, 6- regulator de presiune


85

siguranţă opreşte pomparea benzinei când aprinderea este conectată dar motorul nu se roteşte. În acest mod se limitează riscurile de incendiu, de exemplu în cazul unui accident. Pompa este realizată în construcţie etanşă, de tipul fără întreţinere.

Filtrul de benzină reţine toate impurităţile ce pot exista în benzină, înainte ca acestea să ajungă la injectoare. Având în vedere fineţea constructivă a injectoarelor, filtrarea de înaltă calitate a benzinei este o operaţiune esenţială, ce evită decalibrarea dozajelor. Din acest motiv, filtrul este realizat în principal cu

Figura 4.10 1-conducta de absorbţie, 2-limitator de presiune, 3-pompa cu role, 4-motor electric de

antrenare, 5-supapă de siguranţă, 6-ieşire de presiune

Figura 4.11 1 – intrare; 2 – placa rotorului; 3 – rolă; 4 – canalul rolei; 5 – ieşire (de presiune)

2 3 4

1 5

2 3 4 5

1 6


86

hârtie micrometrică cu pori de 10 μm. Durata de utilizare a unui filtru depinde de gradul de impurificare a benzinei. Rampa de benzină asigură alimentarea injectoarelor cu cantităţi egale de benzină. De asemenea serveşte ca acumulator: în comparaţie cu cantitatea de benzină injectată pentru un ciclu motor, volumul rampei este suficient de mare pentru a suprima fluctuaţiile de presiune. În acest mod injectoarele ce comunică cu rampa sunt sub o presiune de benzină constantă. Suplimentar, printr-o construcţie adecvată, rampa permite montarea şi demontarea simplă a injectoarelor. Regulatorul de presiune menţine constantă presiunea diferenţială dintre benzină şi presiunea din galeria de admisie. În acest mod, cantitatea de benzină furnizată de injectoarele electromagnetice este determinată numai de timpul de deschidere a injectoarelor. Principiul de funcţionare rezultă din figura 4.12.

Regulatorul de presiune este de tip cu membrană, fiind construit dintr-o carcasă (capsulă metalică), despărţită în două părţi de o membrană (5), formându-se astfel o cameră pentru benzină şi una pentru arcul ce pretensionează membrana (6). Presiunea ce poate fi controlată ajunge la valori de 2,5 … 3 bari. Când presiunea fixată este depăşită, se deschide o supapă (3), antrenată de membrană, surplusul de benzină fiind transmis printr-un retur (2), înapoi în rezervorul de benzină. Camera cu arcul de pretensionare este conectată printr-un tub la galeria de admisie, racordul fiind realizat într-un punct situat după clapeta de acceleraţie. În acest mod, presiunea de alimentare cu benzină este dependentă de presiunea absolută din galeria de admisie, astfel încât căderea de presiune pe injectoare se menţine constantă pentru orice poziţie a obturatorului.

Injectoarele electromagnetice, controlate electronic, pulverizează benzina dozată cu precizie în poarta supapelor de admisie. Se foloseşte câte un injector pentru fiecare cilindru (pentru injecţia multipunct) sau un injector unic (pentru injecţia monopunct). În figura 4.13 se prezintă structura unui injector de tipul celor folosite în sistemele de injecţie multipunct.

Figura 4.12 1 – intrare benzină; 2 – racord retur;

3– supapă (cu bilă); 4 – scaun supapă; 5 – membrană; 6 – arc;

7 –racord la galeria de admisie

3

4

5

6

7

1

2


87

Supapele injectoarelor sunt deschise şi închise în mod electromagnetic, cu impulsuri electrice furnizate de unitatea electronică de control. Funcţie de modul de conectare, injectoarele furnizează benzina în mod simultan, o dată sau de două ori pe un ciclu complet. Cu supapa de admisie închisă, benzina este temporar stocată lângă injector. Când supapa se deschide, benzina este absorbită împreună cu aerul în interiorul cilindrului. Microcomputerul unităţii electronice de control calculează timpul de injecţie funcţie de condiţiile de funcţionare ale motorului. Injectorul constă dintr-un corp şi un ac antrenat de o armătură electromagnetică. Corpul conţine înfăşurarea electromag-netului şi ghidajul acului. Atât timp cât nu se alimentează înfăşurarea, acul este împins pe scaunul supapei de un arc spiral. Când înfăşurarea este alimentată, acul se ridică cu aproximativ 0,1 mm, ceea ce permite benzinei să treacă printr-o deschidere inelară calibrată. Capătul acului are o zonă lustruită profilată ce pulverizează benzina. Timpii de deschidere şi de revenire pentru supapă au valorile tipice de 1 … 1,5 ms. Montarea injectoarelor în ghidaje se face cu garnituri de cauciuc ce asigură izolare termică, împiedicându-se astfel formarea bulelor de vapori de benzină în interiorul lor. Aceasta contribuie la o pornire satisfăcătoare cu motor cald. Garniturile din cauciuc asigură de asemenea şi protecţia împotriva vibraţiilor. Racordarea injectoarelor la rampa de alimentare se face cu ajutorul unor cuplaje cu siguranţe şi garnituri O-ring. Amestecul aer-benzină se formează în poarta supapei de admisie şi în interiorul cilindrului. Injectorul electromagnetic pulverizează benzina în cantităţi precise,

Figura 4.13

1 – filtru; 2 – conexiune electrică; 3 – arc spiral; 4 – înfăşurare electromagnet;

5 –corp; 6 – duză; 7 – garnitură O-ring; 8 – ac; 9 – corp supapă; 10 – armătură

mobilă

1

2

3

6

4

5

7

10

9

8


88

calculate de microcomputer, în partea superioară a curentului din poarta supapei de admisie. Când supapa de admisie se deschide, benzina pulverizată este antrenată în interiorul cilindrului. Turbulenţa de pe durata admisiei şi compresiei ajută la vaporizarea benzinei şi la formarea unui amestec omogen aer-benzină, cu bune caracteristici de aprindere.

Amortizorul de pulsaţii previne apariţia pulsaţiilor presiunii benzinei în circuitul hidraulic al injectoarelor electromagnetice. Principiul de funcţionare rezultă din figura 4.8. Amortizorul de pulsaţii se montează pe returul de benzină, între regulatorul de presiune şi rezervor. Constructiv este similar cu regulatorul de presiune, dar fără conexiunea la galeria de admisie. El reduce fluctuaţiile de presiune, suprimând zgomotul provenit din variaţiile normale de presiune cauzate de deschiderea injectoarelor sau de funcţionarea regulatorului de presiune.

4.4 DOZAREA BENZINEI

Măsurarea debitului de aer este o problemă esenţială a sistemului de injecţie electronică. Cantitatea de aer absorbită de motor este o măsură exactă a sarcinii la care funcţionează acesta. Pe baza cantităţii de aer măsurate şi a turaţiei motorului, microcomputerul stabileşte punctul optim de aprindere şi timpul de injecţie corespunzător. Ca şi în cazul avansului la aprindere, se face o ajustare a timpului de injecţie, funcţie de condiţiile de lucru ale motorului. Întrucât aerul trebuie să treacă mai întâi prin traductorul de debit, înainte de a ajunge la motor, semnalul despre sarcină precede umplerea cilindrului respectiv. În acest mod se asigură formarea amestecurilor corecte pe durata tranziţiilor (la schimbarea sarcinii). Traductorul debitului de aer funcţionează pe principiul voletului, măsurând debitul total de aer cu mare precizie şi furnizând unităţii de control semnalul despre

Figura 4.14 1 - racord benzină; 2 – şurub de fixare; 3 – membrană; 4 – arc spiral; 5 – corp;

6 – şurub de reglaj

2

1

5

1

3

6

4


89

cantitatea de aer pe unitatea de timp. În figura 4.15 se prezintă schema de principiu a traductorului debitului de aer. Principiul de funcţionare este măsurarea forţei exercitate asupra voletului traductorului de către aerul ce trece prin traductor. Contraforţa necesară pe volet este exercitată de un arc spiral (calibrat). Pentru un anumit debit voletul este deviat cu un anumit unghi. Cu creştrea unghiului, secţiunea efectivă de curgere a aerului creşte. Pentru a minimiza influenţa asupra voletului a fluctuaţiilor provocate de timpii de admisie de pe fiecare cilindru, este prevăzut un volet de compensare, cuplat rigid cu voletul-sensor. Fluctuaţiile afectează voletul de compensare în mod egal, dar în sens contrar, astfel încât efectul acestora se anulează şi la ieşire nu mai afectează măsurarea debitului. Voletul-sensor antrenează cursorul unui potenţiometru ce transformă unghiul de rotaţie α al voletului într-o tensiune de semnal corespunzătoare Us, semnalul astfel obţinut fiind transmis unităţii de control. Potenţiometrul este format din opt segmente rezistive de valoare mare. Cursorul şi rezistenţele sunt calibrate astfel încât Us creşte cu creşterea unghiului de rotaţie a voletului. Potenţiometrul este de tip cu peliculă groasă, pe suport ceramic. Rezistenţele şi niturile de contact sunt realizate din materiale extrem de rezistente la uzură. Potenţiometrul este proiectat astfel încât să se obţină o dependenţă liniară între cantitatea de carburant furnizată şi tensiunea de pe cursor. Temperaturile ridicate şi modificările bruşte ce apar în compartimentul motorului nu afectează acurateţea măsurării debitului de aer întrucât, prin intermediul tensiunii Us, unitatea de control evaluează numai rapoartele de rezistenţe (practic neafectate de condiţiile menţionate). Unitatea de control comută pe alimentare pompa de benzină prin intermediul unui releu extern. Din raţiuni de siguranţă, nici o cantitate de benzină nu este pompată când motorul este oprit şi sistemul de aprindere activat. În sistemele recente de management al motorului se foloseşte din ce în ce mai mult măsurarea debitului masic de aer. Debitmetrele masice de aer bazate pe efect termic reprezintă o abordare favorabilă a problemei măsurării debitului de aer şi sunt folosite în soluţiile de control bazate pe măsurarea directă a masei de aer din

Figura 4.15 1 – şurub de reglare a amestecului la mers în gol; 2 – by-pass; 3 – volet; 4 – volet de

compensare; 5 – volum de amortizare

1 2 3

5

4


90

circuitul de admisie. Funcţie de detaliile de proiectare, ele asigură o măsurare aproape directă a debitului de aer, ceea ce simplifică strategia de control al motorului. Principiul fizic de funcţionare se bazează pe ideea îndepărtării prin convecţie a căldurii de pe suprafaţa încălzită (fir, peliculă) de către curentul de aer. Cantitatea de căldură îndepărtată este măsurată de către circuitul electronic şi este proporţională cu debitul masic de aer, aşa cum rezultă din următoarea relaţie, aplicabilă în cazul debitmetrului masic cu fir cald:

])2([ 2/1mavt QdCCTP

unde: ΔP – modificarea puterii electrice pentru o valoare dată a debitului de aer; ΔT – diferenţa de temperatură între aer şi sensor; Ct – conductivitatea termică a aerului; d – diametrul firului cald; Cv – capacitatea termică a aerului; Qma – debitul masic de aer. Se observă faptul că primul termen al ecuaţiei nu este proporţional cu valoarea debitului. Aceasta impune, pentru o măsurare precisă a debitului masic, fie o modelare corespunzătoare care să permită îndepărtarea respectivului termen, fie o minimizare a efectului modificării temperaturii aerului ambiant. Circuitele de control pot în principiu să funcţioneze pentru a asigura putere constantă elementului încălzit sau pentru a menţine o diferenţă de temperatură constantă între elementul încălzit şi mediul ambiant. O primă variantă este debitmetrul de aer cu fir cald. Sturctura acestui tip de debitmetru se poate urmări în figura 4.16. În interiorul unui tub Venturi este plasat un fir din platină cu o grosime de numai 70 μm. Tubul Venturi de măsurare constă din două jumătăţi din plastic. Pe aceste jumătăţi sunt montate inelul de fixare al firului cald, rezistorul de precizie şi sensorul de temperatură. Partea electronică este plasată în interiorul corpului. Circuitul hibrid cuprinde o parte din rezistorii punţii de măsurare, precum şi circuitul de control al auto-curăţirii. În proiectare s-a folosit sistemul modular, astfel încât componentele sunt asociate în grupuri funcţionale. Debitmetrul masic de aer cu fir cald funcţionează pe principiul ”temperatură constantă”. Firul cald este unul din braţele circuitului în punte (figura 4.17). Tensiunea pe diagonala punţii este menţinută la zero prin modificarea curentului de încălzire. Pe măsură ce debitul de aer creşte, firul se răceşte şi valoarea rezistenţei


91

firului cald scade. Aceasta modifică relaţia de tensiune din punte. Circuitul de control corectează imediat această situaţie prin creşterea curentului de încălzire. Creşterea curentului se produce astfel încât firul cald revine din nou la temperatura iniţială. Aceasta asigură o relaţie bine definită între debitul masic de aer şi curentul de încălzire: curentul de încălzire este o măsură a masei de aer absorbită de motor.

Reglajul de menţinere la temperatură constantă a firului cald este foarte rapid. Datorită masei reduse a firului, rezultă constante de timp de câteva milisecunde. Această caracteristică asigură un avantaj major: în eventualitatea unor pulsaţii ale aerului (pe timpul funcţionării la sarcină plină), se măsoară valoarea reală a masei de aer, astfel că se evită erori de tipul celor care apar la debitmetrul cu volet. Eroarea de măsurare se produce numai dacă apre debit invers. Situaţia se constată la turaţii reduse şi clapeta de acceleraţie complet deschisă. Totuşi, această eroare poate fi compensată folosind mijloace electronice.

Figura 4.16 1 – placă de circuit imprimat; 2 – circuit hibrid; 3 – tub Venturi interior; 4 – rezistor de

precizie; 5 – elementul cu fir cald; 6 – rezistorul de compensare temperatură; 7 – dispozitiv de protecţie; 8 – corp

1

2

3

7

8 7

4

6

5


92

Curentul prin firul cald este măsurat prin intermediul căderii de tensiune pe un rezistor de precizie.

Valorile rezistenţei firului cald şi a rezistorului de precizie sunt alese prin proiectare astel încât curentul de încălzire variază în domeniul 500 la 1200 mA, funcţie de valoarea debitului de aer. Pe celălat braţ al punţii, curentul reprezintă numai o fracţiune a curentului de încălzire, întrucât aici se folosesc rezistori de valori ridicate. La fel se întâmplă şi cu rezistorul de compensare a temperaturii care are o rezistenţă în jur de 500 ohmi. Rezistorul de compensare trebuie să-şi păstreze valoarea constantă, să fie rezistent la coroziune şi să prezinte răspuns rapid. Pe baza acestor cerinţe, s-a adoptat soluţia unui rezistor cu peliculă de platină. Efectul de compensare poate fi ajustat cu ajutorul rezistorului serie R1 (figura 4.17). Sensorul de temperatură este necesar pentru a compensa

temperatura aerului din admisie. Compensarea trebuie să se producă rapid, întrucât efectul temperaturii este pronunţat. Experimentele au arătat că este necesară o constantă de timp de 3 ms sau mai mică pentru a asigura o dependenţă corectă între semnalul de ieşire al sensorului şi temperatura aerului din admisie. Acest lucru se poate obţine datorită masei reduse a sensorului şi a conexiunilor. Întrucât semnalul de ieşire se poate modifica dacă suprafaţa firului cald se murdăreşte, firul cald este încălzit la o temperatură ridicată timp de 1 secundă de fiecare dată când motorul se opreşte. Prin această acţiune se arde orice impuritate depusă pe firul cald. O altă variantă de debitmetru masic, bazat pe acelaşi principiu, foloseşte ca element sensibil o peliculă încălzită. Structura debitmetrului masic cu peliculă caldă este prezentată în figura 4.18, iar în figura 4.19 se detaliază modul de realizare a sensorului. În această abordare elementul sensibil este realizat cu peliculă din platină depusă pe un corp de încălzire. Sensorul se găseşte împreună cu celalte

Figura 4.17 RH – fir cald; RK – sensor compensare

temperatură; R1, R2 – rezistoare de valori mari; R3 – rezistor de precizie; UM – tensiune de semnal pentru debitul de aer; IH – curent de

încălzire; tL – temperatură aer; Qma – masa de aer pe unitatea de timp (debit masic)

amplificator

R2

R1

RK

R3

RH

UM

tL

IH

Qma Qma


93

componente ale punţii pe o placă suport din ceramică. Separarea sensorului pentru debitul masic de elementul de încălzire avantajoasă din punctul de vedere al răspunsului sistemului de reglaj.

Modul de conctare a diferitelor componente în sistemul de măsurare este prezentat în figura 4.20. Elementul de încălzire şi sensorul pentru temperatura aerului din admisie sunt separate din punct de vedere termic cu ajutorul degajărilor din substratul ceramic (cum se poate observa şi în figura 4.19). Întreg circuitul electronic se găseşte pe acelaşi substrat. Tensiunea pe elementul de încălzire este o mărime proporţională cu debitul masic de aer. Aceasta va fi folosită de circuitul electronic pentru a obţine semnalulul de tensiune necesar în sistemul de control.

Figura 4.18 a) carcasă; b) sensor cu peliculă încălzită. 1 – corp rece; 2 –gel protector ; 3 – suport;

4 – circuit hibrid, 5 – sensor.

Figura 4.19 1 – substrat ceramic; 2 – degajare.

RK – sensor compensare temperatură; R1 – rezistenţă din punte; RH – rezistenţă

de încălzire; RS – rezistenţă sensor.

5

a

b

2

1 3

5

4

2

1

RK RH

RSR1


94

Sensorul de acest tip nu necesită curăţirea suprafeţei peliculei din platină prin supraîncălzire (ardere - cum se procedează la debitmetrul masic cu fir cald). Acest fapt se explică prin aceea că murdăria se depune în principal pe faţa expusă curentului de aer. Cum substratul ceramic este relativ subţire şi se plasează cu faţa pe care sunt depuse rezistenţele paralel cu curentul de aer, cea mai expusă la murdărire este suprafaţa laterală cea mai îngustă (pe care oricum nu există elemente active pentru procesul de măsurare). De asemenea spre partea de intrare a aerului în debitmetru se plasează zona pe care este depus sensorul pentru compensarea temperaturii aerului, în timp ce elementul sensibil cu peliculă din platină este în partea opusă, aşa cum se poate observa şi din figura 4.19, ceea ce face ca pericolul de contaminare să fie şi mai redus. Al doilea semnal important pentru dozarea benzinei este cel despre turaţia motorului. Întrucât benzina este dozată în mod discontinuu, pe fiecare ciclu de bază, turaţia motorului trebuie măsurată în concordanţă cu măsurarea debitului de aer. În acest fel microcomputerul calculează cantitatea de aer pentru o cursă a pistonului sau pe unitatea de timp. Traductorul de turaţie este de tipul celui folosit pentru controlul aprinderii. Procesarea semnalelor este realizată de microcomputerul unităţii de control. Acesta calculează durata injecţiei pe baza informaţiilor despre debitul de aer şi turaţie, cu luarea în considerare şi a factorilor de mediu. Semnalele obţinute controlează etajul final pentru comanda injectoarelor electromagnetice.

Figura 4.20 RK – sensor compensare temperatură; RH – rezistenţă de încălzire; R1, R2, R3 –

rezistoare din punte; UM – tensiune de semnal pentru debitul de aer; IH – curent de încălzire; tL – temperatură aer; Qma – masa de aer pe unitatea de timp (debit masic)

Q ma

R1

RK

tL

RS

R2 R3

RH

IH

UM


95

Pentru calculul timpului de injecţie se folosesc ca bază semnalele despre cantitatea de aer şi turaţia motorului, ce dau o măsură a sarcinii motorului (cantitatea de aer absorbită pe ciclu). În concordanţă cu condiţiile de funcţionare, factorii de corecţie afectează valoarea timpului de injecţie. În mod suplimentar se utilizează o corecţie de tensiune pentru a compensa efectele variaţiilor tensiunii de la baterie asupra timpilor de deschidere a injectoarelor electromagnetice. Principalele elemente ce concură la realizarea dozării benzinei rezultă şi din figura 4.21.

Datorită presiunii diferenţiale dintre presiunea benzinei şi cea din galeria de admisie menţinută constantă, timpul efectiv de injecţie multiplicat cu constanta injectorului constituie o măsură a cantităţii de benzină injectată pe ciclu (constanta injectorului este o mărime ce ia în considerare efectele hidrodinamice de curgere a benzinei prin injectorul electromagnetic). Timpul efectiv de injecţie este definit ca fiind timpul ce se obţine prin scăderea timpilor de deschidere şi de închidere ai injectorului din timpul total de comandă (durata impulsurilor electrice aplicate înfăşurării electromagnetice). Modul de determinare a factorilor de corecţie rezultă din figura 4.22. Semnalul de sarcină, “cantitate de aer pe ciclu” este calculat, aşă după cum s-a văzut, pornind de la semnalele debit de aer şi turaţie motor. Semnalul, la debitmetrul cu volet, nu este însă întotdeauna strict proporţional cu cantitatea de aer. Abaterile rezultă din variaţiile sistemului, cum ar fi cantităţile pulsatorii de aer şi diferitele densităţi ale aerului. Influenţa pulsaţiilor determinate de frecvenţa de

Figura 4.21

valori măsurate traductoare elemente de execuţie

alimentare cu benzină

procesare semnal

injectoare electromagnetice

la motor

debitmetru aer

filtru

traductor turaţie

întrerupător clapetă

temperatură motor

temperatură lichid de răcire

debit aer

turaţie motor

mers în gol până la sarcină plină

temperatură motor

temperatură lichid de răcire

tensiune baterie

semnal pornire

rezervor

pompă

regulator presiune


96

pompare a fiecărui piston justifică ajustarea într-o oarecare măsură a cartogramei Lambda .

Variaţiile de densitate ale aerului sunt compensate de către microcomputer cu ajutorul unui factor de corecţie dependent de temperatura aerului în admisie şi, dacă este cazul, şi de presiunea absolută a aerului (corecţie altimetrică). În figura 4.22 se ilustrează procesul de calcul pentru timpul de injecţie. Se indică funcţiile speciale corespunzătoare diferitelor regimuri de funcţionare. În mod independent de valorile calculate, timpul de injecţie are atât limite inferioare cât şi superioare. Sub o valoare minimă a timpului de injecţie nu se mai poate forma amestec carburant. Limita inferioară evită prezenţa hidrocarburilor nearse în evacuare. Valori mai mari decât limita superioară pot rezulta la scurtcircuitarea potenţiometrului debitmetrului de aer, cum ar fi în situaţia acţionării bruşte a pedalei de acceleraţie, ceea ce poate determina o supraîncălzire a amestecului.

Figura 4.22

decelerare (mers în gol

forţat)

DA

start

depăşire turaţie maximă motor

factor de corecţie global

corecţie antidetonaţie (dacă este necesar)

suprimare injecţie (nu se injectează benzină)

limitare turaţie motor (suprimă injecţia)

corecţie după tensiuneade alimentare

timp de injecţie

îmbogăţire la pornire

NU

DA

NU

DA

NU


97

Valoarea superioară este fixată la un nivel corespunzător funcţie de temperatura motorului. Cel mai bun reglaj posibil al raportului de amestec aer-benzină, pentru orice condiţie de funcţionare se realizează cu ajutorul unei cartograme Lambda, în unitatea electronică de control. Cartograma Lambda este memorată în secţiunea digitală a unităţii de control. O asemenea cartogramă este mai întâi determinată prin probe de stand cu frâna (dinamometrică), apoi optimizată din criterii de economie de benzină, emisii poluante minime şi motricitate optimă. Cu ajutorul cartogramei Lambda este posibilă reglarea dozajului aer-benzină pentru toate condiţiile de funcţionare în concordanţă cu următoarele criterii: – consum minim de benzină; – emisii poluante reduse; – motricitate bună; – putere. Se poate nota faptul că determinarea unui punct particular de funcţionare nu are nici o influenţă asupra altor puncte. Astfel în situaţia clapetă de acceleraţie complet deschisă raportul aer-benzină este controlat pentru întreg domeniul de turaţii după criteriul cuplului maxim, ceea ce corespunde unui coeficient de exces de aer λ = 0,85 … 0,95, cu evitarea detonaţiei. Identificarea acestei situaţii de funcţionare se realizează cu ajutorul întrerupătorului clapetei de acceleraţie. La sarcini parţiale, unitatea electronică reglează dozajul pentru a asigura un consum minim de benzină şi emisii poluante cât mai reduse. Pentru mersul în gol, prioritatea este acordată funcţionării fără şocuri (mers “rotund”). Suplimentar, cu ajutorul cartogramei Lambda, abaterile de la traductorul debitului de aer pot fi compensate cu precizie în punctul de pe cartogramă unde aceste abateri apar, fără a influenţa alte puncte de funcţionare.

4.5 ADAPTAREA LA CONDIŢIILE DE FUNCŢIONARE

Controlul dozajului trebuie adaptat la condiţiile concrete de funcţionare. Astfel, în cazul pornirii la rece se injectează o cantitate suplimentară de benzină pentru o perioadă limitată de timp, dependentă de temperatura motorului. Timpul de injecţie se modifică în mod corespunzător. Pe durata pornirii la rece, amestecul aer-benzină devine sărac datorită amestecului slab al picăturilor de benzină cu aerul la turaţii mici şi temperaturi reduse ale motorului, minimei evaporări şi considerabilei udări cu benzină a pereţilor galeriei de admisie şi a cilindrilor.


98

Pentru a compensa aceste fenomene şi a facilita pornirea la rece a motorului, trebuie furnizată o cantitate suplimentară de benzină şi corectat momentul aprinderii. Datorită variaţiilor rapide ale turaţiei pe perioada pornirii, ce determină lipsa de acurateţe la măsurarea debitului de aer, unitatea electronică de control furnizează pe această perioadă un semnal fix de sarcină. Acest semnal este corelat cu temperatura motorului cu ajutorul unui factor de legătură adecvat. Injecţia benzinei suplimentare de pornire la rece se face fie cu un injector suplimentar de pornire la rece, fie cu un control adecvat de pornire la rece ce acţionează asupra injectoarelor electromag-netice de pe cilindri. Pentru cele mai multe motoare injectorul suplimentar de pornire poate fi eliminat. Injectoarele electromagnetice ale fiecărui cilindru asigură dozajul suplimentar de benzină, cu ajutorul unui control complex al duratei injecţiei. Pentru a asigura formarea unui amestec cât mai omogen şi a evita umezirea bujiilor, injectoarele sunt acţionate de mai multe ori pentru o rotaţie a arborelui cotit. Sistemul controlează durata injecţiei şi, pe baza numărului de ture efectuate şi turaţiei, cantitatea de benzină injectată în mod suplimentar. Reducerea cantităţii de benzină, iniţial mare, începe fie după atingerea unui anumit prag al turaţiei (de exemplu 200 … 300 rot/min), fie după un număr prestabilit de rotaţii. Microcomputerul ajustează în mod suplimentar punctul de aprindere pentru a îmbunătăţi pornirea. Punctul optim de aprindere depinde de turaţia arborelui cotit şi de temperatură: cu motor rece şi turaţii reduse, punctul ideal este lângă punctul mort interior (p.m.i.). Dacă avansul este prea mare, peste 10 ˚RAC (Rotaţie Arbore Cotit), pot apărea cupluri inverse, pornirea fiind mult mai dificilă, uneori chiar imposibilă. La turaţii mari ale motorului, un anumit avans îmbunătăţeşte pornirea. Cu motor cald, cuplurile inverse apar pentru avansuri mai mici decât în cazul motorului rece. Suplimentar, pentru a evita detonaţia pe durata pornirii, apare ca necesară reducerea avansului în cazul pornirii la cald. Pe durata încălzirii, motorul primeşte cantităţi de benzină precis dozate şi avans la aprindere corespunzător, valorile fiind dependente de temperatura, sarcina şi turaţia motorului. Îmbogăţirea amestecului pe această durată compensează condensarea unei cantităţi de benzină pe pereţii cilindrilor şi este corelată cu ajustarea avansului la aprindere. Un avans suplimentar pentru sarcini parţiale îmbunătăţeşte motricitatea pe durata fazei de încălzire. Pentru mers în gol constant, pe durata etapei de încălzire, turaţia de mers în gol este mărită. În acest mod se asigură o încălzire rapidă a motorului. Un dispozitiv de aer suplimentar, sub forma unui by-pass peste clapeta de acceleraţie, controlează aerul suplimentar furnizat motorului, pe baza unei dependenţe de temperatură. Funcţie de aerul suplimentar se dozează o cantitate corespunzător mai mare de


99

benzină. Controlul aerului suplimentar este asigurată de un dispozitiv cu lamă bimetalică, controlat cu ajutorul unei înfăşurări de încălzire, aşa cum se poate observa şi din figura 4.23. Condiţiile necesare în faza de încălzire sunt prezentate sub forma unei cartograme. Pe baza sa se controlează îmbogăţirea amestecului, funcţie de turaţia motorului şi sarcină. Se asigură în acest mod un răspuns bun la acceleraţie şi o motricitate bună. Îmbogăţirea pentru regimurile necritice este mai redusă. Sensorul de temperatură este de tipul rezistor semiconductor cu coeficient negativ de temperatură şi se montează în blocul motor la motoarele răcite cu aer şi în circuitul lichidului de răcire la motoarele răcite cu apă. Mersul în gol este un alt regim important de funcţionare. Parametrii de consum ai motorului sunt determinaţi în principal de eficienţa termică a motorului şi de turaţia de mers în gol. Un amestec prea sărac determină rateuri, deci un mers neuniform şi brutal, în timp ce un amestec bogat conduce la un consum excesiv de benzină. Este important de menţionat faptul că peste 30% din benzina consumată de motorul automobilului în trafic aglomerat se datorează mersului în gol. Aceasta justifică menţinerea turaţiei de mers în gol cât mai jos posibil. În acelaşi timp însă, trebuie să permită menţinerea în stare de funcţionare a unei instalaţii încărcate, uneori cu anumiţi consumatori semnificativi, cum ar fi: compresor pentru aer condiţionat, sarcina unei transmisii automate etc. şi toate acestea cu un mers lin, “rotund”, fără şocuri sau chiar oprire. Ca urmare, problema este de a asigura cantitatea de amestec strict necesară pentru a putea menţine o turaţie prestabilită, indiferent de sarcina motorului. Suplimentar, se pot menţine niveluri constante ale emisiilor poluante pe durate mari de timp, fără reglarea mersului în gol. Controlul electronic al amestecului stabilizează efectiv turaţia de mers în gol. În unitatea electronică de control mai sunt preluate şi informaţii despre poziţia clapetei de acceleraţie. Întrerupătorul clapetei de acceleraţie sesizează regimurile “mers în gol” şi “sarcină plină”. Schema de principiu rezultă din figura 4.24. Întrerupătorul clapetei este cuplat cu axul clapetei. Cu ajutorul unei came se antrenează un contact pentru mersul în gol la un capăt şi un contact pentru sarcină

Figura 4.23

1 – conector; 2 – rezistenţă de încălzire; 3 – lamă bimetalică; 4 – obturator.

1 2 4 3


100

plină la celălat capăt. Sesizarea celor două regimuri de funcţionare este esenţială pentru corecta adaptare a dozajului la regimurile de funcţionare.

La sarcină plină motorul trebuie să furnizeze puterea maximă. În acest caz amestecul trebuie să fie mai bogat decât pentru orice sarcină parţială. Circuitul electronic comandă creşterea timpilor de injecţie şi prin aceasta îmbogăţirea amestecului atunci când se detectează contactul de sarcină plină închis. Îmbogăţirea este dependentă de turaţia motorului, asigurând suprimarea fluctuaţiilor de semnal de la debitmetrul de aer şi motorul dezvoltă cuplul maxim posibil pe întreg domeniul de funcţionare. Condiţia de cuplu maxim se obţine pentru o valoare λ = 0,9 … 0,95. Pe durata decelerării blocul electronic comandă completa întrerupere a alimentării cu benzină,

chiar în trafic urban. Cum nu se mai arde benzină , nu mai apar nici emisii poluante. Întreruperea alimentării cu benzină intră în acţiune cu o anumită întârziere. Aprinderea este întârziată faţă de momentul normal, ceea ce asigură o trecere lină spre frâna de motor. În momentul în care turaţia scade sub o valoare prestabiltă, puţin mai mare decât turaţia de mers în gol, alimentarea cu benzină revine la normal pe durata câtorva cicluri. În acest interval de timp unitatea de control creşte avansul la aprindere în mod gradat, pentru a asigura o tranziţie lină. În regim de accelerare, unitatea de control asigură o îmbogăţire a dozajului. O deschidere bruscă a clapetei de acceleraţie determină o sărăcire momentană a amestecului. Pentru a asigura un răspuns tranzitoriu bun în acest caz apare necesară îmbogăţirea de scurtă durată a amestecului. Cererea de acceleraţie este sesizată de unitatea centrală pe baza efectuării unei diferenţe între semnalele succesive de sarcină. Dacă se detectează o creştere a sarcinii motorului, ceea ce semnifică o cerere de accelerare, se iniţiază îmbogăţirea amestecului la un coeficient λ = 0,9 în ideea asigurării cuplului maxim. În timpul fazei de încălzire, îmbogăţirea de bază pentru acceleraţie nu este suficientă, apărând necesitatea unei îmbogăţiri suplimentare. Factorul de îmbogăţire este dependent de temperatură, descrescând liniar cu temperatura. La deservirea unei cereri de accelerare, coeficientul de

Figura 4.24 1 – contact de sarcină plină; 2 – camă

comutator; 3 – axul clapetei; 4 – contact de mers în gol; 5 – conexiune electrică.

1

2

4

3

5


101

îmbogăţire scade liniar într-un interval de timp de ordinul secundelor, panta de scădere fiind independentă de temperatură. Un alt factor important ce trebuie luat în considerare pentru adaptarea controlului injecţiei îl constituie densitatea aerului în admisie. Astfel, temperatura aerului în admisie este măsurată cu un traductor rezistiv (de exemplu cu coeficient negativ de temperatură NTC). Valoarea temperaturii afectează densitatea aerului absorbit de motor. Informaţia despre temperatura aerului în admisie este utilizată de unitatea de control pentru stabilirea unei corecţii a factorului de îmbogăţire a amestecului, ceea ce afectează în final timpul de injecţie. De regulă, traductorul de temperatură a aerului din admisie este plasat în înteriorul debitmetrului de aer. Pentru funcţionarea corectă a motoarelor în munţi de mare altiudine, trebuie ţinută seama de reducerea densităţii aerului ca urmare a scăderii presiunii atmosferice. Corecţia necesară, numită corecţie altimetrică, este special prevăzută în cazul sistemelor de control electronic pentru automobilele ce sunt destinate circulaţiei pe drumuri de foarte mare altitudine. Necesitatea sa apare din aceea că debitul volumetric (măsurat de debitmetrul de aer cu volet) respectă etalonarea numai pentru debite masice mici. Cum debitul masic se va modifica la scăderea presiunii atmosferice, corecţia altimetrică înlătură efectul erorilor ce apar prin scăderea densităţii aerului. Tensiunea bateriei este fluctuantă şi afectează timpii de acţionare a electroinjectoarelor. O scădere a tensiunii bateriei va fi compensată printr-o creştere corespunzătoare a timpului de injecţie

CONTROLUL ELECTRONIC AL INJECŢIEI DE BENZINĂ ÎN MOTOARELE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

Documents

Transcript of CONTROLUL ELECTRONIC AL INJECŢIEI DE BENZINĂ ÎN MOTOARELE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE