Mihai DOGARIU REPROGRAFIA UNIVERSITII TRANSILVANIA DIN BRAOV 1 ELECTRONICA APLICAT PENTRU AUTOMOBILITI Cursul este adresat studenilor nvmntului la distan i cuprinde elemente din teoria electronicii cu aplicaii pe autovehicule. Scopul cursului este acela de a-i familiariza cu simbolistica, terminologia i metodele de modelare specifice electronicii, dar insuficient cunoscute de ctre un utilizator format ca inginer mecanic, care se va ntlni cu echipamente moderne electronice demanagement al proceselor, care vor trebui urmrite n timp real. CUPRINS Introducere Componente passive Rezistorul Condensatorul Inductanta Componente active Dioda TranzistorulTiristorul Circuite integrate liniare Circuite integrate logice Circuite integrate de uz industrial Aplicatii Senzori Actuatori Circuite electronice 2 REZISTORUL Rezistorul este un dispozitiv electric care opune orezisten trecerii curentului electric prin el, ceea ce va produce o cdere de tensiune ntre cele dou borne ale sale, conformlegii lui Ohmm: IVR = [], Adic, rezistena electric este egal cu tensiunea pe rezistor mprit la curentul ce-l strbate. n reprezentrile grafice, rezistorul se simbolizeaz dup cum se arat n tabelul 1:Tab.1 Simbolizare dup normele Americane i japoneze Rezisten Rezisten variabil Simbolizare dup normele europene Rezisten Rezisten variabil Proprieti generale n general, rezistorul este utilizat pentru a crea un raport binecunoscut tensiune curent ntr-un circuit electric, astfel dac este cunoscut curentul ce trece prin poriunea de circuit, rezistorul se folosete pentru a realiza o cdere prestabilit de tensiune, proporional cu acest curent. De asemenea, dac este cunoscut diferena de potenial la bornele rezistorului, se poate prestabili un curent proporional cu aceast tensiune. Reglarea curentului printr-un dispozitiv electronic Montarea n seie a rezistorului cu o alt component electronic, de exmplu o dioda luminiscent ( LED Light Emitting Diode ), face ca prin acest circuit, s poat fi meninut i controlat curentul la o valoare sigur pentru o bun funcionare a diodei. Aceast simpl aplicaie, n care rezistorul are rol de limitator de curent este reprezentat n figura 1. Fig.1 Rezistena ca limitator de curent. Reglarea turaiei unui motor electric Turaia unui motor electric de curent continu poate fi controlat prin intercalarea unei rezistene reglabile n serie cu indusul motorului, cum se poate ntlni la controlul vitezei de deplasare ale tramvaielor electrice sau ale troleibuselor urbane (figura 2).3 Fig.2 Rezistena utilizat la reglarea turaiei unui motor. Atenuarea O reea format din dou sau mai multe rezistoare formeaz undivizor de tensiune i este utilizat pentru reducerea nivelului de tensiune, cum se arat n figura 3: Fig.3 Divizorul de tensiune Relaia de calcul a tensiunii divizate este: 12 122UR RRU += | V Rezistorul ca parte a unui circuit electric Prin plasarea unui rezistor ntr-un circuit electric, acesta se supune celor doulegi ale lui Kirchhoff ( descrise prima dat n 1845 deGustav Kirchhoff ), care sunt aplicaii ale principiului conservrii sarcinii electrice i a energiei i ale crora forme simplificate sunt urmtoarele: Prima lege a lui Kirchhoff (sau legea nodurilor ) Ca aplicaie a principiului conservrii sarcinii electrice, care nu se schimb n timp, suma curenilor luai cu semnele lor este nul sau suma curenilor care intr ntr -un nod este egal cu suma curenilor care ies din acel nod, dup cum se arat nfigura 4:

Fig.4 Reprezentarea legii lui Kirchhoff pentru noduri Astfel, urmrind figura 4 se poate scrie:1i +4i2i =3i + , 4 sau, n modul general, penru nodul considerat: = 0 I A doua lege a lui Kirchhoff(sau legea buclelor ) Aceast lege este o implicaie a principiului conservrii energiei, care stipuleaz c suma diferenelor de potenial ntr-un circuit electric trebuie s fie nul. Astfel, n figura 5 este reprezentat un circuit electric sub forma unei bucle ce conine i o surs de tensiunev4, iar relaia matematic a legii este: = 0 V , adic 1v +2v +3v +4v 0 = Fig.5 Reprezentarea legii lui Kirchhoff pentru bucle. Disiparea puterii Prin combinarea legilor lui Ohmm i ale lui Joule, rezult urmtoarele relaii energetice echivalente: 2I R P =RVI V2= =| W Energia caloric total disipat de un rezistor este dat de integrala puterii pe un interval de timp prin relaia: =21) ( ) (ttdt t i t v W| Wiar cantitatea de cldur este dat de relaia lui Joule: 224 . 0 I R Q = | J Dac media puterii disipate depete valoarea puterii maxime admisibile admise de tipul rezistorului, n mod evident, acesta va fi distrus. Rezistorul amplasat n circuite electrice Conexiunea serie Curentul electric ce strbate rezistenele legate n serie rmne acelai, dar cderea de tensiune pe fiecare rezistor n parte are o valoare i mpus de valoarea reistenei respective, astfel nct suma acestor cderi de tensiune egaleaz tensiunea de alimentare a reelei. Pentru aflarea rezistenei echivalente eqRa circuitului serie artat n figura 6, se utilizeaz relaia:eqR1R =2R +nR + +...5 Fig.6 Conectarea rezistoarelor n serie. Conexiunea paralel Prin conectarea n paralel a mai multor rezi stoare, fiecare dintre acestea suport aceeai cdere de tensiune ( figura 7 ), iar pentru aflarea rezistenei echivalente eqR se folosete relaia: eqR1nR R R1...1 12 1+ + + = Fig.7 Conectarea rezistoarelor n paralel. Reeaua de rezistoare O combinaie de rezistoare conectate att n serie ct i n paralel constituie o reea rezistiv.Pentru exemplificare se prezint n figura 8 o reea simpl format d intr-un rezistor legat n serie cu o conexiune n paralel format din alte dou rezistoare, a crei rezisten echivalent eqR este dat de: 32 12 13 2 1RR RR RR R R Req++= + = Fig.8Conectarea rezistoarelor n reea Puntea de msur ( Wheatston ) Fig.9 Puntea Wheatston 6 Firul conductor carezistor Un fir metalic conductor, de o anumit lungime i seciune are o rezisten determinat de relaia: SlR = p| O , unde peste o caracteristic de material i se numeterezistivitate

Ommm2; leste lungimea firului conductor| m ; S este aria seciunii firului| 2mm . Modificarea oricruia dintre aceti parametri conduce la ideea utilizrii rezistorului ca senzor. Tipuri de rezistoare Rezistoare fixe Acest tip de rezistoare se fabric ntr-o larg gam tipodimensional, care se poate clasifica dup urmtoarele criterii principale: -putere disipat, -dimensiuni, -natura elementului rezistiv, -valoarea nominal a rezistenei, -precizia valorii nominale. n figura 9 sunt artate cteva tipuri reprezentative de rezistoare de uz larg, cu puteri relativ reduse (sub 2 W). Fig.9 Realizarea fizic a rezistoarelor Rezistoare variabile Aceste rezistoare se mai numesc poteniometre sau pentru puteri mai mari de un Watt, reostate i realizeaz o rezisten variabil prin rota ia unui ax sau prin glisarea unui cursor, simbolizarea lor fiind dat n figura 10. Fig.10 Simbolizarea unui potentiometru. 7 n acest mod este format un divizor de tensiune, de valoareRP, cursorul realiznd o rezisten echivalent RP = ( 0...1 R). Materialele rezistive utilizate la confecionarea poteniometrelor sunt de naturmetalic, realizate prin bobinare pe un suport izolator sau de natur pelicular cu substrat metalic sau carbon. Ultimile tipuri constructive de poteniometre nu au o fiabil itate mare, fiind supuse uzurii prin frecarea cursorului pe substratul conductiv sau princoroziune. Poteniometrele moderne folosesc materiale plastice conductive speciale, care ofer o fiabilitate mrit. Rezistoare semiconductoare (Termistoare) Prin utilizarea materialelor semiconductoare, cel mai des fiind siliciu, se realizeaz rezistoare puternic dependente de temperatur, cu aplicaii primordial n domeniul msurrii temperaturilor. Termistoarele au o sensibilitate la variaii de temperatur cu cteva ordine de mrime mai mare dect rezistoarele metalice, iar rezistena loreste dat de o expresie exponenial de forma: TR =0TR0exp T T K | O ; Fig. 10 Comparaie ntre variaia rezistenei cu temperatura a unui termistor i a unei rezistene din platin CONDENSATORUL Un condensator este definit ca un dispozitiv electric sau electronic, care poate stoca energie n cmpul electric format de dou plci conductoare de ar ie A, separate de un izolator denumit dielectric, la o anumit distan d; o reprezentare intuitiv a unui condensator plan este artat n figura 11. 8 Fig.11Condensatorul plan Atunci cnd se aplic o tensiune electric, pe cele doua plci ale armturii condensatorului apare un cmp electric n dielectric, ceea ce duce la apariia unei ncrcri cu sarcini electrice de polariti opuse Q. Mrimea acestor sarcini determin capacitatea unui condensator. Capacitatea unui condensator Atunci cnd sarcinile electrice se acumuleaz n cele dou plci ale armturii, n dielectric se formeaz un cmp electric direct proporional cu mrimea acestora, ceea ce duce la apariia unei diferene de potenial ntre plci: d E V = | V . Capacitatea unui condensator C este msura cantitii de sarcini electriceQ, stocate n armturi, pentru o diferen de potenialV, aplicate pe acestea: VQC =| F n sistemul unificat de uniti SI, condensatorul are capacitatea de unFarad atunci cnd sarcina electric de un Coulomb acumulat pe armturi creeaz o diferen de potenial ntre acestea de un Volt. Capacitatea unui condensator plan, urmrind figura 11, este proporional cu aria armturilor A, cu permitivitatea dielectricului , care este un material izolator i invers proporional cu distana d dintre armturi: C=dA c ; A 2d 9 Tipuri de condensatoare Fig.12Tipuri reprezentative de condensatoare: ceramice, cu tantal sau electrolitice, vzute la scar centimetric. Energia nmagazinat (stocat) Sarcinile electrice acumulate pe cele dou armturi dezvolt un cmp electric, a crui energie (care se msoar n Joule, n SI ) este stocat i care este dat de:

E= 221CV =CQ221= VQ21 | J ,unde V este tensiunea electric dintre armturi. Energia maxim ce poate fi acumulat ntr-un tip oarecare de condensator este limitat de dimensiunea cmpului electric ce nu-l poate distruge, care se poate defini prin densitatea de energie pe volumul dielectricului (J / m ). Condensatorul amplasat n circuite electrice Fig.12 Migraia sarcinilor electrice n figura 12 se poate observa cum electronii din dielectric, care sunt sub influena cmpului electric, duc la o rotaie lent a moleculelor dielectricului.Condensatorul las s treac curentul alternativ i blocheaz curentul continuu. Circuite de curent continuu Electronii nu pot trece uor de pe o ar mtur pe cealalt prin dielectric, care este ales astfel nct s fie un foarte bun izolator. Curentul prin condensator rezult de fapt, mai mult ca 10 urmare a separrii sarcinilor electrice, dect acumulrii electronilor lor pe armturi. Aceast separare a sarcinilor Q crete cu tensiunea V aplicat plcilor. Expresia matematic a curentului I, care reprezint raportul de forare a sarcinilor Q prin condensator este: I = dtdQ = dtdVC , unde I este curentul msurat n amper| A , C este capacitatea n farad| F , dtdV este derivata tensiunii aplicat armturilor| s V / . Pentru circuitele alimentate de la o surs de curent continuu tensiunea pe condensator nu poate excede tensiunea sursei, dect n aplicaii speciale. n acest caz se ajunge la un echilibru energetic, din care cauz se spune uzual condensatorul blocheaz curentul continuu. Circuite de curent alternativ Curentul prin condensator datorat unei tensiuni alternative aplicat pe plci i schimb direcia periodic, astfel nct sarcinile electrice se transfer de pe o plac pe cealalt, iar curentul nu se anuleaz niciodat. De aceea se spune c prin condensator trece curentul alternativ, dar nu trece curentul continuu. Impedana condensatorului Raportul dintre fazorul tensiunii i fazorul curentului se numete impedan, iar n cazul condensatorului aceasta este dat de: Zc = fCjt 2 =CjX , unde j =1 feste frecvena, iar e=f t 2este pulsaia sau frecvena unghiular, iar CX= C e1, se numete reactana capacitiv. Semnul negativ al impedanei indic faptul c tensiunea (alternativ) este naintea curentului cu 90 pentru un semnal sinusoidal. Se observ c reactana este invers proporional cu capacitatea i scade o dat cu creterea frecvenei, ajungnd la frecvene mari chiar la scurtcircuit. Reele de condensatoare Conectarea condensatoarelor n paralel Configurarea condensatoarelor n paralel ( figura 13 )conduce la acelai po tenial electric pe fiecare dintre acestea, iar capacitatea echivalent este dat de: echivalentC= 1C +2C ++nC11 Fig. 13 Conexiunea paralel a condensatoarelor Motivul principal de conectare a condensatoarelor n paralel este acela de a mri cantitatea sarcinilor electrice acumulate, implicit de a mri cantitatea energiei electrice stocate, a crei expresie este: stocataE= 221CVConectarea condensatoarelor n serie Curentul care strbate condensatoarele conectate n serie rmne acelai, dar cderea de tensiune pe fiecare condensator este diferit, dup valoarea capacitii acestuia, astfel nct capacitatea echivalent este: echivalentC1 = 11C+21C++nC1, conexiunea n serie fiind artat n figura 14. Fig. 14 Conexiunea serie a condensatoarelor Practic, legarea n serie a condensatoarelor urmrete obinerea unui capacitor echivalent capabil s suporte o tensiune nalt de exemplu, trei condensatoare cu o tensiune suportabil de 600 V legate n serie vor forma un condensator echivalent capabil s reziste la o tensiune maxim de 1800 V. Dualitatea condensator inductann termeni matematici,un condensator ideal poate fi considerat inversul unei inductane ideale, din cauz c ecuaiile tensiune curent ale celor dou dispozitive pot fi transformate dintr-una n cealalt prin schimbarea curentului cu tensiunea. Simbolizare Condensatoarele sunt figurate simbolic n funcie de aplicaia specific, dup cum se reprezint n tabelul 2. Tab.2 Condensator Condensator polarizat Condensator variabil 12 Aplicaii ale condensatoarelor Condensatoarele au multiple utilizri n circuitele electrice i electronice, de la aparatele de telecomunicaie pn la centralele energetice nucleare. Stocarea de energie Un condensator poate nmagazina energie electric atunci cnd este deconectat de la cicuitul electric, astfel nct el devine ca o baterie temporar, cu att mai bun cu ct capacitatea este mai mare. Astfel, la schimbarea bateriei unei plci de baz a unui calculator, un condensator menine tensiunea de alimentare a memoriei, aa fel nct aceasta s nu-i piard informaia; la un vehicul hibrid, pornirea motorului termic se face de la un supracondensator etc.Filtrarea Datorit proprietilor de stocare a sarcinilor electrice, condensatorul netezete pulsaiile tensiunii redresate. De asemenea prin blocarea tensiunii conti nue, el separ componenta alternativ, caz n care se numete condensator de cuplaj.Procesarea semnalelor Energia stocat poate fi utilizat ca informaie memorat, de exemplu n circuitele de conversie analog digital, caz n care este denumit condensat or de memorare (sample & hold capacitor). Circuite acordate Condensatorul cuplat ntr-un mod particular cu o inductan, formeaz aa numitul circuit de acord, care selecteaz o anumit frecven de transmisie a unui semnal util, cum se ntmpl la cutarea unui post de radio, de exemplu. Relaia dintre frecven i valorile condensatoruluiC i ale inductanei L este dat de: f = LC t 21, frecven care coincide cu frecvena de rezonan a circuituluiLC. Alte aplicaii consider condensatorul ca un senzor, n care orice modificare a distanei dintre armturi, a dielectricului sau suprafeei plcilor armturilor conduce la realizarea msurrilor de deplasare liniar sau unghiular sau de acceleraie. INDUCTANTA Inductana este o component pasiv utilizat n circuitele electrice i electronice datorit proprietailor sale de nmagazinare a energiei electromagnetice. Simbolizarea inductanei este aratat in figura 15. Fig. 15 Simbolizarea inductanei Forme constructive O inductan este construit n mod uzual, dintr-o bobin din material conductor, tipic din cablu emailat din cupru infurat in jurul unuimiez, care poate fi aer sau un material feromagnetic. Formele constructive pot fi foarte diverse, cteva dintre acestea fiind urmtoarele: - inductane cu miez de ferit, - inductane ajustabile cu miez reglabil,- inductane care se pot ataa direct pe circuitul imprimat sau care se pot realiza direct pe un cablaj imprimat, de exemplu sub forma unei spirale, - inductane care se construiesc ca parte funcional dintr-un circuit integrat, - giratoare, care se comporta ca o inductan dar sunt realizate intehnic integrat, fiind constituite dintr-un condensator i alte componente active (diode, tranzistoare etc.).

13 n figura 16se prezint cteva forme constructive uzual folosite n circuitele de joas tensiune i semnal mic: Fig. 16 Forme constructive ale inductanelor Unitatea de msur a inductanei este Henrie (H) i reprezint efectul cmpului magnetic creat de curentul ce strbate conductorul din bobinaj; ca urmare fluxul magnetic este proporional cu acest curent. O schimbare a curentului din bobin conduce la o modificare a fluxului magnetic, care va genera o for electromotoare ce se va opune acestei schimbri. Astfel se poate spune c inductana este msura for ei electromotoare generate de o schimbare unitar a curentului prin bobinaj. Inductana poate fi mrit prin ecranarea bobinei sau prin introducerea unui miez construit dintr-un material de nalt permeabilitate magnetic. Energia inmagazinat Energia stocat de o inductan (exprimat n Joule, n SI) este dat de urmatoarea formul : stocatE= 221LI , unde Leste inductana, Iestecurentul prin bobinaj. Comportarea inductanei ntr-un circuit electric Fa de un condensator, care se opune modificrilor de tensiune, o inductan se opune schimbrilor curentului; o inductan ideal are o rezisten electric nul n curent continuu, dar n general variaia curentului prin bobin n timp descrie tensiunea la bornele inductanei prin relaia: t v= dtt diL Capitol n curs de redactare.. Inductana n circuite de curent alternativ Reele de inductane Analiza circuitului cu inductane Factorul de calitate al unui circuit LC Bucla de curent Inductane mutuale Pierderi de flux magnetic 14 DIODA n electronic, dioda este o component activ, care restricioneazdirecia de micare a purttorilor de sarcin. n esen, ea permite trecerea curentului ntr -o direcie i-l blocheaz n direcia contrar, aceast proprietate fiind la baza principalelor sale aplicaii, denumite n general, redresare. Simbolizarea unei diode de uz general este reprezentat n figura d1 , undeA reprezint anodul, iar K este catodul. Fig. d1 Scurt istoric Dioda a fost primul dispozitiv electronic att ca tub electronic, ct i ca semiconductor, care a fost la originea expandrii tiinelor informaticii i ale industriilor moderne. Principiul de funcionare a diodei termice a fost descoperit de ctreFrederick Guthrie n 1873 i redescoperit de ctre Thomas Edison n februarie 1880,iar al diodei cu cristal de ctresavantul german Karl Ferdinand Braun n 1874 i patentat n 1899.John Ambrose Fleming, fost angajat a lui Edison i cercettor la Marconi Company a brevetat prima dioda termic n Marea britanie n 1904.Primul radioreceptor utiliznd diod cu cristal, denumitdetector cu cristal a fost construit n 1900 de ctre Greenleaf Whittier Pickard, care a brevetat detectorul cu siliciu, n 1906. Denumirea de diod a fost dat de ctre William Henry Eccles n 1919 i provine din greaca veche ( di dou, odos rdcini ), adic un dispozitiv cu dou terminale, denumit tehnic dipol. Dioda termic Fig. d2 Dioda termic este un tub vidat din sticl, care comunic cu circuitul elect ric n care este conectat prin doi electrozi, unul anodul i catodul notai n figura d2cu A, respectiv K.15 Terminalele notate cu f alimenteaz un filament tratat cu o mixtur de bariu i oxid de stroniu, care este adus la incandescen de un circuitelectric de nclzire conducnd astfel, la apariia unei emisii termice de electroni.n polarizare direct, diferena de potenial pozitiv aplicat ntre anod i catod face ca electronii emii s fie atrai electrostatic de ctre anod, conducnd la apariia unui curent electric, denumit curent de conducie direct. Dac diferena de potenial i schimb sensul, electronii emii de catod sunt blocai, iar curentul electric va avea o valoare nesemnificativ, denumit curent de blocare. Acest tip de diodea fost utilizat n diverse aplicaii analogice sau digitale pe parcursul secolului XX, dar n prezent se folosete doar n aplicaii speciale care necesit anumite proprieti ale tubului cu vid. Dioda semiconductoare Marea majoritate a diodelor moderne se bazeaz pe efectul jonciunii semiconductoare, denumit jonciune de tip p n, ilustrat n figura d3. Fig. d3 Semiconductorul este foarte apropiat de izolator, aceste dou categorii de elemente solide fiind catalogate dup nivele energetice, care pot face posibil eliberarea electronilor conductori de sarcini electrice, care conduc la apariia unui curent electric purttor de energie sau de informaie.n timp ce un izolator este inert la aplicarea unui cmp electric, semiconductorul este capabil de a elibera electroni necesari unei circulaii ale curentului electric n anumite condiii, prestabilite de cerinele specifice i care deservesc unui anume scop, acesta fiind de natur analogic sau digital. n figura d3 se exemplific principiul defuncionare a unei jonciuni semiconductoare, care este construit dintr-o pastil de siliciupur ( chip ), impurificat (dopat ) cu anumite elemente astfel nct zona de tip P va fi acceptoare de electroni, iar zona de tipN va fi donoare de electroni sub influeana unei diferene de potenial aplicat celor doi electroziOdat fiind obinut semiconductorul care este siliciu sau germaniu n stare pur (elemente din grupa a IV aa tabelului periodic de elemente ), acesta este n mod intenionat impurificat ( dopat ) cu elemente din grupa a III a, cum ar fi borul, care ofer caliti acceptoare de electroni ( dopare de tipP ) sau din grupa a V a, cum ar fi fosforul ( dopare de tip N ). 16 Fig. d4 Zona de recombinare constituie o barier n calea electronilor liberi, care poate fi depit de acetia odat cu creterea tensiunii de deschidere ( Vd ), care are valori diferite dup natura semiconductorului. Astfel, pentru germaniu Vd = 0,2 V, iar pentru siliciu Vd = 0,7 V, dup cum se arat n figura d4, unde este reprezentat caracteristica de funcionare a unei diode semiconductoare. Fig. d4n figura d4 se reprezint caracteristica tensiune curent a unei diode cu siliciu, unde se poate observ una dintre limitrile impuse de construcia unei diode, anume tensiunea invers suportat n regiunea de polarizare invers,denumit zona de strpungere, care odat depit, dispozitivul va fi distrus. Funcionarea diodei este descris prin ecuaia lui Shockley sau legea diodei: dI = SI||.|

\|1TnVVde , unde 17 dIeste curentul dat de polarizarea direct a diodei,SIeste curentul de saturaie, Vd tensiunea pe diod, VT tensiunea de agitaie termic, n coeficientul de emisie de electroni, care are o valoare de 1 pn la 2, depinznd de material i de procesul de fabricaie. Tensiunea dat de agitaia termic este exprimat de urmtoarea formul: VT = ekT, unde e sarcina electric elementar, k constanta lui Boltzmann, T temperatura absolut a jonciunii p n.

Tipuri reprezentative de diode n afar de utilizarea diodei ca redresor, aceasta are unele aplicaii speciale, care sunt artate n tabelul 1. Tab. 3 Diod redresoare Diod Zener Diod Schottky Diod Tunnel Light-Emitting Diode ( LED ) Fotodiod Diod Varicap Tiristor ( SCR ) De exemplu, LED ul emite lumin la o anumit tensiune de polarizare, pe cnd fotodioda absoarbe lumina i o convertete ntr-un curent ce poate fi apoi prelucrat; diodaZener are proprietatea de a funciona n zona detensiune invers i este utilizat ca stabilizator de tensiune, iar dioda varicap are proprietatea de a-i schimba capacitatea dintre electrozi odat cu modificarea tensiunii de alimentare, fiind utilizat n circuitele de acord din aparatele de recepie radio, TV, telecomunicaii etc. 18 TRANZISTORUL Scurt istoric Tranzistorul bipolar sau cu contact punctiform a fost inventat n 1947 laBell Telephone Laboratories de ctre John Bardeen i Walter Brattain sub ndrumarea lui William Shockley, care a fost amintit n capitolul Diode i a condus la o revoluionare a tehnologiei informaiilor i a comunicrii fr fir. Acest dispozitiv electronic are trei terminale, denumiteEmitor, Colector i Baz, iar epitetul de bipolar semnific faptul c funcionarea lui se bazeaz n egal msur pe transportul att a electronilor ct i a golurilor. Simbolizarea tranzistoarelor Exist dou tipuri de tranzistoare i anume, de tip PNP i NPN, a cror simbolizare este redat n tabelul 3. Tab.4 PNP NPN Un tranzistor, de exemplu unul de tipNPN poate fi considerat ca dou diode avnd un anod comun. ntr-un regim tipic de funcionare jonciunea emitor bazeste polarizat n mod direct, iar jonciunea baz colector este polarizat invers. O seciune simplificat printr-un tranzistor NPN este ilustrat n figura t1. Fig.t1Seciune simplificat printr-un tranzistor NPN. Structura i modul de utilizareModul de polarizare este artat n figura t2. Fig. t2Polarizarea unui tranzistor NPN. Controlul prin tensiune, curent sau sarcin electric 19 Fig.t3 Caracteristica de ieire a unui tranzistor bipolar. Modelarea unui tranzistor bipolar Modelul EbersMoll pentru un tranzistor NPN este artat n figura t3. Fig. t4Modelul unui tranzistor NPN. Parametrii generalizai h ai unui tranzistor NPN Fig. t5Parametrii h ai unui tranzistor NPN Aplicaii Tranzistorul ca amplificator 20 Fig.t6Tranzistorul ca amplificator. Tranzistorul comutator Fig. t7Tranzistorul n regim de comutaie. Tranzistoare unipolare 21 Fig. Caracteristica de ieire pentru un FET. 22 TIRISTORUL Capitol n curs de redactare. 23 APLICAII ASUPRA AUTOVEHICULULI Mareamajoritateafabricanilordeautovehiculeacordoateniedeosebitelectronizrii diverselor sisteme de control ale agregatelor care alctuiesc un autovehicul, orientare facilitat de disponibilitatea utilizrii microprocesoarelor, la preuri tot mai sczute i cu performane tot mai ridicate, din punct de vedere al puterii de calcul i al vitezei de lucru.Calea cea mai economic de abordare a optimizrii managementului grupului motopropulsor esteelectronizarealimitat,adicintroducereagradualasistemelorelectronicedecontrol,cu aplicabilitate asupra agregatelor clasice ale motorului i a transmisiei, cu scopul mririi elasticitii caracteristicilor de reglaj ale acestora. Sistemelecumicrocontroleredestinatemanagementuluiregimurilordefuncionareale grupurilormotopropulsoareconduc,prinreglareaioptimizareaparametrilorfuncionaliide proces, la economii de carburant de pn la 15%.Efecteeconomiceimportanteoferaplicareasistemelordecomandicontrolcomplexe, multifuncionale,cuajutorulcrorasepoateobineocretereaeconomicitiicuaproximativ 710%, concomitent cu o reducere a concentraiilor de substane toxice din gazele de evacuare cu nc 1520%. Astfel de sisteme complexe, cuprinznd scheme integrate specializate au i funcii de ridicare a confortabilitii, putnd controla mai mult de 50 de parametri simultan, precum i funcii de diagnosticare a strii tehnice a principalelor subansambluri ale autovehiculului, cu avertizarea la bord a defeciunilor cu grad ridicat de pericol.Regulatoareleelectronicemultifuncionaledincomponenasistemelorcomplexede management al motoarelor controleaz dozarea combustibilului pe ciclul motor, astfel nct s se asigureocaracteristicdeturaiecurezervmaredecuplu,nvedereareduceriinumruluide schimbri ale treptelor devitez necesar acionrii unei cutii de viteze n trepte, obinndu-se un management complet al grupului motopropulsor.Avantajele utilizrii sistemelor de control electronice ale motorului rezult din urmtoarele:-corelarea debitului de combustibil pe ciclul motor cu debitul de aer;-corelarea raportului aer/combustibil, n cazul utilizrii unor combustibili diferii de cei standard; -corelarea raportului aer/combustibil cu altitudinea;-creterea debitului de combustibil/ciclu la pornirea la rece; -controlul turaiei de mers n gol la diverse sarcini impuse motorului, n special de ctre consumatorii electrici. Electronizareamotoarelorcuaprindereprincomprimareaduslaconcepereaunorsisteme complexe pentru comanda agregatelor auxiliare, astfel fiind create construcii noi pentru:-controlul injeciei cu ajutorul pompelor de injecie electronice;-controlul momentului de nceput de injecie, precum i a duratei de injecie;-controlul presiunii de supraalimentare, prin electrovalve by-pass; -controlul debitului de aer; -controlul sistemelor de ungere i rcire.nceeaceprivetetransmisia,electronizareaoferavantajeesenialencontrolultraciunii conjugat cu cel al frnrii, din care se pot remarca:-schimbarea automat a treptelor de viteze, asigurndu-se o cuplare lin i fr ocuri; -corelarea forei de traciune cu condiiile specifice de drum;-corelarea regimului de vitez cu cel al motorului;-controlul traciunii n condiii de drum alunecos, n pante sau curbe. 24 2.1Sistemul de management al motorului Motoareleinternecareechipeazmareamajoritateaautovehiculelormodernetrebuies rspund cerinelor pieei privind n special raportul putere/economicitate, n condiiile impuse de legiuitor n ceea ce privete emisiile poluante. Soluiileconstructivevizndcretereaperformanelor,prinperfecionareatehnicilordede proiectare i cercetare a motorului i a subansamblelor sale, cum ar fi optimizarea camerei de ardere, modul de amplasare a elementelor de execuie privind formarea amestecului carburant, aprinderea acestuia, utilizarea diferitelor concepte de supraalimentare sonice sau forate, recircularea gazelor arse etc., precum i utilizarea unor noi materiale (plastice, ceramice, compozite) au un rol foarte important. Cu toate acestea, maximizarea performanelor motorului, concomitent cu minimizarea emisiilor poluantenuesteposibilfruncontrolprecisalraportuluiaer/combustibilialmomentului aprinderiilamotoarelecuaprindereprinscnteie,saualcantitiidecombustibilinjectatial momentuluiinjecieilamotoarelecuaprindereprincomprimare,controlcarenumaipoatefi exercitat prin mijloacele mecanice clasice, care au ajuns la o limit a dezvoltrii [51], [54]. nultimeledecenii,industriaelectronicacunoscutodezvoltareexploziv,maialesn domeniilemicroelectroniciiiamecatronicii,lucruceafcutposibilinecesarutilizarea sistemelor electronice de management al motorului, bazate pe existena unor uniti electronice de control, denumite ECU (Electronic Control Unit). Aceste sisteme electronice sunt dedicate rezolvrii urmtoarelor mari clase de probleme:-controlul precis al raportului aer/combustibil, prin sistemele de alimentare cu combustibil i prin injecie controlat; -asigurarea preciziei momentului aprinderii la MAS (Motoare cu Aprindere prin Scnteie) sau a injeciei la MAC (Motoare cu Aprindere prin Comprimare), n toate regimurile i condiiile de funcionare; -controlul i monitorizarea diferiilor paramet ri adiionali sau de transfer ntre celelalte subsisteme ale autovehiculului. 2.1.1Sistemul de management al unui motor cu aprindere prin scnteie (MAS) Indicii de economicitate i de putere, precum i durabilitatea unui motor, depind esenial de perfeciuneaprocesuluiarderiicombustibiluluiisembuntescodatcucretereaeficienei termice [1], [16]. Pentru creterea eficienei arderii se impun urmtoarele cerine majore:-arderea combustibilului s fie ct mai complet, n caz contrar suferind atteconomicitatea motorului ct i mediul nconjurtor, prin creterea polurii;-viteza de ardere trebuie s aib valori moderate (cca 20...40 m/s), producnd o cretere gradual a presiunii n cilindru, cu implicaii directe asupra vieii motorului [62];-arderea trebuie s aib o durat scurt (cca 3...5 ms) i s aib loc n apropierea punctului mort superior (PMS) este de dorit ca maximul presiunii realizate n camera de ardere s fie situat la 15...16 oRAC dup PMS [63]. Referitor la viteza de propagare a flcrii, este necesar a se arta c aceasta este influenat de un numr mare de factori, susceptibili a fi controlai, dintre care:-arhitectura camerei de ardere: proiectarea optim ofer un timp redus de propagare;-schimbarea automat a treptelor de viteze, asigurndu-se o cuplare lin i fr ocuri; 25 -corelarea forei de traciune cu condiiile specifice de drum;-corelarea regimului de vitez cu cel al motorului;-controlul traciunii n condiii de drum alunecos, n pante sau curbe.-raportul aer/combustibil al amestecului carburant: amestecurile prea srace sau prea bogate ard mai ncet dect cele stoichiometrice; -presiunea din colectorul de admisie: o presiune ridicat ofer o densitate sporit de amestec carburant, care va arde mai repede;-turbulena creat n cilindru: cu ct ea este mai mare cu att arderea este mai favorizat;-compoziia chimic a combustibilului utilizat: o calitate mai slab de combustibil va arde mai ncet sau va favoriza apariia detonaiilor;-recircularea gazelor arse: o cantitate prea mare a lor n amestecul carburant duce la scderea vitezei de ardere. Sepoateafirmacprocesularderiiesteinfluenatntr-unmodradicaldecompoziia amesteculuiaer/combustibilabsorbitdectremotoridemomentuldeclanriiscnteii,asupra crorasepoateinterveninsensulcoordonriiicontroluluiacestora,adicceeacerealizeaz sistemul de management al motorului [37], [42]. 2.1.2Sisteme de formare i control al amestecului carburant Funcia principal a acestor sisteme este de a introduce combustibilul n fluxul de aer absorbit de motor, n cantitile exacte cerute de condiiile specifice de funcionare, iar apoi s distribuie acest amestec ntr-un mod uniform ctre cilindrii motorului.Carburatoarelepotoferirapoarteaer/combustibildela13:1(=0,9laregimuldeputere maxim),pnla16:1(=1,1laregimuldeeconomicitatemaxim).Totuiacesteaprezint dezavantaje majore, sintetizate n urmtoarele: -dificultatea realizrii unui control n bucl nchis, de ctre un senzor de oxigen la evacuare; -numr mare de componente mecanice n micare, ceea ce conduce la uzuri, reducnd perioada de via la circa 80.000 km; -distribuia neomogen a amestecului carburant pe traiectul colectorului de admisie, cu implicaii directe asupra uniformitii ciclurilor motoare; -imposibilitatea unui control eficient n diverse condiii de funcionare a motorului, n special la pornirea la rece i la regimurile tranzitorii (accelerri i decelerri).Marea majoritate a acestor probleme se menin chiar i n cazul carburatoarelor electronice [41]. Necesitateacontroluluicontinuuiprecisasupracantitiidecombustibillivratctrecilindrii motorului a dus la apariia sistemelor de injecie de benzin supravegheate electronic, care se pot caracteriza prin apartenea la dou mari clase: -direct, n cazul n care se livreaz combustibilul n camera de ardere;-indirect, atunci cnd combustibilul este furnizat n colectorul de admisie, ct mai aproape de poarta supapei de admisie. n producia de serie, utilizarea carburatoarelor este pe cale de dispariie, totui seprezint n tabelul 2.1 o clasificare a sistemelor de formare a amestecului carburant, care cuprinde i anumite variante de carburatoare electronizate, dezvoltate n special de industria auto american. 26 Tab. 2.1 Clasificarea sistemelor de formare a amestecului carburant la MAS. comandate mecanic Continucomandate electronic sau mecanic injecie simultan Sisteme de injecie multipunct Intermitentinjecie secvenial Sisteme de formare a amestecului individual Carburatoare multiple simplu corp mai multe difuzoare Cu difuzor fix combinate depresiune constant Carburatoare Cu depresiune constant combinate Cu un injector Sisteme de formare a amestecului ntr-un punct central Sisteme de injecie monopunctCu dou injectoare 2.1.3Managementul formrii amestecului carburant prin utilizarea carburatoarelor Cu toate c astfel de sisteme se folosesc doar n echipri speciale, se prezint schema bloc de management n cazul unui carburator electronic, comandat de o unitate de control electronic, care monitorizeaz ca mrimi de intrare turaia i temperatura motorului, poziia clapetei de acceleraie i factorul de exces de aer , care nchide o bucl de reacie negativ prin senzorul de oxigen din gazele de evacuare.Carburatorul de baz este construit ntr-o variant pentru funcionarea motorului cu amestecuri srace,factoruldembogirefiinddeterminatdectreunitateaelectronicdecontrol,pebaza cartogramelor nscrise n memoria nevolatil a sistemului.Astfel, necesarul de combustibil n diferitele condiii de funcionare, este adaptat prin acionare clapetei de oc 6, de ctre elementul de execuie 5 din figura 2.1.Elementul de execuie 4 este un servomecanism electropneumatic acionat de etajul final din ECU i are ca mrime de reacie ncrcarea motorului, dat indirect de depresiunea din colectorul de admisie. Funciunilor principale ale unitii de control li se pot adiiona cele privind controlul aprinderii, controlul schimbrilor de viteze, n cazul echiprii autovehiculului cu o transmisie automat, afiarea consumului de combustibil, sisteme de diagnoz .a. 27 Fig. 2.1Sistemul de formare a amestecului ECOTRONIC 1 - ECU; 2 - senzor de temperatur; 3 - carburator;4 actuator al clapetei de acceleraie;5 actuator al ocului; 6 - clapeta ocului; 7 - comutator poziie de ralanti; 8 - clapet de acceleraie; 9 - poteniometrul clapetei 2.1.4Managementul formrii amestecului carburant prin injecie Managementulformriiamesteculuicombustibil/aertrebuiesndeplineascurmtoarele sarcini: -s livreze combustibilul n cantitate dozat ntr-un mod ct mai precis; -s formeze un amestec ct mai omogen; -s l transporte ctre camera de ardere;-s l distribuie ctre cilindri. Formareaamesteculuiesteinfluenatnmodsemnificativdemoduldeamplasareal dispozitivelordeinjecie,datoritfenomenelorspecificecareaulocpetraseuldedistribuirea acestuia ctre cilindri [130]. n figura 2.2 se prezint cele dou mari clase de formare i distribuire a amestecului combustibil/aer. Fig. 2.2Moduri de preparare a amestecului carburant. a) injecie monopunct; b) injecie multipunct; 1 - combustibil; 2 - aer; 3 - clapet de acceleraie; 4 - colector de admisie; 5 - injectoare; 6 - motor. 28 n cazul a) din figura 2.2, transportul i distribuirea amestecului se realizeaz n principal n colectorul de admisie, caz n care arhitectura acestuia, are un rol major att ntransportul, ct i n distribuireaamesteculuictrecilindriimotorului,pecndnb),princolectoruldeadmisietrece numai aer, iar injectoarele pot fi plasate ct mai aproape de poarta supapei, sau n cilindru, n cazul injeciei directe, asigurndu-se condiii optime pentru formarea unui amestec omogen. 2.1.5Sisteme de formare a amestecului carburant monopunctDiferitelesistemedeinjeciemonopunctauncomunplasareadispozitivuluiprincipalde injecie n amonte de clapeta de acceleraie pe traseul colectorului de admisie, iar combustibilul este livrat la joas presiune, care este n general de ordinul 70...100 kPa. Sistemul de injecie monopunct este utilizat de diferite firme constructoare de renume mondial isunt cunoscute sub diferite denumiri, cum ar fi SPI (Single-Point Injection), CFI (Central Fuel Injection), TBI (Throttle Body Injection). Fig.2.3 Sistemul de formare al amestecului MONO-Jetronic (Bosch)1 - rezervor de combustibil; 2 - pomp de alimentare; 3 - filtru; 4 - regulator de presiune;5 - injector; 6 -senzor de temperatur al aerului; 7 - ECU; 8 - actuatorul clapetei de acceleraie; 9 - poteniometrul clapetei; 10 - electrovalv de purjare; 11 - canistra carbon; 12 - senzor ; 13 - senzor de temperatur al motorului; 14 - ruptor-distribuitor; 15 - baterie de acumulatoare; 16 - contact general; 17 - bloc de relee; 18 - conector de diagnosticare;19 - bloc central de injecie SistemulMONO-Jetronicprezentatnfigura2.3esteunsistemdeinjecieintermitenta benzinei,livratncantitiprecisdeterminate,printr-unmanagementelectronicalfuncionrii motorului,asigurndalimentareacucombustibilprinintermediulunuisingurinjector electromagnetic,plasatcentralncolectoruldeadmisie,acruienergizareestesincronizatcu aprinderea. Astfel sistemul MONO-Jetronic face parte din categoria sistemelor integrate de control al formrii amestecului carburant i al aprinderii. Sistemul de alimentare cuprinde o pomp electric de alimentare 2, imersat n rezervorul de combustibil1,carefuncioneazlapresiunijoase.Presiuneacombustibiluluiestemeninut constantlavaloareade100kPa,dectreregulatoruldepresiune4icorectatcupresiunea atmosferic. 29 Injectorulelectromagnetic5,deinductivitatemare,estepoziionatcentralncolectorulde admisie, ntr-o incint Venturi, naintea clapetei de acceleraie, jetul de combustibil realizndu-se prin ase orificii dispuse radial-nclinate, care realizeaz o foarte fin pulverizare.Dozajul combustibilului se realizeaz prin controlul duratei de deschidere a injectorului de ctre ECU, n concordan cu informaiile primite de la senzorul de poziie a clapetei de acceleraie 9 i de la cel de turaie a motorului. n memoria de lucru a microprocesorului sunt nscrise 15 puncte de turaie i 15 puncte ale momentului dezvoltat de motor, care determin 225 de durate de injecie de baz. Acestora li se vor aduga durate suplimentare, calculate de ctre microprocesor pe baza unei logiciadaptive,nacordcuinformaiileprimitedelaalisenzoriauxiliari(detemperatur,de detonaii, etc.). Sondanchideobucldereacienegativ,realizndu-secontroluloptimalarderii,prin comanda adecvat a avansului la aprindere. ECU este prevzut cu un sistem de autodiagnoz, care identific i memoreaz eventualele defeciuni care pot aprea pe durata funcionrii. Sprecomparaiecusistemulexpus,sistemulRoverSPIesteunsistemevoluat,derivatdin modelul Bosch, conceput de asemenea cu injecie intermitent de benzin i management complet electronic al aprinderii. Sistemul de alimentare cu combustibil livreaz injectorului benzina la presiune joas, meninut constant la o valoare de circa 120 kPa de ctre un regulator de presiune. Injectorul electromagneticplasat n corpul clapet-injector, este prevzut cu o duz special conceput pentru o ct mai bun atomizare a benzinei, cu scopul obinerii unui amestec omogen. Corpul injector-clapet, conceput n tehnic mecatronic, nglobeaz injectorul, regulatorul de presiune, clapeta de acceleraie acionat de un motor pas-cu-pasi senzorul poziiei clapetei . Pata calddesubclapetadeacceleraieesterealizatcuajutorulunuinclzitorelectric,careeste termostatat cu ajutorul unui senzor de temperatur.Dozajul combustibilului se realizeaz princontrolul duratei de deschidereainjectorului de ctre ECU, n a crei memorie sunt nscrise 64 puncte de funcionare, date de un set de 8 valori de turaie8valorialepoziieiclapeteideacceleraie(poziiecorelatcumomentulmotorului). Aceast durat de baz de deschidere a injectorului este corectat de mrimile datelor de intrare, culese de la diferii senzori. Depresiunea din colectorul de admisie este adus printr-un tub flexibil pn la un senzor inteligent, amplasat pe placa microprocesorului, denumit senzor MAP (Manifold Admision Presure). Senzorul presiunii de ulei a motorului corecteazprin ECU, funcionarea pompei de alimentare cu combustibili a nclzitorului colectorului de admisie. Sistemul este prevzut cu limitarea sus a turaiei la circa 6700 rot/min i cu un senzor inerional, care n caz de coliziune, determin oprirea pompei de combustibil i deconectarea aprinderii, n scopul evitrii producerii unui incendiu.Dupdeconectareabaterieideacumulatoaredeexemplu,laodepanare,estenecesar recalibrarea turaiei de mers n gol i a minimului emisiilor de CO, prin introducerea unei secvene de comand automate de setare a parametrilor.Diferenelentreacestedousistemeintegrate,deformareaamesteculuiideproducerea scnteii, sunt date de fineea cartogramelor nregistrate n memorie, n care sunt nscrise datele de referin ntr-un caz, 225 de puncte, n cellalt 64 de puncte, poziiile intermediare fiind extrase prin interpolare prin metode de calcul specifice fiecrei firme.Sistemul compar datele reale furnizate de senzori privind parametrii funcionali ai motorului cu celedereferin,deciziadeacionarefiindluatdupcriteriiledeoptimizareimplementaten algoritmul de calcul. 2.1.6Sisteme de injecie a benzinei n mod continuu Sistemul Bosch K-Jetronic se situeaz printre primele sisteme de injecie continu a benzinei (denumirea provine de la Kontinuerlich), controlat mecano-hidraulic i dozeaz cantitatea de benzin prin msurarea debitului volumetric al aerului absorbit de motor, din care a derivatsistemul KE-Jetronic(anteriorulK,darElectrik),undesecontroleazpresiuneadeinjeciepecale electrohidraulic, variant care se prezint n figura 2.4.30 Fig. 2.4 Sistemul KE- Jetronic 1 - rezervor combustibil; 2 - pomp electric de alimentare; 3 - acumulator de presiune;4 - filtru de benzin; 5 - regulator de presiune; 6 - injector; 7 - colector de admisie;8 - injector pornire la rece; 9 - bloc distribuitor de benzin; 10 - debitmetru volumetric de aer; 11 - regulator electrohidraulic de presiune a combustibilului; 12- senzor ;13 - termocontact temporizat; 14 - senzor de temperatur a lichidului de rcire; 15 - ruptor- distribuitor; 16 - comanda aerului adiional; 17 - senzorul poziiei clapetei de acceleraie;18 - ECU; 19 - contact general; 20 - baterie de acumulatoare Alimentarea cu combustibil este un subsistem format din pompa de alimentare 2, acumulatorul depresiune3,filtrulultrafin4,regulatoruldepresiune5,distribuitoruldecombustibil9i injectoarele6.Pompadealimentareestedetipmuticelular,curolemetalice.Surplusulde combustibilestereturnatnrezervorlapresiuneatmosfericdectreregulatoruldepresiune5, presiunea din instalaia de alimentare fiind de circa 470500 kPa. Acumulatorul de combustibil 3 pstreaz presiunea n sistemul de alimentare dup oprirea motorului, asigurnd o repornire uoar a motorului, dup scurte staionri. n plus, acumulatorul asigur amortizarea zgomotelor pompei de alimentare i ntrzie stabilirea presiunii n circuitul de alimentare la pornirea motorului, ceea ce garanteaz o poziie neutr a pistonului de comand 3, din figura 2.5. Fig. 2.5 Distribuitorul de combustibil1 - diafragm; 2 - ctre injector; 3 - piston de comand; 4 - fant de comand; 5 - regulator diferenial de presiune 31 Injectoarele sunt plasate n colectorul de admisie, n apropierea supapelor de admisie, isunt fixate cu ajutorul unor inele de cauciuc, ce asigur etaneitatea i izolarea termic fa de colectorul de admisie. Acestea sunt tarate la o presiune de autodeschidere de 330 kPa, fiind de tip pasiv, n sensul c nu au o funcie controlat de dozaj a combustibilului.Msurareadebituluideaerabsorbitserealizeazdupprincipiulcorpurilorflotante,prin utilizarea unui rotametru format de platoul circular 10, figura 2.4, care se ridic ntr-un flux de aer determinat de forma cu conicitate variabil a tronsonului de intrarea a colectorului de admisie, pn cndforadeapsareaaeruluiexercitatpefaainferioaraplatouluiechilibreazgreutatea acestuia. Un sistem de prghii transmite micarea platoului ctre pistonul de comand 3, din figura 2.5, care va determina cantitatea de combustibil trimis ctre injectoare.Distribuia i dozajul combustibilului se realizeaz n blocul de dozaj 9, care cuprinde cte un regulator diferenial de presiune 7, pentrufiecarecilindru, regulatorul presiunii de comand 5 i dozatorulcupistonuldecomand6.Seciuneadetrecereafanteidecomand,deform dreptunghiular,cuodeschiderede0.1mm,seplaseazntr-opoziiebinedeterminatfade rampa orizontal de distribuie.Regimurile caracteristice de funcionare ale motorului sunt urmtoarele: Pornirea la rece. Pentru compensarea pierderilor de combustibil datorate condensrii acestuia pe pereii reci ai colectorului de admisie este necesar un aport suplimentar de combustibil. Pentru aceasta este prevzut un injector de pornire la rece 8, acionat electromagnetic, care se va deschide n momentul pornirii i se va nchide atunci cnd termocontactul temporizat 13 va sesiza o cretere prestabilit a temperaturii motorului. Faza de nclzire are loc dup pornirea la rece, cnd este necesar mbogirea amestecului carburantpnlavalori=0,4.Corectoruldepresiunefacecapresiuneadecomand,careare valoarearelativde50kPalapornirealarece,sajunglacirca370kPalasfritulfazeide nclzire. Comanda aerului adiional se realizeaz prin activare electric a unei diafragme mobile 16, acionate de un servomotor, care poate fi unul pas-cu-pas, montat ntr-o aduciune n paralel pe clapeta de acceleraie. 2.1.7Sisteme de formare a amestecului prin injecie intermitent Unul din sistemele larg utilizate de formare i distribuire a combustibilului spre cilindri este sistemulBoschLH-Jetronic(LuftHitzdraht),adicmsurareadebituluideaerabsorbitprintr-o metod termoanemometric, are urmtoarele principale caracteristici: -msurarea debitului de aer absorbit de ctre motor;-turaia motorului i debitul de aer ca variabile principale de intrare n sistem;-injecia intermitent de combustibil. 32 Fig.2.6Sistemul de injecie intermitent LH-Jetronic 1 - rezervor de combustibil; 2 - pomp electric de alimentare; 3 - filtru; 4 - ECU;5 - injector; 6 - ramp de distribuie; 7 - regulator de presiune a combustibilului; 8 - colector de admisie; 9 - senzor de poziie a clapetei; 10 - debitmetru cu fir cald; 11 - senzor ;12 senzor altemperaturii lichidului de rcire; 13 - ruptor-distribuitor; 14 - By-pass pentru aerul adiional la ralanti; 15 - baterie de acumulatoare; 16 - contact general nfigura2.6sepoateurmrifuncionareasistemuluiLH:alimentareacucombustibilse realizeaz cu pompa electric 2, capabil s livreze combustibil la o presiune de aproximativ 800 kPa, care asigur buna funcionare a motorului n toate condiiile. Rampa de distribuie 6 menine o presiuneconstantdecca250...370kPa,depinznddeproductor,peinjectoarele5,datorit regulatorului diferenial de presiune 7, care aduce corecii cu presiunea atmosferic.Unitatea electronic de control proceseaz informaiile provenite de la senzori, avnd ca scop controluldurateidedeschidereainjectoarelorelectromagnetice5,furnizndocantitatedecombustibilprecisdeterminatdupalgoritmidecalculspecificifiecreifirme,ceurmresc minimizarea consumului i a emisiilor de noxe din gazele de evacuare, senzorul nchiznd o bucl dereacienegativnsistemulautomatdemamagementalformriiamesteculuicarburant.De exemplu,pebazainformaiiorfurnizatedesenzoruldetemperaturalichiduluidercire,la temperaturi joase se ia decizia de cretere a periodei de injecie, pentru compensarea pierderilor de combustibil datorat fenomenelor de condensare ce au loc n colectorul de admisie. Poziia clapetei de acceleraie,datdesenzorul9,asiguradaptareaamesteculuincondiiispecificedelucruale motorului (sarcini totale sau mersul n gol).Sistemul descris poate funciona n urmtoarele moduri principale de acionare a injectoarelor, depinznd de caracteristicile funcionale i constructive ale motorului: -simultan, cu acionarea n paralele a injectoarelor;-simultan, cu acionare pe grupe de cilindri; -secvenial, livrnd combustibil fiecrui cilindru n parte.Secveneledeactivareainjectoarelor,dupceletreiprincipalemoduridefuncionare,sunt prezentate n figura 2.7. 33 Fig.2.7 Comparaie ntre cele trei tipuri de injecie:a) simultan, cu acionare n paralel;b) secvenial, pe grupe de cilindri; c) secvenial, la fiecare cilindru n parte; 1 - injector nchis; 2 - injector acionat; 3 - z = momentul aprinderii; pe ordonat este figurat ordinea de aprindere 2.1.8Strategii de control al formrii amestecului carburantn motoarele cu aprindere prin scnteie, o ardere ct mai complet se produce n condiiile unui amesteccarburantomogen,ceeaceducelanecesitateauneibuneatomizriacombustibilului. Injectoarele electromagnetice asigur o suficient pulverizare a combustibilului n toate regimurile de funcionare ale motorului, mai ales n cele de pornire la rece sau de plin sarcin, unde sistemele de formare a amestecului dotate cu carburator sunt deficitare.Sistemuldemanagementelectronicalformriiamesteculuipresupuneexistenaunitiide controlECU(ElectronicControlUnit),cevadeterminalimeaimpulsurilordecomanda deschiderii injectoarelor dup un program nscris n memorie, innd cont de regimurile specifice de funcionare ale motorului. Astfel, la pornirea la rece se comand o lime mai mare a impulsurilor de comand a injectoarelor, pe cnd n regim de supraturare a motorului acestea sunt inactivate amd.Depinznd de productor, strategiile difer dup multitudinea algoritmilor de calcul adoptate, totui funcionare unui sistem de control se poate urmri dup o schem logic de un tip general, prezentat n figura 2.8. 34 Fig.2.8 Schema logic a controlului duratei de injecie Controlul n volum al injeciei de benzin Durata de baz a deschiderii injectorului este nscris ntr-o cartogram ce depinde de turaie i de valorile presiunii absolute ale aerului din colectorul de admisie, n cazul sistemelor turaie-debit masic de aer, sau de valorile debitului de aer de admisie, n cazul sistemelor turaie-debit volumetric de aer. Microprocesorul ce echipeazECU modific durata de injecie dup diferii algoritmi de calcul, innd ns seama de o serie de factori de compensare, dup cum urmeaz:-pornirea motorului; microprocesorul calculeaz durata de injecie Ti innd cont de dependena acesteia proporional cu durata de acionare a demarorului + corecia cu temperatura + corecia cu tensiunea bateriei; -turaia de mers ncet n gol; regimul este detectat cu ajutorul senzorilorde turaie i de poziie a clapetei, cnd microprocesorul selecteaz cartograma de mers n gol, caz n care sarcina motorului se detecteaz cu ajutorul a mai multor senzori i anume:funcionarea instalaiei de aer condiionat, prin detectarea funcionriicompresorului de climatizare; angajarea transmisiei automate, prin deschiderea contactelor de inhibare, date de poziiile parcare/punct neutru; creterea sarcinii electrice a diferiilor consumatori (lumini, dezaburire lunet, tergtoare de parbriz, etc.); funcionarea servodireciei, prin detectarea creterii presiunii n circuitul hidraulic peste o valoare prestabilit. Interveniaasupraturaieidemersngolsefaceprincomandaaeruluisuplimentar.Semai practicoreglaredemersngolrapid,atuncicndsarcinamotoruluicretepesteovaloare prestabilit (tensiunea bateriei este prea sczut sau este solicitat intens instalaia de climatizare, n special pe poziia Rece). Aproximativ 25% din software-ul unui sistem modern de management al motorului este dedicat regimului de mers n gol [70], [103].-regimul normal de funcionare poate fi considerat cvasistaionar, caz n care durata de injecie se calculeaz cu formula: 35 Ta=Ti+Tc+Tu,

unde: Ta reprezint durata de activare a injectorului;Tieste durata de baz; Tceste durata de corecie cu diferii factori;Tureprezint durata de corecie cu tensiunea bateriei. Compensri aplicate duratei de injecie.Durata de baz a deschiderii injectoarelor este nscris ntr-o cartogram sub form de valori caredepinddeturaiamotorului,decantitateadeaerdeadmisieiestecontinuuajustatdeo mulime de factori [100], denumii factori de corecie, care sunt prezentai n tabelul 2.2: -temperatura motorului, prin apa de rcire; -temperatura aerului de admisie; -poziia clapetei de acceleraie; -tensiunea bateriei de acumulatoare. Tab.2.2Compensri asupra duratei de injecie. Compensare Mrimi de intrare furnizate de senzori Efecte asupra duratei de injecie Pornirea motoruluiTuraia, temperaturaCrete Imediat dup pornireTuraia, temperaturaScade gradual Faza de nclzireTuraia, temperaturaScade gradual Mersul n golTuraia, tensiuneaCorecii n plus sau n minus Sarcin plinTuraia, debit de aer Crete, cnd debitul de aer depete o valoare prestabilit Frna de motorTuraia, Poziia clapetei Zero, cu clapeta nchis i n>1500 rpm AccelerriPoziia clapeteiCrete proporional SupraturaieTuraiaZero, la n>nmax Tensiunea baterieiTensiuneaCrete cu scderea tensiunii Temperatura motoruluiTemperaturaCrete la rece Temperatura aerului de admisie TemperaturaCorecii n plus sau n minus Moduldefuncionarealsistemuluidemanagementalformriiamesteculuisubinfluena factorilorenumeraipoatefisintetizatntr-oschemgeneraldealimentarecucombustibil, prezentat n figura 2.9. 36 Fig.2.9Schema bloc de alimentare cu combustibilDin punctul de vedere al formrii amestecului combustibil/aer exist dou mari categorii de sisteme [70], [103]: -sisteme turaie-debit masic de aer, atunci cnd se msoar presiunea absolut a aerului din colectorul de admisie; -sisteme turaie-debit volumetric de aer, atunci cnd se msoar debitul aerului de admisie. Controlul stoichiometric al formrii amestecului Controlul precis al amestecului se realizeaz n jurul valorii 1 a coeficientului de exces de aer . ECU proceseaz semnalul transmis de senzorul , care nchide bucla de reacie negativ n sistemul automat de control, cum se ilustreaz n figura 2.10 a. Fig.2.10 a) Controlul stoichiometric al formrii amestecului 1 - debitmetru de aer; 2 - motor; 3 - sond ; 4 - catalizator; 5 - injectoare; 6 - ECU; a - mrime de referin; b - integrator; c - comparator; d - control adaptiv; e - reglaje speciale; f - intrare combustibil;U - tensiunea generat de sonda ; UB - tensiunea bateriei; n - turaia motorului;TM - temperatura motorului; ti - durata impulsului de comand; tL - cantitatea de aer;Vi - cantitatea de combustibil injectat; b) Modul de variaie a tensiunii U 37 Corecianbuclnchisaraportuluiaer/combustibilestenecesarncazulutilizriiunui catalizatorplasatpecolectoruldeevacuare,pentrucaacestaslucrezecueficienmaxim,cu scopulreduceriisemnificativeaemisiilordenoxe.Pentruaceasta,raportulaer/combustibileste pstrat la valoarea constant de 14.7:1, ceea ce corespunde unei valori=1.Se deosebesc trei cazuri tipice de funcionare:-amestec prea bogat, caz n care se aplic un coeficient de corecie n domeniul=0.81, reducndu-se durata de injecie; -amestec prea srac, caz n care se apl ic o corecie n domeniul =11,2, mrindu-se durata de injecie; -nu se aplic aceste corecii n cazurile urmtoare: la pornirea motorului;la mbogirea poststart;la mbogirea n faza de nclzire;la decelerri i n plin sarcin, atunci cndclapeta de acceleraie este nchis sau deschis complet. n timpul funcionrii motorului, calitatea amestecului oscileaz ntre bogat i srac, cum se ilustreaznfigura2.10b,sistemulconsiderndamesteculstoichiometriccamedieavalorilor rapoartelor aer/combustibil corespunztoare. Exist dou tipuri de senzori ai excesului de oxigen din produsul arderii, ambele furniznd un semnal utilizabil n jurul valorii = 0,991,1. O dezvoltare a senzorului convenional nclzit cu zirconiu o reprezint senzorul universal UEGO (Universal Exhaust Gas Oxigen-senzor), capabil s detectezepunctul stoichiometric, care poate msura raportul aer/combustibil ntr-o gam larg de valori, de la cele foarte bogate (10:1), la cele foarte srace (35:1). 2.1.9Sisteme de aprindere Sistemul de aprindere trebuie s ofere o tensiune suficient pentru a fi posibil iniierea unei descrcri electrice ntre electrozii bujiei. Aceast scnteie trebuie s aib suficient energie pentru a reui s aprind amestecul carburant din camera de ardere, n orice condiii de funcionare i s se produc ntr-un moment optim n timpul cursei de compresie a pistonului.ntr-unmotormodern,sistemuldeaprindereformeazunsubsistemalmanagementului grupului motopropulsor, cuprinzndsenzori i circuite interconectate cu circuitele electronice de control ale sistemelor de formare ale amestecului i transmisiei. Avansul la aprindere Pentru obinerea unui transfer maxim de energie de la combustibil ctre piston, presiunea n cilindru trebuie s ajung la valoarea ei maxim n jurul a 1516 RAC dup PMS, fiecare tip de motoravndunavansoptimlaaprindere,nmoduzual2035RAC,stabilitpentruunregim specific dat, numit avansul momentului motor maxim. Parametriideintraredebazaisistemuluielectronicdecontrolalunghiuluideavansla aprindere se pot urmri ntr-o cartogram tipic, nscris n memoria de lucru a microprocesorului, dup cum se arat n figura 2.11, iar acetia sunt:-Turaia motorului; -Semnale care se refer la cuplul motorului, care pot fi presiunea din colectorul de admisie, debitul de aer de admisie sau, n anumite configuraii, chiar cantitatea de combustibil injectat.- 38 Fig.2.11Cartograma unghiului de avans la aprindere.Sistemele electronice pentru controlul avansului la aprindere urmresc cu precizie urmtorii parametrii: -momentul aprinderii; -unghiul de cam; -curentul primar din bobina de inducie.n general, microprocesorul aplic urmtoarea formul de calcul al unghiului de avans:c b i so o o o + + = , unde - ioeste unghiul iniial de avans, parametru reprezentativ pentru un anumit motor, care se stabilete prin ncercri, ca unghi minim la care este posibil funcionarea stabil a motorului;- boeste unghiul de avans de baz, a crui valoare se extrage din cartograma de avans i corespunde punctului de funcionare dat de turaia i cuplul motorului nt r-un moment oarecare;- coeste unghiul de corecie, care se adaug celor precedente n acord cu condiiile specifice de funcionare a motorului, care pot fi: faza de nclzire a motorului, n care, pe baza semnalelor primite de la senzorii de temperatur, unitatea de control electronic dispune creterea unghiului de avans la temperaturi sczute; supranclzirea motorului are ca efect o corecie negativ asupra unghiului de avans; turaia de mers n gol a motorului determin o corecie a unghiului de avans n funcie de sarcinile adiionale aplicate motorului, cu scopul de a obine o turaie de mers n gol stabil i ct mai joas. Aceste sarcini sunt n general, de natur electric (instalaia de climatizare, cuplarea transmisiei automate, servodirecia electric, etc.); apariia detonaiilor, care sunt sesizate pe cale electronic i determin micorarea unghiului de avans, sistemul avnd nregistrat caracteristica de avans cu limitele funcionrii fr detonaii i reacionnd diferit, n funcie de frecvena apariiilor detonaiilor. Rezultatulcalcululuiunghiuluideavansestelivratdectremicroprocesorsubformaunui impulsdetensiunedecomandaunuitranzistordeputere,carecontroleazenergiaelectric nmagazinat prin diverse mijloace [138], n vederea declanrii scnteii de aprindere la momentul optim. Clasificarea sistemelor de aprindereSistemele de aprindere se pot clasifica dup cum urmeaz:39 -Convenionale (Kettering), care realizeaz reglajul dup cuplul motor, prin msurarea depresiunii, cu membran elastic i arc de revenire i dup turaia motorului, centrifugal de tip Watt-Polzunov;-Electronice, la care bobina de inducie este controlat de dispozitive semiconductoare, care pot fi comandate pe cale mecanic sau electronic; -Fr ruptor, sunt identice cu cele electronice, controlul exercitndu-se n alt mod dect pe cale mecanic; -Fr distribuitor sau sisteme de distribuie statice, care nu utilizeaz sisteme mecanice de distribuie a tensiunii nalte; -Inductive, sunt sisteme care stocheaz energia primar ntr -o bobin; aceast energie poate fi descrcat prin metode mecanice sau electronice; -Capacitive, energia primar este stocat ntr-un condensator; aceste sisteme se mai numesc CD (Capacitor Discharge); -Magneto, sunt sisteme la care motorul antreneaz un magnet permanent ntr -o micare de rotaie, pentru a genera energie; pot fi convenionale, electronice, fr ruptor sau fr distribuitor. Sistemele de aprindere cu ruptor-distribuitor, dei sunt utilizate pe scar larg, prezint o serie de dezavantaje. Un dezavantaj important este faptul c aceste sisteme conin o serie de elemente elasticesupuseoboseliisaucuplajemecanicecufrecriincontrolabile,ceeaceducentimpla scdereaperformanelorsistemelor.Deasemenea,unaltdezavantajimportantestefaptulc,pe msur ce turaia motorului crete, perioada de timp ct contactele ruptorului sunt nchise (unghiul de cam, denumit Dwell) se micoreaz, ca urmare curentul din primarul bobinei de inducie nu are timp suficient pentru a se restabili la valoarea sa maxim, limitnd astfel energia disponibil pentru scnteie. ntr-un sistem de aprindere electronic, cu ruptor fr contacte, prezentat n figura 2.12, curentul prin nfurarea primar a bobinei de inducie este comutat de un etaj final de putere cu tranzistoare sau tiristoare , controlat de unitatea de control electronic. Fig.2.12 Sistem de aprindere cu ruptor 1 - contact; 2 - bobin de inducie; 3 - ruptor-distribuitor; 4 - conductori; 5 - bujii; 6 - ECU Exist mai multe tipuri de astfel de sisteme, dar n ultimii ani s-au impus urmtoarele tipuri de ruptoare fr contacte, datorit fiabilitii dovedite n exploatare: -Inductive, cu senzor de reluctan magnetic variabil;-Inductive, cu senzor cu efect Hall; -Cu comutaie optic. Un sistem de aprindere care are un ansamblu format cu senzor de reluctan magnetic variabilformeazuncomutatormagneticincestedesutilizat,totuidatoritpreuluinscdereal 40 dispozitivelor electronice, el a fost nlocuit de ruptorul cu senzor Hall, a crui schem electric de principiu este redat n figura 2.13. Senzorul Hall este conceput n tehnic integrat i este capabil s genereze un impuls electric controlabilnceeaceprivetemrimilesalecaracteristice,laovariaieaunuicmpmagnetic.Principiul de funcionare al ruptorului se bazeaz pe aceast proprietate, cmpul magneticprodus de un magnet permanant fiind ntrerupt periodic n micarea de rotaie de o ecranare sectorizat dup numrul de cilindri ai motorului. Fig.2.13 Sistem de aprindere cu ruptor f r contacte Sistemeledescriseauavantajuleliminriicontactelormecaniceioferposibilitateaunei exploatri de lung durat, practic fr revizii pentru aproximativ 180.000 km rulai. Pentru un management complet al aprinderii, aceste sisteme trebuie completate cu controlul unghiului de cam, dup cum se arat n figura 2.14, care face posibil ca sistemul de producere al scnteii s se ncarce cu energia necesar n orice regimuri de funcionare a motorului, aducndu-se coreciile necesare n funcie de starea de ncrcare a bateriei. Fig.2.14 Controlul unghiului de cam Siteme de aprindere fr distribuitor Dup cum sunt denumite, aceste sisteme nu au n alctuirea lor dispozitive mecanice, n micare de rotaie, pentru distribuirea naltei tensiuni i mai sunt cunoscute sub numele de distribuitoare statice. Ele furnizeaz scnteia n punctul optim de avans, alctuind un subansamblu al unui sistem integrat de management al motorului cu aprindere prin scnteie.41 n figura 2.15 se prezint schema bloc a unei aprinderi statice cu bobine de inducie individual plasatepefiecarebujie,osoluiemodern,carecomportcosturirelativridicate,darcareseva impune ntr-un viitor nu prea ndeprtat, datorit avantajelor oferite de posibilitile de funcionaren regim multiscnteie. Scnteia este format de un etaj final tranzistorizat, comandat de un bloc de comand, denumit ANS, care la rndu-i primete informaii despre regimul de funcionare al motorului de la ECU, cum se arat n figura 2.16 a.Sistemul este prevzut cu senzor de urmrire a curentului din primarul bobinei de inducie b, format din rezistenele n raport de 1/100, care semnalizeaz starea de avarie ce apare atunci cnd tensiunea din primar scade sub valoarea devrf de la aproximativ 380 V, n funcionare normal, la 180V, dup cum se arat n graficul evoluiei tensiunii primare din figura 2.16 b.n urma testrii curentului primar, informaia este stocat n blocul de diagnoz, iar injectorul cilindrului respectiv este dezactivat, din motive evidente. n cazul defectrii a jumtate din numrul bujiilor, care echipeazmotorul, a bobinelor saua etajelor de ieire, motorul va intra n stare de avarie i se va opri. Fig.2.15 Sistem de aprindere staticFig.2.16 Schem de acionare a unui bloc bobin de inducie-bujie O alt categorie de sisteme de aprindere statice, tot mai des utilizate n ultimul timp datorit eficienei formrii scnteii i a fiabilitii dovedite n funcionare, sunt cele cudubl scnteie sau cu scnteie pierdut (Wasted Spark), denumite DSI (Dual Spark Ignition), n care bobina de inducie are cuplate bujiile la ambele capete, ele aprinzndu-se simultan, una la momentul optim dat de avansul la aprindere, cealalt n evacuare, tensiunea disponibil ajungnd la cca 24 kV.42 Fig.2.17 Sistemul de aprindere DSI Astfel,cumseprezintnfigura2.17,sistemuldeaprindereDSIesteacionatdeunitatea electronic,dupocartogramdegenulceleidinfigura2.11icareapliccoreciiavansuluila aprindere dup temperatura aerului de admisie, a motorului i dup frecvena apariiei detonaiilor. Sistemul este capabil s lucreze la frecvene ridicate, de pn la 20 kHz, testat pe banc de ctre autor, ceea ce l face apt pentru funcionarea n regim multiscnteie. 2.1.10 Sisteme de management integral al motorului cu aprindere prin scnteie Cele mai evoluate sisteme de management al motorului combin avantajele oferite de controlul formrii amestecului i controlul pe cale electronic a aprinderii, cele dou subsisteme avnd fiecare separat, o mare flexibilitate n funcionare. Seprezintnfigura2.18sistemulMOTRONICdezvoltatdefirmaBosch,carepoatefi implementat pe versiunile de formare a amestecului prezentate anterior i anume:-KE, injecie continu; -MONO, injecie intermitent; -LH, injecie secvenial. Sistemul prezentat n figura 2.18 monitorizeaz datele reale de funcionare a motorului, culese de senzori, pe care le compar cu cele nscrise ntr-o mulime de cartograme n memoria de lucru, fiindcapabildealuadeciziideoptimizareaperformanelor,maialesnblocurilecarecuprind controlul emisiilor poluante i n cele de funcionare pe curbele de economicitate maxim.De asemenea, implemetarea unei strategii adaptive de control, care cuprinde numeroase circuite nbuclnchis,faceposibilmanagementulunorfunciiadiionale,ceaudevenitnultimiiani standarde, dup cum urmeaz: -controlul proceselor de ardere din motor, prin:controlul n bucl nchis al factorului , utiliznd doi senzori de oxigen; controlul individual al injeciei de combustibil; controlul sarcinii motorului, prin msurarea debitului de aer; reglarea adaptiv a avansului la aprindere, urmrind arderea detonant pe fiecare cilindru;regimul de aprindere multiscnteie, cu urmrirea curenilor primar i secundar; distribuia variabil; raport de compresie variabil. -controlul mersului n gol, urmrindu-se o turaie ct mai joas i stabil; -controlul recirculrii gazelor arse i al degazrii rezervorului de combustibil;-controlul regimului de funcionare al catalizatorului; -controlul momentului motor i a poziiei clapetei de acceleraie, la funcionarea cu o transmisie automat. -sistem de autodiagnoz, cu memorarea i semnalizarea defeciunilor.43 Fig.2.18 Sistemul de management MOTRONIC 1 - canistra carbon; 2 - electrovalva de aduciune aer; 3 - purjare canistra; 4 - regulator de presiune combustibil; 5 - injector; 6 - controler de presiune; 7 - corpul bobin-bujie;8 - senzorul camei; 9 - pompa de injecie aer secundar; 10 - electrovalva aerului secundar; 11 - debitmetru masic de aer de admisie; 12 - ECU; 13 - poziia clapetei de acceleraie;14 - By-pass-ul aerului adiional; 15 - senzorul temperaturii aerului; 16 - electrovalva EGR; 17 - filtru de combustibil; 18 - senzor de detonaie; 19 - senzorul turaiei motorului;20 - temperatura motorului; 21 - senzor ; 22 - bateria; 23 - interfaa de diagnoz;24 - lampa martor autodiagnoz; 25 - senzor diferenial al presiunii atmosferice; 26 - pompa electric de alimentare 2.1.11 Injecia direct de benzin Cu toate c ideea injectrii combustibilului la motoarele cu aprindere prin scnteie direct n cilindrul motorului este veche, doar recent ea a fost introdus n producia de serie a motoarelor de autoturisme.Introducereaacesteialamotoarelemoderneafostposibildatoritprogreselorn domeniul electronicii i, n special, controlului computerizat al motorului.Motoare cu injecie direct de benzin au fost construite nc din primii ani ai motorului cu ardereintern.Primeleaplicaiiaufostndomeniulmilitar,cuaplicaiilamotoarelepentru avioaneledeluptgermane.Maitrziu,injeciadirectafostaplicatlamotoarelepentru autoturismele de nalt performan. Reprezentative pentru aceast perioad sunt motoarele Daimler Benz pentru Formula 1 i pentru modelul 300 SL. Pentru mai multe decenii, injecia direct a fost 44 practic uitat, datorit dificultilor n controlarea proceselor din motor, n special la turaii mari, precum i dificultii de realizare a presiunii nalte a combustibilului.Revenirea injeciei directe a fost marcat de prezentarea prototipului IRVW Futura din 1989. Cu aceast ocazie a fost consacrat i titulatura GDI (Gasoline Direct Injection). Motorul prezentat de constructorul german era destul de revoluionar, una dintre nouti fiind injecia direct de benzin, dotat cu o pomp de alimentare ce realiza presiunea maxim de 450 bar.nultimavreme,datoritrestriciilordincencemaiseverendomeniulpoluriiimpuse motoarelor cu ardere intern, injecia direct se preconizeaz a fi soluia de formarea a amestecului spre care se vor ndrepta toi constructorii de motoare cu aprindere prin scnteie.Avantajele oferite de acest procedeu de alimentare sunt sintetizate dup cum urmeaz: -coeficientul de exces de aer global poate fi substanial supraunitar permind obinerea unei bune economiciti; -arderea se realizeaz n condiii ce defavorizeaz formarea NOx; -cantitile de monoxid de carbon i hidrocarburi produse la nceputul procesului de ardere pot fi oxidate complet n interiorul camerei de ardere;-amestecul ce ptrunde n interstiii este foarte srac sau chiar nu conine deloc combustibil, diminundu-se cantitatea de hidrocarburi formate pe aceast cale; -controlul sarcinii motorului poate fi efectuat, cel puin parial, prin modificarea mbogirii amestecului i nu prin obturarea admisiei, minimizndu-se pierderile prin pompare; -amestecul la sfritul arderii este foarte srac i de aceea estemult mai puin susceptibil la detonaie, astfel se pot utiliza rapoarte de comprimare mai mari. Soluii constructive Aplicarea injeciei directe a impus dezvoltarea unor soluii constructive deosebite de cele pentru motoarele cu injecie indirect. Principalele sisteme care sufer modificri sunt modul de organizare a micrii ncrcturii, formarea amestecului la diferitele regimuri de funcionare, modul de control alsarciniimotoruluiibineneles,echipamentuldeinjecie.Unelesubsisteme,cumarficelde recircularealgazelorarse,aufostmbuntitedinpunctdevederealprecizieicontroluluii eficieneifuncionrii,iaraltelecaceledetratarealgazelordeevacuare,autrebuitsfien ntregime regndite, datorit condiiilor tot al diferite de funcionare. Sistemuldeinjecieestecelcareconfermotoruluiavantajelesubstanialendomeniul economicitii,puteriiiemisiilorpoluante[129],[130].Fadesistemeledeinjecienpoarta supapei,acesteatrebuiesfiecomandatecuopreciziemaimareisinteracionezemultmai profundcucelelaltesubsisteme(aprindere,supraalimentare,recirculareagazelorarse,tratarea gazelor arse). Injectoarele folosite sunt de construcie special, diferit de cele pentru injecia indirect. Ele trebuie s lucreze n condiii grele de presiune i temperatur. Problema principal care se pune este realizarea unei pulverizri ct mai fine, dar fr creterea exagerat a presiunii. Pentru aceasta au fost ncercate diferite configuraii ale orificiului de pulverizare. Soluia cu cel mai mare potenial ar fi utilizarea unor injectoare care imprim jetului o puternic micare de swirl. O sintez a tendinelor ce vizeaz aplicabilitatea soluiilor tehnice apte a fi utilizabile n prezent este prezentat n tabelul 2.3. 45 Tabelul 2.3 Concepte i obiective pentru motoarele cu injecie direct i soluiile pentru realizarea lor ConcepteObiectiveSoluii Micarea aerului Tumble invers Transportul vaporilor de benzin ctre bujie Coeficient de curgere prin supap ridicat Canal de admisie vertical mbuntirea gazodinamicii prin utilizarea canalului vertical Presiune sczut Pierderi reduse pentru comprimarea combustibilului Injector cu swirl Injecia Pomp antrenat de motor Consum de putere pentru injecie redus Pornire cu pompa de alimentare Sarcini mari Amestec omogen (injecie pe cursa de admisie) Eliminarea udrii pereilor Rcirea intermediar a aerului Reducerea funinginii la amestecuri stoichiometrice i bogate Eliminarea detonaiei Randament volumetric mrit Limitarea penetrabilitii jetului Jet larg dispersat Micare de tumble invers intensificat Formarea amestecului Sarcini pariale Amestec stratificat (injecie pe cursa de compresie) Evaporare mbuntit Ardere stabil pentru amestecuri srace Reducerea funinginii pentru sarcini mari Camer de ardere compact Transportul jetului de ctre tumble Controlul avansului injeciei AprindereaSistem de aprindere convenional cu fiabilitate confirmat Emisii Procent ridicat de gaze recirculate Reducerea NOx prin utilizarea amestecurilor stratificate Supap de recirculare a gazelor arse controlat electronic Admisia Control rapid i precis al debitului de aer Funcionare uniform Interval larg de aplicare a recirculrii gazelor Clapet de acceleraie acionat electronic Osoluieconvenabilesteceaainjecieidirectedeamestecaer-combustibil.Instalaiade injecie realizeaz un preamestec a combustibilului cu o cantitatea de aer, realizndu-se un amestec extrem de bogat sub forma unei emulsii, care va fi apoi introdus n cilindrul motorului.n tabelul 2.4 sunt prezentate principalele caracteristici pe care la are un motor dotat cu un astfel de sistem de injecie: 46 Tabelul 2.4 Sumarul caracteristicilor sistemului de i njecie direct propus de Mitsubishi CaracteristiciTehnologiiComponente Economicitatea ++ Amestec srac stratificat, tumble invers Raport de comprimare ridicat, rcire intermediar Ardere stoichiometric cu procent ridicat de gaze recirculate Injector cu swirl electromagnetic Camer de ardere compact Canalizaie de admisie vertical Puterea+ Canal ce admisie rectiliniu Rcirea ncrcturii prin evaporarea combustibilului Raport de compresie mare Canal de admisie vertical Controlul formrii amestecului Rspunsul ++ Controlul momentului prin cantitatea de combustibil injectat (nu este influenat de ineria coloanei de aer) Injecie direct Obturator aer Emisiile Ardere stabil n condiii de funcionare cu procent ridicat de gaze recirculate Control rapid i precis al recirculrii gazelor arse Control rapid i precis al dozajului Vibraii i zgomot Compensarea forelor de inerie ale maselor aflate n micare de translaie de ctre fora gazelor mrit Injector cu swirl electromagnetic Clapet de aer 2.1.12 Controlul formrii i arderii amestecurilor sracenscopulreduceriiemisiilorpoluantedeCO2,s-aurealizatmotoarecarefuncioneazcu amestecuri srace, valorificnd mai eficient combustibilul. Funcionarea acestor motoare, cu rapoarte aer/combustibil de la 16:1 pn la 25:1, realizeaz arderea combustibilului n exces de aer, ceea ce duce la reduceri ale consumului de cel puin 10%, cocomitent cu reducerea emisiilor de CO i NOx, dar numai n condiiile unei strategii de control realizat pe cale electronic.Cerinele impuse managementului unui astfel de motor sunt sintetizate astfel:-Bun preparare a amestecului carburant; -Energie de scnteie ridicat; -Monitorizarea continu a calitii arderii; -Controlul sistemului n bucl nchis. Unastfeldesistem,carelucreazcurapoarteaer/combustibilde25:1,afostconceputde firmele Toyota i Mitsubishi. Umplerea cilindrilor se realizeaz prin tehnica de control al turbionrii, denumit swirl control, cu ajutorul colectorului de admisie format din dou tubulaturi, una cu perei netezi, cu rezistene gazodinamice reduse, iar cealalt avnd o form interioar elicoidal, care va imprima aerului o traiectorie puternic turbionar.La sarcini mici i medii ale motorului, ECU comand funcionarea la amestecuri srace prin valva de turbionare, iar la regimuri de plin sarcin, se comut pe amestec stoichiometric (=1), prin adaos de aer prin tubulatura cu perei netezi. Prin controlul calitii arderii, sistemul funcioneaz la limitadedetonaie,lucrudeosebitdeimportantnregimuriledearderecuamestecurisracei cantitimaridegazearserecirculateEGR(ExhaustGasRecirculation),senzoriidedetonaie plasai pe blocul motor determinnd reducerea avansului la aprindere. Alte sisteme realizeaz o monitorizare indirect a calitii arderii prin msurarea curentului de ionizare care apare ntre electrozii bujiei, dup declanarea scnteii, sau prin msurarea acceleraiilor pistonului, prin determinarea fluctuaiilor vitezei unghiulare a arborelui cotit n perioada unui ciclu motor. 47 2.1.13 Funcii adiionale managementului motorului Controlul variabil al aerului de admisie Randamentulvolumetricalumpleriicilindrilorcuncrcturproasptnvscadeodatcu cretereaturaieimotorului,pentrumotoareleechipatecucolectoaredeadmisiecudimensiuni constante. Pentru a-l menine la valori optime n toat gama de turaii trebuie ndeplinite urmtoarele cerine: -la turaii mici, colectorul trebuie s aib lungime mare i seciune mic;-la turaii mari, colectorul de admisie trebuie s aib lungime mic i seciune mare, pentru reducerea pierderilor gazodinamice. Aceste cerine se pot rezolva utilizndu-se un colector de admisie cu dou traiecte pentru fiecare cilindrunparte,legturadintreacestetraiecterealizndu-seprintr-unby-pass,controlatdeo electrovalv comandat de ECU. Elementul de execuie poate fi un servomotor, ceea ce confer o precizie ridicat reglajului. Prinacestprocedeusepoateobineaproapeocurbidealacupluluidezvoltatdemotor, urmrind factori ca: -ncrcarea motorului; -turaia motorului; -poziia clapetei de acceleraie. Exist urmtoarele posibiliti de reglaj a lungimii colectorului de admisie:-ajustare infinit variabil; -posibilitatea de comutare ntre diferite lungimi; -posibilitatea de comutare ntre diferite diametre;-posibilitatea de a dezactiva un pasaj. n cazurile expuse, lungimea colectorului trebuie ncontinuu ajustat, cum se arat n figura 2.19 a, influenele privind modificarea presiunii medii efective din camera de ardere fiind ilustrate n figura 2.19 b. Fig.2.19 a) Colector de admisie cu lungime continuu variabil. 1 - tambur exterior;2 - carcasa fix; 3 - tambur rotitor; 4 -tambur intrare aer; 5 - intrare aer; 6 - etanare;7 - intrare motor; 8 - supapa de admisie; 9 - admisie motor; b) Dependena presiunii efective de lungimea i de diametrul colectorului de admisie Controlul asupra emisiilor prin evaporare Prinacestcontrolsistemulurmretecolectareaiardereahidrocarburilordegajatede rezervorul de combustibil. Vaporii de combustibil sunt extrai din rezervor printr-o valv de control i sunt stocai temporar n canistra de carbon 6, care i va elibera treptat, n cantiti reglate de valva 48 de purjare 4, comandat de ECU, pe baza unor valori din memoria microprocesorului, pentru a fi oxidai n motor, proces ilustrat n figura 2.20. Fig.2.20 Controlul emisiilor prin evaporare 1- intrare aer; 2 - clapet de acceleraie;3 - admisie aer; 4 - purjarea canistrei; 5 - comanda purjrii; 6 - canistra carbon; 7 - aer atmosferic; 8 - vapori combustibil Electrovalva de purjare se deschide atunci cnd sunt ndeplinite urmtoarele condiii:-Motorul este la temperatura nominal de funcionare;-La cuplarea cutiei de viteze; -Turaia motorului este superioar celei de mers n gol;-Senzorul funcioneaz normal, la temperatura nominal. Catalizatorul nclzit electric Acesttipdecatalizatoresteconceputirealizatnideeareduceriicantitiimarideemisii poluante care se degaj de ctre motor n primele 3060 secunde de funcionare dup pornirea la rece. Principiul de funcionare const n nclzirea structurii normale a unui catalizator cu un curent de circa 300 A, n primele 30 desecunde de funcionare dup pornirea la rece. Procedee moderne de izolaretermicaelementuluicataliticprintr-uninterstiiuizolatordeaeraupermisscderea necesarului de curent la 50100 A, dar numai timp de 15 secunde. Astfel, se obine o temperatur de circa 400C, propice reaciilor catalitice, n primele 15 secunde dup pornirea motorului. Dup 40 secunde de la pornirea motorului, catalizatorul atinge o valoare a randamentului de reinere a noxelor de 90%, moment n care curentul de nclzire este oprit de ctreECU. O soluie economic modern, prezentat n figura 2.21, controleaz nclzirea catalizatorului n acord cu parametrii aprinderii, n funcie de regimul de funcionare a motorului.49 Fig.2.21 Controlul catalizatorului. 1, 5, 14- alimentare electric 12 V; 2 - primarul bobinei de inducie; 3 - etaj final; 4, 5 - intrare comenzi; 6 - bloc logic de comand; 7 masa electric; 8, 9 - ctre injectoare i comanda clapetei de acceleraie; 10- releu clapet;11 - bujii; 12 - distribuitor; 13 - catalizator Controlul recirculrii gazelor arse Sistemul de recirculare al gazelor arse, denumit EGR (Exhaust Gas Recirculation), conduce n principal, la reducerea emisiilor de NOx cu pn la 60%, cu limitarea acestui avantaj la o cretere a emisiilor de hidrocarburi i a consumului de combustibil. n figura 2.22 se prezint un sistem EGR, care echipeaz motoare cu aprindere prin scnteie. Funcionarea sistemului este comandat de ctre ECU pe baza informaiilor primite de la senzorii de turaie i de temperatur ai motorului n i T, de la senzorii de debit masic sau presiune ai aerului de admisie P. Sistemul este oprit n periodele de mers n gol a motorului, fiind activat n special la regimuri de puteri pariale, date de senzorul de deplasare a pedalei de acceleraie. Fig.2.22 Sistemul EGR1 - conduct EGR; 2 - convertor electropneumatic; 3 - electrovalv EGR; 4 - debitmetru masic de aer Distribuia variabil Dezvoltarea tehnologic din ultimii ani a dus la realizarea i impunerea ca standard a distribuiei variabile, cu scopul eficientizrii proceselor de umplere cu amestec combustibil, din care se prezint 50 n figura 2.23 sistemul VALVETRONIC, n care distribuia este continuu modificat de ctre ECU cu cca 40 n jurul PMS, cu ajutorul unor elemente de execuie hidraulice. Sistemul VANOS (VAriabel NOckenwelle System), dezvoltat de BMW, utilizeaz ca actuator pentru modificarea att a timpilor de deschidere a supapelor, ct i a ridicrilor un electroservomotor asistat de un circuit hidraulic. Fig.2.23 a) Sistemul VALVETRONIC 1 - pomp hidraulic; 2 - rezervor-acumulator;3 -turaie motor; 4 - senzori de poziie a camelor; A-admisie; E-evacuare; b) Modificarea distribuiei n jurul PMS 2.1.14Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare Motorul cu ardere prin comprimare necesit un proces de ardere care poate fi controlat printr-un reglaj cantitativ, cantitatea de combustibil depinznd de poziia pedalei de acceleraie. Regulatorul final, de tip centrifugal, al crui rol const n reducerea cantitii de combustibil la depirea unei turaii prestabilite, a ajuns la ora actual la limita superioar a optimizrii. Dezavantajele principale ale unui sistem mecanic de reglaj sunt: -calitatea insuficient a reglajului, mai ales la turaii joase;-dificultatea reglrii i adaptrii sistemului la diferite motoare;-imposibilitatea limitrii emisiilor de noxe i particule; -inadaptabilitatea la variaii ale factorilor climatici; -numr mare de repere pentru diverse variante funcionale.Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare poate fi sistematizat, dup modul de alimentare la presiune nalt, astfel: -cu pomp de injecie n linie; -cu pomp-distribuitoare rotativ; -cu pomp injector; -cu pomp individual de injecie; -cu ramp comun (Common Rail). 2.1.15Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompe de injeci e Managementulunorastfeldemotoaresereferlaechiprilecupompedeinjecienlinie, respectiv cu pompe de injecie rotative, nc larg folosite n echiparea autovehiculelor i utilizeaz resursele electronice i mecatronice, o schem bloc a controlului pompei de injecie fiind illustrat n figura 2.24.51 Fig.2.24 Controlul electronic al pompei de injecie 1- senzor temperatur combustibil;2 - electrovalv de stop; 3 - electrovalv pentru recircularea gazelor arse EGR; 4 - injector dotat cu senzor de curs a acului; 5 - senzor temperatur lichid de rcire; 6 - senzor turaie motor; 7 - senzor presiune atmosferic; 8 - senzor temperatur aer admisie; 9 - debitmetru de aer; 10 - senzor de vitez Funcionarea acestui sistem, echipat cu pomp rotativ de injecie cu cam spaial, denumit VE (Ventil Electronik), se bazeaz pe realizarea unui control cu reacie negativ a manonului de reglare a debitului de combustibil injectat. Elementul de execuie este un motor pas-cu-pas, iar bucla de reacie se nchide prin senzorul poziiei manonului.Injectorul4alcilindruluidereferinalmotoruluiesteechipatcuuntraductorinductivde deplasarealaculuiinjectorului,caregenereazunsemnalelectric,cevafiprelucratde microprocesor i va fi considerat ca semnal de start al injeciei, cu ajutorul cruia sistemul verific avansul la injecie calculat. Elementul de execuie al reglrii avansului l constituie o electrovalv activat cu un tren de impulsuri de ctre microprocesor, care va modula o presiune de comand a statorului camei spaiale. Elementul de comand a debitului pompei de injecie este pedala electronic de acceleraie, a crei funcionare se bazeaz pe existena unui ansamblu traductor poteniometric al poziiei pedalei-servomotor de acionare. Sistemul se adapteaz la diferitele regimuri de funcionare, apelnd la o memorie de tip ROM, n care se afl nscris o baz de date ce conine evoluia diferiilor parametri: sarcina motorului, turaia, temperaturi, etc. Sistemelecupompedeinjecienliniesuntsimilarecelorexpuse,diferenafiinddatde existena cremalierei de comand, a crei acionare se face cu un element de execuie liniar. 52 2.1.16Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pomp - injector Aceste sisteme sunt echipate cu injectoare acionate direct de ctre o cam, dup cum se arat n figura 2.25 i prezint o serie de avantaje fa de sistemele clasice, cum ar fi:-simplificarea soluiilor constructive, prin reducerea numrului de repere;-eliminarea pompelor tradiionale de injecie, care necesit construcii laborioase i reglaje dificile; -eliminarea conductelor de nalt presiune, deci i a fenomenelor hidrodinamicenefavorabile care au loc n ele; -reducerea nivelului de zgomot, indus de pompa de injecie clasic;-reducerea nivelului emisiilor poluante, prin posibilitatea activrii secveniale, pe cale electronic, a injectoarelor; -controlul electronic precis al avansului i a duratei de injecie, prin utilizarea tehnicii digitale de calcul; -creterea presiunii de injecie la 150180 MPa, cu influene favorabile asupra pulverizrii, deci i asupra arderii; -controlul electronic al puterii dezvoltate de motor, n funci e de influena factorilor ambientali i climatici, prin coreciile exercitate de microprocesor asupra avansului i duratei de injecie; -posibilitatea reglrii vitezei de croazier a autovehiculului de ctre sistemul electronic de management global al traciunii; -posibilitatea de a suspenda grupe de cilindri, la funcionarea motorului la sarcini pariale;-suspendarea complet a injeciei de combustibil n regim de frn de motor. Fig.2.25Pompa injector1 - arc de rapel; 2 corp principali; 3 - plunger; 4 - chiulas motor; 5, 6 - elemente de montaj a pulverizatorului; 7...14 elemente ale sistemului electric de comand; 15, 16 - alimentare i retur combustibil; 17...20 elemente ale pulverizatorului 53 2.1.17Sistemul de management al motoarelor