Motoare Si Autovehicule

1 Cuprins PrefaŃă ...................................................................................................................... 4 1. Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi............................................ 5

1.1. Sisteme de monitorizare şi control specifice autovehiculelor ................... 5 1.2. Senzori....................................................................................................... 9

1.2.1 Senzori rezistivi .............................................................................. 10 1.2.2 Senzori capacitivi ........................................................................... 11 1.2.3 Senzori inductivi............................................................................. 12 1.2.4 Senzorii generatori de tensiune....................................................... 13

1.2.4.1 Termocuple ................................................................................ 13 1.2.4.2 Tahogenerator............................................................................. 13 1.2.4.3 Senzori care au la bază efectul Hall ........................................... 15 1.2.4.4 Sonda lambda ............................................................................. 15

1.2.5 Senzori generatori de sarcină electrică ........................................... 17 1.2.5.1 Senzori piezoelectrici ................................................................. 17

1.3. Adaptoare de semnal ............................................................................... 17 1.3.1 PunŃi Wheastone............................................................................. 17 1.3.2 Amplificatoare de tensiune............................................................. 19 1.3.3 Amplificatorul de sarcină ............................................................... 20 1.3.4 Integratorul ..................................................................................... 21

2. Măsurarea temperaturii................................................................................ 22 2.1. GeneralităŃi .............................................................................................. 22 2.2. Termocuple.............................................................................................. 23 2.3. TermorezistenŃe....................................................................................... 26 2.4. Termistori ................................................................................................ 26 2.5. Circuit integrat......................................................................................... 26 2.6. Termometrie în infraroşu ........................................................................ 27 2.7. Senzori utilizaŃi pe autovehicul ............................................................... 27

3. Măsurarea poziŃiei ....................................................................................... 29 3.1. GeneralităŃi .............................................................................................. 29 3.2. Senzori de poziŃie utilizaŃi pe autovehicul .............................................. 32

4. Măsurarea presiunii ..................................................................................... 34 4.1. GeneralităŃi .............................................................................................. 34 4.2. Senzori de presiune utilizaŃi pe autovehicul............................................ 36

5. Măsurarea debitelor ..................................................................................... 37 5.1. Debitmetru cu difaragmă......................................................................... 37 5.2. Debitmetru cu fir cald ............................................................................. 37 5.3. Senzori de debit utilizaŃi pe autovehicul ................................................. 39

6. Măsurarea forŃelor şi a momentelor............................................................. 39 6.1. Senzori rezistivi cu timbre tensometrice ................................................. 40 6.2. Măsurarea forŃei cu senzori capacitivi..................................................... 42 6.3. Măsurarea momentului cu senzori optici ................................................ 42

7. Prezentarea standului monocilindrului M511.............................................. 43

2 7.1. GeneralităŃi .............................................................................................. 43 7.2. Sistemul de achiziŃii de date.................................................................... 47 7.3. Etapele realizării instrumentului virtual de achiziŃie a datelor................ 50 7.4. Sistemul AVL DiCom 4000de monitorizare turaŃie şi noxe ................... 58

7.4.1 Controlul măsurării......................................................................... 64 7.5. AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie......................... 67

7.5.1 Determinarea momentului de început al arderii ............................. 69 7.5.1.1 Elemente teoretice ...................................................................... 69 7.5.1.2 Mersul lucrării ............................................................................ 74

7.5.2 Determinarea momentului de început al injecŃiei ........................... 75 7.5.2.1 Elemente teoretice ...................................................................... 75 7.5.2.2 Mersul lucrării ............................................................................ 77

7.5.3 Determinarea duratei injecŃiei ........................................................ 78 7.5.3.1 Elemente teoretice – Conform lucrării anterioare ...................... 78 7.5.3.2 Mersul lucrării ............................................................................ 78

7.5.4 Determinarea duratei perioadei de întârziere la autoaprindere....... 78 7.5.4.1 Elemente teoretice – Conform lucrărilor anterioare................... 78 7.5.4.2 Mersul lucrării ............................................................................ 78

8. Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi........................ 79 8.1. Descrierea standului ................................................................................ 79

8.1.1 Prezentarea motorului BAUTEIL 2S9............................................ 82 8.1.2 Prezentarea generatorului monofazat tip GTE 4/220 TS deparazitat.

84 8.1.3 Tabloul de comandă........................................................................ 86 8.1.4 Ridicarea diagramei indicate şi caracterizarea acesteia.................. 87

8.1.4.1 Elemente teoretice – Conform capitolului 7............................... 87 8.1.4.2 Mersul lucrării ............................................................................ 87

8.1.5 Determinarea duratei perioadei de întârziere la autoaprindere....... 87 8.1.5.1 Elemente teoretice – Conform capitolului 7............................... 87 8.1.5.2 Mersul lucrării ............................................................................ 87

8.2. Utilizarea unor criterii empirice la controlul momentului optim de inceput al arderii la motoarele cu aprindere prin scânteie ..................................................... 88

8.2.1 Criterii empirice utilizate la controlul momentului optim de inceput al arderii 89

8.2.1.1 Criteriul poziŃionării maximului presiunii.................................. 89 8.2.1.2 Criteriul fracŃiunii de carburant.................................................. 90 8.2.1.3 Criteriul raportului de presiune .................................................. 91 8.2.1.4 Concluzii .................................................................................... 93

8.2.2 Verificarea îndeplinirii criteriului maximului presiunii.................. 93 8.2.3 Verificarea îndeplinirii criteriului raportului presiunilor................ 93

8.3. Stand pentru comanda şi calibrarea injectoarelor de benzină ................. 94 8.3.1 Determinarea corelaŃiei dintre masa injectată şi timpul de injecŃie 97 8.3.2 Realizarea unui pogram pentru comanda injectorului motorului în

doi timpi 97

3 8.4. Comanda bobinei de inducŃie. InfluenŃa avansului la producerea scânteii.

Caracteristica de avans.............................................................................................. 97 8.4.1 Ridicarea caracteristicii de avans.................................................... 98 8.4.2 Elaborarea unui algoritm de reglaj folosind caracteristica de avans

99 8.4.3 Elaborarea unui algoritm de reglaj folosind criterii empirice de

reglaj 99 9. Bibliografie.................................................................................................. 99

4 PrefaŃă

PrefaŃă

În lucrarea de faŃă se prezintă succint elemente de bază necesare înŃelegerii modului de funcŃionare a sistemelor electrice ce echipează în prezent motoarele cu ardere internă şi autovehiculele. Astfel, în primele capitole sunt prezentate aspecte cu caracter general referitoare la modul de interconectare a diferitelor sisteme de control ce echipează autovehiculele, principiile de funcŃionare a acestor sisteme de control, a lanŃurilor de măsură şi comandă.

În partea a doua a lucrării sunt prezentate aspecte teoretice legate de fenomenele specifice ce au loc în motoarele cu ardere internă astfel că studenŃii pot aprofunda cunoştinŃele dobândite pe durata cursurilor de specialitate şi în acelaşi timp pot dobândi deprinderi noi referitoare la tehnica măsurătorilor, a prelucrării şi interpretării rezultatelor. În acest scop, în carte sunt prezentate în detaliu două standuri: primul echipat cu un monocilindru diesel în 4 timp, iar cel de-al doilea cu un motor cu un singur cilindru, cu aprindere prin scânteie în doi timpi.

Lucrarea de faŃă se doreşte a fi un suport pentru studenŃi, venind în ajutorul acestora în vederea fixării informaŃiilor vehiculate pe durata cursurilor de specialitate precum şi pe durata seminariilor şi a orelor de laborator ce se desfăşoară în cadrul FacultăŃii de Mecanică fiind adaptată aparaturii şi instalaŃiilor din cadrul catedrei de Termotehnică, Maşini Termice şi Autovehicule Rutiere.

Lucrarea a fost elaborată de cei doi autori după cum urmează: dr.ing. Virgil Stoica: cap. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8.3, 8.4 ş.l. dr. ing .mat. Sorin Holotescu cap. 7, 8.1, 8.2

1.1 Sisteme de monitorizare şi control specifice autovehiculelor 5

1. Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi

1.1. Sisteme de monitorizare şi control specifice autovehiculelor

Monitorizarea şi controlul tuturor dispozitivelor existente în prezent pe autovehicule se face cu ajutorul unor unităŃi de control cum ar fi: unitatea de control a motorului (ECU – Engine Control Unit), unitatea de control a transmisiei (TCU – Transmission Control Unit), unitatea de control a sistemului de frânare (ABS Anti Blocking System), a sistemului de stabilitate (ESP - Electronic Stability Program) unitatea de control a instrumentelor de bord, a sistemelor din habitaclu (lumini, semnalizare, aer condiŃionat, poziŃie oglinzi, controlul geamurilor, încălzitoare, etc.) a sistemelor de securitate antifurt etc. Toate aceste unităŃi de control sunt interconectate între ele (Figura 1.1.1) prin intermediul protocolului de comunicare CAN (Controller Area Network), putându-se face astfel schimb de informaŃii. De exemplu, atunci când conducătorul auto frânează, sistemul ABS intră în funcŃie trimiŃând informaŃia necesară, prin intermediul reŃelei, către unitatea de control a motorului comandând decelerarea chiar dacă şoferul continuă să apese pedala de acceleraŃie. De asemenea, în cazul unui accident motorul va fi oprit automat prin întreruperea alimentării cu combustibil pe baza informaŃiei primite de la sistemele de siguranŃă, respectiv crash detector.

ECU TCU ESP ABS

CAN

Figura 1.1.1, Reprezentare schematică a unei reŃele CAN de pe autovehicul

Aceste unităŃi de monitorizare şi control au la bază în general un microcontroler. Un microcontroler este un circuit integrat care conŃine: o unitate de calcul (procesorul), memorie non-volatilă (ROM) pentru stocarea programului care urmează a fi rulat şi pentru înregistrarea diferiŃilor parametri necesari funcŃionării, memorie volatilă RAM necesară pentru stocarea informaŃiilor de intrare ieşire pe durata funcŃionării, un ceas, un controler pentru liniile de intrare ieşire precum şi o serie de echipamente periferice cum ar fi convertorul analogic numeric, cronometre, generatoare de semnal PWM,

6 Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi 1 convertoare numeric analogice, ieşiri şi intrări digitale, periferice care asigură comunicaŃia serială tip CAN, RS232 etc. Toate aceste unităŃi de control dispun de o serie de linii de intrare digitale şi/sau analogice care permit monitorizarea sistemului conform schemei din Figura 1.1.2 (motor, transmisie, sistem de frânare etc.), o unitate de calcul care permite pe baza informaŃiilor primite să determine starea în care se află sistemul şi starea în care se doreşte să se ajungă şi o serie de linii de ieşire pentru comanda diferitelor elemente de acŃionare ce asigură trecerea sistemului de la o stare la alta, cum ar fi de exemplu injectoarele de pe motor.

INTRARE IESIRE

RAM

ROM

Unitatecontrol

I/O

CPUProcesor

CLOCK

A/Dconvertor

Generator

PWM

Figura 1.1.2, Schemă de principiu a unui microcontroler

Ca semnale de intrare şi/sau ieşire putem distinge două mari categorii şi anume: • semnale analogice; • semnale digitale. Semnalele analogice sunt acele semnale continue atât în timp cât şi în amplitudine,

ce pot avea o infinitate de stări. Spre deosebire de acestea, semnalele digitale au unu număr finit de stări, putând lua doar valori discrete. Orice semnal analogic care urmează a fi analizat sau prelucrat cu ajutorul unui calculator sau microcontroler trebuie convertit într-un semnal digital lucru care se face cu ajutorul convertoarelor analogic numeric. Aceste convertoare pot fi clasificate în funcŃie de numărul de biŃi după care se face conversia în convertoare pe 8, 10, 12, 14, 16 biŃi sau alt număr de biŃi. În figura 1.1.3 este exemplificată corelaŃia dintre un semnal analogic şi un semnal digital. Conversia unui semnal analogic într-un semnal digital poate fi făcută cu o formulă de forma:

( )n

ADCmax

2 1 0 5V

inA

ADC

= ⋅ − +

INT . 1.1.1

unde Ain este tensiunea de intrare în convertorul analogic numeric, n este numărul de biŃi pe care se face conversia, VADCmax este tensiunea maximă de intrare în convertor, iar INT este funcŃia întreg.


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.05 0.1 0.15 0.2

timp [s]

ten

siu

ne

[V

]

0

2

4

6

8

10

12

14

valo

are

dig

ita

la [

-]

semnal analogic

semnal digital (4 biti)

1.16666V

1.49999V

Figura 1.1.3, CorelaŃia dintre un semnal analogic şi unul digital corespunzător unei conversii cu

un convertor analogic numeric pe 4 biŃi cu tensiune de intrare de 0-5 V

În urma conversiei analogic-numeric, unui interval de tensiune corespunzător semnalului analogic i se atribuie o singură valoare digitală. De exemplu, în Figura 1.1.3 putem observa că valorii digitale 4 îi corespund toate valorile de tensiune din intervalul 1.1666 – 1.49999 V. Conversia acestui semnal analogic în semnal digital de tensiune se poate face prin calcul :

( ) ADCmaxnV

2 1ADC

ADCV = ⋅

− 1.1.2

obŃinând în final semnalul prezentat în Figura 1.1.4. Tot în această figură se observă că, cu cât numărul de biŃi pe care se face conversia este mai mare cu atât semnalul digital se apropie mai bine de semnalul analogic.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.05 0.1 0.15 0.2

timp [s]

ten

siu

ne [

V]

semnal analogic



Figura 1.1.4, Conversia semnalului analogic de tensiune în semnal digital. ComparaŃie între un

semnal digital pe 4 şi 5 biŃi

8 Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi 1 Un alt parametru important al convertorului analogic-numeric îl reprezintă

domeniul tensiunilor de intrare (de exemplu 0-5 V sau 0-10 V). Acest lucru este important de ştiut deoarece unele semnale au domeniul de variaŃie foarte mic neacoperind întreaga plajă de valori digitale caz în care este necesară utilizarea unui amplificator sau foarte mare, caz în care semnalul digital se va satura.

Semnalele digitale pot lua două valori de tensiune de exemplu 0V şi 5V plus minus un anumit interval de tensiune. În programele de calcul acest tip de semnal va avea asociată o variabilă de tip boolean adică 0 sau 1.

SenzorDispozitiv

conditionaresemnal

Convertoranalogicnumeric

(A/D)

ProcesorProces

Afisaj(optional)

Figura 1.1.5, Schema de principiu a unui lanŃ de măsură

Monitorizarea unui anumit sistem, specific autovehiculelor şi motoarelor cu ardere internă, presupune existenŃa unui întreg lanŃ de măsură format în principal din următoarele componente (Figura 1.1.5): 1. Senzor sau traductor – dispozitiv ce asigură transformarea mărimii fizice

monitorizate într-un semnal de ieşire care poate fi manipulat într-un circuit electric şi/sau mecanic;

2. Dispozitiv de condiŃionare a semnalului – aceste dispozitive asigură transformarea sau adaptarea semnalului de ieşire din senzor într-un semnal de tensiune adecvat ca semnal de intrare într-un convertor analogic numeric;

3. Convertorul analogic numeric; 4. Sistemul de prelucrare şi afişare a datelor (calculator sau microcontroler). De cele mai multe ori sistemul de condiŃionare a semnalului este integrat fie în aceeaşi carcasă cu senzorul, fie în interiorul unităŃii de control. În cazul sistemelor de măsurare staŃionare din cadrul laboratoarelor vom identifica acest dispozitiv ca un modul de sine stătător montat între senzor şi unitatea de control. Această situaŃie poate fi întâlnită şi în cazul autovehiculelor însă foarte rar.


ActuatorDispozitiv

conditionaresemnal

Procesor Proces

Figura 1.1.6, Schema de principiu a unui lanŃ de comandă

În mod similar controlul diferitelor actuatoare (electromagneŃi, motoare electrice) nu se face direct de către microcontroler ci prin intermediul unui releu electronic sau amplificator ce separă circuitul de putere în care se află actuatorul de circuitul de comandă în care se află microcontrolerul.

1.2. Senzori

Aşa cum am menŃionat anterior senzorii sunt dispozitive ce asigură conversia unei mărimi fizice (forŃă, presiune, temperatură, deplasare, viteză etc.) într-un semnal care poate fi ulterior manipulat într-un circuit electric ce va fi afişat pe un ecran sau folosit pentru prelucrări numerice.

În general senzorii pot fi împărŃi în funcŃie de semnalul de ieşire în 6 mari categorii. a. rezistivi – senzori a căror rezistenŃă se modifică proporŃional sau invers proporŃional cu parametrul fizic monitorizat (potenŃiometre pentru determinarea poziŃiei, timbre tensometrice pentru determinarea forŃelor şi a momentelor, rezistenŃe electrice pentru determinarea temperaturii); b. capacitivi – senzori a căror capacitate electrică se modifică o dată cu modificarea mărimii fizice monitorizate (senzori capacitivi montaŃi în scaunele autovehiculelor pentru determinarea greutăŃii pasagerilor); c. inductivi – senzori în cazul cărora se modifică inductanŃa electrică; d. optici – sunt acei senzori care transformă o mărime fizică (temperatură, presiune, forŃă) într-un parametru optic cum ar fi culoare, intensitate luminoasă, modificarea indicelui de refracŃie etc. e. generatori de tensiune – senzori la bornele cărora se măsoară o tensiune electrică proporŃională cu mărimea fizică urmărită (tahogeneratoare pentru determinarea turaŃiei, termocuple folosite pentru determinarea temperaturii, celule fotovoltaice pentru determinarea intensităŃii luminoase); f. generatori de sarcină electrică – senzori la armăturile cărora se generează sarcină electrică proporŃională cu mărimea fizică monitorizată (traductoare piezoelectrice la armările cărora se generează sarcină electrică proporŃională cu forŃa de apăsare sau cu deformaŃia cristalului piezoelectric).

10 Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi 1 1.2.1 Senzori rezistivi

Senzorii rezistivi se bazează pe modificarea rezistenŃei electrice. Este ştiut faptul că rezistenŃa electrică a unui conductor depinde de rezistivitatea electrică a materialului din care aceasta este realizat, de lungimea conductorului precum şi de secŃiunea transversală a acestuia. Formula rezistenŃei electrice este de forma:

00 0

0

lR

Sρ= ⋅ 1.2.1

unde R este rezistenŃa electrică a unui conductor de lungime l, având o secŃiune transversală S, realizat dintr-un material cu rezistivitatea electrică ρ.

Acest tip de senzori pot fi folosiŃi pentru determinarea temperaturii deoarece rezistivitatea electrică a acestora este proporŃională cu temperatura deci o dată cu modificarea temperaturii senzorului se modifică rezistivitatea electrică ρ şi implicit se va modifica rezistenŃa electrică.

Deoarece rezistenŃa electrică mai depinde şi de caracteristicile geometrice ale firului din care este realizat senzorul, putem să-l folosim şi pentru determinarea deformaŃiilor, dar doar atunci când deformaŃia senzorului este în domeniul elastic. Datorită deformaŃiei firului rezistiv vom avea atât o modificare a lungimii cât şi a secŃiunii transversale (de exemplu dacă lungimea firului creşte secŃiunea transversală va descreşte). Prin diferenŃiere şi împărŃire la valoare iniŃială putem observa modul în care se modifică rezistenŃa electrică în funcŃie de rezistivitatea electrică şi caracteristicile geometrice.

0 0 0 0

R l S

R l S

ρρ

∆ ∆ ∆ ∆= + − 1.2.2

Legătura dintre cei doi parametri ce se modifică simultan, lungimea şi secŃiunea transversală a firului, este dată de coeficientului lui Poisson ν , deci putem scrie:

( )0 0 0

1 2R l

R l

ρν

ρ∆ ∆ ∆

= + ⋅ + ⋅ 1.2.3

Deci rezistenŃa electrică se modifică direct proporŃional cu modificarea lungimii senzorului.

O altă modalitate de a folosi senzorii rezistivi are la bază faptul că rezistenŃa electrică se modifică cu lungimea senzorului. Astfel putem determina poziŃia (liniară sau radială) dacă măsurăm rezistenŃa electrică corespunzătoare diferitelor poziŃii ale unui cursor pe firul rezistiv acesta fiind cazul potenŃiometrelor Figura 1.2.1.

1.2 Senzori 11

R

R1 R2

Figura 1.2.1, Exemplificarea modului de funcŃionare a unui potenŃiometru liniar (R=R1+R2)

Tot în această categorie putem introduce şi senzorii piezorezistivi. Acest tip de senzori au la bază efectul piezorezistiv care constă în modificarea rezistenŃei unui material piezorezistiv atunci când acesta este supus unei presiunii sau forŃe. Şi acest tip de senzor este sensibil la modificările de temperatură astfel că acestea vor trebui sa fie compensate.

1.2.2 Senzori capacitivi Senzorii capacitivi au la bază modificarea capacităŃii electrice (1.2.4) a unui

condensator în funcŃie de anumiŃi parametri ce o definesc.

0 r

AC

hε ε= ⋅ ⋅ 1.2.4

unde C - capacitatea electrică, 0ε - constanta dielectrică a aerului, r

ε - constanta dielectrică relativă a izolatorului, A - aria suprafeŃei comune celor doi electrozi, iar h - distanŃa dintre cei doi electrozi. Reprezentarea schematică a unui condensator este redată în Figura 1.2.2.

A

0 r

A 0 r

Figura 1.2.2, Reprezentarea schematică a unui senzor capacitiv

O analiză a parametrilor ce definesc capacitatea electrică ne permite să identificăm parametrii fizici care pot fi monitorizaŃi cu un astfel de senzor. Atât distanŃa dintre electrozi cât şi suprafaŃa comună fiind parametri geometrici ce pot fi modificaŃi prin deplasarea relativă a electrozilor condensatorului aceşti senzori permit monitorizarea

12 Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi 1 deplasărilor. În ce priveşte constanta dielectrică a izolatorului aceasta poate să depindă de temperatură.

1.2.3 Senzori inductivi

Similar cu senzorii capacitivi şi cei inductivi pot fi folosiŃi pentru monitorizarea deplasărilor, diferenŃa constă în domeniul deplasărilor care pot fi monitorizate. Senzorii inductivi permit monitorizarea deplasărilor de ordinul milimetrilor şi sutelor de milimetri. InductanŃa electrică a unei bobine prezentată schematic in Figura 1.2.3 este dată de formula:

2

m

NL

R= 1.2.5

unde N este numărul de spire iar Rm este reluctanŃa magnetică şi poate fi calculată cu formula:

9

1

4 10f

m

f f a

lR

A A

δµπ −

= ⋅ + ⋅⋅ ⋅

1.2.6

unde lf - lungimea circuitul în fier, Af - secŃiunea transversală a circuitului în fier, f

µ -

permeabilitatea relativă a miezului de fier, δ - grosimea întrefierului, iar Aa este secŃiunea transversală a întrefierului.

De cele mai multe ori, acest tip de senzor este folosit pentru determinarea poziŃiei deoarece inductanŃa magnetică depinde de grosimea întrefierului. Astfel, modificând poziŃia armăturii mobile a bobinei vom obŃine o variaŃie a inductanŃei acesteia. Senzorii inductivi sunt folosiŃi cu precădere în cazul laboratoarelor sau instalaŃiilor staŃionare şi mai puŃin pe autovehicule.

Aa

Af

lf

Figura 1.2.3 Reprezentarea schematică a unui senzor inductiv

1.2 Senzori 13 1.2.4 Senzorii generatori de tensiune

1.2.4.1 Termocuple Termocuplele sunt cele mai utilizate traductoare pentru măsurarea temperaturii.

Acest lucru se datorează simplităŃii lor, atât din punct de vedere al realizării cât şi din punct de vedere al utilizării, implicând în acelaşi timp un preŃ de cost foarte redus.

O termocuplă constă de fapt, din două fire din materiale conductoare diferite şi are la bază efectul Seebek. În cazul în care, între joncŃiunile (sudurile) dintre cele două conductoare apare o diferenŃa de temperatură, în circuit va fi indusă o tensiune termoelectrică care poate fi detectată prin inserarea în circuit a unui voltmetru (Figura 1.2.4).

Figura 1.2.4, Descrierea unei termocuple

Între tensiunea înregistrată de voltmetru E şi diferenŃa de temperatură (T1-T2) dintre cele două joncŃiuni există o anumită corelaŃie:

)TT(fE 21 −= 1.2.7

Tensiunea măsurată va fi cu atât mai mare cu cât diferenŃa de temperatură va fi mai mare.

1.2.4.2 Tahogenerator Generatoarele de curent, fie el alternativ sau continuu, pot fi folosite pentru

determinarea turaŃiei. În cazul generatoarelor de curent alternativ atât amplitudinea tensiunii cât şi frecvenŃa acesteia sunt proporŃionale cu turaŃia generatorului iar în cazul generatoarelor de curent continuu doar tensiunea de ieşire este direct proporŃională cu turaŃia.

14 Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi 1

Uiesire

SN

n

Generator de curent continuu

Uiesire

SN

n

Generator de curent alternativ

Figura 1.2.5, Reprezentarea schematică a tahogeneratoarelor de curent continuu respectiv alternativ împreună cu semnalele generate de acestea

În mod similar, dacă mişcăm un magnet permanent în interiorul unui bobine vom obŃine acelaşi efect, respectiv o tensiune generată la bornele bobinei direct proporŃionale cu viteza de deplasare a magnetului.

N

S

uiesire

x

Figura 1.2.6, Reprezentare schematică a senzorilor inductivi generatori de tensiune

1.2 Senzori 15

iesireu K v= ⋅ 1.2.8

unde v - viteza de deplasare a magnetului permanent iar K - o caracteristică a senzorului care Ńine cont de numărul de spire al bobine, diametrul firelor, diametrul bobine precum şi de caracteristicile magnetice al armăturii mobile.

Acest tip de senzor este folosit cu precădere pe instalaŃii experimentale staŃionare pentru determinarea ridicării supapelor de admisie şi evacuare de pe motor sau pentru determinarea legii de mişcare a acului injectorului în timpul funcŃionării acestuia.

1.2.4.3 Senzori care au la bază efectul Hall Efectul Hall conform Figura 1.2.7 constă în generarea unei tensiuni electrice între

armăturile A şi B atunci când proba de formă paralelipipedică este străbătută de un curent i după direcŃia C- D iar perpendicular pe probă acŃionează un câmp magnetic H. La baza acestui efect stau forŃele Lorenz care acŃionează asupra sarcinilor electrice ce se deplasează cu o viteză v după o direcŃie perpendiculară pe liniile de câmp magnetic H. Acest tip de senzori sunt folosiŃi cu precădere la determinarea turaŃiilor şi a vitezelor, iar în electrotehnică acest senzor este folosit pentru determinarea sensului curentului într-un circuit electric.

Ualimentare

Uiesire

H

D

C

BA

I

Figura 1.2.7, Reprezentarea schematică a unui senzor de tip Hall

1.2.4.4 Sonda lambda Şi acest tip de senzori fac parte din categoria senzorilor generatori de tensiune. Ei

sunt realizaŃi dintr-un corp ceramic, respectiv din oxid de zirconiu, (material impermeabil pentru gaze dar care devine conductiv pentru ionii de oxigen atunci când este încălzit la aproximativ 300 de grade Celsius), pe suprafaŃa căruia sunt depuse două straturi de platină (Figura 1.2.9).

Prin construcŃia senzorului electrodul de platină exterior va fi spălat de gazele de evacuare pe când electrodul interior va fi în contact cu aerul ambiant. Tensiunea generată între cei doi electrozi este dependentă de diferenŃa între concentraŃiile de

16 Sisteme de monitorizare şi control. GeneralităŃi 1 oxigen din zona celor doi electrozi. Caracteristica unui astfel de senzor este prezentată în Figura 1.2.8. Deoarece aceşti senzori funcŃionează la temperaturi ridicate ei sunt prevăzuŃi cu rezistenŃă de încălzire pentru a funcŃiona optim încă de la pornirea motorului atunci când sistemul de evacuare încă nu a atins temperatura de funcŃionare normală.

λ [-]

U [V]

10.9 1.1

Figura 1.2.8, VariaŃia tensiunii la bornele sondei lambda în funcŃie de coeficientul excesului de aer

Incalzitor

Gazeevacuare

Ualimentare

Uiesire

Stratde

platina

Aer

Figura 1.2.9, Reprezentare schematică a unei sonde lambda

1.2 Senzori 17 1.2.5 Senzori generatori de sarcină electrică

1.2.5.1 Senzori piezoelectrici Senzorii piezoelectrici au la bază proprietatea unor materiale ceramice de a genera

sarcini electrice atunci când sunt deformate, sau reciproc de a-şi modifica dimensiunea atunci când sunt supuşi unei diferenŃe de potenŃial electric. Cantitatea de sarcină generată pe armături este proporŃională cu deformaŃia pastilei ceramice.

Acest tip de senzor este folosit pentru determinarea parametrilor mecanici în regim dinamic, pentru că este foarte dificil de a menŃine sarcina electrică pe electrozii senzorului. Datorită conductivităŃii materialelor din jurul armăturilor cristalului piezo şi datorită faptului că amplificatoarele de sarcină folosite nu au o impedanŃă infinită, sarcina electrică se va pierde astfel că în cazul unei presiunii statice, datorită pierderilor de sarcină, determinarea presiunii este practic imposibilă.

1.3. Adaptoare de semnal

1.3.1 PunŃi Wheastone

PunŃile wheastone sunt folosite cu precădere pentru determinarea variaŃiei rezistenŃelor electrice sau a impedanŃelor senzorilor. Reprezentarea schematică a unei astfel de punŃi este redată în Figura 1.3.1.

uiesire

Rsenzor R2

R3R4

ualimentare

i2i1

Figura 1.3.1, Reprezentare schematică a unei punŃi Wheastone (cu un singur braŃ activ)

Modul de calcul a tensiunii de ieşire în raport cu tensiunea de intrare, respectiv cu valoarea rezistenŃei senzorului, este prezentat în continuare şi are la bază legile lui Ohm şi Kirkoff:

( )alimentare 1 4senzoru i R R= ⋅ + 1.3.1


( )alimentare 2 2 3u i R R= ⋅ + 1.3.2

iesire 1 2 2senzoru i R i R= ⋅ − ⋅ 1.3.3

2iesire alimentare

4 2 3

senzor

senzor

R Ru u

R R R R

= ⋅ −

+ + 1.3.4

Reglarea punŃii se poate face prin intermediul rezistenŃelor R2, R3 şi R4 astfel ca tensiunea de ieşire la momentul iniŃial, când senzorul primeşte un semnal de referinŃă, să fie zero. În acest caz trebuie să avem egalităŃile R2=Rsenzor0 şi R3=R4. Când are loc o modificare a parametrului măsurat, rezistenŃa senzorului se va modifica cu o valoare proporŃională, astfel că putem scrie:

0 2iesire alimentare

4 2 3

senzor

senzor

R R Ru u

R R R R R

+ ∆= ⋅ −

+ ∆ + + 1.3.5

Iar după câteva simplificări vom obŃine o relaŃie de forma:

( ) ( )3

iesire alimentare4 2 3senzor

R Ru u

R R R R R

⋅ ∆= ⋅

+ ∆ + ⋅ + 1.3.6

Tensiunea de ieşire nu este direct proporŃională cu variaŃia rezistenŃei senzorului, modul de variaŃie al tensiunii de ieşire în funcŃie de variaŃia rezistenŃei senzorului fiind prezentată în Figura 1.3.2:

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

DDDDR [WWWW]

uie

sir

e [

V]

Figura 1.3.2, Legea de variaŃie a tensiunii de ieşire în funcŃie de variaŃia rezistenŃei senzorului

pentru o tensiune de alimentare de 12 V având următoarele valori pentru rezistenŃele din punte R0=50, R2=50, R3=100, R4=100

1.3 Adaptoare de semnal 19 Compensarea diferitelor efecte nedorite cum ar fi de exemplu variaŃia rezistenŃei

senzorului cu variaŃia temperaturii (atunci când senzorul este folosit pentru determinarea tensiunilor sau forŃelor) se face folosind senzori suplimentari care vor fi legaŃi în braŃele punŃii în aşa fel încât efectele nedorite sa fie eliminate.

Acest tip de punŃi pot fi folosite şi pentru determinarea impedanŃelor (inductanŃa sau capacitanŃa) caz în care, în braŃele punŃi vom avea conectate circuite RLC de impedanŃă Z. Pentru funcŃionare, alimentarea punŃii se va face în curent alternativ iar tensiunea alternativă de ieşire va fi modulată în amplitudine, valoarea acesteia indicând variaŃia impedanŃei senzorului.

1.3.2 Amplificatoare de tensiune Amplificatoarele de tensiune sunt folosite mai mult pentru adaptarea semnalelor

de ieşire din senzori cu cel de intrare în sistemele de măsură echipate cu convertor analogic numeric. De exemplu, în cazul folosirii termocuplelor, tensiunea generată de acestea ar fi imposibil de detectat cu ajutorul convertoarelor analogic numerice. În acest caz este necesară interpunerea unui astfel de amplificator între termocuplă şi convertorul analogic numeric.

uiesireAO

+

-R1

i

i

R2

uintrare

Figura 1.3.3, Schema de principiu a unui amplificator de semnal

Datorită impedanŃei mari de intrare şi a caracteristicilor amplificatoarelor operaŃionale putem scrie:

intrare 1u R i= − ⋅ 1.3.7

2iesireu R i= ⋅ 1.3.8

CorelaŃia dintre tensiunea de intrare şi cea de ieşire fiind:


2intrare

1iesire

Ru u

R= − ⋅ 1.3.9

Tensiunea de ieşire este direct proporŃională cu tensiunea de intrare, dar de semn contrar, factorul de proporŃionalitate fiind dat de raportul celor două rezistenŃe din cadrul amplificatorului acesta fiind numit de fapt, factor de amplificare.

1.3.3 Amplificatorul de sarcină Amplificatorul de sarcină este folosit pentru determinarea sarcinii electrice de pe

armăturile condensatoarelor şi în mod special pentru cea de pe armăturile senzorilor piezoelectrici. În acelaşi timp, acest tip de amplificator poate fi considerat şi convertor deoarece face conversia semnalului de intrare care este sarcina electrică într-un semnal de ieşire sub formă de tensiune. Această conversie este necesară pentru a putea folosi ulterior un convertor analogic numeric sau un voltmetru pentru cuantificarea sarcini electrice şi implicit a presiunii sau deformaŃiei pastilei piezoelectrice folosită pe post de senzor. De cele mai multe ori acest tip de amplificator la fel ca şi amplificatoarele de tensiune au la bază un amplificator operaŃional cu o impedanŃă de intrare foarte mare. Această impedanŃă de intrare mare este imperios necesară pentru a evita scurgerile de sarcină electrică şi implicit denaturarea semnalului măsurat (amplificatoarele operaŃionale de uz general ca de exemplu AO741 nu sunt suficient de performante pentru acest tip de convertor de sarcină).

O reprezentare schematică a acestui tip de amplificator este redată în Figura 1.3.4. În acelaşi timp pentru o mai bună exemplificare a semnalelor avem conectate la

amplificator şi un senzor piezoelectric.

uiesireAO

+

-

i

i

Q

C

Figura 1.3.4, Reprezentare schematică a amplificatorului de sarcină

Pentru determinarea curentului din ramurile amplificatorului operaŃional se foloseşte formula:

1.3 Adaptoare de semnal 21 dQ

idt

= − unde Q este sarcina electrică de pe armăturile senzorului, iar i este curentul

generat de variaŃia sarcinii electrice ce este transferată pe armăturile condensatorului C astfel că tensiunea la ieşire amplificatorului va fi de forma:

1iesire

u i dtC

= ⋅ ⋅∫ 1.3.10

Prin înlocuirea curentului, relaŃia de mai sus devine:

1iesire

u dQC

= ⋅ −∫ 1.3.11

Iar în final vom obŃine:

iesire

Qu

C= − 1.3.12

Ca urmare, tensiunea la ieşirea amplificatorului de sarcină este direct proporŃională cu sarcina de pe armăturile senzorului şi de semn contrar. Ca factor de amplificare, avem capacitatea electrică C a condensatorului legat în paralel cu amplificatorul operaŃional.

1.3.4 Integratorul Integratorul funcŃionează în mod similar cu amplificatorul de sarcină diferenŃa

constând în tipul semnalului de intrare. În acest caz, semnalul de intrare este sub formă de tensiune electrică. Acest tip de dispozitiv electronic este folosit în special în combinaŃie cu senzorii inductivi (generatori de tensiune), pentru a determina, pe baza tensiunii generate de senzor, poziŃia armăturii mobile a acestuia. Astfel se poate determina cu acest tip de senzor nu doar viteza de deplasare a armăturii dar şi poziŃia acesteia.

Tensiunea generată de acest tip de senzor este direct proporŃională cu viteza de deplasare a armăturii mobile (magnet permanent), iar prin integrare vom obŃine poziŃia ştiut fiind că:

dxv

dt= 1.3.13


uiesireAO

+

-R

i

i

C

uintrare

Figura 1.3.5, Reprezentare schematică a integratorului

În figura 1.3.5. este redată schema electronică a acestui tip de amplificator.

intrareu i R= − ⋅ 1.3.14

1iesire

u i dtC

= ⋅ ⋅∫ 1.3.15

intrareintrare

1 1iesire

uu dt u dt

C R C R= ⋅ − ⋅ = − ⋅ ⋅

⋅∫ ∫ 1.3.16

Tensiunea de ieşire este proporŃională cu integrala tensiunii de intrare de unde şi numele de integrator pentru acest dispozitiv electronic.

2. Măsurarea temperaturii

2.1. GeneralităŃi

Monitorizarea temperaturii se poate face în mai multe feluri în funcŃie de fenomenul care se doreşte a fi caracterizat. Astfel putem face o clasificare a metodelor de măsurare a temperaturi conform cu Figura 2.1.1.

2.1 GeneralităŃi 23

Metode de măsurare a temperaturii

Invazive Ne-invazive

Punctiform Bidimensional Punctiform Bidimensional

Termocuple

Termistori

TermorezistenŃe

Cristale lichidetermosensibile

FluorescenŃăIndusă laser

Termometrie infraroşu

Interferometrie





Termocuple

Termistori

TermorezistenŃe




Interferometrie





Termocuple

Termistori

TermorezistenŃe




Interferometrie


Figura 2.1.1, Clasificarea metodelor de măsurare a temperaturii

Se pot distinge atât metode invazive în care se stabileşte un contact intim între senzor şi substanŃa a cărei temperatură dorim să o determinăm, precum şi metode neinvazive unde contactul nu este necesar. De asemenea se pot distinge metode de măsurare punctiformă atunci când temperatura este măsurată într-o anumită locaŃie sau metode bidimensionale când se determină de fapt distribuŃia temperaturii pe o anumită suprafaŃă (în general perete, sau temperatura medie din interiorul unei celule de testare după direcŃia fascicolului laser în cazul măsurătorilor interferometrice).

Există posibilitatea determinării distribuŃiei temperaturii şi în volum folosindu-se tomografia optică interferometrică sau utilizând o metodă mai simplă ce foloseşte un algoritm de calcul şi un set de măsurători după o singură direcŃie în cazul proceselor ce prezintă simetrie axială.

2.2. Termocuple

Aşa cum s-a menŃionat anterior, cu ajutorul termocuplelor se măsoară de fapt o temperatură relativă. În procesul de măsurare, una dintre cele două joncŃiuni trebuie păstrată la o anumită temperatură foarte bine cunoscută, care, de cele mai multe ori, este temperatura de zero grade Celsius uşor de obŃinut în condiŃii normale de presiune dacă se face un amestec omogen de apă cu gheaŃă. Această joncŃiune, fiind de fapt referinŃa, mai poartă şi denumirea de joncŃiune rece sau sudură rece, cealaltă purtând denumirea de joncŃiune caldă sau sudură caldă. În cazul în care sudura rece este păstrată la zero grade Celsius, tensiunea măsurată este o indicaŃie a temperaturii la care se află sudura caldă.

De obicei, măsurarea unei temperaturi nu se realizează într-un singur punct ci se recurge la utilizarea mai multor termocuple dispuse la o anumită distanŃă în zona

24 Măsurarea temperaturii 2 investigată. În acest caz, este suficientă o singură joncŃiune rece, toate termocuplele vor împărŃi aceeaşi sudură rece, conexiunea acestora realizându-se conform Figura 2.2.1.

De foarte multe ori, este dificil să fie asigurate condiŃiile necesare pentru sudura rece, respectiv amestecul de apă cu gheaŃă, această cale fiind mai puŃin practică. Din acest motiv, au fost dezvoltate metode de compensare a sudurii reci, astfel că o termocuplă poate fi conectată direct la aparatul de măsură, Figura 2.2.2.

Figura 2.2.1, Modul de conectare a termocuplelor

Figura 2.2.2, Modul de conectare a termocuplei la aparatul de măsură

In aceste condiŃii, joncŃiunea caldă se află la temperatura pe care dorim să o măsurăm iar sudura rece se va afla la temperatura la care se află bornele de conectare a termocuplei la aparatul de măsură. Sistemele moderne pot măsura cu ajutorul unui termistor temperatura la care se află sudura rece respectiv bornele de conectare a termocuplei astfel că se va face o compensare electronică a sudurii reci. În cazul sistemelor de achiziŃie de date compensarea se poate face atât hardware cât şi software.

Termocuplele se comercializează sub o gamă foarte largă de variante: o gamă largă de materiale, diferite domenii de măsură, diferite dimensiuni, protejate sau neprotejate s.a.m.d.

Pentru fiecare pereche de materiale există o anumită corelaŃie între tensiune şi temperatură. Pentru o scurtă exemplificare se prezintă în Figura 2.2.3 caracteristicile câtorva tipuri de termocuple:

2.2 Termocuple 25

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Temperatura [oC]

Te

nsiu

nea

ele

ctr

om

oto

are

[mm mm

V]

E J K T S R

Figura 2.2.3 VariaŃia tensiunii termoelectrice în funcŃie de temperatură pentru diferite tipuri de

termocuple

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Temperatura [oC]

Co

efi

cie

nŃii S

eeb

ek [mm mm

V/o

C]

E J K T S R

Figura 2.2.4 CoeficienŃii Seebek în funcŃie de temperatură pentru diferite tipuri de termocuple

Există o anumită codificare, a principalelor tipuri de termocuple, prezentată în tabelul 2.2.1.

Tabel 2.2.1, Principalele tipuri de termocuple

Materiale Cromel

Constantan Cromel Alumel

Fier Constantan

Cupru Constantan

Platina10% Rodium Platina

Platina13% Rodium Platina

Tip E K J T S R

O altă caracteristică importantă este coeficientul Seebek care ne arată cu cât creşte

tensiunea termoelectrică la o creştere a temperaturii cu un grad. Acest parametru este foarte important atunci când se alege o anumită termocuplă mai ales dacă se cunoaşte

26 Măsurarea temperaturii 2 domeniul de temperaturi pentru care aceasta urmează să fie folosită. CoeficienŃii Seebek sunt prezentaŃi în Figura 2.2.4.

2.3. TermorezistenŃe

Cele mai utilizate materiale pentru realizarea traductoarelor de temperatură rezistive sunt platina, cuprul şi nichelul deoarece acestea au o puritate ridicată (99%), schimbarea rezistivităŃii în funcŃie de temperatură fiind foarte bine cunoscută. Cu toate că au o perioadă de răspuns mai mare decât termocuplele, fiind în acelaşi timp mai costisitoare, ele sunt folosite datorită stabilităŃii lor precum şi a capacităŃii de a măsura temperatura absolută.

2.4. Termistori

Termistorii funcŃionează după aceleaşi principii ca şi termorezistenŃele. Spre deosebire de termorezistenŃe, termistorii sunt realizaŃi din materiale semiconductoare. Rezistivitatea electrică a acestora descreşte pe măsură ce temperatura creşte. Deoarece au o caracteristică parabolică, pot fi utilizaŃi pentru domenii restrânse de temperatură, însă precizia pe care o oferă e superioară termorezistenŃelor. Utilizarea acestora presupune folosirea unor circuite identice cu cele ale termorezistenŃelor.

2.5. Circuit integrat

Traductoarele de temperatură sub formă de circuite integrate se caracterizează printr-o liniaritate aproape perfectă. Ele au la bază anumite caracteristici ale tranzistorilor.

Tabel 2.5.1 Scurtă comparaŃie între diferite tipuri de traductoare de temperatură

Caracteristica Termocuple (TC) TermorezistenŃe

(RTD) Circuite

integrate (CI)

RobusteŃe Excelent Sensibil la forŃe

exterioare şi la şocuri Sensibil la

şocuri Domeniu de măsură (oF)

-400 - +4200 -200 - +1475 -70 - +300

Liniaritate Neliniar Mai liniar decât TC Foarte liniar Temperatură de

referinŃă Necesar Nu e necesară Nu e necesară

Timp de Răspuns

Scăzut( depinde de dimensiunea

conductoarelor folosite) Mare

Mai scăzut decât RTD

Cost Scăzut atâta timp cât nu

se folosesc materiale scumpe

Ridicat Scăzut

Precizie redusă Mai bună decât TC Cea mai bună

2.6 Termometrie în infraroşu 27 Unul dintre cei mai utilizaŃi senzori de acest tip este traductorul AD590 produs de

firma Analog Device. Tensiunea de alimentare a acestuia este în domeniul 4-30 V, iar la ieşire acesta furnizează un curent proporŃional cu temperatura măsurată (1µA/K).

Pentru a pune în evidenŃă avantajele folosirii senzorilor de temperatură sub formă de circuite integrate se prezintă comparativ, in tabelul 2.5.1 anumite caracteristici ale senzorilor de temperatură pentru diferite tipuri de senzori.

2.6. Termometrie în infraroşu

Termometria în infraroşu se încadrează în metodele de măsură fără contact. Cunoaşterea principiilor de funcŃionare a acesteia este foarte importantă pentru a asigura precizia de măsură dorită, respectiv pentru a cunoaşte limitele şi posibilităŃile oferite de aceasta.

Termometria în infraroşu are la bază determinarea energiei radiată de orice corp a cărui temperatură este mai mare de zero absolut, în domeniul infraroşu. Un termometru infraroşu este format în principiu dintr-o lentilă care focalizează radiaŃia colectată de la corpul a cărui temperatură dorim să o măsurăm, pe detector, acesta asigurând conversia radiaŃiei în semnal electric. Semnalul electric trebuie corectat astfel încât să se Ńină cont de emisivitatea corpului şi de temperatura mediului ambiant pentru ca apoi să fie afişat pe un indicator direct în grade Celsius sau Kelvin. Schema unui astfel de termometru este prezentată în Figura 2.6.1. Detectorul poate să fie un element fotosensibil cu ajutorul căruia se determină intensitatea luminoasă radiată sau o termocuplă care, absorbind radiaŃia incidentă, se încălzeşte atingând astfel o temperatură proporŃională cu radiaŃia incidentă şi implicit cu temperatura suprafeŃei investigate.

Figura 2.6.1 Schema de principiu a unui termometru infraroşu

2.7. Senzori utilizaŃi pe autovehicul

În cadrul autovehiculelor cei mai folosiŃi senzori de temperatură sunt cei rezistivi respectiv termorezistenŃe şi termistori datorită simplităŃii şi robusteŃii lor, a circuitelor corespunzătoare de condiŃionare a semnalelor precum şi datorită faptului că îşi păstrează caracteristicile în timp.

28 Măsurarea temperaturii 2 Pentru exemplificare, în Figura 2.7.1- Figura 2.7.4 sunt prezentaŃi câŃiva senzori

specifici autovehiculelor rutiere.

Figura 2.7.1, Senzor rezistiv pentru determinarea temperaturii lichidului de răcire (termistor

NTC)

Figura 2.7.2, Senzor de temperatură şi presiune pentru determinarea caracteristicilor aerului

aspirat (montat după compresor)

2.7 Senzori utilizaŃi pe autovehicul 29

Figura 2.7.3, Senzor pentru determinarea temperaturii combustibilului (termistor NTC)

Figura 2.7.4, Senzor pentru determinarea temperaturii gazelor evacuate (termistori PTC)

3. Măsurarea poziŃiei

3.1. GeneralităŃi

Măsurarea poziŃiei diferitelor componente, de pe motoare sau autovehicule, cum ar fi poziŃia pedalei de acceleraŃie, a clapetei obturator, a supapelor de admisie sau de evacuare, poziŃia acului injectorului, poate fi împărŃită în două mari categorii şi anume:

30 Măsurarea poziŃiei 3 • măsurarea poziŃiei liniare – folosită în cazul în care componenta a cărei poziŃie

dorim să o determinăm se află în mişcare de translaŃie; • măsurarea poziŃiei unghiulare – folosite în cazul componentelor aflate în

mişcare de rotaŃie. De cele mai multe ori pentru acest tip de determinări sunt folosiŃi senzori rezistivi

de tipul potenŃiometrelor, soluŃie aplicabilă în cazul modificărilor lente de poziŃie adică pentru procese statice sau cvasistatice. Acest tip de senzor nu este potrivit pentru monitorizarea proceselor dinamice cum ar fi ridicarea supapelor, sau a acului injector sau pentru determinarea poziŃiei arborelui cotit.

Determinarea poziŃiei acului injector sau determinarea ridicării supapelor (măsurători specifice ce se realizează doar în laboratoare nu şi pe autovehicul) se face utilizând senzori liniari generatori de tensiune. Aşa cum s-a menŃionat, acest tip de senzor generează o tensiune proporŃională cu viteza de deplasare a armăturii mobile Figura 1.2.6.

intrareu K v= ⋅ 3.1.1

Dacă semnalul obŃinut de la senzor este integrat se obŃine o tensiunea de ieşire direct proporŃională cu poziŃia x a armăturii (3.1.2), dar cu semn schimbat, factorul de proporŃionalitate fiind dat de caracteristica K a senzorului şi de valoarea rezistenŃei R precum si de capacitatea C a condensatorului din circuitul integratorului.

1iesire

Ku K v dt x

C R C R= − ⋅ ⋅ ⋅ = − ⋅

⋅ ⋅∫ , 3.1.2

Determinarea poziŃiei arborelui cotit şi a axului cu came se face în prezent folosind senzori generatori de tensiune (Hall) în combinaŃie cu o roată dinŃată sau disc cu fante pentru generare de impulsuri (Figura 3.1.1). Aceeaşi abordare o găsim şi în cazul determinării turaŃiei roŃilor autovehiculelor.


SenzorHall

a. b.

Figura 3.1.1, Schema de principiu a senzorilor de poziŃie în impulsuri

În aceste cazuri, senzorii vor genera nişte pulsuri de tensiune de fiecare dată când prin dreptul traductorului va trece un dinte (traductor Hall) sau de fiecare dată când prin dreptul senzorului optic va trece o fantă astfel ca senzorul să fie sub incidenŃa sursei luminoase. Semnalul obŃinut de la senzor este achiziŃionat, prin intermediul unui amplificator (opŃional în funcŃie de senzor), cu ajutorul sistemelor de achiziŃie de date, iar prelucrarea se face cu ajutorul calculatorului.

În cazul autovehiculelor, semnalul de la senzor este folosit pe post de declanşator al cronometrului din structura microcontrolerului, determinându-se în acest fel perioada impulsurilor şi implicit turaŃia sau viteza cvasiinstantanee.

La fiecare puls de tensiune (front de tensiune crescător sau descrescător) putem incrementa valoarea poziŃiei cu pasul unghiular corespunzător (în cazul motoarelor de autovehicule pentru determinarea poziŃiei arborelui cotit se folosesc roŃi dinŃate cu 60 de dinŃi astfel că pasul unghiular este de 6 grade). O abordare simplistă bazată doar pe incrementare la apariŃia unui puls de tensiune ar permite determinarea poziŃiei arborelui cotit cu o precizie de 6 grade, lucru care este neacceptabil în cazul controlului motoarelor cu ardere internă unde începutul injecŃiei sau momentul generării scânteii trebuie să fie stabilit cu o precizie mult mai mare. Se pot concepe însă algoritmi cu ajutorul cărora se poate estima poziŃia arborelui cotit la fiecare moment de timp chiar între două fronturi de tensiune dacă considerăm că viteza unghiulară nu se modifică sau se modică foarte puŃin astfel putând face o extrapolare liniară de forma:

( )i i it tα α ω= + ⋅ − 3.1.3

32 Măsurarea poziŃiei 3 unde t este timpul curent, iar ti este timpul corespunzător ultimului front de tensiune,

iω este viteza unghiulară medie calculată între ultimelor două fronturi de tensiune, iar

iα este poziŃia unghiulară corespunzătoare ultimului font de tensiune:

1

1

i i

i

i it t

α αω −

−

−=

− 3.1.4

Se pot concepe algoritmi mai complicaŃi care să Ńină cont şi de modificările de viteză unghiulară de la un puls de tensiune la altul.

În cadrul instalaŃiilor staŃionare se folosesc senzori de poziŃie capacitivi. În acest caz armăturile condensatorului au o formă special realizată, pentru ca semnalul de ieşire al senzorului să fie proporŃional cu poziŃia unghiulară a armăturii mobile. O reprezentare schematică a unui astfel de senzor este redată în Figura 3.1.2. Datorită profilului armăturilor şi datorită faptului că una dintre armături este mobilă şi se poate roti, aria suprafeŃelor suprapuse a armăturilor este variabilă şi proporŃional cu aceasta se va modifica şi capacitatea electrică a condensatorului.

Figura 3.1.2, Reprezentarea schematică a unui senzor de poziŃie capacitiv (condensatorul

variabil prezentat are două armături semicirculare, una fixă şi una mobilă)

3.2. Senzori de poziŃie utilizaŃi pe autovehicul

În cadrul autovehiculelor, cei mai folosiŃi senzori de poziŃie sunt cei rezistivi sau senzori Hall, primii utilizaŃi pentru determinarea poziŃiei pedalei de acceleraŃie şi a clapetelor obturator iar cei din urmă pentru determinarea poziŃiei arborelui cotit sau a axului cu came respectiv a vitezei roŃilor.

3.2 Senzori de poziŃie utilizaŃi pe autovehicul 33

Figura 3.2.1, Senzori de poziŃie pentru pedala de acceleraŃie

Conform schemei electrice pedala de acceleraŃie este prevăzută cu doi senzori rezistivi de tipul potenŃiometrelor. Montarea a doi senzori se face din motive de siguranŃă. În acceşi categorie a senzorilor potenŃiometrici avem şi senzorul de nivel al combustibilului din rezervor.

Figura 3.2.2, Senzor de nivel al combustibilului din rezervor

34 Măsurarea poziŃiei 3

Figura 3.2.3, Senzor pentru determinarea poziŃiei arborelui cotit

Figura 3.2.4, Senzor pentru determinarea poziŃiei arborelui cu came

4. Măsurarea presiunii

4.1. GeneralităŃi

Măsurarea presiunii se reduce în cele mai multe cazuri la determinarea unei deformaŃii proporŃionale cu presiunea din sistemul monitorizat. În Figura 4.1.1 sunt prezentate câteva configuraŃii de senzori de presiune capacitivi. Aceştia au două armături (armăturile condensatorului) din care una fixă nedeformabilă şi una deformabilă şi anume armătura care delimitează zonele de presiune p1-p2 sau p1-patmosferic. Datorită faptului că una din armături este supusă acŃiunii unei diferenŃe de presiune aceasta se va deforma modificându-se distanŃa dintre cele două armături şi implicit capacitatea electrică a senzorului. ConfiguraŃia din Figura 4.1.1 a permite

4.1 GeneralităŃi 35 determinarea diferenŃelor de presiune. Orificiul prevăzut în armătura fixă face ca pe armătura mobilă să avem o diferenŃă de presiune p1-p2.

În cazul senzorului din Figura 4.1.1 b între cele două armături, datorită orificiului prevăzut în carcasă, presiunea este egală cu presiunea atmosferică, astfel că acest tip de senzor este folosit pentru determinarea presiunii relative. În cazul configuraŃiei din Figura 4.1.1 c, spaŃiul dintre cele două armături este închis ermetic având în faza nedeformată a armăturilor presiunea p1 între armături. Aşa cum se observă, una dintre armături este fixă, lipită de carcasă deci la orice variaŃie a presiunii p2 armătura mobilă se va deforma fie că această presiune este mai mare sau mai mică decât p1. Corespunzător, distanŃa dintre armături creşte sau scade şi implicit capacitatea electrică a senzorului se modifică. Această configuraŃie permite determinarea presiunii absolute.

p1p2

patmosferic

p1

p1

p2

a b c

Figura 4.1.1, Reprezentare schematică a câtorva senzori de presiune

Pentru aceeaşi configuraŃie a senzorului există şi varianta rezistivă, deosebirea constând în faptul că avem o singură armătură sau membrană şi anume cea supusă unei diferenŃe de presiune. Pe suprafaŃa acesteia este fixat un timbru tensiometric, astfel că orice deformaŃie a membranei va induce o deformaŃie a senzorului rezistiv (Figura 4.1.2).

p1p2

timbrutensiometric

Figura 4.1.2, Senzori de presiune rezistivi cu timbre tensiometrice

36 Măsurarea presiunii 4 Pentru măsurarea presiunii pot fi folosite şi cristale piezoelectrice sau

piezorezistive care sub acŃiunea unei presiuni se vor comprima sau relaxa (în cazul în care sunt montate cu prestrângere) proporŃional cu presiunea la care sunt supuse şi implicit îşi vor modifica şi caracteristicile în concordanŃă.

În cazul senzorilor piezorezistivi aceştia îşi vor modifica rezistenŃa proporŃional cu presiunea la care sunt supuşi iar în cazul senzorilor piezoelectrici se va genera o sarcină electrică pe armăturile cristalului Figura 4.1.3.

123

p1

Figura 4.1.3, Senzori de presiune piezorezistivi sau piezoelectrici (1,2 izolatori electrici, 3

cristal piezoelectric sau piezorezistiv)

4.2. Senzori de presiune utilizaŃi pe autovehicul

În general, pe autovehicule, în funcŃie de tipul motorului, putem avea o serie de senzori de presiune şi anume: senzorii de presiune pentru monitorizarea presiunii din roŃi, senzorul de presiune ce determină presiunea atmosferică, senzorul de presiune din galeria de admisie şi/sau evacuare, senzorul de presiune din rampa comună în cazul motoarele cu sistem de injecŃie Common Rail, senzorul presiunii de supraalimentare etc.

Figura 4.2.1, Senzorul de presiune din rampa comuna (sistem injecŃie Common rail)

5.2 Debitmetru cu fir cald 37

5. Măsurarea debitelor

5.1. Debitmetru cu diafragmă

Debitmetrele cu diafragmă (Figura 5.1.1) sunt foarte răspândite, ele fiind încorporate în instalaŃiile staŃionare sau de laborator.

p

v

Figura 5.1.1, Schema de principiu a unui debitmetru cu diafragmă

Acestea se bazează pe faptul că la trecerea unui fluid printr-o diafragmă apare o cădere de presiune pe diafragmă adică presiunea din amonte de diafragmă este mai mare decât presiunea din aval. RelaŃia de legătură dintre debit şi presiune este:

0 2t

m k A pα ε ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅∆& 5.1.1

unde m& este debitul masic, α este coeficientul de debit, ε este coeficientul de compresibilitate al fluidului (gazului),

tk este un factor de corecŃie pentru dilatare

folosit atunci când temperatura fluidului este diferită de 20 oC, ρ este densitatea

fluidului, iar p∆ este căderea de presiune pe diafragmă.

5.2. Debitmetru cu fir cald

Debitmetrele cu fir cald sunt folosite cu preponderenŃă pe autovehicule, pentru determinare debitului de aer aspirat de motor. În practica măsurărilor, dispozitivele cu fir cald sunt folosite pentru determinarea vitezelor (anemometrele) şi se bazează pe modificarea coeficientului de schimb de căldură α , dintre firul cald şi fluidul care curge pe lângă acesta, ca urmare a modificării vitezei de curgere. În cazul curgerii prin Ńevi, debitul volumic V& depinde de viteza medie de curgere

mv prin conductă şi de

secŃiunea transversală a conductei S, relaŃia de legătură fiind:

38 Măsurarea debitelor 5

mV S v= ⋅& 5.2.1

Ca urmare, determinarea debitului volumic se reduce de fapt la determinarea vitezei medii de curgere prin conductă sau la determinarea vitezei maxime ştiut fiind faptul că în cazul unei curgeri laminare viteza medie de curgere este egală cu jumătate din viteza

maximă în centrul conductei circulare max

2m

vv = .

Alimentarea firului (Figura 5.2.1) cu o anumită tensiune Ualimentare va duce la încălzirea acestuia atingând la echilibru temperatura T2, iar întreaga energie electrică se va disipa sub formă de căldură ( alimentareQ U I= ⋅& ) respectiv se va transfera prin convecŃie fluidului ce curge pe lângă acesta, astfel că putem scrie ecuaŃia de conservare a energiei sub forma:

( )alimentare 2 1U I A T Tα⋅ = ⋅ ⋅ − 5.2.2

unde Ualimentare este tensiunea de alimentare a firului, I curentul ce trece prin conductorul electric, α coeficientul de schimb de căldură, A aria suprafeŃei exterioare a conductorului electric, T2 temperatura firului iar T1 este temperatura mediului ambiant.

Termenul din stânga reprezintă energia electrică iar termenul din dreapta reprezintă căldură transferată prin convecŃie mediului înconjurător. Măsurarea curentului, respectiv a tensiunii de alimentare permite determinarea energie disipate sub formă de căldură şi mai mult, determinarea rezistenŃei electrice a conductorului şi implicit temperatura acestuia T2. Temperatura T1 se măsoară cu ajutorul unui senzor suplimentar montat înaintea firului cald în curentul de fluid (aşa se explică de ce pe motoarele de autovehicule, în aceeaşi carcasă cu senzorul de debit avem şi senzorul temperaturii aerului la intrarea în motor).

SuprafaŃa exterioară a firului este cunoscută, aceasta fiind o caracteristică constructivă, astfel că toŃi termenii din ecuaŃia anterioară sunt cunoscuŃi cu excepŃia coeficientului de schimb de căldură care poate fi scris sub forma:

( )alimentare

2 1

U I

A T Tα

⋅=

⋅ − 5.2.3

Coeficientul de schimb de căldură depinde de viteza de curgere, de natura fluidului precum şi de temperatura firului şi a fluidului, legătura dintre acestea fiind dată de ecuaŃii criteriale.

5.2 Debitmetru cu fir cald 39

UalimentareI

Q.

T2

v

T1

Figura 5.2.1, Schema de principiu a unui dispozitiv de măsurat viteza de curgere

5.3. Senzori de debit utilizaŃi pe autovehicul

Figura 5.3.1, Senzorul de debit pentru determinarea cantităŃii de aer aspirat de motor. (În

aceeaşi carcasă este inclus şi senzorul de temperatură al aerului aspirat)

6. Măsurarea forŃelor şi a momentelor

În mod similar senzorilor de presiune şi senzorii de forŃă şi moment se bazează pe determinarea unor deformaŃii. Conform teoriei elasticităŃii orice sistem elastic supus unei solicitări mecanice se va deforma reversibil (revine la forma iniŃială după ce

40 Măsurarea forŃelor şi a momentelor 6 solicitarea a încetat) atâta timp cât solicitarea nu depăşeşte pragul de plasticitate, în domeniul elastic existând o relaŃie de legătură liniară între variaŃia lungimii şi forŃa la care sistemul este supus. Pe aceste considerente sunt realizaŃi senzorii de forŃă şi moment care de fapt se reduc la nişte senzori de deformaŃie.

6.1. Senzori rezistivi cu timbre tensometrice

Timbrele tensiometrice sunt cele mai simple şi utilizate dispozitive pentru determinarea solicitărilor mecanice respectiv a forŃelor sau momentelor. Timbrul tensiometric prezentat în Figura 4.1.2 este format de fapt dintr-un fir rezitiv, fixat pe suprafaŃa probei a cărei deformaŃie se doreşte a fi determinată. O dată cu deformaŃia probei se deformează şi timbrul tensiometric şi proporŃional i se va modifica rezistenŃa electrică Figura 6.1.1.

F

F

Figura 6.1.1, Reprezentare schematică a unui senzor de forŃă echipat cu timbru tensiometric

În mod similar se pot determina şi momentele la cupla unui motor. Datorită momentului motor, proba montată între motor şi consumator va suferi o deformaŃie unghiulară (se va răsuci) astfel, montând senzori tensiometrici pe probă aceştia îşi vor modifica rezistenŃa. În general pentru acest tip de determinare senzorii se vor fixa pe arbore conform cu Figura 6.1.2 caz în care doi senzori vor fi supuşi la întindere, iar doi la comprimare.

6.1 Senzori rezistivi cu timbre tensometrice 41

M M

Figura 6.1.2, Montarea timbrelor tensiometrice pentru determinarea momentului

Determinarea momentului la cupla unui motor legat la un generator electric (fixat în consolă) se poate face folosind un singur timbru tensiometric fixat ca în Figura 6.1.3. În acest caz, determinăm de fapt forŃa de întindere sau comprimare a barei. Cunoscând braŃul forŃei se poate calcula momentul ca fiind: M F l= ⋅ .

M

F

Figura 6.1.3, Schema de principiu pentru determinarea momentului de rotaŃie a unui motor

sau generator

42 Măsurarea forŃelor şi a momentelor 6

6.2. Măsurarea forŃei cu senzori capacitivi

Măsurarea forŃei se poate face şi cu senzori capacitivi folosind un dispozitiv schematizat în Figura 6.2.1, unde se disting cele două armături ale unui condensator, care sub acŃiunea forŃei F se vor deplasa datorită deformaŃiilor din sistem, astfel că distanŃa dintre ele va creşte sau se va micşora în funcŃie de forŃa de întindere sau de comprimare aplicată.

F

F

Figura 6.2.1, Măsurarea forŃelor cu ajutorul unui senzor capacitiv

6.3. Măsurarea momentului cu senzori optici

O reprezentare schematică a unui astfel de dispozitiv este redată în Figura 6.3.1. Datorită deformaŃiei arborelui, între cele două discuri cu fante va apare un defazaj care face ca durata cât senzorul luminos este sub acŃiunea luminii să se micşoreze, aceasta fiind de fapt o indicaŃie a momentului măsurat. La analiza semnalelor obŃinute de la senzorul optic trebuie realizată o corelare între influenŃa dată de viteza unghiulară şi cea dată de moment (în cazul motoarelor cu ardere internă viteza unghiulară nu este constantă).

MM

Figura 6.3.1, Reprezentare schematică a unui senzor de moment optic


7. Prezentarea standului monocilindrului M511

7.1. GeneralităŃi

Pentru a se putea caracteriza cât mai exact ciclul real al unui motor, se apelează la măsurarea pe instalaŃii special amenajate a mărimilor de interes (presiuni , temperaturi , debite , turaŃii , etc.) şi pentru subsistemele motorului (sistemul de răcire, sistemul de ungere, turbosuflanta , răcitor intermediar , pe admisiune , în cilindru şi la evacuare, etc.), numite standuri de probă. Acestea trebuie să permită în principal evaluarea bilanŃului termic al motorului şi funcŃie de cercetare, măsurarea (directă sau indirectă) a parametrilor special avuŃi în vedere, dar obligatoriu şi monitorizarea compoziŃiei gazelor de ardere.

Atât sistemul de răcire cât şi cel de ungere sunt înglobate parŃial în standul de probe în vederea posibilităŃii de reglare a lor din exterior, evident această reglare se face pe baza măsurării parametrilor lor specifici, temperatura fluidului de lucru şi debitul, în puncte care să permită evaluarea pierderilor de căldură prin aceste sisteme. InstalaŃia de alimentare cu combustibil trebuie de asemenea controlată prin pupitrul standului de probe avându-se în vedere măsurarea cantităŃii de combustibil , a presiunii de injecŃie şi temperaturii cel puŃin. La fel trebuie controlată funcŃionarea răcitorului intermediar (dacă există) şi a celorlalte agregate.

Standul trebuie prevăzut cu o frână care permite simularea regimului de lucru având posibilitatea de reglare a sarcinii într-o plajă acoperitoare pentru domeniul de utilizare a motorului . De asemenea standul trebuie să permită măsurarea în fază (punctele de măsură trebuie să aibă aceeaşi bază de timp raportată la poziŃia arborelui cotit) a mărimilor de interes în vederea unei corecte interpretări a rezultatelor .

Prezentăm în cele ce urmează un stand parŃial echipat aparŃinând Laboratorul de Procese în Motoare Termice al catedrei TMT-AR a FacultăŃii de Mecanică din cadrul UniversităŃii Politehnica Timişoara care permite evidenŃierea desfăşurării proceselor din cilindrul motorului.

Schema standului de probă este prezentată în Figura 7.1.1 (în Figura 7.1.2 şi Figura 7.1.3 sunt prezentate vederi ale bancului de probe).

44 Prezentarea standului monocilindrului M511 7

Figura 7.1.1, Schema de principiu a standului de probă

După cum se observă din schemă, standul este prevăzut cu o frână electrică de curent continuu(12) fixată rigid pe soclul standului de probe. FuncŃionarea frânei şi a aparatelor de măsură şi control a puterii disipate pe rezistenŃa de sarcină(2) permit frânarea motorului prin varierea rezistenŃei de sarcină(2) respectiv prin creşterea intensităŃii curentului în înfăşurarea de excitaŃie (prin intermediul sursei de curent continuu 3), puterea efectivă determinându-se prin calcul.

Sistemul de achiziŃii (1) este compus dintr-un calculator PC Intel Pentium III ,o placă de achiziŃii tip DAQ , un convertor de semnal , un traductor de poziŃie optic(4) ,si două traductoare de presiune(unul montat în chiulasa motorului de tip Kistler(5) respectiv unul de tip Elkon montat pe conducta de înaltă presiune(6) la intrarea în injectorul (7), înregistrarea şi prelucrarea semnalelor făcându-se cu ajutorul pachetului de programe LabVIEW aferent plăcii de achiziŃie. Consumul de combustibil este măsurat cu ajutorul vasului gradat (9) alimentat intermitent din rezervorul (8) şi prin măsurarea timpului în care s-a consumat o anumită cantitate de combustibil cu ajutorul

7.1 GeneralităŃi 45 unui cronometru. Pe figură mai sunt indicate pompa de injecŃie(10) , motorul (11) , discul cu fante (14) respectiv cuplajul motor-frână (13).

Motorul folosit la încercările experimentale este un monocilindru diesel cu injecŃie directă de tip M511 produs de Aerostar S.A. Bacău.

Figura 7.1.2, Motorul M511 montat pe stand

Caracteristicile ce definesc motorul diesel M511 sunt:

• Motor diesel cu injecŃie directă în patru timpi

• Puterea maximă: 12 CP (8,82 KW)

• Număr de cilindrii: 1

• Raportul de compresie: ε = 16,31

• Alezajul: D = 85 mm


• Cursa: S = 90 mm

• Cilindree:510 cm3

• Lungimea bielei: L = 145 mm

• Număr de supape de admisiune: 1

• Număr de supape de evacuare: 1

• Pompa de injecŃie : Aerostar, tip 511.10

• Injector: ROKBAL 79S64, Hidrojet S.A. Breaza

• Pompa de ulei: cu roŃi dinŃate

• Sistem de răcire : cu aer

Figura 7.1.3, Motorul M511

În componenta standului este inclus şi sistemul de tip AVL DiCom 4000 pentru determinarea a noxelor şi turaŃiei.

7.2 Sistemul de achiziŃii de date 47

7.2. Sistemul de achiziŃii de date

Calculatoarele personale, au posibilităŃi deosebite de prelucrare şi afişare a datelor, asociate cu interfeŃe hardware de achiziŃie de date permit generarea unor aparate de măsură sofisticate numite instrumente virtuale, în care elementul software este dominant. Realizarea acestora cu funcŃii diferite, uneori modificând doar câteva elemente ale celor deja create, reutilizând integral alte instrumente virtuale, adaptând şi adăugând funcŃionalităŃi noi, determină realizarea cerinŃelor cercetării şi proiectării.

Prin introducerea instrumentului virtual, utilizatorului i se dă posibilitatea să-şi definească el însuşi funcŃionalitatea instrumentului pe care-l va utiliza. Reconfigurarea sa ulterioară, pentru alte aplicaŃii, este iarăşi o problemă relativ uşoară, operaŃia rezumându-se doar la elaborarea unui nou soft de aplicaŃie, suportul hard fiind în general acelaşi. Sumele investite în echipament nu se pierd, în majoritatea cazurilor impunându-se doar operaŃii de reconfigurări-recablări în echipamentul hard.

Instrumentul virtual este combinaŃia dintre echipamentele hard flexibile (sisteme se achiziŃii de date sau aparate de măsură programabile) ataşate unui microcalculator şi un soft de aplicaŃie care implementează funcŃiile aparatului, fiind interfaŃa dintre operatorul uman şi instrument. Instrumentele virtuale combină, într-un mod care rămâne transparent utilizatorului, resursele calculatorului (procesor, memorie, display) cu posibilităŃile de măsură şi control ale echipamentului hardware (traductoare, circuite de condiŃionare a semnalului, convertoare A/D şi D/A, interfeŃe standardizate) cu software-ul pentru analiza datelor, comunicarea proceselor şi prezentarea rezultatelor. Instrumentul virtual reuşeşte să colecteze semnale fizice prin intermediul traductoarelor şi convertoarelor A/D şi să le prelucreze cu aparatul matematic puternic al PC- ului. Pentru aplicaŃii de control al proceselor mai este un pas: după colectarea datelor de intrare (caracteristice stării unui sistem) se generează, după un algoritm dat, cu ajutorul unor convertoare D/A, semnalele electrice trimise la ieşirea instrumentului virtual pentru comanda elementelor de execuŃie.

Se pot realiza astfel osciloscoape, analizoare spectrale, sintetizatoare de frecvenŃe, multimetre, termometre, care au aceleaşi funcŃii cu cele reale, dar pot introduce elemente suplimentare de analiză, prelucrare şi stocare a datelor. De asemenea „butonarea” potenŃiometrelor şi comutatoarelor se face cu mouse-ul, tastatura sau automat, utilizând imaginea panoului frontal al aparatului realizat pe display-ul calculatorului.

InstrumentaŃia Virtuală reprezintă ceea ce era acum un deceniu lanŃul de măsurare, la care s-a înlocuit partea de instrumente fizice cu instrumente virtuale.

Un instrument virtual este compus dintr-o parte hardware şi o parte software care permite configurarea instrumentului după dorinŃa utilizatorului.

Pentru realizarea unui instrument virtual, microcalculatorului i se ataşează unul sau mai multe sisteme, plăci de achiziŃie de date. Având o concepŃie modulară, blocurile componente ale instrumentului se pot interconecta. Astfel, un lanŃ clasic de măsurare cuprinde următoarele:

48 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 - traductorul sau senzorul (captează mărimea fizică şi o transformă în

mărime electrică); - circuitul de condiŃionare a semnalului (aducere în gamă, filtrare, izolare

galvanică, preprocesare analogică); - placă de achiziŃie (multiplexare, eşantionare a semnalului la intervale

prestabilite, conversia analog-digitală); - microcalculator (prelucrare matematică şi logică, stocare date,

comunicare în reŃea cu alte sisteme de calcul, prezentarea şi stocarea datelor).

Microcalculatorul cu display-ul constituie inima instrumentului virtual. Se pot utiliza PC-uri, cu procesoare 486, 586, P1, P2, P3, etc., sau chiar staŃii de lucru în cazul sistemelor complexe, asociate cu monitoare de înaltă rezoluŃie, tastatură şi un mouse. Puterea de procesare a calculatorului, facilităŃile de afişare şi memorare, determină în mare măsură performanŃele instrumentului virtual. Procesorul performant al noilor generaŃii de calculatoare rezolvă partea de procesare digitală a semnalelor culese. În cazuri excepŃionale, când se cere o viteză de prelucrare foarte ridicată se apelează la plăci de achiziŃie care au în componenŃa lor circuite DSP (Digital Signal Processor).

Instrumentele virtuale realizate prin software extind posibilităŃile instrumentelor reale, pe care însă nu le elimină, ci le folosesc inteligent. Majoritatea producătorilor de aparate de măsură programabile având în componenŃa lor microcontrolere specializate, care asigură funcŃionarea aparatelor pe baza unui algoritm înscris în memorie, oferă astăzi ca accesorii ale acestora interfeŃe standard GPIB, cu protocol IEE488.2 sau RS232 seriale, cu imunitate mai mare la zgomote, dar cu o rată de transfer redusă.

Software-ului asigură o interfaŃă om-maşină uşor de folosit, conlucrează cu echipamentul hard, realizează prelucrarea matematică a datelor, prezintă şi stochează rezultatul.

Utilizatorul vede această interfaŃă soft ca o imagine grafică, cu butoane, indicatoare, ideograme, iar cu un clic cu mouse-ul pe aceste elemente obŃine funcŃia simbolizată de ele: vizualizarea anumitor date, analize matematice complexe, generarea anumitor semnale, citirea datelor de intrare.

FuncŃia principală – comunicarea cu hardul instalat – nu este o problemă uşoară. Nu oricine poate programa eficient dispozitive cu zeci de registre sau implementa anumite protocoale de comunicaŃie. Un software de instrumentaŃie bun posedă o serie de biblioteci specifice care scutesc utilizatorul de această muncă de rutină. În cazuri particulare, fac posibilă accesarea unor drivere preinstalate, livrate odată cu echipamentul hard. Apelând aceste funcŃii de limbaje de înalt nivel, transferul de date rezultat este sigur, corect şi suficient de rapid.

În general softul livrat cu sistemele de achiziŃie permite realizarea unor dispozitive mai simple ca: multimetre, osciloscoape, sintetizatoare de frecvenŃă. Programe (rutine) specializate permit implementarea unor funcŃii mult mai puternice, inclusiv cele de control pentru procese.

LabVIEW utilizează o abordare revoluŃionară a ingineriei software, programarea vizuală. Oferă flexibilitatea unui limbaj de programare de nivel înalt, fără ca utilizatorul să scrie măcar un rând de cod-program. Este o cale rapidă, sigură şi uşoară

7.2 Sistemul de achiziŃii de date 49 spre eliberarea unor aplicaŃii mai deosebite, adaptate cerinŃelor impuse, uşor de testat şi depanat, permiŃând programatorilor neprofesionişti realizarea de programe performante.

În loc să scrie mii de rânduri de cod-program, utilizatorul îşi construieşte aplicaŃia într-un mod elegant, folosind mouse-ul. InterfaŃa grafică utilizator (GUI) este schiŃată în câteva minute, alegând din meniu o serie de elemente vizuale, butoane de selecŃie, câmpuri de afişare, indicatoare luminoase şi cu ac, becuri de control, panouri de reprezentare 2D/3D, blocuri de I/O . „Programarea” propriu-zisă constă în schiŃarea schemei bloc a sistemului: elementele selectate sunt interconectate cu ajutorul mouse-ului, specificând astfel şi calea fluxului de date. Utilizatorul, fără să cunoască vreun limbaj de programare clasic, poate realiza programul de care are nevoie, concentrându-se doar asupra unei scheme-bloc (diagrame), mult mai apropiată de gândirea sa decât sutele de cod-program, uneori greu de controlat.

Oferă avantajele semnificative ale unui mediu multitasking, putând rula simultan mai multe instrumente virtuale. Fluxul de date schiŃat în diagrama funcŃională specifică implicit şi operaŃiile ce se execută simultan. Având un design modular, există posibilitatea ca orice instrument virtual deja creat să poată deveni a altuia.

Bibliotecile aferente conŃin funcŃii-sistem puternice, axate pe următoarele domenii: - o achiziŃie de date şi control (drivere pentru dispozitive I/O şi automate

programabile, regulatoare numerice, dispozitive de înregistrare-vizualizare);

- control de dispozitive (GPIB, VXI, RS-232); - analiză date (evaluări statistice, elemente de algebră liniară, funcŃii de

calcul pentru domeniul timp şi frecvenŃă, filtre numerice). Schimbul de date cu alte aplicaŃii sau alte sisteme de calcul este posibil prin

funcŃiile de comunicare în reŃea sau inter-aplicaŃii incluse, neexistând nici un impediment în calea realizării unor sisteme de control distribuite.

Dispunând de un editor şi de un utilitar complex pentru depanare, munca programatorului este uşurată mult de un help on-line foarte bogat (practic un manual complet, unde se găsesc informaŃii multiple, de la coduri de eroare până la exemple de programe complete).

LabVIEW ca mediu de programare vizuală este recomandat în primul rând celor care nu au avut ocazia să se familiarizeze cu vreun limbaj de programare clasic. Poate fi adoptat de asemenea şi în cazul când este vorba de o muncă în echipă, care implică conlucrarea unui număr mare de specialişti, din diverse domenii, cu o pregătire în informatică foarte variată.

*LabVIEW oferă peste 150 drivere pentru controlul unor aparate de măsură prevăzute cu interfeŃe GPIB, RS-232 şi VXI provenind de la 40 de diferiŃi producători, precum şi cele necesare pentru controlul unui număr mare de plăci de achiziŃie de date, într-o gamă largă de performanŃe.


7.3. Etapele realizării instrumentului virtual de achiziŃie a datelor

Pentru realizarea achiziŃiei parametrilor ce definesc funcŃionarea motorului diesel M511 trebuie parcurşi următorii paşi:

• Montarea trusei de achiziŃie date. • Montarea traductorilor de presiune. • Conectarea traductorilor cu placa de achiziŃie. • Instalarea softului necesar funcŃionarii şi softul LabVIEW. • Configurarea canalelor. • Realizarea programului de captare a datelor. • AchiziŃia propriu-zisa a datelor. • Vizualizarea şi prelucrarea rezultatelor. • Etalonarea traductorilor • AchiziŃia propriuzisă a datelor PRIMUL PAS: Montarea trusei de achiziŃie date. Sistemul de achiziŃie a datelor cuprinde componente atât hardware cat şi software. Componentele hardware conŃinute de trusa de achiziŃie a datelor sunt:

-Placa achiziŃii de date NI PCI 6013 -Magistrala de transfer a datelor -Blocul conector

Asamblarea trusei de achiziŃie a datelor se face prin montarea plăcii de achiziŃie * NI PCI 6013(pe un slot liber al PC-ului folosit, conectându-se şi magistrala de date la placa NI PCI 6013.

PASUL DOI: Instalarea aplicaŃiilor. Această etapa presupune instalarea driver-ului şi a programelor software, furnizate

de producător odată cu trusei de achiziŃie a datelor, în modul clasic de instalare a oricărui soft în sistemul de operare Windows.

Pachetul software conŃine următoarele aplicaŃii: -Driver-ul plăcii de achiziŃie; -Programul Measurement & Automation Explorer; -Programul LabVIEW; Driver-ul plăcii de achiziŃie reprezintă un cod maşina care face legătura intre

componentele hardware ale computerului şi permite utilizarea corespunzătoare a acesteia.

Programul Measurement & Automation Explorer permite configurarea canalelor şi a plăcii de achiziŃie.

Programul LabView este un Instrument virtual ce permite atât achiziŃia de date cat şi vizualizarea şi interpretarea acestora.

După instalarea tuturor aplicaŃiilor necesare se trece la următoarea etapa .

7.3 Etapele realizării instrumentului virtual de achiziŃie a datelor 51 PASUL TREI: Realizarea programului de captare a datelor. În modul clasic de lucru pe un sistem de calcul cu Mouse-ul se alege pictograma

corespunzătoare mediului de lucru sau prin alegerea succesivă a opŃiunilor: Start / Programs / National Instruments LabView / LabView ceea ce are ca efect deschiderea meniului din figura de mai jos.

Se alege opŃiunea – DAQ Solution – pentru afişarea soluŃiilor din galeria de soluŃii pe care o conŃine aplicaŃia sau opŃiunea – Open VI – pentru deschiderea unui fişier IV existent.

Revenirea în meniul principal respectă principiile de lucru în mediul Windows.

Figura 7.3.1, Meniul după lansarea mediului LabView

După alegerea unei soluŃii predefinite a acestui program se trece la adaptarea şi modelarea acestuia la cazul specific. Modelarea aplicaŃiei se efectuează cu ajutorul uneltelor generale (Tools Palette) ce permit crearea, editarea sau trasarea execuŃiei instrumentelor virtuale specifice softului LabVIEW, aşa cum a fost prezentat anterior. După realizarea programului interfaŃa se prezintă ca în figura următoare :


Figura 7.3.2, InterfaŃa grafică a programului

Diagrama ( codul sursa al programului ) se prezintă astfel :

Figura 7.3.3, Codul sursă

Numele programului de achiziŃii este ales de utilizator. În exemplu acesta este Achizitie.vi

7.3 Etapele realizării instrumentului virtual de achiziŃie a datelor 53 PASUL PATRU: Configurarea canalelor.

Configurarea canalelor se face cu ajutorul aplicaŃiei Measurement &

Automation Explorer. Aceasta presupune definirea precum şi setarea parametrilor canalului dorit a fi folosit pentru a efectua o achiziŃie a unei mărimi.

Figura 7.3.4 InterfaŃa grafică pentru configurarea canalelor pentru măsurare

PASUL CINCI : Montarea traductorilor pe blocul conector.

Parametrii motorului (presiunea din cilindru, presiunea de injecŃie, poziŃia pistonului) sunt achiziŃionaŃi prin intermediul a două traductoare de presiune, şi unul de poziŃie.

Figura 7.3.5, Blocul de conectori

54 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 Traductorul piezoelectric de tip Kistler pentru presiunea din cilindru se montează

în chiulasă iar cel .de tip Elkon pentru presiunea de injecŃie, pe conducta de înaltă presiune la intrarea în injector. Semnalele acestor traductoare sunt introduse într-un convertor de semnal fiecare pe câte un canal. Traductorul optic pentru determinarea poziŃiei arborelui cotit, se poziŃionează în dreptul fantelor discului montat pe arborele cotit. Principiul de măsurare este bazat pe “bariera de lumină”. Este utilizată metoda cu “lumina din spate” sau “lumina reflectată”, depinzând de configuraŃie. Senzorii optici de poziŃie al arborelui cotit satisfac condiŃii de precizie foarte ridicate (chiar şi cei de dimensiuni mici) datorită posibilităŃilor de fabricare precisă a discurilor marcate. RezoluŃia unghiulară a arborelui cotit este de obicei mai mică de 1 %. Aceste semnale sunt transmise către placa de achiziŃii prin intermediul blocului conector.

PASUL ŞASE: Conectarea blocului conector cu placa de achiziŃie. Conectarea se face direct pe pini prevăzuŃi în blocul conector al plăcii de achiziŃie

după schema electrica data de producător în cartea tehnica a trusei de achiziŃie a datelor.

Conectarea traductorilor cu placa de achiziŃie.

Figura 7.3.6, Conectarea firelor la blocul de conectori

7.3 Etapele realizării instrumentului virtual de achiziŃie a datelor 55

Figura 7.3.7, Schema electrica a unei porŃiuni de bloc conector.

După montarea tuturor componentelor hardware se trece la pasul următor, adică instalarea echipamentului cu ajutorul driver-ului conŃinut în pachetul primit de la producător, precum şi de configurarea canalelor ce urmează a fi folosite ulterior.

PASUL ŞAPTE : AchiziŃia propriu-zisa a datelor. Pentru achiziŃia datelor se procedează în felul următor : • Se porneşte aplicaŃia achizitie.vi; • Se setează parametrii doriŃi ( Canal / Scan rate / Buffer size / Număr de

scanări); • Se rulează programul apăsând butonul Run; • Se introduce numele fişierului dorit pentru a salva datele achiziŃionate, precum

şi calea de acces la memorie. • Se vizualizeaza graficul mărimilor analizate.

• Se opreşte din lucru aplicaŃia apăsând butonul . Pornirea aplicaŃiei Achizitie.VI se face în modul clasic de pornire a oricărei

aplicaŃii din mediul Windows. Setarea parametrilor presupune :

56 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 -alegerea din caseta Canale a canalelor dorite a fi monitorizate şi care au fost

definite anterior la instalarea softului Measurement & Automation Explorer.

-introducerea unor valori pentru parametrii specificaŃi în caseta respectiva :

Scan rate, Buffer size, Numar de scanari scrise;

Unde : Scan rate – numărul de scanări pe care instalaŃia le citeşte intr-o secunda; Buffer size – mărimea memoriei tampon alocate pentru citirea scanărilor

respective. Aceasta valoare trebuie sa fie egala sau multiplul valorii introduse la secŃiunea Scan rate pentru a nu omite nici o scanare.

Număr scanări – numărul scanărilor scrise în fişier la o citire. Se rulează acesta apăsând butonul Run, în urma acestei comenzi aplicaŃia va

deschide o fereastra de dialog în care se introduce locaŃia şi numele fişierului în care se doreşte salvarea datelor achiziŃionate.

Se vizualizează graficul mărimilor analizate în caseta destinata Graficului .

AplicaŃia rulează în mod continuu pana la apăsarea butonului .

7.3 Etapele realizării instrumentului virtual de achiziŃie a datelor 57 PASUL OPT : Vizualizarea şi prelucrarea rezultatelor. Datele achiziŃionate sunt stocate într-un fişier ASCII hard-diskul PC-ului. Acest

fişier se poate deschide apoi cu orice program ce recunoaşte aceste date. Datele stocate pot fi interpretate ulterior cu diferite programe ce permit trasarea şi

vizualizarea graficelor. Pentru interpretarea datelor cu ajutorul softului LabVIEW se procedează în felul

următor: • Se porneşte aplicaŃia vizualizare. vi; • Setarea parametrilor; • Se rulează programul apăsând butonul Run; • Se introduce calea de acces numele fişierului dorit pentru a încărca datele

achiziŃionate anterior. • Se vizualizează graficul mărimilor analizate.

• Se opreşte din lucru aplicaŃia apăsând butonul . • Pornirea aplicaŃiei vizualizare. vi se face în modul clasic de pornire a oricărei

aplicaŃii din mediul Windows. • Setarea parametrilor presupune introducerea numărului de valori ce trebuie

afişat la o singura citire. • Se rulează această aplicaŃie apăsând butonul Run, în urma acestei comenzi

aplicaŃia va deschide o fereastra de dialog în care se introduce locaŃia şi numele fişierului din care se doreşte citirea datelor achiziŃionate.

• Se vizualizează graficul mărimilor analizate.

AplicaŃia rulează în mod continuu până la apăsarea butonului . PASUL NOUĂ : Etalonarea traductoarelor piezoelectrice Principiul de funcŃionare al traductoarelor piezoelectrice necesită pentru etalonare

(calibrare) un dispozitiv care generează suprapresiune, de exemplu o pompă cu ulei ce creează suprapresiune într-un rezervor prevăzut cu un manometru şi cu un robinet de descărcare. Când acest dispozitiv este activat(deschis), presiunea în rezervor se schimbă de la p1 la p2. Cunoscând căderea de presiune şi căderea de tensiune (măsurată de sistemul de achiziŃii ) se determină factorul de scară ce permite trecerea de la tensiuni (achiziŃionate) la presiuni. Se introduce factorul de scară în programul de achiziŃii.

PASUL ZECE – Utilizarea sistemului de achiziŃii calibrat pentru caracterizarea

funcŃionării motorului la diferite regimuri. Se urmăreşte planul de măsurători prevăzut de lucrarea de laborator.


7.4. Sistemul AVL DiCom 4000de monitorizare turaŃie şi noxe

Testerul tip AVL DiCom 4000 este un instrument de service ce permite, printre altele monitorizarea turaŃiei, a coeficientului excesului de aer, a gradului de fum(la m.a.c) respectiv a CO, CO2, HC şi λ (la m.a.s). El este utilizat pe stand pentru a monitoriza turaŃia şi gradul de fum la regimurile de funcŃionare studiate în cadrul lucrărilor de laborator.

Prezentăm în continuare o scurtă descriere a caracteristicilor acestui aparat şi a modurilor de operare pentru motoarele diesel.

Figura 7.4.1, Sistemul AVL DiCom 4000de monitorizare turaŃie şi noxe.

DATE TEHNICE ALE SISTEMULUI AVL 4000

Monitor: Afişaj cu LCD (format VGA sfert) cu facilitate grafica, cu contrast şi luminozitate mare, fond luminat.

Operare : 6 taste funcŃii Poate fi conectata o tastatura standard PC.

Imprimanta Imprimanta grafica opŃionala integrata (cu facilitate grafica, adecvata pentru documente).

7.4 Sistemul AVL DiCom 4000de monitorizare turaŃie şi noxe 59 Memorie interna -: Cartela memorie (standard PCMCIA) pentru opŃiuni

program, baze de date, reactualizări soft şi schimb de date cu PC-urile. Principiu de măsurare: CO, HC, CO2, Măsurare în infraroşu;

O2 Măsurare electrochimica; NO (opŃiune) Măsurare electrochimica;

Temperatura de lucru: +5 … +45 0 C Păstrarea preciziei de măsurare;

+1 … +50 0 C Pregătit pentru măsurare;

+5 … +35 0 C Cu senzor de NO integrat;

Temperatura depozitare : -20 … +60 0 C

-20 … +50 0 C Cu senzor de O2 integrat;

-10 … +45 0 C Cu senzor de NO integrat;

0 … +50 0 C Cu apa în filtru şi /sau pompa; Umiditatea aerului : 90% max., fără condens; Alimentare : 195 … 253 V, 47 … 65 Hz Putere absorbita : 150 VA Dimensiuni : 470 x 431 x 230 mm (lungime x lăŃime x înălŃime); Masa : 11.0 kg

Camera opacimetrică

Incalz. Camera opacim : 80 0 C Lungimea. Efectiva : 0.215 ± 0.002 m

Temperatura maxima.gaze eşapament : 200 0 C Dimensiuni : 395x285xl36mm(WxHxD) Masa : 3.5 kg Aparate măsurare 4 – gaze : Interval calibrare : 12 luni Debit nominal : 360 [l/h] Debit minim : 180[l/h] Debit total : 180 … 500[l/h] Debit gaz calibrare : 90 … 180[l/h]

OPERAREA APARATULUI. Aparatul AVL 4000 poate fi manevrat cu ajutorul tastelor funcŃie de pe panoul

frontal, cu ajutorul unei telecomenzi opŃionale, sau cu ajutorul unei tastaturi PC standard, externe.


Figura 7.4.2, Sistemul AVL DiCom 4000de monitorizare turaŃie şi noxe.

FuncŃiunile curente ale tastelor F1 pana la F6 sunt afişate deasupra tastelor, fie ca simbol sau în scris. Tasta LF executa avans cu un rând al hârtiei la imprimanta incorporata. Următoarele simboluri pot fi afişate în orice moment:

7.4 Sistemul AVL DiCom 4000de monitorizare turaŃie şi noxe 61

Afişajele ilustrate sunt nişte reprezentări orientative care pot diferi de ceea ce vedeŃi în mod real pe ecran, în funcŃie de configuraŃia sistemului dvs. (inclusiv opŃiuni de program, de hardware instalat).

Măsurarea oficiala Montarea cablurilor / sondei prelevare fum. Măsurarea turaŃiei (RPM) (daca este necesară). Se foloseşte un traductor-clema pentru măsurarea universala a turaŃie. Conectarea traductorului pe conducta de înaltă presiune iar clema traductorului la

chiulasa motorului. PoziŃia de prindere pe conducta de injecŃie se alege pe o porŃiune dreapta a conductei de lungime cel puŃin 20 mm

CurăŃaŃi poziŃia de montare. Daca locul de montare este nedeteriorat, este suficient sa-1 curăŃaŃi bine cu o cârpa.

Daca locul de montare este deteriorat (de ex. zgâriat, brăzdat, ruginit, scobit, etc.), frecaŃi suprafaŃa cu o bucata de hârtie abrazivă şi ştergeŃi apoi toate resturile cu o cârpa.


Figura 7.4.3, Conectarea dispozitivului AVL la motor

Daca în aceste fel nu va rezulta o suprafaŃa de montare neteda, rotunda, traductorul trebuie sa fie montat în alta parte.

Daca Ńeava este vopsita, îndepărtaŃi întâi vopseaua (de preferat cu un solvent). FolosiŃi traductorul - clema corect pentru diametrul conductei. Acum montăm traductorul pe Ńeava de injecŃie.

- Nu răsuciŃi niciodată un traductor, după ce aŃi strâns clema; - ConectaŃi cablul traductorului la traductor;

FixaŃi clema de legare la pământ a cablului traductorului de piuliŃa Ńevii de injecŃie la care este prins traductorul.

Pentru a regla corect momentul injecŃiei, montaŃi traductorul la ieşirea pompei de injecŃie.

Sonda prelevare fum : ConectaŃi furtunul sondei la admisia gazelor măsurare în camera opacimetrică. FixaŃi sonda la Ńeava de eşapament. - Sonda trebuie sa fie introdusa cel puŃin 30 cm în porŃiunea finala a Ńevii de

eşapament; Axa longitudinala a sondei şi a Ńevii de eşapament trebui sa fie, pe cit posibil,

paralele. AtenŃie mărita insa la următoarele : Nu îndoiŃi furtunul sondei! In timpul calibrării camera opacimetrică absoarbe aer. De aceea este indicat sa nu amplasaŃi camera opacimetrică în calea gazelor eşapate,

ci în unghi drept fata de acestea. Sonda poate fi foarte fierbinte după o măsurare, de aceea se recomanda a fi

manevrata cu grija !


Realizarea măsurării oficiale se efectuează astfel : Din meniul principal se selectează DIESEL (fig. A ); Si apoi MASURARE OFICIALA ( fig. B);

Fig. A Fig. B

Realizarea măsurătorilor standard se efectuează astfel : Din meniul principal se selectează DIESEL (fig. A); Si apoi MASURARE STANDARD ( fig. B); Afişajul valorilor de măsurare :

Opacitatea şi valoarea - k sunt afişate doar atunci când camera de măsurare a atins

temperatura de funcŃionare ceruta. Următoarele taste de funcŃiuni sunt disponibile în timpul măsurării standard:

- - Apelează funcŃiunile Diagnoza Plus.

- - Permite selectarea senzorului de turaŃie şi unghi conectate.

- - Porneşte editarea la imprimanta a valorilor de măsurare.

- - măsurărilor curente sunt oprite


- - măsurătorile sunt repornite

7.4.1 Controlul măsurării SelectaŃi DIESEL în meniul principal

si apoi CONTR pentru controlul liniarităŃii

Apoi va fi afişat pe display-ul aparatului meniul următor care permite reglarea şi

vizionarea parametrilor necesari : A. Testul de Liniaritate După aprox. 15 secunde este afişată valoarea de liniaritate. ( ApăsaŃi << pentru a

va întoarce la meniul diesel).


B. Controlul Măsurării cu Filtru MontaŃi filtrul gri în camera de măsurare a opacităŃii şi apăsaŃi Este afişată absorbŃia măsurata a filtrului gri utilizat.


Măsurare TuraŃie şi Unghi.

Folosind tasta , puteŃi selecta senzorul de turaŃie (si un al doilea senzor pentru măsurare unghi).

Pe stânga sunt afişaŃi senzorii de turaŃie (rpm).

-FolosiŃi şi pentru a selecta un senzor. Pe dreapta pot fi selectate reglaje suplimentare, folosind tasta + (de exemplu,

numărul de impulsuri sau un reglaj special). • O turaŃie a motorului mai joasa de 250 rot/min ,se afla în afara domeniului

valabil - valoarea rpm va clipi • Daca apare o eroare în timpul măsurării turaŃiei, se va afişa,------in locul

turaŃiei (rpm). • Daca apare simbolul E la dreapta valorii măsurate, exista de asemenea

probleme cu măsurarea turaŃiei (rpm). S-ar putea ca valoarea afişată sa fie nevalabilă. Senzori speciali de turaŃie

Aici poate fi selectat conectorul (Borna) W. ApăsaŃi tasta pentru a introduce direct valoarea raportului de transmisie.

Senzor PMI şi senzor optic Când este selectat unul dintre aceşti senzori, puteŃi selecta numărul de

impulsuri/rotaŃie sau puteŃi introduce direct valoarea lor. • Apoi apăsaŃi tasta + de atâtea ori cit este necesar, până când se va afişa

;


• ApăsaŃi tasta pentru a apela editorul, apoi introduceŃi valoarea ceruta (intre 33.. ..255 impulsuri/rotaŃie);

PMI - senzor inductiv La dreapta este afişat tipul senzorului folosit (real).

ApăsaŃi tasta pentru a comuta intre "nu exista alimentare cu curent pentru senzor "si "alimentare cu curent a senzorului ". FolosiŃi reglajul care asigura un semnal bun atât la turaŃie joasa, cât şi la turaŃie înalta.

7.5. AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie

Pentru un caz concret, la un monocilindru diesel M 511 cu o turaŃie maximă n=3000 rot/min, având parametrii prezentaŃi anterior, achiziŃia datelor (reprezentând presiune din cilindru şi presiune de injecŃie) precum şi interpretarea acestora se efectuează în felul următor :

Se definesc canalele „ pcil ” şi „ pinj ” cu ajutorul softului Measurement Automation Explorer .

Se porneşte aplicaŃia achiziŃie .vi; Se aleg cele doua canale definite anterior pcil şi pinj în caseta canale; Se introduc parametrii după cum urmează : Scan rate : 18000 Buffer size : 36000 Număr de scanări : 10000

68 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 Se rulează aplicaŃia apăsând butonul Run ; Se introduce numele fişierului în care dorim salvarea datelor „Date1” ; Se vizualizează graficul conŃinând cele doua presiuni achiziŃionate; Se încheie achiziŃionarea datelor apăsând butonul STOP; Se închide aplicaŃia achiziŃie .vi. In acest mod după închiderea aplicaŃiei datele achiziŃionate în acest mod sunt

salvate în fişierul Date1 în format ASCII. Deschidere acestui fişier de date în vederea vizualizării, interpretării şi prelucrării se poate face fie cu aplicaŃia vizualizare. vi care este o alta aplicaŃie a softului LabVIEW creata şi modificata special pentru cazul studiat, fie cu ajutorul programului Excel, program ce aparŃine softului Microsoft Office şi care permite o buna vizualizare a datelor precum şi prelucrarea acestora sub formă de grafice ale presiunilor măsurate anterior.

InterfaŃa grafica ce permite interacŃiunea cu instrumentul virtual de achiziŃie de date adică programul AchiziŃie. vi se prezintă sub forma :

Figura 7.5.1, InterfaŃa grafică a programului de măsură

Vizualizarea datelor achiziŃionate din fişierul Date1 se poate face cu ajutorul aplicaŃiei Vizualizare. vi din mediul LabVIEW în felul următor :

Se porneşte aplicaŃia ca orice alta aplicaŃie din mediul Windows. Se apăsa butonul Run din meniul aplicaŃiei. Se introduce calea şi numele fişierului dorit spre vizualizare Date1. Se vizualizează graficul presiunilor în funcŃie de 0 RAC.

7.5 AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie 69 ObservaŃie : pe abscisa şi ordonata graficului nu sunt afişate valorile presiunilor

respectiv ale unghiului în grade RAC, valorile afişate sunt echivalentul acestora exprimat în milivolŃi respectiv milisecunde.

Prelucrarea datelor înregistrate se realizează prin interpretarea diagramelor de variaŃie a presiunii din cilindru şi a celei de la intrarea în injector în concordanŃă cu poziŃia pistonului sau cu o bază de timp. Spre exemplificare prezentăm următoarele lucrări:

Determinarea momentului de început al arderii Determinarea momentului de început al injecŃiei Determinarea duratei perioadei de întârziere la autoaprindere Determinarea duratei injecŃiei Primele două lucrări implică cunoaşterea poziŃiei punctului mort interior şi a

diagramelor de presiune faŃă de ultimele două la care sunt suficiente diagramele de presiune achiziŃionate în timp la frecvenŃa de achiziŃii aleasă.

7.5.1 Determinarea momentului de început al arderii

7.5.1.1 Elemente teoretice

Momentul de început al arderii este unul dintre principalii parametrii de reglaj la motoarele cu ardere internă cu piston , el determinând practic pentru o soluŃie constructivă dată, gradul de perfecŃiune al ciclului din punct de vedere energetic sau ecologic. Cunoaşterea momentului optim de început al arderii pentru fiecare regim de funcŃionare fiind din acest punct de vedere esenŃială în vederea atingerii criteriului de performanŃă impus.

TradiŃional, momentul de început al arderii se determină, conform definiŃiei [1], ca fiind abscisa punctului în care diagrama ciclului cu ardere trece deasupra celei corespunzătoare ciclului fără ardere.

DefiniŃia implică înregistrarea diagramei indicate a ciclului fără ardere. Acest fapt se poate face aproximativ, întrucât diagrama ciclului fără ardere ar trebui să corespundă aceleiaşi încărcări termice şi aceleiaşi compoziŃii iniŃiale a fluidului de lucru (evident la aceeaşi turaŃie de funcŃionare a motorului).

Experimental, este imposibil să se menŃină compoziŃia iniŃială a fluidului de lucru. Această definiŃie a fost totuşi satisfăcătoare în cazul utilizării osciloscoapelor cu memorie, la care grosimea curbei înregistrate acoperă aceste neconcordanŃe.

Precizia de înregistrare a variaŃiei presiunii asigurată de sistemele de achiziŃii de date actuale permite o abordare diferită a determinării momentului de început al arderii. Practic, diagrama ciclului fără ardere este aceeaşi cu cea a ciclului cu ardere până în momentul convenŃional de început al arderii, moment în care apare o perturbaŃie pozitivă în diagrama de variaŃie a presiunii, perturbaŃie ce poate fi evidenŃiată prin analiza vitezei de variaŃie a presiunii din cilindru ( adică a derivatei întâi a presiunii în raport cu unghiul RAC).

Rezultatele experimentale, în cazul utilizării unui sistem de achiziŃii, se obŃin sub formă matricială, deci discretă. În cazul achiziŃionării doar a presiunii din cilindru matricea are dimensiunea (2,n), n fiind numărul de puncte achiziŃionate şi determină

70 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 pasul de achiziŃie, iar 2 este determinat de existenŃa a doar două canale de măsură (presiune, poziŃie).

În cele ce urmează vom analiza modul în care se transformă graficul vitezei de variaŃie a presiunii funcŃie de modificarea momentului de început al arderii pentru un caz particular – cel al unui motor diesel cu injecŃie directă.

1. RelaŃii de calcul

Presupunem că diagrama indicată din Figura 7.5.2 a fost determinată experimental cu ajutorul unui sistem de achiziŃii de date ce utilizează un traductor de presiune piezoelectric. Aceasta înseamnă că sistemul înregistrează nivelul presiunii din cilindru din grad în grad RAC (de exemplu) pe baza unei comenzi date de traductorul de poziŃie.

Valoarea reală a presiunii rezultă în urma raportării la dimensiunea unui semnal de presiune etalon şi aducerii la zero a întregii diagrame de presiune, de exemplu, prin metoda termodinamică.

Diagrama indicata

0.00

20.00

40.00

60.00

225 425 625 825

[RAC]

[bar]

Figura 7.5.2, Diagrama indicată

Primul pas în analiza diagramei indicate este calculul vitezei de variaŃie a presiunii, adică a derivatei presiunii în raport cu unghiul RAC.

Aceasta se face pe baza relaŃiei de definiŃie a derivatei:

( ) ( ) ( )ϕϕ

ϕϕϕ

ϕ ϕϕ −−

=→

1

11

1

limpp

d

dp 7.5.1

Această relaŃie se aproximează cu:

( )kk

kpkpkk

d

dp

ϕϕϕϕϕϕ

ϕ −+

−+≅

++1

)1(

21 7.5.2

7.5 AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie 71 Pentru calculul derivatei a doua se utilizează (tot pe baza definiŃiei) relaŃia

aproximativă:

( ) ( )

21

212

1

)1(

12

1)2(

22

212

1

2

2

kkkk

kk

kpkp

kk

kpkpkkkk

d

pd

ϕϕϕϕϕϕ

ϕϕϕϕ

ϕϕϕϕϕϕ

ϕ ++−+++

−+

−+−+−+

+−+

≅

++++++

7.5.3

Având în vedere faptul că în general derivarea numerică poate introduce erori mari, relaŃiile prezentate se aplică cu luarea măsurilor de prevedere necesare unei interpretări corecte a rezultatelor.

În Figura 7.5.3 si Figura 7.5.4. se prezintă variaŃiile primelor două derivate ale presiunii calculate cu formulele prezentate.

Viteza de variatie a presiunii

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

225 325 425

[RAC]

[ba

r/R

AC

]

Figura 7.5.3, Viteza de variaŃie a presiunii

Derivata a doua a presiunii

-0.40

-0.20

0.00

0.20

225 325 425

[RAC]

[ba

r/R

AC

/RA

C]

Figura 7.5.4, derivata a doua a presiunii

72 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 Analizarea acestor curbe poate da informaŃii asupra momentului de început al

arderii, a momentelor de deschidere şi închidere a camerei de ardere, şi asupra momentului de atingere a presiunii maxime.

Nu fără importanŃă este şi maximul primei derivate a cărei valoare este limitată constructiv, fiind un indicator al funcŃionării liniştite a motorului. O analiză mai exactă se poate face prin utilizarea funcŃiilor spline cubice [3], pentru aproximarea curbei de variaŃie a presiunii.

2. InfluenŃa momentului de început al arderii asupra graficului vitezei de variaŃie a presiunii din cilindru

Pentru a evidenŃia influenŃa momentului de început al arderii asupra alurii

diagramei vitezei de variaŃie a presiunii vom considera patru cazuri. Primul va reproduce diagrama de interes pentru ciclul fără ardere la turaŃia aleasă, celelalte 3 cazuri fiind cicluri cu ardere determinate la aproximativ aceeaşi turaŃie şi presiune medie efectivă, dar având momentul de început al arderii diferit.

Diagrama vitezei de variaŃie a presiunii în cazul ciclului fără ardere (motor antrenat) între momentele de închidere a admisiunii şi deschidere a evacuării (Figura 7.5.5) evidenŃiază prezenŃa unui maxim pozitiv, a unui minim negativ şi a punctului de zero pentru derivată, punct corespunzător aproximativ punctului mort interior (p.m.i.). Cele două extreme nu sunt simetrice faŃă de p.m.i., poziŃia lor depinzând de parametrii fluidului de lucru în momentul închiderii admisiunii, de regimul termic al motorului, de turaŃie, şi de cinematica motorului.

Figura 7.5.5, Viteza de variaŃie a presiunii – ciclu fără ardere

Momentul de început al arderii se găseşte de obicei înainte de p.m.i., el poate fi înainte de punctul de maxim pentru viteza de variaŃie a presiunii (Figura 7.5.6) sau după acesta (Figura 7.5.7).

7.5 AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie 73

Viteza de variatie a presiunii-inceput ardere 355 [RAC]

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

225 275 325 375 425 475

[RAC]

[bar/

RA

C]

Figura 7.5.6, Viteza de variaŃie a presiunii – început ardere 355 oRAC

Viteza de variatie a presiunii - inceput ardere 345 [RAC]

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

225 275 325 375 425 475

[RAC]

[bar/

RA

C]


La motoarele moderne, în vederea reducerii temperaturii maxime pe ciclu pentru reducerea cantităŃii de oxizi de azot din gazele eşapate, începutul arderii este deplasat după p.m.i (Figura 7.5.8).

Viteza de variatie a presiunii - inceput ardere 365 [RAC]

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

225 275 325 375 425 475

[RAC]

[ba

r/R

AC


74 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 În toate cazurile prezentate momentul de început al arderii corespunde pe

diagrama vitezei de variaŃie a presiunii, sau unui punct de inflexiune sau unui punct de extrem local. În concluzie abscisa punctului de început al arderii se va găsi printre zerourile derivatei a doua a presiunii. 3. Concluzii

Concluzionăm enunŃând următoarele reguli de determinare a momentului de

început al arderii: � Dacă înainte de maximul derivatei întâi a presiunii se găseşte un punct de

inflexiune, acesta este momentul de început al arderii. � Dacă între punctele de maxim şi de minim pentru derivata întâi a presiunii se

găseşte un punct de minim local, fără a exista un punct de inflexiune înaintea lui sau un alt punct de minim local, atunci acesta corespunde momentului de început al arderii.

� Dacă până la punctul de minim al vitezei de variaŃie a presiunii nu se evidenŃiază un punct de inflexiune sau un punct de minim local atunci primul punct de inflexiune după minimul absolut corespunde momentului de început al arderii.

� Abscisa corespunzătoare momentului de început al arderii se găseşte printre zerourile derivatei a doua a diagramei de presiune.

Precizia de determinare a momentului de început al arderii depinde de pasul de achiziŃie şi poate fi îmbunătăŃită prin utilizarea funcŃiilor spline cubice la aproximarea diagramei indicate.

Pentru a obŃine rezultate utilizabile în analiza diagramei indicate, rezultate care să permită determinarea zerourilor derivatei a doua cu o precizie satisfăcătoare (sub 0,5 º [RAC]) pasul de achiziŃie trebuie să fie cel mult jumătate din această valoare. Facem observaŃia ca întreaga analiză se bazează pe ipoteza că semnalul de presiune este reprezentat de o funcŃie de două ori derivabilă. În practică, datorită în primul rând a imperfecŃiunilor lanŃului de înregistrare această condiŃie nu este riguros îndeplinită. De aceea este necesară găsirea celei mai apropiate funcŃii dublu derivabile de poziŃie, raŃionamentele anterioare fiind valabile pentru aceasta.

Aspectele prezentate îşi poate găsi aplicaŃii şi la completarea software-ului aferent instalaŃiilor de testare, respectiv, de diagnoză a motoarelor termice.

7.5.1.2 Mersul lucrării

Se prelucrează semnalele înregistrate pentru un regim stabilizat de funcŃionare astfel:

a) Se reprezintă semnalului de presiune pentru un ciclu. b) Se determină derivata semnalului de presiune cu relaŃia (2). c) Se determină abscisa punctului critic (începutul arderii) conform

concluziilor enunŃate anterior. d) Se determină abscisa punctului mort interior din semnalul de poziŃie

7.5 AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie 75 e) Se determină momentul de început al arderii ca diferenŃă între aceste

abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC f) Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 5 cicluri succesive g) Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive

considerate la regimul dat. h) Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare

la cuplă. i) Se reprezintă graficul (φînceput ardere , n)

7.5.2 Determinarea momentului de început al injecŃiei

7.5.2.1 Elemente teoretice Curbele de variaŃie a presiunii în două secŃiunii ale conductei de injecŃie (la pompă

şi la injector), corelate cu curba de ridicare a acului injectorului sunt prezentate în Figura 7.5.9 .Prima perturbaŃie produsă de pistonul-sertar (punctul 1) ajunge la injector

după timpul a

Lc (punctul 2; cL - lungimea conductei, a - viteza sunetului). Dacă

injectorul este închis, unda se reflectă şi se îndreaptă spre pompă cu viteza sunetului. La pompă, unde se reflectă din nou; unda reflectată se însumează algebric cu unda nou emisă şi se propagă împreună spre injector. Acul injectorului se va ridica de pe scaun în momentul în care la injector ajunge o undă însumată a cărei presiune are valoarea

dp (punctul 3). Din momentul în care începe injecŃia (punctul 3) şi până în momentul

în care la injector soseşte prima undă reflectată tot la injector, curgerea motorinei prin injector este determinată numai de undele lansate de pistonul-sertar.

Figura 7.5.9, Parametrii principali ai procesului de injecŃie (fără presiunea remanentă):a)

variaŃia presiunii de injecŃie la pompă; b) variaŃia presiunii de injecŃie la injector; c) variaŃia deplasării acului injectorului.

76 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 Din acest moment şi până la încetarea acŃiunii de refulare a pistonului-sertar

(punctul 4), curgerea motorinei prin injector are loc sub acŃiunea undelor lansate de capul hidraulic, cât şi a celor plecate de la injector şi reflectate la pompă. După încetarea acŃiunii pistonului-sertar (punctul 4), curgerea motorinei prin injector continuă sub acŃiunea undelor prezente în conductă, până când presiunea scade la valoarea ip (presiunea de închidere) şi acul se aşează pe scaun (punctul 5- sfârşitul

injecŃiei). Momentele principale ale procesului de injecŃie, duratele fazelor mai importante şi

parametri principali care îl caracterizează se pot preciza pe diagramele din figura 1. Astfel, punctul 1 reprezintă începutul refulării, 2- sosirea undei la injector, 3- începutul injecŃiei, 4- sfârşitul refulării, 5- sfârşitul injecŃiei; intervalul 1-2( 1α ) reprezintă decalajul între momentul începutului creşterii presiunii la pompă şi începutul creşterii presiunii la injector, 1-3( 2α )- decalajul între momentul de început al creşterii presiunii la pompă şi începutul ridicării acului de pe sediu, 1-4- durata refulării geometrice la pompă (durata cursei utile, uα ), 1-6- durata procesului ciclic la pompă; 2-7- durata

procesului ciclic la injector; 3-4- durata injecŃiei determinată de perturbaŃiile introduse de pistonul-sertar, 4-5- durata injecŃiei determinată de undele prezente în conductă după încetarea acŃiunii pitonului-sertar; 3-5- durata totală a injecŃiei ( iα ); dp şi ip

reprezintă presiunea de deschidere şi, respectiv, de închidere a acului injectorului, max

pip - valoarea maximă a presiunii de injecŃie la pompă, max

iip - valoarea maximă a

presiunii de injecŃie la injector. Alura curbei de variaŃie a presiunii în conducta de injecŃie prezintă mai multe zone

caracteristice (Figura 7.5.10). Zona A- zona presiunii remanente (reziduale): după închiderea acului

pulverizatorului şi descărcarea conductei de înaltă presiune şi până la reluarea injecŃiei următoare, motorina prezentă în conductă subzistă, în general, la un nivel de presiune mai mare decât presiunea atmosferică, numită presiune remanentă sau reziduală rp . Aceasta solicită conducta de înaltă presiune între două injecŃii consecutive şi favorizează apariŃia fenomenelor de postinjecŃie şi cavitaŃie. Fiecare echipament de injecŃie este caracterizat printr-un nivel al presiunii remanente, determinat, în principal, de intensitatea fenomenului de descărcare a conductei.

Zona B- zona ramurii crescătoare a presiunii: porŃiunea 2 din ramura crescătoare a presiunii indică faptul că supapa de refulare s-a ridicat de pe scaun, dar nu a atins valoarea cursei de descărcare. În momentul atingerii acesteia presiunea scade uşor (porŃiunea 3), ca urmare a măririi secŃiunii de curgere, după care nivelul presiunii creşte continuu (porŃiunea 4) ca efect al creşterii vitezei de deplasare a pistonului-sertar şi al ridicării maxime a supapei de refulare.

Zona C- zona vârfurilor de presiune: primul vârf de presiune (punctul 5) indică momentul de ridicare a acului pulverizatorului de pe scaun. După ridicarea acului, presiunea scade uşor datorită măririi volumului camerei acului, mărire datorată ridicării acului şi eliberării volumului ocupat de acesta precum şi datorită creşterii secŃiunii de

7.5 AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie 77 curgere (porŃiunea 6). Sub acŃiunea pistonului-sertar presiunea creşte apoi până la valoarea maximă (punctul 7), care depinde de mărimea pompei, viteza pistonului-sertar, reglajul dozei refulate şi starea tehnică de funcŃionare a elementului de pompă respective. Din punctul 7 presiunea începe să scadă ca urmare a diminuării masei de lichid dintre pistonul pompei şi diuze datorită injecŃiei, precum şi datorită deschiderii orificiului de alimentare .

Figura 7.5.10, Zonele caracteristice ale diagramei presiunii din conducta de injecŃie ( 1ϕ şi 2ϕ -

pantele ramurilor crescătoare şi descrescătoare ale presiunii).

Zona D- zona ramurii coborâtoare a presiunii: concomitent cu micşorarea debitului de motorină şi scăderea presiunii, acul pulverizatorului începe să revină pe scaunul din pulverizator (punctul 10) micşorând secŃiunea de curgere; apare o uşoara creştere de presiune (porŃiunea 9). O dată cu revenirea supapei de refulare pe scaunul său şi descărcarea conductei de injecŃie, presiunea motorinei scade pronunŃat (porŃiunea 11), până când supapa se aşează pe scaunul său (punctul 12).

Zona E- zona oscilaŃiilor din conductă: după închiderea acului pulverizatorului şi a supapei de refulare, undele de presiune se reflectă la injector şi la pompă, propagându-se sub forma unor oscilaŃii care se atenuează (vârfurile 13) în intervalul dintre două injecŃii consecutive. Dacă vârful oscilaŃiilor de presiune are nivelul mai mare decât nivelul presiunii de deschidere dp , atunci acul pulverizatorului se deschide

în intervalul dintre injecŃii, producându-se fenomenul de postinjecŃie. Alura curbei de variaŃie a presiunii în conducta de injecŃie se modifică cu regimul de funcŃionare al motorului (sarcină şi turaŃie).


a) Se reprezintă grafic presiunea de injecŃie pentru un ciclu şi se identifică zona C determinându-se din tabel momentul de ridicare a acului injectorului

b) Se determină abscisa punctului mort interior din semnalul de poziŃie c)Se determină momentul de început al injecŃiei ca diferenŃă între aceste abscise

exprimându-se rezultatul în grade RAC

78 Prezentarea standului monocilindrului M511 7 d)Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 5 cicluri succesive e)Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive considerate

la regimul dat. f)Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare la

cuplă. g)Se reprezintă graficul (φînceput injecŃie , n)

7.5.3 Determinarea duratei injecŃiei

7.5.3.1 Elemente teoretice – Conform lucrării anterioare


a)Se reprezintă grafic presiunea de injecŃie pentru un ciclu şi se identifică zona D determinându-se din tabel momentul de aşezare pe soclu a acului injectorului b)Se identifică zona C determinându-se din tabel momentul de ridicare a acului injectorului c)Se determină durata injecŃiei ca diferenŃă între aceste abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC d)Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 5 cicluri succesive e)Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive considerate la regimul dat. f)Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare la cuplă. g)Se reprezintă graficul (∆φ injecŃie , n)

7.5.4 Determinarea duratei perioadei de întârziere la autoaprindere

7.5.4.1 Elemente teoretice – Conform lucrărilor anterioare DefiniŃie: Perioada de întârziere la autoaprindere reprezintă perioada dintre

începutul injecŃiei (ridicarea acului) şi momentul convenŃional de început al arderii.

7.5.4.2 Mersul lucrării a)Se reprezintă grafic presiunea din cilindru pentru un ciclu şi se identifică zona D

determinându-se din tabel momentul de aşezare pe soclu a acului injectorului b)Se identifică zona C pentru presiunea de injecŃie pe acelaşi ciclu determinându-

se din tabel abscisa momentului de ridicare a acului injectorului c)Se determină durata perioadei de întârziere la autoaprindere ca diferenŃă între

aceste abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC d)Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 10 cicluri succesive e)Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive considerate

la regimul dat.

7.5 AchiziŃia presiunii din cilindru şi a presiunii de injecŃie 79 f)Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare la

cuplă. g)Se reprezintă graficul (∆φ întârziere autoaprindere, n)

8. Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi

8.1. Descrierea standului

Pentru caracterizarea ciclului real al unui motor în doi timpi se apelează la un stand de probe echipat cu un monocilindru în doi timpi, conectat la o frână electrică necesară studierii diferitelor regimuri de funcŃionare.

Prezentăm în cele ce urmează un stand parŃial echipat aparŃinând Laboratorul de Procese în Motoare Termice al catedrei TMT-AR a FacultăŃii de Mecanică din cadrul UniversităŃii Politehnica Timişoara care permite evidenŃierea desfăşurării proceselor din cilindrul motorului, precum şi comanda acestuia folosind tehnici moderne de monitorizare şi control în timp real.

Schema standului de probă este prezentată în Figura 8.1.1 (în Figura 8.1.2 şi Figura 8.1.3 sunt prezentate vederi ale bancului de probe).

80 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8

A V

R.C.

µC

A

PR

B

G.E.

342

7

6

5

12 11

16 1415 13

9 10

1

8171819

Figura 8.1.1, Schema de principiu a standului de probă

După cum se observă din schemă, standul este prevăzut cu o frână electrică de curent alternativ 15 fixată rigid pe soclul standului de probe. FuncŃionarea frânei şi a aparatelor de măsură şi control a puterii disipate pe rezistenŃa de sarcină 16 permit frânarea motorului prin varierea rezistenŃei de sarcină 16 respectiv prin creşterea intensităŃii curentului în înfăşurarea de excitaŃie prin intermediul rezistenŃei reglabile 19. Alimentarea înfăşurării de excitaŃie se realizează de la generatorul electric prin intermediul unui transformator de tensiune 17 şi a unei punŃi redresoare 18. Puterea efectivă determinându-se prin calcul.

Sistemul de achiziŃii 1 este compus dintr-un calculator PC Intel Pentium III, o placă de achiziŃii tip DAQ produsă de National Instruments, un convertor de semnal, un traductor de poziŃie optic 11, un traductor de presiune 13 montat în interiorul bujiei pentru determinarea presiunii din camera de ardere a motorului şi un traductor de moment 12 pentru determinarea momentului produs de motor. Înregistrarea şi prelucrarea semnalelor se realizează cu ajutorul pachetului de programe LabVIEW aferent plăcii de achiziŃie.

8.1 Descrierea standului 81 Controlul motorului, respectiv a momentului de producere a scânteii (comanda

bobinei de inducŃie 14) şi a dozei injectate (comanda injectorului 8), se face cu ajutorul uni microcontroler 2, pe baza informaŃiilor primite de la senzorul de poziŃie al arborelui cotit 11 şi de la senzorul de poziŃie al clapetei obturator 9. Comanda elementelor de acŃionare nu se face direct de către microcontroler ci prin intermediul unui amplificator de semnal 4. Alimentarea cu combustibil a motorului se face dintr-un rezervor de combustibil 5 cu ajutorul unei pompe de benzină 6. Regulatorul mecanic 7 reglează presiunea de alimentare cu combustibil. Sursa de tensiune 3 asigură alimentarea cu curent a echipamentelor electrice ale motorului (pompa de benzină, amplificator de semnal şi implicit bobina de inducŃie respectiv injectorul).

Consumul de combustibil (necesar caracterizării motorului) se face printr-un cod de calcul, acesta fiind o subrutină a programului de comandă a motorului.

În continuare vor fi prezentate caracteristicile componentelor standului.

Figura 8.1.2, Standul în vedere de sus.


Figura 8.1.3, Standul, vedere din stânga.

8.1.1 Prezentarea motorului BAUTEIL 2S9 Motorul de antrenare este un motor cu aprindere prin scânteie, cu un cilindru în

doi timpi, de tip BAUTEIL 2S9, fabricat de Uzinele TIMPURI NOI Bucureşti şi are următoarele caracteristici:

Tabel 8.1.1 Caracteristicile motorului BAUTEIL 2S9

Puterea nominală 7.5 CP TuraŃia nominală 3000 rot/min Consumul specific de combustibil 400 g/CPh ± 5 % Carburant benzină 75 STAS 751-49 Ulei vara ulei 413, iarna ulei 410 STAS 751-49 Pornire cu cablu Greutatea 45 kg fără cuplaj

Caracteristici constructive: tipul motorului ……………………….....…m.a.s. în doi timpi; numărul cilindrilor …………………….........……………….1; aşezarea cilindrului ………………………………….verticală;

8.1 Descrierea standului 83 alezajul cilindrului …………………………………….76 mm; cursa pistonului ………………………………………..78 mm; cilindreea totală ……………………….……………0,362 dm3; raportul de compresie real ………….……………………..5,7; tipul baleiajului ……………………...în curent încrucişat cu baleiaj în carter; tipul lagărelor de aşezare …………………..de rostogolire (rulmenŃi cu bile); tipul lagărelor bielei ………………………………….cu două rânduri de ace; numărul lagărelor de aşezare a arborelui cotit …………2; tipul carburatorului ……………………………....cu un sertar şi ac de reglaj; tipul regulatorului de turaŃie ………….centrifugal, conic, arcuri transversale; gradul de neregularitate a regulatorului ………......………..6%; tipul aprinderii ……………………………………cu magnetou; tipul bujiei ………………………….’’Triumf’’ M18X1,5X225; avans de aprindere faŃă de P.M.S. .………………3,5 – 3,8 mm; tipul filtrului de aer ………………..………….cu sită şi clapeŃi; sistemul de ungere…………….....prin adaos de ulei în benzină; sistemul de alimentare …………..…………..prin cădere liberă; sistemul de răcire ………………….cu aer furnizat de o suflantă centrifugală; pornirea motorului ………………………….manual , cu cablu; evacuarea uleiului din carter ……………...printr–un robinet situat sub carter. Dimensiuni de gabarit: lungimea …..…………………………………………510 mm; lăŃimea …………………………………………..…...520 mm; înălŃimea …………………………………………….540 mm; greutatea motorului …………………………………….45 Kg. Fazele distribuŃiei: tipul distribuŃiei …………………………………prin ferestre; unghiul ferestrei de spălare ……………………………..75°. DistanŃa de la planul chiulasei: - la fereastra de evacuare ……………………………..55 mm; - la fereastra de baleiaj şi ungere ……………………...62 mm; - înălŃimea ferestrei de evacuare ………………….…22,5 mm; - înălŃimea ferestrelor de baleiaj şi umplere …………..15 mm; - înălŃimea ferestrei de admisiune în carter ……………21 mm. Caracteristici funcŃionale: turaŃia nominală …………………………………3000 rot/min; turaŃia maximă de mers în gol …………..3160 – 3200 rot/min; turaŃia minimă de mers în gol (cu regulatorul deconectat)...120 rot/min; Puterea nominală de exploatare (în condiŃii atmosferice standard 760 mmHg, 15°C

şi umiditate 60%) ………….7,5 CP; Putere maximă de exploatare (timp de o oră la intervale de 5 ore) …9 CP;

84 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8 Consum specific de combustibil la putere nominală …………400 g/CPh±5%; Consum specific de ulei ……………….………16 g/ CPh±5%; Calitatea combustibilului ……………….CO/R90 sau CO/R75 STAS 176-65; Calitatea uleiului …………………………408 STAS 751-70; ComponenŃa amestecului …………1 parte ulei: 24 părŃi benzină sau 4% ulei. Acest motor era folosit în mod uzual la grupuri de producere a energiei electrice

monofazate sau pentru pompe de apă pentru stingerea incendiilor.

8.1.2 Prezentarea generatorului monofazat tip GTE 4/220 TS deparazitat.

Figura 8.1.4, Generatorul de curent monofazat

Grupurile electrogene de 4 kVA , tip GTE 4/220 TS sunt grupuri de curent alternativ monofazat destinate alimentării cu energie electrică a instalaŃiilor de lumină şi forŃă de putere mică şi a utilajelor electrice de mână şi a altor utilaje speciale.

Caracteristicile nominale ale grupului ce sunt trecute mai jos sunt generate pentru următoarele condiŃii de mediu şi temperatură:

• temperatura mediului ambiant max 40°C; • umiditatea relativă a aerului 65% ±15% la 20°C conform STAS 6535-62 ; • altitudinea faŃă de nivelul mării maximum 1000m.

Grupul nu poate funcŃiona în medii corozive, inflamabile, sau explozive sau în medii care conŃin pulberi bune conducătoare de electricitate.

Grupul trebuie să funcŃioneze în spaŃiu acoperit ferit de pătrunderea precipitaŃiilor atmosferice.

Grupurile se compun dintr-un motor cu benzină în doi timpi de tip BAUTEIL 2S9 fabricat de uzina TIMPURI NOI Bucureşti, un generator sincron monofazat , de 4 kVA fabricat de Uzina de Maşini Electrice Bucureşti şi un tablou electric de comandă.

8.1 Descrierea standului 85 Cuplare generatorului cu motorul se realizează printr-un cuplaj semi-elastic,

ambele maşini fiind montate pe o platformă metalică comună ce se fixează la rândul ei pe un cadru metalic prin intermediul a patru amortizoare de cauciuc.

Caracteristici tehnice

Tabel 8.1.2, Caracteristicile nominale ale grupului electrogen.

Factor de putere 0.8 1.0 Puterea activă 3.2 kW 4 kW Puterea aparentă 4 kVA 4 kVA Tensiunea nominală 220 V 220 V Curentul nominal 18.2 A 18.2 FrecvenŃa 50 Hz 50 Hz Puterea motorului 7.5 CP Capacitatea rezervorului de benzină 3 l

Modul de funcŃionare al generatorului Pentru a se înŃelege mai uşor modul de funcŃionare a generatorului şi a sistemului

de autoexcitaŃie şi de autoreglare a tensiunii. În rotorul generatorului adus la turaŃia nominală de 3000 rot/min, se induce datorită magnetismului remanent al polilor o tensiune care prin reactorul 2 este aplicată punŃii redresoare.

Tensiunea redresată se aplică înfăşurării inductoare a generatorului, unde va avea loc o mărire a curentului de excitaŃie care va duce la mărirea fluxului inductor, ce duce la rândul lui la o creştere a tensiunii generatorului. ConstrucŃia generatorului şi a sistemului de autoexcitare şi de autoreglare a tensiunii este astfel făcută încât acest fenomen cunoscut sub denumirea de autoexcitarea maşinii, să se repete până când generatorul ajunge la tensiunea nominală.

Dacă condiŃiile de exploatare o cer, tensiunea la mers în gol a generatorului poate fi mărită, respectiv micşorată în limitele de ± 20 V prin mărirea respectiv micşorarea întrefierului reactorului 2 operaŃie ce se poate face cu fâşii de preşpan sau alte materiale izolante de grosime convenabilă, sau prin reglarea reostatului din circuitul reactorului. Pentru obŃinerea tensiunii nominale pentru diferiŃi factori de putere, se va comuta, după cum este indicat în schema electrică anexată, înfăşurarea de excitaŃie la diferitele prize ale secundarului transformatorului de curent prin intermediul comutatorului.

La funcŃionarea în sarcină a generatorului, curentul de sarcină ce trece prin primarul transformatorului de curent induce în secundarul lui o tensiune, care se adună geometric cu tensiunea reactorului, tensiune ce se aplică punŃii redresoare monofazate.

Creşterea tensiuni (ce se aplică punŃii redresoare) va duce la mărirea curentului de excitaŃie, deci la o mărire a tensiunii generatorului compensându-se astfel căderea de tensiune provocată de trecerea curentului prin bobinajul indusului (fenomenul de reacŃie a indusului).

86 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8 La pornirea în gol în câteva secunde, generatorul trebuie să se autoexcite. IniŃial

tensiunea de mers în gol este de aproximativ 210 V, ea ridicându-se la valoarea nominală de 220 V numai după prima cuplare în sarcină a generatorului.

Dacă generatorul nu funcŃionează o perioadă de timp mai mare îşi pierde magnetismul remanent, autoexcitaŃia generatorului nu mai are loc în momentul punerii în funcŃiune a grupului. Pentru remedierea acestei defecŃiuni se remagnetizează inductorul prin alimentarea lui cu o tensiune de la o baterie de acumulatoare de aproximativ 12 V.

Remagnetizarea se face corect numai după borna + a excitaŃiei generatorului şi a punŃii redresoare corespunde cu borna + a bateriei de acumulatoare. În caz contrar maşina se magnetizează în sens contrar şi generatorul nu se autoexcită.

Generatorul sincron este de construcŃie inversă (cu indusul pe rotor şi inductorul pe stator). El este prevăzut cu un sistem staŃie de autoexcitaŃie şi autoreglare a tensiunii.

Tabel 8.1.3

Puterea nominală 4 kVA

Tensiunea nominală 220 V FrecvanŃa 50 Hz

Factorul de putere între 0.8 si 1

TuraŃia nominală 3000 rot / min

Curentul de excitaŃie 5.2 A ÷ 6.6 A

Tensiunea de excitaŃie 25 V ÷ 32 V

8.1.3 Tabloul de comandă Tabloul de comandă este montat deasupra generatorului şi are în componenŃa sa

aparatele electrice de comandă, măsură şi control şi sistemul de autoexcitaŃie şi de autoreglarea tensiunii generatorului compus din: un reactor, un transformator de curent o punte redresoare şi o rezistenŃă variabilă. Acest sistem asigură o excitaŃie rapidă a generatorului şi o stabilitate a tensiunii în limitele Un ± 5% Un atunci când sarcina generatorului variază de la valoarea nominală la zero în condiŃiile de variaŃie a turaŃiei motorului de

nn ± 6% nn.

8.1 Descrierea standului 87 8.1.4 Ridicarea diagramei indicate şi caracterizarea acesteia

8.1.4.1 Elemente teoretice – Conform capitolului 7


Se prelucrează semnalele înregistrate pentru un regim stabilizat de funcŃionare astfel:

j) Se reprezintă semnalul de presiune pentru un ciclu; k) Se determină derivata semnalului de presiune; l) Se determină abscisa punctului critic (începutul arderii) conform

concluziilor enunŃate anterior; m) Se determină abscisa punctului mort interior din semnalul de poziŃie; n) Se determină momentul de început al arderii ca diferenŃă între aceste

abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC; o) Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 5 cicluri succesive; p) Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive

considerate la regimul dat; q) Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare

la cuplă; r) Se reprezintă graficul (φînceput ardere , n).

8.1.5 Determinarea duratei perioadei de întârziere la aprindere

8.1.5.1 Elemente teoretice – Conform capitolului 7


a) Se reprezintă grafic presiunea din cilindru pentru un ciclu determinându-se din tabel momentul desprinderii curbei de presiune cu ardere de cea fără ardere;

b) Se determină cu lampa stroboscopică unghiul la care se produce scânteia;

c) Se determină durata perioadei de întârziere la autoaprindere ca diferenŃă între aceste abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC;

d) Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 10 cicluri succesive; e) Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive

considerate la regimul dat; f) Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare la

cuplă; g) Se reprezintă graficul (∆φ întârziere aprindere, n).


8.2. Utilizarea unor criterii empirice la controlul momentului optim de început al arderii la motoarele cu aprindere prin scânteie

Elemente teoretice. - Momentul de început al arderii influenŃează toate performanŃele motorului, fiind determinant atât pentru randament cât şi pentru nivelul noxelor eşapate. Controlul acestui moment pentru toate regimurile de funcŃionare este de maximă importanŃă, având un impact consistent asupra celor două criterii de optim enunŃate: consumului de carburant şi nivelul emisiilor poluante.

Principalele deziderate urmărite sunt realizarea unui lucru mecanic maxim dintr-o cantitate dată de carburant şi a unui nivel minim al produşilor poluanŃi pentru fiecare regim de funcŃionare. Aceste deziderate nu pot fi atinse simultan (lucrul mecanic maxim implică creşterea presiunii şi a temperaturii maxime pe ciclu ceea ce favorizează printre altele şi mărirea participaŃiei oxizilor de azot) de aceea optimul se alege prin compromis. O modalitate de realizare a acestui compromis este considerarea nivelului produşilor poluanŃi drept restricŃii pentru criteriul de minimizare a consumului de carburant la atingerea unei puteri impuse [5].

Problema determinării optimului implică luarea în considerare a majorităŃii factorilor ce influenŃează funcŃionarea motorului. Rezultatul rezolvării acestei probleme este harta optimului momentului de început al arderii, ce reprezintă variaŃia acestuia cu turaŃia şi sarcina motorului în condiŃii atmosferice normale. Modificarea condiŃiilor de exploatare a motorului implică luarea de precauŃii cu privire la evitarea detonaŃiei la regimurile de putere sau a creşterii cantităŃii de produşi poluanŃi în cazul regimurilor de pornire a motorului. Trecerea de la un regim la altul de funcŃionare introduce noi dificultăŃi în managementul performant al funcŃionării motorului.

Controlul comenzilor optime (avansul la producerea scânteii sau/şi de început al injecŃiei, poziŃia supapei de recirculare a gazelor arse, etc.) este realizat electronic implicând monitorizarea pe lângă a turaŃiei şi sarcinii motorului, cel puŃin a următorilor parametri: presiunea în admisiune, debitul de aer, coeficientul excesului de aer, poziŃia punctului mort interior şi a arborelui cotit, unghiul clapetei obturator sau poziŃia cremalierei, doza ciclică de carburant, temperatura şi presiunea atmosferică etc.

La un număr mare de motoare actuale controlul momentului de început al arderii este realizat în buclă deschisă şi constă în compensarea efectului cunoscut al deviaŃiei valorilor diverşilor parametri asupra optimului. Numărul mare de parametri ce trebuie monitorizaŃi fac ca aceste sisteme să fie foarte costisitoare economic. O altă modalitate este controlul adaptiv cu feed-back ce constă în măsurarea efectelor setării curente a momentului de început al arderii (sau de declanşare a scânteii) şi modificarea acestuia în sensul apropierii de optim.

Reducerea timpului aferent corecŃiei pentru atingerea optimului, impune monitorizarea directă a proceselor din cilindru şi darea comenzilor necesare încă din timpul ciclului monitorizat. In acest sens au fost dezvoltate metode ce prelucrează în timp real semnalul de presiune şi dau comanda corecŃiei pentru momentul de început al arderii pentru realizarea unui lucru mecanic maxim. In cele ce urmează se prezintă trei reguli semiempirice utilizate la controlul adaptiv cu feed-back al momentului optim de început al arderii.

8.2 Utilizarea unor criterii empirice la controlul momentului optim de început al arderii la motoarele cu aprindere prin scânteie 89

8.2.1 Criterii empirice utilizate la controlul momentului optim de început al arderii

8.2.1.1 Criteriul poziŃionării maximului presiunii Urmărirea poziŃionării maximului presiunii [5][6] faŃa de punctul mort interior

(p.m.i.) se bazează pe observaŃia ce relevă faptul că, optimul din punct de vedere al realizării unui lucru mecanic maxim corespunde atingerii maximului presiunii la aproximativ 16 grade [RAC] după p.m.i. indiferent de condiŃiile de exploatare ale motorului.

( ) ...][16max impdupaRACp ≅α 8.2.1

Pe această observaŃie s-au realizat algoritmi ce permit modificarea momentului de început al arderii în sensul apropierii poziŃiei maximului presiunii de acest punct.

Variatia lucrului mecanic indicat normalizat functie de

avansul la care incepe arderea

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

5 10 15 20 25 30 35

Avansul de inceput al arderii fata de p.m.i.

L/L

max

Figura 8.2.1, VariaŃia lucrului mecanic indicat normalizat funcŃie de avansul la care începe

arderea


Dependenta dintre unghiul de intarziere la atingerea

presiunii maxime si avansul de inceput al arderii

0

10

20

30

5 10 15 20 25 30 35

Avansul de inceput al arderii [RAC]

Inta

rzie

rea la

atin

gere

a p

resiu

nii

maxim

e [R

AC

]

Figura 8.2.2, DependenŃa dintre unghiul de întârziere la atingerea presiunii maxime şi avansul

de început al arderii

Comparatia diagramelor indicate functie de momentul de

inceput al arderii (360=p.m.i.)

0

10

20

30

40

240 360 480

Unghi [RAC]

Pre

siu

ne [bar]

Avans ardere=30[RAC]



Figura 8.2.3, ComparaŃia diagramelor indicate funcŃie de momentul de început al arderii

In Figura 8.2.1 se prezintă variaŃia lucrului mecanic indicat normalizat la Limax pentru diverse valori ale avansului la producerea scânteii. Se constată că acesta este maxim când maximul presiunii se atinge în jurul poziŃiei de 16 grade [RAC] după p.m.i., variind cu sub 1% când maximul de presiune se atinge între 12 şi 18 după p.m.i. Figura 8.2.2 ilustrează grafic dependenŃa dintre momentul de atingere a presiunii maxime şi avansul de început al arderii. In Figura 8.2.3 se prezintă diagramele indicate corespunzătoare. Analiza graficelor certifică valabilitatea criteriului enunŃat, pentru condiŃii normale de funcŃionare în regim stabilizat.

8.2.1.2 Criteriul fracŃiunii de carburant Monitorizarea arderii carburantului permite concluzia potrivit căreia dacă la un

anumit regim s-a atins optimul pentru lucrul mecanic indicat atunci la aproximativ 10 grade [RAC] după p.m.i s-a ars jumătate din masa de carburant introdusă pe ciclu.


( ) ...][105.0 impdupaRAC≅=ζα 8.2.2

unde ζ(α) reprezintă legea de ardere (raportul dintre masa de carburant arsă până în momentul α şi masa de carburant arsă pe întreg ciclul). In Figura 8.2.4 se prezintă patru din cele 7 legi de ardere considerate evidenŃiindu-se punctele în care aceasta atinge valoarea 0.5.

Criteriul fractiunii de carburant

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-60 -40 -20 0 20 40 60

Unghi fata de p.m.i. [RAC]

Le

ge

a d

e a

rde

re [ -

]

alfa(50%)=12 [RAC]

alfa(50%)=9 [RAC]

alfa(50%)= -1 [RAC]

alfa(50%)=19 [RAC]

masa arsa = 50%

Figura 8.2.4, Criteriul fracŃiunii de carburant

Această posibilitate de control al optimului a fost enunŃată de Heywood [8] şi ulterior investigată şi adoptată de M.Bergende [9], [7]. Criteriul poate fi adaptat modificând procentul masei de carburant consumat prin ardere pe ciclu la 30%, 70% sau 90% şi corespunzător unghiul de optim.

8.2.1.3 Criteriul raportului de presiune Raportul de presiune se defineşte ca fiind raportul dintre presiunea momentană a

ciclului cu ardere şi cea corespunzătoare ciclului fără ardere:

( ) ( )( )αα

αafp

prp = 8.2.3

Acest raport poate fi normalizat prin împărŃire la valoarea sa maximă:

( ) ( )( )( )α

αα

rp

rprpn max

= 8.2.4

92 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8 Reprezentarea grafică (Figura 8.2.5)a acestui criteriu relevă un trend similar legii

de ardere astfel că la fel ca la criteriul fracŃiunii de carburant s-a propus drept descriptor pentru optimul poziŃionării arderii momentul în care criteriul raportului de presiune normalizat atinge valoarea 0.5.

Criteriul raportului de presiune

-0.4

0.1

0.6

1.1

-40 -20 0 20 40

Unghi fata de p.m.i. [RAC]

Ra

po

rtu

l d

e p

resiu

ne

no

rma

liza

t

alfa(rpn=0.5)=-1

alfa(rpn=0.5)=9

alfa(rpn=0.5)=12

alfa(rpn=0.5)=19

rpn=0.5

Figura 8.2.5, Criteriul raportului de presiune

Criteriul poate fi rezumat în relaŃia:

( ) ...][105.0 impdupaRACrpn ≅=α 8.2.5

Acest criteriu este mai uşor de implementat faŃa de criteriul fracŃiunii de carburant datorită numărului mai redus de calcule necesare monitorizării .

ObservaŃie Verificare prin simulare numerică, pentru un caz particular, a

criteriilor empirice de control al avansului la producerea scânteii

In Tabel 8.2.1, Valorile criteriilor de control al arderi funcŃie de începutul arderii se prezintă comparativ variaŃia celor trei criterii funcŃie de momentul de început al arderii pentru un motor cu aprindere prin scânteie definit de :Cursa=0.077 m, Alejaj=0.074 m, Raport de comprimare=9.5 , Alungirea relativă a bielei=0.3235.

Tabel 8.2.1, Valorile criteriilor de control al arderi funcŃie de începutul arderii

Începutul arderii faŃa de p.m.i. [RAC]

Criteriul poziŃionării maximului presiunii [RAC]

Criteriul fracŃiunii de carburant [RAC]

Criteriul raportului de presiune [RAC]

-10 24 19 19 -14 21 16 17 -17 18 14 13


-20 16 12 12 -23 13 10 10 -26 11 9 9 -30 9 -1 -1 Valorile au fost rotunjite la partea întreagă. Se constată ca ultimele două

criterii sunt aproape identice.

8.2.1.4 Concluzii

PoziŃionarea optimă a procesului de ardere se controlează prin modificarea momentului de început al arderii. Momentul de început al arderii poate varia într-un interval de aproximativ 6 grade [RAC] şi se poate atinge optimul din punct de vedere al lucrului mecanic indicat maxim cu abateri de 1% faŃa de optim. Cele trei criterii empirice pe baza cărora se modifică momentul de început al arderii dau aproximativ aceeaşi poziŃie optimă pentru legea de ardere, diferenŃele de sub 1grad [RAC] nefiind semnificative din punct de vedere practic.

Studiul a fost făcut pentru un singur regim de funcŃionare definit de turaŃie şi poziŃia clapetei obturator , şi nu relevă cum se comportă aceste criterii relativ la dispersia ciclică.

8.2.2 Verificarea îndeplinirii criteriului maximului presiunii Se prelucrează semnalele înregistrate pentru un regim stabilizat de funcŃionare

astfel: a) Se reprezintă semnalul de presiune pentru un ciclu. b) Se determină abscisa punctului de maxim al presiunii c) Se determină abscisa punctului mort interior din semnalul de poziŃie d) Se determină momentul de atingere a maximului presiunii, ca diferenŃă

între aceste abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC e) Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 10 cicluri succesive f) Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive

considerate la regimul dat. g) Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare

la cuplă. h) Se reprezintă graficul (φmaxim presiune , n) şi se verifică îndeplinirea criteriului

enunŃat în partea teoretică.

8.2.3 Verificarea îndeplinirii criteriului raportului presiunilor Se prelucrează semnalele înregistrate pentru un regim stabilizat de funcŃionare

astfel: a) Se reprezintă semnalului de presiune pentru un ciclu. b) Se determină curba de variaŃie a presiunii în cilindru pentru ciclul fără

ardere pornind de la ipoteza unei variaŃii politropice de exponent 1.32 şi de

94 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8 la un punct ales pe diagrama depresiune a ciclului cu ardere ales înainte de începutul arderii;

c) Se determină abscisa punctului mort interior din semnalul de poziŃie; d) Se reprezintă grafic raportul presiunilor şi se citeşte abscisa momentului de

atingere a valorii optime 0.5; e) Se determină momentul de atingere a valorii 0.5 pentru raportul presiunilor

maximului presiunii, ca diferenŃă între aceste abscise exprimându-se rezultatul în grade RAC;

f) Se repetă operaŃiile anterioare pentru minim 10 cicluri succesive; g) Se mediază aritmetic rezultatele obŃinute pentru ciclurile succesive

considerate la regimul dat; h) Se repetă operaŃiile anterioare pentru diverse turaŃii n şi aceeaşi încărcare

la cuplă; Se reprezintă graficul (φraport presiune 0.5 , n) şi se verifică îndeplinirea criteriului.

8.3. Stand pentru comanda şi calibrarea injectoarelor de benzină

În cazul motoarelor pe benzină cu injecŃie în poarta supapei, se folosesc injectoare de benzină electromagnetice care funcŃionează în regim închis deschis, comanda făcându-se cu o tensiune digitală 0 – 6V (Figura 8.2.1)

6V

0V

t inj

ciclu motor

Amax

Amin

t

t

Figura 8.3.1, VariaŃia tensiunii la bornele injectorului respectiv a ariei de curgere prin acesta

Pentru comanda motorului se cunoaşte, în general, masa de combustibil care trebuie injectată. De exemplu, în cazul motoarelor pe benzină echipate cu sondă

8.3 Stand pentru comanda şi calibrarea injectoarelor de benzină 95 lambda, în funcŃie de cantitatea de aer care intră în motor şi care este monitorizată cu ajutorul senzorului de debit, se poate stabili prin calcul cantitatea de combustibil necesară a fi injectată, relaŃia de calcul fiind:

min

a

c

mm

Lλ=

⋅ 8.3.1

unde mc este masa de combustibil, ma este masa de aer, λ este coeficientul excesului de aer şi se impune ca fiind egal cu 1, iar Lmin este raportul stoichiometric de aer şi benzină.

În cazul motoarelor diesel, masa de combustibil ce trebuie injectată este proporŃională cu poziŃia pedalei de acceleraŃie.

Deoarece comanda se face în tensiune, masa de combustibil fiind proporŃională cu timpul cât injectorul este deschis, trebuie stabilită corelaŃia dintre masa de combustibil şi timpul de injecŃie. În acest fel unitatea de comandă a injectorului, după ce a stabilit prin calcul cantitatea de benzină ce trebuie injectată poate converti această valoare în timp de injecŃie comandând injectorul.

Debitul masic instantaneu prin injector poate fi determinat folosind relaŃia:

( )2( ) ( ) ( )injectie admisie

m t A A t p pµ ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −& 8.3.2

unde m& este debitul masic, µ este coeficientul de debit, A este aria secŃiunii de curgere,

ρ este densitatea combustibilului, pinjectie este presiunea de injecŃie, respectiv presiunea din conducta injectorului, iar padmisie este presiunea din galeria de admisie.

Conform relaŃiei anterioare se observă că masa de combustibil injectată depinde de coeficientul de debit al injectorului, de aria de curgere prin supapa acestuia, de valorile presiunii de injecŃie respectiv a presiunii din galeria de admisie. Prin aplicarea unei tensiuni injectorului se acŃionează doar asupra arie de curgere, presiunea din conducta injectorului modificându-se ca urmare a curgerii, presiunea din conducta de admisie fiind dependentă de regimul de funcŃionare al motorului, iar coeficientul de debit depinde de legea de ridicare supapei injectorului. Ca urmare, chiar dacă unitatea de control va comanda acelaşi timp de injecŃie, masa injectată poate să difere. Deci, după ce masa de combustibil ce urmează a fi injectată este determinată, calculatorul o converteşte în timp de injecŃie făcând însă corecŃiile necesare în funcŃie de condiŃiile de funcŃionare ale motorului.


K

001

1

2

3

4

5

6

7

8

Figura 8.3.2, Stand de calibrare a unui injector (ridicarea curbei de variaŃie a masei injectate

versus timp de injecŃie)

În lucrarea de faŃă se urmăreşte stabilirea corelaŃiei dintre timpul de injecŃie şi masa injectată în condiŃii de funcŃionare pe stand. În acest scop s-a realizat un banc experimental prezentat în Figura 8.3.2. Standul se compune dintr-un injector 7 fixat deasupra unei eprubete gradate pentru colectarea combustibilului şi pentru măsurarea cantităŃii injectate. Pentru comanda injectorului se foloseşte o placă de dezvoltare echipată cu un microcontroler NEC 3, iar comanda se face prin intermediul unui releu electronic 1 care asigură alimentarea injectorului cu tensiune de la sursa de alimentare 5. Alimentarea cu combustibil se face din rezervorul 6, combustibilul fiind circulat cu ajutorul pompei 4, iar reglarea presiuni de injecŃie făcându-se cu ajutorul regulatorului 2 surplusul de combustibil întorcându-se în rezervor.

Măsurarea unei singure doze de combustibil este relativ greu de realizat. În consecinŃă, microcontrolerul a fost programat să asigure injecŃia unui număr prestabilit de doze permiŃând totodată reglarea timpului de injecŃie. După acumularea cantităŃii de combustibil, acesta poate fi măsurat în vasul gradat iar în funcŃie de numărul de doze comandate de microcontroler se poate stabili doza corespunzătoare unei singure injecŃii.

8.3 Stand pentru comanda şi calibrarea injectoarelor de benzină 97 8.3.1 Determinarea corelaŃiei dintre masa injectată şi timpul de injecŃie

a. familiarizarea cu instalaŃia experimentală (identifică elementele componente); b. realizarea unui plan de experimentare; c. stabilirea parametrilor care urmează a fi modificaŃi şi domeniul în care aceştia

vor fi modificaŃi; d. realizarea experimentelor stabilite; e. ridicarea curbei de variaŃie a masei injectate în funcŃie de timpul de injecŃie.

8.3.2 Realizarea unui program pentru comanda injectorului motorului în doi timpi

a. se identifică senzorii existenŃi pe motor şi se realizează un algoritm care să genereze semnale similare cu cele produse de senzori;

b. se realizează un algoritm pentru determinarea cantităŃii de combustibil necesar a fi injectată în funcŃie de semnalele de pe motor;

c. se determină timpul de injecŃie în funcŃie de curba de calibrare a injectorului şi de cantitatea de benzină necesară;

d. se achiziŃionează cu ajutorul microcontrolerului semnalele de la senzori; e. se scrie codul C corespunzător algoritmului de calcul al timpului de injecŃie; f. se verifică funcŃionarea programului în condiŃii experimentale altele decât cele

de pe motor; g. se verifică funcŃionarea pe motor; h. se trag concluzii relativ la funcŃionarea motorului.

8.4. Comanda bobinei de inducŃie. InfluenŃa avansului la producerea scânteii. Caracteristica de avans.

Avansul la producerea scânteii are o influenŃă deosebită asupra puterii motorului respectiv asupra consumului de combustibil. Deoarece viteza de propagare a frontului de flacără are o valoare finită de cc 22-25 m/s, pentru a avea un efect optim, respectiv o propagare a flăcării cu efecte maxime, începutul arderii trebuie corelat cu regimul de funcŃionare al motorului şi anume: cu turaŃia motorului, cu sarcina acestuia, cu raportul de comprimare, cu cifra octanică a benzinei, cu calitatea amestecului şi cu numărul de bujii pe cilindru.

Dacă scânteia ar fi declanşată prea devreme ar exista riscul ca presiunea creată în cilindru să dea naştere unei forŃe mari de sens contrar deplasării pistonului care ar putea duce la oprirea motorului sau la o funcŃionare anormală cu zgomot metalic, oprire la turaŃii mici, supraîncălzire, consum ridicat de combustibil, putere scăzută. În cazul unei scântei declanşate prea târziu, lucru mecanic produs este mic, există riscul apariŃiei rateurilor pe eşapament, consum de combustibil ridicat.

Viteza de ardere a amestecului aer-combustibil depinde de calitatea amestecului respectiv de coeficientul excesului de aer, astfel că viteza de ardere are o variaŃie parabolică în funcŃie de coeficientul excesului de ardere atingând valoarea maximă de circa 25 m/s pentru un coeficient al excesului de ardere de circa 0.9. Viteza de ardere atinge 10 m/s la coeficienŃi ai excesului de aer de 0.55 respectiv 1.4.

98 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8 De asemenea, viteza de propagare a frontului de ardere depinde şi de condiŃiile

fizice în care are loc arderea şi anume de presiunea şi temperatura din cilindru. Astfel că la temperaturi şi presiuni mai mari viteza de ardere creşte.

Ca urmare, avansul la producerea scânteii ar trebui făcut Ńinând cont şi de coeficientul excesului de aer şi de condiŃiile din cilindru respectiv presiune şi temperatură.

O dată cu creştere turaŃiei motorului, deoarece viteza de propagare a frontului de flacără nu se modifică, iar timpul disponibil arderii se scurtează, scânteia trebuie generată cu un avans mai mare. Avansul la producerea scântei trebuie redus o dată cu creşterea raportului de comprimare ca urmare a faptului că temperatura şi presiunea la finele cursei de comprimare cresc, acelaşi efect are loc şi la creşterea sarcinii motorului ca urmare a alimentării cilindrului cu o cantitate mai mare de amestec.

Reglarea avansului la producerea scânteii poate fi făcut relativ simplu în cazul motoarelor echipate cu sisteme de comandă electronice cu microcontroler. În acest caz în funcŃie de parametri de funcŃionare ai motorului prin calcul pe baza informaŃiilor primite de la senzorii şi pe baza unor constante calibrabile se poate determina avansul optim la producerea scânteii.

Reglarea avansului la producerea scânteii în cazul motoarelor echipate cu carburator se făcea doar în funcŃie de turaŃia motorului folosind un regulator centrifugal şi în funcŃie de sarcina motorului folosindu-se un regulator pneumatic conectat la galeria de admisie.

8.4.1 Ridicarea caracteristicii de avans Ridicarea caracteristicii de avans constă de fapt în determinarea avansului optim la

producerea scânteii în funcŃie de sarcina motorului respectiv de turaŃia acestuia. Pentru aceasta:

a. se aduce motorul la temperatura normală de funcŃionare; b. se reglează sistemul de injecŃie astfel încât coeficientul excesului de aer să

fie 1, indiferent de regimul de funcŃionare; c. se apasă pedala de acceleraŃie aducând motorul într-un anumit regim de

sarcină după care se aduce motorul într-un anumit regim de turaŃie folosind frâna din dotarea standului;

d. se măsoară puterea motorului pentru regimul de sarcină şi turaŃie stabilit; e. se modifică avansul la producerea scânteii; f. se aduce motorul la regimul de turaŃie anterior, din reglajul frânei; g. se determină puterea motorului; h. se repetă paşii e, f, g de cel puŃin 5 ori; i. se reprezintă grafic variaŃia puterii motorului în funcŃie de avansul la

producerea scânteii (sarcina şi turaŃia motorului fiind constante) ; j. din curba obŃinută se determină avansul la producerea scânteii pentru care

s-a obŃinut puterea maximă, acesta reprezentând avansul optim pentru regimul de sarcină şi putere investigat;

k. se determină avansul optim pentru un alte regimuri de turaŃie şi sarcină urmând paşii c-j;

8.4 Comanda bobinei de inducŃie. InfluenŃa avansului la producerea scânteii. Caracteristica de avans. 99

l. Se reprezintă grafic suprafaŃa (3D) de avans optim în funcŃie de turaŃie şi sarcină.

8.4.2 Elaborarea unui algoritm de reglaj folosind caracteristica de avans Folosind caracteristica de avans determinată în capitolul 8.3.1. să se realizeze un

algoritm de control (folosind microcontrolerul din dotarea standului) care să permită reglarea automată a avansului la producerea scânteii, în funcŃie de regimul de funcŃionare al motorului. Etape:

a. se identifică senzorii din dotarea motorului; b. se elaborează un program C pentru achiziŃia datelor de la senzori folosind

microcontrolerul din dotarea standului; c. se elaborează un algoritm de determinare a avansului optim în funcŃie de

informaŃiile primite de la senzori (folosind MatLab Simulink) ; d. se elaborează codul C corespunzător algoritmului de la punctul c e. se elaborează codul C pentru comanda releului electronic al sistemului de

aprindere; f. se scrie întregul program pe microcontroler; g. se încearcă programul realizat; h. se trag concluziile cu privire la funcŃionarea motorului şi a regulatorului

elaborat.

8.4.3 Elaborarea unui algoritm de reglaj folosind criterii empirice de reglaj

Folosind criteriile empirice de reglaj se poate determina avansul optim la producerea scânteii astfel încât maximul de presiune să fie atins la 10 grade după p.m.i. sau 50% din energia de ardere să se degaje undeva la 16 grade după p.m.i. Etape:

a. se stabilesc informaŃiile necesare a fi achiziŃionate pentru a putea face reglajul;

b. se scrie programul C pentru achiziŃia datelor stabilite la punctul a; c. se realizează algoritmul de control (folosind MatLab Simulink) ; d. se scrie codul C corespunzător algoritmului de control; e. se elaborează codul C pentru comanda releului electronic al sistemului de

aprindere; f. se scrie întregul program pe microcontroler; g. se încearcă programul realizat; h. se trag concluziile cu privire la funcŃionarea motorului şi a regulatorului

elaborat.

9. Bibliografie

[1] V. Berindean, Motoare cu ardere internă, Lucrări de laborator, Universitatea “Politehnica” din Timişoara, 1981

100 Stand experimental echipat cu motor pe benzină în 2 timpi 8 [2] Betz A. – Rechnerische Untersuchung des stationaren und transienten Betriebsverhaltens ein und zweistufig aufgeladener Viertakt-Dieselmotoren- Institut fur Verbrennungskraft-maschinen und Kraftfahrzeuge –1985 [3] A. I. Şchiop, Analiza unor metode de discretizare, Editura Academiei, Bucureşti, 1978 [4] T.Turcoiu, J.Boncoi, Al.Time, - Echipamente de injecŃie pentru motoare cu ardere interna, Editura Tehnica 1987 [5] U.Kincke, L.Nielsen – Automotive control systems –Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000 [6] M.Hubbard, P.D.Dobson, J.D.Powel – Closed loop control of spark advance using a cylinder pressure sensor. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control 1976 [7] L.Eriksson – Spark Advance Modeling and Control – Linkoping Studies in Science and Technology . Dissertation No.580- Linkoping University Sweden –1999 [8] J.B.Heywood – Internal Combustion Engines Fundamental. McGraw-Hill series in mechanical engineering. McGraw-Hill, 1988 [9] Michael Bergende Schwerpunkt-kriterium und automatishe klingelerkennung. Motor Technische Zeitschrift, Vol.56(10) 1995 [10] N. Apostolescu, D. Taraza, Bazele cercetării experimentale a maşinilor termice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1977 [11] Virgiliu Dan Negrea, Bazele cercetării experimentale a motoarelor cu ardere internă şi a autovehiculelor rutiere, Vol 1+2, Editura UniversităŃii din Oradea, 2004 [12] Webster, JG - Measurement Instrumentation & Sensors Handbook, CRC Press 1999

Date post:	19-Jul-2016
Category:	Documents
Upload:	borborean-andrei-tiberiu
View:	114 times
Download:	8 times

Motoare Si Autovehicule

Documents