CONTRIBUŢII LA STUDIUL MECATRONICII GRUPULUI DE PUTERE

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

CONTRIBUŢII LA STUDIUL MECATRONICII GRUPULUI DE PUTERE

BREBEANU (CHIRU) Rica1, CHIRU Dan Elefterie1 Conducători ştiinţifici: Prof.dr.ing. Adriana COMĂNESCU, Lector.dr.ing. Florian Ion PETRESCU REZUMAT: Aparut in a doua jumatate a secolului al 19-lea, automobilul a revolutionat transporturile si a concentrat cele mai semnificative eforturi stiintifice si ingineresti, pentru continua perfectionare a performantelor sale. Pana in jurul anilor 1970-1980 componentele mecanice, multe dintre ele adevarate „bijuterii” tehnice, reprezentau o pondere covarsitoare in ansamblul unui automobil, partea electrica si electronica rezumandu-se la un numar restrans de motoare (demaror, alternator, stergatoare de parbriz), senzori (pentru temperatura uleiului si antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare, aprindere) si becuri.

Dezvoltarea microelectronicii, materializata in circuite integrate logice si analogice, circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSPuri), realizarea unor sisteme de actionare, conventionale si neconventionale, performante, a unor tipuri noi de senzori etc. au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerinte care se impuneau tot mai acut, legate de: siguranta in trafic, economicitate, fiabilitate, confort, protectia mediului.

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

1

INTRODUCERE

In constructia automobilelor moderne si-au castigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activa etc.), pentru ca, in final, intreg automobilul sa se transforme intr-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigatie, X-by Wire, telematica etc.).

Un automobil modern, dintr-o clasa medie, cuprinde circa 60-70 de motoare si un numar asemanator de senzori si sisteme senzoriale. Un exemplu elocvent il constituie diferentele majore dintre „broscuta” de mare succes a firmei Volkswagen, din anii 1960 care era echipata cu 136 W – putere maxima consumata, 150 m de cabluri electrice si circa 80 de contacte electrice si urmasul acesteia din 2001, masina „New Beetle”, cu un consum de 2050 W, 1500 m de cabluri si 1200 contacte electrice.

Tendinta este ca automobilul sa contina cat mai multi senzori si actuatori conectati la un sistem electronic centralizat care intervine automat si ________________________________________ 1 Specializarea: Modelarea şi Simularea Sistemelor Mecanice Mobile, Facultatea IMST; E-mail: d_c703@yahoo.com; 1

efectueaza corecturile necesare pentru o functionare optima si sigura.

2

STADIUL ACTUAL

Cresterea ponderii componentelor electrice si electronice in constructia automobilului a facilitat introducerea unor sisteme noi, permitand cresterea performantelor si simplificarea componentelor mecanice. Un alt exemplu este un ventil cu actionare electromagnetica (Electromagnetic Valve Train – EVT) – un rezonator resort/masa, care inlocuieste clasicul ax cu came destinat actionarii ventilelor in sincronism cu miscarea arborelui motor, si asigura sistemului de management al motorului posibilitatea comenzii libere a ventilelor, in functie de algoritmul de optimizare impus.

Principalele efecte: imbunatatirea raportului moment motor/turatia motorului, reducerea cu pana la 20% a consumului de carburant, reducerea volumului gazelor de esapament.

O alta tendinta importanta in constructia autovehiculelor consta in imbunatatirea permanenta a performantelor sistemelor existente. Alt exemplu un sistem de injectie cu actuator piezoelectric.

Utilizeaza tehnologia HDI (High Diesel Injection), in care o pompa alimenteaza cu motorina o rampa comuna, numita „common rail”, la presiuni de pana la 1500 bari. Distributia carburantului din aceasta

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere rampa se realizeaza cu actuatori piezoelectrici.

Actuatorii piezoelectrici sunt utilizati in multe produse mecatronice, datorita unor caracteristici remarcabile, cum ar fi forte de actionare mari (de ordinul miilor de N), acceleratii de ordinul a 2000g, rezolutii in domeniul nanometrilor etc.

Foarte multe eforturi ale proiectantilor si constructorilor de vehicule sunt dirijate in scopul cresterii sigurantei si confortului pasagerilor si implica subsisteme mecatronice sofisticate.

3

GRUPURI DE PUTERE

Grupul de putere (in speta motorul) este o maşină care transformă o formă oarecare de energie în energie mecanică. Se disting următoarele tipuri de motoare: Electric, magnetic, electromagnetic, sonic, pneumatic, hidraulic, eolian, geotermic, solar, nuclear, cu reacţie (Coandă, împingătoare ionice, ionice, cu unde electromagnetice, cu plasmă, fotonice), termice.

3.1. Clasificarea grupurilor de putere Grupurile de putere principale sunt: 1. Motoarele termice cu ardere externa 2. Motoarele cu reactie 3. Motoarele electrice 4. Motoarele termice cu ardere interna 3.1.1. Motoare termice cu ardere externă Motorul cu abur [1] este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică aaburului în lucru mecanic.

Aburul sub presiune este produs într-un generator de abur prinfierbere şi se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mişcare care de cele mai multe ori este transformată în mişcare de rotaţie cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Călduranecesară producerii aburului se obţine din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.

Motoarele cu abur au dominat industria şi mijloacele de transport din timpul Revoluţiei industriale până în prima parte a secolului al XXlea, fiind utilizate la acţionarea locomotivelor,vapoarelor, pompelor, gen eratoarelor electrice, maşinilor din fabrici, utilajelor pentruconstrucţii (excavatoare) şi a altor utilaje. A fost înlocuit în majoritatea acestor aplicaţii de motorul cu ardere internă şi de cel electric.

- Motorul STIRLING În familia maşinilor termice, motorul Stirling [2] defineşte o maşină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul 2

deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de maşini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spaţiu închis numit sistem termodinamic, pe când la maşinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă şi anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care măreşte semnificativ randamentul potenţial al motorului Stirling.

Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparţin categorieimaşinilor cu piston alternativ. În mod obişnuit motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci şi energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcţionează prin utilizarea unei surse de căldură externe şi a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menţinut în limite de temperatură prestabilite şi o diferenţă de temperatură suficient de mare între ele.

Fig.1.

Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic

1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) volanţi, Nereprezentate: sursa exterioară de energie şi radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de refulare este utilizat fără regenerator.

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

3.1.2. Motorul cu reactie Principalul domeniu de utilizare a motoarelor cu reactie este aviatia, unde a devenit tipul de motor predominant.

Motoarele cu reactie difera de motoarele cu piston si elice prin principiul de producere a fortei de tractiune.

Motorul cu piston, instalat pe un avion, actioneaza elicea prin intermediul careia se produce o forta care se consuma pentru a deplasa inapoi si lateral in sens contrar deplasarii avionului, o mare masa de aer antrenata de paletele elicei. Avionul inainteaza datorita fortei de reactiune a masei de aer deplasata de elice.

Forta de reactiune care asigura inaintarea avionului nu se aplica direct asupra motorului, ci prin intermediul propulsorului (elicei). La motoarele cu reactie, masele de gaze sunt deplasate chiar de catre motor, deci forta de reactiune se aplica direct asupra motorului.

Spre deosebire de motoarele cu piston si elice, la care forta de reactiune, deci forta de tractiune, scade odata cu cresterea vitezei de zbor, la motoarele cu reactie forta de tractiune nu scade cu cresterea vitezei de zbor.

Aceasta particularitate a motoarelor cu reactie, precum si constructia lor mai simpla, greutatea si gabaritele mai reduse, in comparatie cu motorul cu piston, fac ca ele sa fie indicate pentru conditii de zbor de mare viteza.

Principalele elemente ale unui turboreactor sunt: difuzorul, compresorul, camera de ardere, turbina cu gaze si efuzorul reactiv.

3.1.3. Motorul electric Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferenţe de principiu semnificative între cele două tipuri de maşini electrice, acelaşi dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situaţii diferite.

Majoritatea motoarelor electrice funcţionează pe baza forţelor electromagnetice ce acţionează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă şi motoare electrostatice construite pe baza forţei Coulomb şi motoare piezoelectrice.

Fig.2.

Motorul de inducţie trifazat este cel mai răspândit motor electric

Fig.3.

Schema unui turboreactor:

Cel mai raspandit tip de motor cu reactie in aviatie este turboreactorul [3]. În figura 4.1. este prezentata schema unui turboreactor tip RD - 10 cu compresor axial.

3

3.1.4. Motoarele cu ardere internă (Cele mai utilizate Grupuri de Putere) Motorul cu ardere internă este motorul care transformă energia chimică a combustibilului prin intermediul energiei termice de ardere, în interiorul motorului, în energie mecanică. Căldura degajată în camera de ardere se transformă prin intermediul presiunii (energiei potenţiale) aplicate pistonului în mişcare mecanică ciclică, de obicei[1] rectilinie, după care în mişcare de rotaţie uniformă, obţinută de obicei[1] la arborele cotit. Camera de ardere este un reactor chimic unde are loc reacţia chimică de ardere.

Căldura introdusă în ciclul care se efectuează în cilindrii motorului se obţine prin arderea combustibilului, de obicei un combustibil lichid ca: benzina, motorina sau gazul petrolier lichefiat, dar se pot folosi şi combustibili gazoşi, ca gazul natural, sau chiar solizi, ca praful de cărbune. Oxigenul necesar arderii se obţine din aerul atmosferic.

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere Combustibilul în amestec cu aerul se numeşte amestec carburant. Arderea poate fi iniţiată prin punerea în contact direct a amestecului carburant cu o sursă de căldură sau se poate produce aproape instantaneu în toată masa amestecului caz în care se numeşte detonaţie şi are un caracter exploziv.

Prin arderea carburanţilor rezultă diferite produse de ardere cu o temperatură de aproximativ 2000 °C. Majoritatea acestor produse se prezintă sub formă gazoasă. Pentru o ardere completă se asigură combustibilului o cantitate de oxigen dozată astfel încât să producă oxidarea integrală a elementelor sale componente.

Astazi toate motoarele cu ardere interna functioneaza in general la standarde ridicate, cu consumuri mici de combustibili, cu nivele scazute de vibratii si zgomote, cu emisii de noxe extrem de reduse, conform reglementarilor actuale care sunt din ce in ce mai pretentioase [4].

Domeniul de utilizare a motoarelor cu ardere interna este ete extrem de divers (Fig. 3 – 7)

Fig.3.

Transport feroviar

Fig.4.

Autoturisme

4

Fig.5.

Utilaje

Fig.6.

Transport naval

Fig.7.

Transport aerian

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 3 SENZORI UTILIZAŢI IN MECATRONICA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA ŞI APLICAŢIILE ACESTORA Controlul puterii motorului - variatia pozitiei pedalei de acceleratie cunoscuta prin variatia momentului la axul motorului sau prin variatia presiunii gazelor - presiunea gazului poate fi masurata prin intermediul unui traductor cu membrana de silicon si elemente piezorezistive. Elementele piezorezistive produc, in urma variatiei de presiune, un potential electric, sunt sensibile la modul de aliniere. Utilizarea a patru asemenea elemente intrun singur traductor face posibila formarea unei punti Wheatstone – tensiunea de iesire direct proportionala cu variatia presiunii [5].

Controlul aprinderii - controlul in bucla inchisa a aprinderii in scopul reglarii momentului aprinderii cand s-a obtinut amestecul corect de oxigen si vapori de combustibil (se realizeaza o ardere completa – economie de combustibil, reducerea noxelor).

- element de referinta – pozitia arborelui cotit.

- se folosesc senzorii pe baza efectului Hall.

- o solutie mai eficace dar mai scumpa, agreata in Uniunea Europeana, este utilizarea convertoarelor catalitice pentru reducerea poluarii.

- pentru sesizarea pozitiei arborelui cotit se utilizeaza senzori cu reluctanta variabila, amplasati deasupra unei roti dintate, la o distanta de 0,6 mm.

La trecerea dintilor prin dreptul senzorilor se produce modificarea fluxului magnetic – o tensiune electromotoare la iesire, in functie de care se calculeaza viteza rotii.

- utilizarea senzorilor Hall: acuratete mai mare, distanta mai mare intre roata si senzor, detectarea vitezelor foarte mici.

Controlul debitului de aer - masurarea debitului de aer prin galeria de aspiratie este importanta in controlul arderii combustibilului, - se realizeaza cu ajutorul unui contor cu paleta, - deplasarea masei de aer prin conducte are ca efect oscilatia unei palete legata de cursorul unui potentiometru, tensiunea obtinuta la bornele potentiometrului este proportionala cu deplasarea paletei, -se mai utilizeaza anemometre cu fir cald, la care un fir de platina este incalzit si expus curentului de aer din conducte.

Accelerometre - masoara fortele verticale si orizontale rezultate in urma acceleratiei.

- aplicatii: controlul suspensiilor, franelor, 5

sistemului de directie si airbag, - se utilizeaza senzori pe baza de cristale piezoelectrice si/sau accelerometre servo, - deplasarea unei mase “m” cu miscare accelerata, este sesizata de un sistem optic, pentru a anula aceasta deplasare se aplica o forta de reactiune, - curentul electric necesar pentru producerea acestei forte este proportional cu acceleratia Senzori pentru deplasari unghiulare - automobilele pot avea si depasari unghiulare, - deoarece giroscoapele clasice, utilizate in industria aerospatiala, sunt prea scumpe si greu de implementat la automobile, se apeleaza la alternative: sisteme de detectie cu laser, - dispozitive piezoelectrice, - senzori bazati pe efectul Coriolis.

4 STRATEGII MOTORULUI

DE

CONTROL

A

Controlul electronic al procesului de schimbare al rapoartelor de transmitere în cazul unui autoturism echipat cu cutie de viteze mecanică în trepte pretinde pe de o parte controlul dispozitivelor de acţionare a cutie de viteze, a ambreiajului şi a motorului (la nivelul pedalei de acceleraţie cel puţin), iar pe de altă parte, controlul strategiei de trecere de la un raport de transmitere la altul. În cazul folosirii pe autoturism a unui m.a.s. modern având funcţii controlate electronic (injecţie de benzină cu comandă electronică, distribuţie adaptivă comandată electronic, etc.), cei mai mulţi fabricanţi îşi pun problema controlului electronic "integrat" al grupului motor-transmisie (grupul propulsor), şi a elaborării strategiei optimizării funcţionale a controlului electronic, pe baza unor criterii.

O strategie care să răspundă unor criterii de economicitate, depoluare, dinamicitate, stilul şi cerinţele şoferului, dar cu mijloacele tehnice la îndemână, într-o aplicaţie de schimbare automată a treptelor cutiei de viteze cu 4+1 trepte care echipează un autoturism clasic este dezvoltată în cele ce urmează.

Motorul cu aprindere prin scânteie de 1,3 litri, patru cilindri în linie alimentat prin carburator dispune de un dispozitiv de control al poziţiei obturatorului care acţionează pe durata trecerii între treptele cutiei de viteze şi controlează turaţia de mers în gol pe durata încălzirii motorului.

Ambreiajul este de tip monodisc cu frecare uscată şi arc diafragmă.

Sistemele moderne de control ale motorului au la bază o arhitectură de control a momentului motor şi

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere pot fi echipate cu un bloc electronic de control propriu sau instalate direct pe motor.

Sistemele moderne de control ale transmisiei se bazează pe identificarea cerinţelor şoferului şi adaptarea modului de schimbare a treptelor de viteze, fiind realizate fie cu bloc de control propriu, fie instalate direct pe cutia de viteze.

Comunicaţia între sistemul de control al motorului şi cel al transmisiei are drept scop reducerea emisiilor poluante (în faza de încălzire a reactorului catalitic) şi de a proteja cutia de viteze împotriva unor suprasolicitări.

Scopul sistemelor de control integrat al grupului propulsor este depistarea unui optim global al grupului care să înlocuiască optimizarea în parte a motorului şi separat a transmisiei.

Această abordare a condus la o structură ierarhică ce include un meta-controler şi secţiuni subordonate pentru motor şi transmisie, ca în cazul sistemelor integrate promovate de firma Siemens.

momentului la roata motoare, care constau în faptul că momentul motorului are limite absolute şi în necesitatea folosirii unui traductor al cursei pedalei de acceleraţie cu sensibilitate egală pe întreaga cursă şi fără zone moarte. Un alt factor limitativ în aprecierea momentului la roată îl poate constitui însăşi tipul de transmisie; de exemplu, în cazul folosirii unei cutii de viteze în trepte cu schimbare automată, pe durata schimbării treptelor au loc întreruperi de moment, iar o creştere a momentului de intrare după efectuarea schimbării ar cauza o deteriorare a confortului procesului de schimbare.

Avantajele meta-controlerului constau în faptul că el dispune de o mare flexibilitate în adaptarea unor optimizări dinamice între antipozii ce se manifestă în cazul autoturismelor echipate cu motoare de putere redusă, maniabilitate redusă datorită rezervei reduse de putere pe de o parte şi necesitatea de a funcţiona cu consum cât mai redus de combustibil, pe de altă parte. Aceste avantaje sunt posibile datorită concepţiei metacontrolerului care nu foloseşte control strict dedicat unei funcţii a motorului (exemplu, bazat nu numai pe controlul poziţiei obturatorului şi pe cel al presiunii de supraalimentare ci şi pe alte funcţii care pot fi specifice chiar unui m.a.c.). Pedala de acceleraţie rămâne în orice împrejurare simbolul cerinţelor şoferului, şi împreună cu alţi parametri măsurabili ai motorului (turaţia, temperatura) poate de măsura valorii momentului efectiv al motorului, pentru a rămâne la idea controlului motorului prin valoarea momentului motor. În practică sunt folosite diferite criterii de interpretare a poziţiei şi a cursei pedalei de acceleraţie, în corelaţie şi cu condiţiile de deplasare a automobilului, iar constrângerile date de realizarea fizică a unor interfaţări dedicate unui tip de dispozitiv de comandă conduc tot la folosirea în final a unui semnal de ieşire tot de tip "moment motor". Soluţia propusă este ca valorificarea semnalelor de intrare ce ar determina semnalul de ieşire tip "moment motor" să se facă printr-un procedeu multi-criterial, o bună metodă de realizare fiind utilizarea logicii Fuzzy.

Specialiştii atrag atenţia în privinţa unor constrângeri în interpretarea valorii

4.1 Controlul motorului Metodica controlului funcţionării motorului prin momentul său pretinde analiza tuturor factorilor cu influenţă asupra momentului motor. O schemă logică a secţiunii de control a unui m.a.s. este prezentată în figura 8.

Din această schemă se desprind condiţiile de proiectare a interfeţei cu metacontrolerul asupra: - acţionării obturatorului şi vitezei lui de acţionare; - modularizării cilindreei; - întreruperii alimentării cilindrilor în timpul deceleraţiilor.

Interfaţa este astfel proiectată încât să poată fi comod calibrată (etalonare simplă şi coordonarea momentului motor să se efectueze cu evitarea posibilităţilor de interferenţă a diferitelor porţi şi căi de intrare).

Deosebit de importantă este asigurarea priorităţilor semnalelor de intrare[6].

Momentul motor necesar autopropulsării va fi rezultatul ponderării flexibile a tuturor factorilor de intrare (proporţia încărcăturii proaspete, unghiul de avans la aprindere, dozajul) în concordanţă şi cu restricţiile specifice ale motorului.

Momentul instantaneu calculat este furnizat ca semnal de reacţie în buclă închisă meta-controlerului.

Pentru verificarea concordanţei valorilor calculate ale momentului instantaneu, cu cele reale, (calibrare), se poate folosit un traductor de cuplu instalat pe autoturism.

Instalaţia de măsurare a momentului motor se bazează pe măsurarea reacţiunilor în punctele de suspendare a grupului propulsor pe autoturism

6

De aici rezultă necesitatea folosirii valorii momentului motor şi a poziţiei pedalei de acceleraţie care în anumite împrejurări suferă unele corecţii.

Se prezintă în continuare abordarea secţiunilor de control pentru motor.

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 capacitatea să-şi schimbe parametrii interni încât să achiziţioneze noi cunoştinţe, cunoştinţa fiind privită ca un corp de date-obiect conectate, organizate întro formă reprezentativă (de exemplu reguli) ce pot fi executate sau aplicate în anumitescopuri.

Acţionând într-un cadru corespunzător de reguli, un astfel de controler poate lua cea mai bună decizie, cu cea mai mică întârziere posibilă

Fig.8.

Schema bloc a sistemului de control al motorului

Fig.9.

Schema bloc a unui sistem pentru generarea bazei de date

4.1.1. Structuri evoluate de control Vehiculele cu motor aflate în funcţionare sunt puternic dependente de mediul înconjurător (condiţii meteo şi de trafic, conducător, sisteme de comunicaţii etc.) şi prin urmare controlul lor trebuie realizat, pe de o parte, pe baza câtorva parametri previzibili (sau estimaţi), iar, pe de altă parte, pe baza unor condiţii imprevizibile sau întâmplătoare privind traficul, vremea, erorile operatorului, hazardul.

Decizia finală a controlerului trebuie să fie (în mod ideal) de tip uman; de exemplu: acţiunile controlerului trebuie să depindă de structura lui internă, de informaţiile externe, de experienţa dobândită anterior şi de antrenament.

Un motor cu ardere internă, acţionând un vehicul, în mişcare, impune o unitate centrala de control, capabilă să furnizeze parametrii de operare pentru funcţionare optimală a motorului, în combinaţie cu o interacţiune rezonabilă cu mediul înconjurător [7].

Un controler pe bază de reguli trebuie să permită sistemului: - să interacţioneze cu mediul înconjurător; - să schimbe anumiţi parametri interni ca urmare a interacţiunilor; - să răspundă în mod diferenţiat mediului înconjurător datorită acestor schimbări.

Aceste aşa-numite „controlere cu învăţare" sunt capabile să se auto organizeze, de exemplu: au

Etajul supervizat de antrenare a unui astfel de sistem impune prezenţa unui „profesor", care intervine în mod succesiv şi operează corecţii de structură. De asemenea, necesită mijloace de generare a informaţiilor pentru „profesor".

Achiziţia de cunoştinţe pentru instruirea controlerelor de timp real necesită explorarea sistemelor complexe, interacţionând în mod permanent.

Schema-bloc a unui sistem experimental pentru generarea bazei de date la motoare cu injecţie de benzină este prezentată în figura 9.

De asemenea, modelarea teoretică pe calculator necesită în mod uzual încercări experimentale practice, recurgându-se la analiza experimentală a sistemului.

Simularea condiţiilor de mediu convenţional pentru astfel de motoare impune un stand experimental controlat de calculator, permiţând controlul pentru: - sarcina motorului (frână electromagnetică, dispozitiv de control al poziţiei clapetei de acceleraţie, circuite de adaptare); - turaţia motorului; - injecţia de benzină (controlere pentru injecţie, circuite driver, injectoare pentru benzină); - aprindere (timer de control al aprindere, etaj de ieşire, traductor şi circuite pentru

7

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere aprindere pe avans zero β0, traductor pentru avans maxim βmax, bobină de inducţie, distribuitor de înaltă tensiune).

Achiziţia datelor primare a fost realizată cu ajutorul traductoarelor specifice, proiectate pentru a da informaţii asupra unor parametri cum ar fi: - turaţia motorului; - poziţia clapetei de acceleraţie; - unghiul de avans la aprindere (traductor βmax); - dozajul aer/benzină (senzor lambda); - punctul mort interior (traductor β0); - fazele de lucru ale motorului; - temperatură (aer, lichid de răcire, benzină, gaze de evacuare etc.); - presiune (în galeria de admisie, benzină etc.).

Circulaţia informaţiilor şi procesarea locală sunt realizate de un microcalculator prevăzut cu interfeţe specifice.

Un nivel mai înalt de achiziţie al informaţiilor, de la un sistem mobil (cum ar fi automobile în mers în mediu real), este de asemenea posibil, utilizând o interfaţă de comunicaţii radio de înaltă frecvenţă cu calculatorul, aceasta permiţând o corecţie de fineţe a datelor.

Dezvoltarea acestor interfeţe specifice impune de asemenea dezvoltarea de software utilizator: - programe de achiziţie; - programe de comandă-control; - programe de supraveghere a parametrilor; - programe de extragere a regulilor la prelucrarea datelor experimentale.

Utilizând acest sistem, se pot studia diferite tipuri de interacţiuni stimuli-răspuns, obţinând ca urmare o bază de date de prim nivel.

Aceste date generează un potenţial de informaţii, utilizabil pentru a emite deducţii previzibile despre comportarea ulterioară a sistemului în zonele neexplorate ale lumii înconjurătoare reale în transformare.

Fig.10.

Schema bloc a sistemului de control al motorului pe bază de reguli

8

Această complexitate înaltă precum şi restricţiile în abordarea analitică a unor astfel de sisteme reale justifică dezvoltarea controlerelor cu învăţare de reguli.

Structura-bloc a motorului cu control evoluat pe bază de reguli este prezentată în fig.10.

Informaţia înmagazinată iniţial în memoria acestui controler se referă la o caracteristică tipică a motorului din gama respectivă. Informaţiile au fost obţinute în prealabil pe baza unor probe la un stand de încercări specializat. Controlerul poate „învăţa" în faza de probe de stand cu atât mai mult cu cât i se oferă mai multe situaţii de funcţionare distincte. Din acest punct de vedere apare ca necesară efectuarea de probe la standul climatic. Oricum, sistemul nu poate fi antrenat pentru toate situaţiile posibile în care va fi pus în cazul funcţionării reale.

Având în vedere faptul că răspunsul sistemului este cu atât mai corect cu cât a „învăţat" mai mult, rezultă că o cantitate mare de informaţii obţinute în probe de stand reprezintă o sursă de performanţe potenţiale. Aceste cunoştinţe dobândite prin antrenare vor acoperi un anumit domeniu, în interiorul căruia răspunsul sistemului va fi, în sensul criteriilor folosite pentru control, corect. în afara acestui domeniu răspunsul sistemului va avea un grad de corectitudine cu atât mai ridicat, cu cât condiţiile de funcţionare sunt mai apropiate de domeniul explorat anterior.

Odată trecut prin puncte exterioare domeniului explorat anterior, controlerul va dobândi noi informaţii, va extrage reguli specifice şi îşi va extinde graniţele domeniului, constituindu-şi astfel un potenţial de control mai ridicat. în acest mod se va reduce în mod constant diferenţa dintre motorul real şi modelul său, construit pe bază de reguli. Cu cât sistemul de procesare va fi mai puternic şi mai rapid, cu atât modelul va fi mai exact şi mai apropiat în timp de obiectul modelării.

Având în vedere că motorul va avea o anumită evoluţie în timp a caracteristicilor sale dictată de uzură, calitatea carburantului, a lubrifianţilor, condiţii de mediu şi de exploatare, controlerul pe bază de reguli se va apropia de caracteristica reală a motorului de la un moment dat, urmărind modificările. O calitate suplimentare a unui astfel de sistem, pe baza capacităţii de anticipare, poate fi şi diagnoza motorului, evitându-se astfel defecte majore, cu efecte secundare neplăcute. Astfel, se vor putea înlocui anumite componente ce se vor deteriora într-un viitor previzibil, înainte ca acest fapt să se producă, dar şi la un moment justificat din punct de vedere economic (pe baza unui criteriu de eficienţă). Rezultă deci şi o posibilă optimizare pe

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 criterii economice a exploatării motorului, fapt ce nu este deloc de neglijat.

Problemele de optimizare ale controlerelor pentru motoare trebuie privite într-un context mai larg, de dezvoltare a echipamentelor electronice de control pentru automobile Aceste echipamente devin din ce în ce mai complexe, necesitând tehnologii avansate şi concepţii noi în materie de testare O altă cale de a îmbunătăţi performanţele motorului ţine seama că, de fapt, un motor cu aprindere prin scânteie este format dintr-un anumit număr de cilindri, a căror comportare nu poate fi identică în condiţii reale. Diferenţele care apar sunt datorate limitelor tehnologice de realizare a elementelor ce concură la construcţia fiecărui cilindru.

Abaterile tehnologice vor conduce la anumite deosebiri în ceea ce priveşte raportul de compresie, ungerea, etc. De asemenea, condiţiile de funcţionare, din punctul de vedere al factorilor interni sau externi, nu sunt identice.

Această caracteristică poate fi foarte bine exemplificată prin condiţiile de răcire diferite ale cilindrilor. Astfel, pentru un motor cu patru cilindri în linie cilindrii de pe capete (/ şi 4) vor fi mai bine răciţi decât cilindrii din interior (2 şi 3). în acest fel, pentru cilindrii 1 şi 4 se poate folosi un avans la aprindere mai mare, fără apariţia detonaţiei. De asemenea, controlul unic, prin analiza gazelor din colectorul de evacuare, asigură un răspuns aproximativ. Datorită condiţiilor de funcţionare diferite şi a îmbătrânirii cilindrilor şi a componentelor de alimentare se poate ajunge în situaţia în care un cilindru să polueze cu CO (funcţionând cu amestec bogat), iar altul cu NOx (funcţionând cu amestec sărac), semnalul de la sonda unică λ, nereuşind să reechilibreze dozajul. În aceste condiţii, este evident că soluţia o reprezintă utilizarea câte unui circuit de control pe fiecare cilindru. Se poate vorbi şi de o comportare globală a motorului, fără ca aceasta să fie constituită din simpla însumare a efectelor produse de cilindrii săi.

Din acest mod de abordare a problemei rezultă că se pot extrage anumite reguli de funcţionare a motorului, ca rezultat al funcţionării cilindrilor, fără a considera modul propriu de reglare a mărimilor de control la fiecare dintre aceştia. Se poate astfel imagina o structură de control pe două niveluri: - pe primul nivel; controlere pe baza de reguli pentru procesele ce au loc la nivelul fiecărui cilindru; - pe al doilea nivel (superior); un controler pe bază de reguli ce coordonează motorul, privit ca un ansamblu de cilindri.

9

Structura-bloc a unui astfel de sistem de control este ilustrată în fig. 11.

Fig.11.

Schema bloc a sistemului de control al motorului pe ntru fiecare cilindru

O astfel de structură ar putea asigura o anumită ierahizare a informaţiilor (regulilor).

Astfel, regulile cu grad înalt de generalizare se vor implementa pe nivelul al doilea, determinând individualizarea cilindrilor în ansamblul reprezentat de motor, în timp ce regulile cu grad înalt de specificitate se vor implementa pe primul nivel, asigurând optimizarea performanţelor fiecărui cilindru în parte.

Se va putea asigura o sporire a vitezei de lucru globale, regulile generale fiind procesate simultan pentru toţi cilindrii, eliminând suprapunerile.

Timpul astfel disponibilizat poate fi utilizat pentru executarea unor algoritmi specifici mai complecşi.

Evident că diagnoza cu un astfel de sistem de control va fi mai precisă, individualizând defectele la nivelul cilindrului.

Deşi este mai complex, deci mai scump, încă insuficient conturat din punct de vedere teoretic, un astfel de sistem va putea asigura, într-o perspectivă relativ apropiată, optimizarea atât a exploatării, cât şi a întreţinerii motoarelor, la un nivel de eficienţă şi subtiliate ce poate determina efecte tehnicoeconomice remarcabile.

5 CONCLUZII În contextul actual în care industria autovehiculelor constituie unul din cele mai dinamice domenii privind concepţia, producerea şi exploatarea, în componenţa produselor sale specifice se regăsesc o serie de elemente care înglobează cele mai noi realizări din domeniul tehnicii actuale.

Dintre acestea se remarcă marea varietate de senzori şi actuatori construiţi pe baza noilor

Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere concepte micromecanice şi mecatronice. O astfel de categorie o constituie cea a senzorilor şi actuatorilor care acoperă toate nivelele de siguranţă cerute de exploatarea autovehiculelor actuale şi le conferă un « grad ridicat de inteligenţă ».

Automobilul clasic foloseste, in general, un numar limitat de senzori, in special pentru controlul vitezei, indicatori de nivel pentru combustibil, indicatori pentru presiunea uleiului, senzori de temperatura.

Indicatoarele de bord afiseaza datele furnizate de acesti senzori, astfel incat soferul sa poata monitoriza situatia si, daca este necesar, sa poata interveni la timp.

Tendinta, actuala este ca automobilul sa includa cat mai multi senzori conectati la un sistem controlat de un microprocesor, inlocuind controlul uman.

Astfel, sistemul de control al automobilului poate sa monitorizeze un numar mare de parametri si sa efectueze corecturile necesare pentru o functionare optima.

In linii mari, parametrii monitorizati sunt: consumul de combustibil si emisia de gaze, sistemul de directie, franele, confortul, respectiv culegerea de informatii necesare pentru corectarea erorilor si conducerea in siguranta a vehiculului.

Cercetarea si dezvoltarea senzorilor utilizati pentru aceste scopuri este focalizata pe crearea de senzori mici ca dimensiuni, siguri si ieftini, utilzarea microprocesoarelor pentru prelucrarea datelor, crearea de senzori inteligenti, etc.

De asemenea, se evita monitorizarea inutila a mai multor parametri recurgandu-se la metode alternative. De exemplu, controlul functionarii cutiei de viteze realizat cu senzori de vibratii a fost inlocuit de un senzor acustic cu ajutorul caruia se monitorizeaza zgomotele caracteristice schimbarilor bruste de viteza.

Automobilul modern, ca produs mecatronic include in structura sa mai multe module cu relativa autonomie functionala, cum ar fi: managementul motorului, managementul transmisiei, sistemul de franare, managementul sasiului (suspensia activa), sistemul de climatizare, sistemul de reglare adaptiva a farurilor, sistemul de siguranta. In tabelul urmator, se prezinta o sistematizare a principalelor tipuri de senzori incorporati in structura unui automobil modern.

Numai mecatronica motorului este astazi nu doar avansata dar si complexa si automatizata. Exista sensori diversi montati la bordul autovehiculului care ne arata starea principalilor parametrii ai motorului, dar exista si o serie de mici sensori care culeg date despre parametrii respectivi, si in plus mai sunt concepute si functionale si multe alte 10

dispozitive mecatronice aferente doar grupului de putere (motor, transmisie) care au roluri diferite, fie de testare si control fie de modificare efectiva a parametrilor functionali in scopul optimizarii lor permanente pentru a se realiza un consum minim, o putere si un cuplu maxime, o turatie optima, eventual treapta de viteza optima, si asa mai departe. In mecatronica de azi, sistemul de ventilatie este comandat electronic de catre unitatea de control electronica (UCE). Ventilatorul este comandat de catre UCE pe baza informatiilor procesate, furnizate de catre traductori de temperatura. Masurarea temperaturii se bazeaza pe diferite fenomene si efecte fizice, in care modificarea temperaturii determina modificari ale unor proprietati sau caracteristici ale materialelor: variatia dimensiunilor geometrice, variatia rezistentei electrice, aparitia unor tensiuni electromotoare de-a lungul jonctiunii a doua metale, variatia intensitatii radiatiei emise, variatia frecventei de rezonanta a unui cristal de cuart etc.

6 MULŢUMIRI Pentru sistematizarea volumului mare de informatii necesare elaborării lucrării am colaborat foarte bine cu colegii mei Moraru Ovidiu si Staicu Iulian, carora le multumesc pe aceasta cale.

Deasemenea, multumesc si domnului lector dr.ing.

Petrescu Ion Florian pentu colaborarea exemplara si sprijinul acordat.

7 BIBLIOGRAFIE [1] Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, București, 1957-1966.

[2] Walker, G. (1985). Free Piston Stirling Cycle Engines. Springer-Verlag. ISBN 0-387-15495-7 [3] V. Pimsner Motoare aeroreactoare vol I EDP 1983 [4] Petrescu, F.I., Petrescu, R.V., Motoare termice, Create Space publisher, USA, October 2012, ISBN 978-1-4802-0488-1, 164 pages, Romanian edition.

[5] Micu, C. Dodoc, P., Diaconcscu, Gh., Manolcscu. A.M., Aparate si sisteme de masurare in constructii de masini. Editura Tehnica, Bucuresti, 1980.

[6] Szász Csaba – Digital control systems, applications (Sisteme numerice de comandă şi control, aplicaţii), U.T. PRES Publishing House, Cluj-Napoca 2006, ISBN(10) 973-662-274-6, ISBN(13) 978-973-662-274-8, 116 pag.

[7] Fraser, C., Milne, J., Integrated electrical and electronic engineering for mechanical engineers, McGraw-Hill Book Company, London, 1994.