MECATRONICA - Controlul electronic al sistemului de racire si ungere

 

MECATRONICA

 

Controlul electronic al sistemului de racire si ungere..

Notiuni generale

Desi motoarele cu aprindere interna au evoluat foarte mult, ele sunt inca ineficiente in a transforma energia chimica in energie mecanica. Majoritatea energiei combustibilului (aproximativ 70%) este transformata in caldura, iar sistemul de racire trebuie sa aibe grija ca aceasta sa fie disipata corespunzator. Principalul scop al sistemului de racire este acela de a mentine regimul termic al motorului, mai ales sa aibe grija ca acesta sa nu se supraincalzeasca, prin transferul energiei termice in exces catre mediul ambiant.

Motorul cu ardere interna functioneaza cel mai bine la temperaturi relativ ridicate (aproximativ 90˚C). Cand motorul este rece, componentele se uzeaza mai repede, motorul este mai putin eficient si polueaza mai mult. De aceea, un alt scop important al sistemului de racire acela de a lasa motorul sa se incalzeasca cat mai repede iar apoi sa mentina temperatura constanta.

Diagrama unui sistem de racire conventional

1.1. Bazele sistemului de racire

Datorita arderii constante ale combustibilului in interiorul motorului se produce o cantitate mare de caldura, majoritatea fiind disipata prin sistemul de evacuare, odata cu gazele arse. Motorul lucreaza cel mai bine in jurul temperaturii de 90˚C deoarece la aceasta temperatura:

Camera de ardere e destul de calda astfel incat sa vaporizeze combustibilul, oferind o combustie mai buna si reduce poluarea

Uleiul folosit pentru lubrificarea motorului are o vascozitate mai redusa, astfel incat componentele motorului se misca mai usor, rezultand un consum mai mic de lucru mecanic necesar punerii in miscare a acestora

Componentele metalice se uzeaza mai putin

In constructiile de autovehicule exista doua tipuri de racire, cu fluid si cu aer.

Sistemul de racire cu fluid consta in circularea unui fluid prin blocul motor si chiulasa, de unde acesta preia caldura si o disipa intr-un schimbator de caldura sau radiator. Radiatorul, prin fantele sale de circulatie a fluidului, face schimbul de caldura dintre fluid si aer.

Sistemul de racire cu aer este folosit in predominanta la constructia motoarelor pentru ciclomotoare si motociclete, el fiind mai putin utilizat la motoarele pentru automobile deoarece disiparea caldurii in aer se face mult mai greu, mai ales in regimurile de stationare. Acesta consta in constructia blocului motor din aluminiu (datorita conductivitatii calorice superioare) si cu striatii care maresc suprafata de contact dintre bloc si aer. Pentru a fi eficiente si in regimurile stationare sau in medii inconjuratoare cu caldura excesiva, motoarele au la dispozitie un ventilator puternic care directioneaza aerul inspre striatiile blocului, mentinand temperatura constanta.

1.2. Instalatia de racire cu fluid

Instalatia de racire cu fluid, in afara traseului de conducte, consta in principal dintr-o pompa, un schimbator de caldura (radiator) si o supapa de control al debitului (termostat). Circulatia fluidului prin blocul motor este asigurata de catre pompa, iar termostatul determina daca fluidul este recirculat sau trimis catre radiator.

Instalatia de racire cu fluid mai contine si un traseu auxiliar catre un radiator care este parte integranta a sistemului de incalzire al habitaclului autovehiculului.

Pe unele autovehicule cu motoare mari (autocamioane) sau la unele masini cu transmisie automata mai exista si un schimbator de caldura pentru racirea uleiului motorului sau a cutiei de viteze.

1.3. Fluidul de racire

Autovehiculele opereaza in o varietate mare de medii, de la temperaturi sub 0˚C, pana la peste 38˚C. De aceea fluidul folosit in instalatia de racire trebuie sa aiba un punct de inghetare foarte scazut, un punct de fierbere ridicat si o capacitate mare de retinere a caldurii.

Apa este un fluid foarte bun pentru retinere a caldurii, insa aceasta are un punct de inghet prea ridicat. De aceea, fluidul cel mai utilizat pentru racire este etilen-glicolul (C₂H₆O₂), cunoscut ca si antigel. Prin adaugarea etilen-glicolului in apa, punctele de fierbere si inghet sunt imbunatatite substantial.

In unele cazuri, temperatura poate ajunge si la 120˚-135˚ C. De aceea, chiar si cu antigel, fluidul de racire incepe sa fiarba. Pentru a contracara acest fenomen, sistemul de racire este tinut sub presiune, deoarece presiunea influenteaza punctul de fierbere al fluidului. Astfel, cu cat presiunea din sistem este mai mare, cu atat punctul de fierbere este mai ridicat.

1.4. Pompa de apa

Pompa de apa este o simpla pompa centrifugala, pusa in miscare de o curea (de obicei dintata) conectata la arborele cotit al motorului. Atunci cand motorul este pus in functiune, si pompa incepe sa debiteze fluid in circuit. Cu ajutorul fortei centrifuge, fluidul este fortat catre periferia paletelor si accelerat catre motor. Admisia pompei se face in dreptul axului central. Pompa circula fluidul mai intai in blocul motor, apoi in chiulasa, apoi prin termostat in radiator iar fluidul racit reintra in pompa.

1.5. Motorul

Chiar si proiectul motorului in sine influenteaza o buna racire a motorului. Astfel, inca din faza cercetarii, motorul este proiectat astfel incat sa aiba in componenta canale de circulare a fluidului de racire. Aceste canale trebuie bine gandite astfel incat lichidul sa preia o cantitate optima de caldura. Cele mai importante zone care trebuie racite sunt camera de ardere (unde se dezvolta temperaturi de pana la 2500˚ C), cilindrii si zona apropiata supapelor de evacuare.

Daca racirea in aceste zone nu este facuta corespunzator, motorul se poate cala prin topirea segmentilor si sudarea lor pe cilindri.

1.6. Radiatorul

Radiatorul este in esenta un schimbator de caldura. Acest schimb se petrece intre fluidul de racire si aer.

Constructia radiatorului este una relativ simpla; este format din tuburi eliptice fabricate din subtire de aluminiu sau cupru si doua capace la ambele capete, unul de admisie si unul de evacuare. Fluidul circula prin mai multe aceste tuburi eliptice, asezate paralel, si in drumul sau este racit de fluxul de aer dirijat printre tuburi, natural, prin miscarea de translatie a autovehiculului sau fortat, de catre un ventilator actionat mecanic sau electric.

Deasemenea, astfel de radiatoare pot fi folosite pentru racirea uleiului motorului sau transmisiei sau pentru racirea aerului de admisie (intercooler).

1.7. Termostatul

Termostatul este o supapa care determina cat fluid este recirculat prin trecerea lui prin radiator. Astfel, in pozitia inchis, termostatul determina fluidul sa circule pe un traseu care nu include radiatorul, deci nu este racit. Acest traseu determina necesitatea ca fluidul sa ajunga cat mai repede la temperatura regimului optim de functionare.

Cand temperatura se apropie de pragul optim (82˚-91˚ C), termostatul se incepe sa se deschida si permite fluidului sa intre in radiator pentru a fi racit. Termostatul este deschis complet la temperatura de 93˚-103˚ C.

Constructia termostatului consta in principal dintr-un cilindru plin cu o ceara speciala, o tija si un arc. In pozitia inchis, ceara este solida, iar arcul tine inchisa supapa. Cand este incalzita, ceara se dilata si impinge tija care este conectata la supapa afara din cilindru, deschizand-o.

1.8. Ventilatorul

Ventilatorul este o componenta necesara sistemului de racire deoarece ajuta la circulatia aerului prin radiator. Ventilatoarele sunt propulsate mecanic sau electric.

Ventilatoarele propulsate mecanic sunt legate direct la arborele cotit si se deplaseaza cu aceeasi viteza de rotatie cu turatia motorului. Modelele mai noi de ventilatoare au incorporate un sistem de angrenare a ventilatorului prin ambreiaje cu vasco-cuplare. Aceste vasco-cuplaje contin un lichid siliconic care odata cu cresterea temperaturii se solidifica, punand in miscare ventilatorul.

Ventilatoarele modulate electric pot fi actionate fie cu ajutorul termocuplelor, fie de catre unitatea de comanda electronica.

2. Mecatronica in sistemul de racire

2.1. Masurarea temperaturii

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. In urmatorul table sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatura, impreuna cu cateva caracteristici semnificative ale lor.

Termocuplurile sunt capabile sa masoare temperature extreme dar necesita tehnici de realizare a temperaturii de referinta, sunt neliniare si au un nivel mic al semnalului de iesire. Senzorii de temperatura cu semiconductori se preteaza la realizarea lor sub forma integrata, au un nivel mare al semnalului de iesire, dar acopera un domeniu relativ restrans de temperaturi. Termometrele cu rezistenta metalica au o acuratete si o liniaritate mai bune, dar necesita o sursa de energie de excitare si un circuit de masura tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari.

In mecatronica actuala, pentru masurarea temperaturii se folosesc traductorii cu rezistenta variabila. Acestea sunt rezistente si stabile la conditii de mediu agresiv, au o acuratete buna dar un timp relativ lent de raspuns, fiind destul de fragile si uneori scumpe.

Conductibilitatea electrica a unui metal depinde de deplasarea electronilor prin reteaua sa cristalina. Datorita excitarii termice, rezistenta electrica a unui conductor metalic variaza in functie de temperatura. Marea majoritate a metalelor au un coeficient de temperatura al rezistentei pozitiv (rezistenta lor creste odata cu cresterea temperaturii). Pe domenii restranse de temperatura dependenta rezistentei unui conductor metalic de temperatura este aproape liniara.

Metalele cele mai folosite ca traductori de temperatura sunt platina, cuprul si nichelul. Valorile standardizate pentru rezistenta la temperatura de referinta sunt 10, 50, 100, 500 si 1000 ohmi. In urmatorul tabel sunt prezentate caracteristicile acestor materiale, cu precizarea ca ele se refera la termometre cu rezistenta nominala de 100Ω.

Expresia reprezinta un parametru aditional pentru caracterizarea termometrelor cu rezistenta metalica, cunoscut sub denumirea de coeficient mediu de temperatura intre 0 si 100˚ C.

Exista diverse configuratii geometrice in care sunt construiti senzorii termometrelor cu rezistenta metalica. In figura urmatoare este prezentata schematic una dintre ele. Firul metalic este infasurat pe un tub ceramic si fixat in interiorul unei incinte de protectie formand sonda de temperatura. Ea este conectata in ramura de masura a unei punti Wheatstone de curent continuu. Dupa ce puntea a fost echilibrata la temperatura de referinta, dezechilibrul ei va fi functie temperatura. Aceasta va fi indicata de catre voltmetrul din ramura de masura a puntii, etalonat in unitati de temperatura.

Curentul care parcurge senzorul rezistiv trebuie sa fie suficient de mic, astfel incat sa nu determine c sterea temperaturii acestuia prin efect Joule. Practic se accepta o crestere cu maximum 0,5˚C a temperaturii senzorului datorata curentului de excitare.Un alt efect care poate introduce erori in procesul de masurare este caderea de tensiune pe firele de conexiune dintre senzor si sistemul de masura, mai ales daca acestea sunt lungi si au rezistente comparabile cu ale senzorului. Acest efect poate fi compensat prin adaugarea unor conductori de compensare in ramura puntii adiacenta cu sonda, sau folosind metoda celor 4 fire (conexiunea Kelvin). Aceasta metoda se foloseste mai ales atunci cand distanta de la sonda la sistemul de masura si afisare a temperaturii este mare.

Pentru o intelegere mai buna a procesului de operare al senzorilor te temperatura, se vor da urmatorul exemplu:

Traductorii de temperatura obisnuiti opereaza prin scaderea tensiunii odata cu cresterea temperaturii. Astfel, ei pornesc de la un voltaj de 3-4V la rece, iar in modul normal de operare la cald voltajul ajunge in jurul a 1V. Aceste valori ale voltajului difera de la un fabricant la altul. Majoritatea senzorilor au un Coeficient de Temperatura Negativ, adica tensiunea debitata scade odata cu temperatura, dar exista si senzori cu Coeficient de Temperatura Pozitiv, la care tensiunea creste odata cu temperatura.

Curba specifica Senzorilor cu Coeficient Negativ

Cand semnalul senzorului determina ca temperatura creste prea mult pentru operare optima, Unitatea de Control Electronica actioneaza prin pornirea ventilatorului electric, despre care vom vorbi putin mai incolo.

In cazul de fata, se va urmari variatia semnalului dat de senzorul de temperatura al unui motor Opel Vectra 1,6Lt, deoarece acesta este un caz particular care merita mentionat. Sistemul Multec are o curba distinctiva vizualizata la osciloscop. Astfel, comportamentul de scadere a tensiunii este identic cu cele uzuale, numai ca aceasta scadere se face doar pana la temperatura de 40-50˚C. In acest moment, UCE determina o marire a voltajului pe senzor (aproximativ 5V) deoarece la temperaturi de peste 50˚C UCE, prin voltajul marit, are o sensibilitate mai mare in determinarea exacta a temperaturii si implicit a controlului ventilatorului.

Curba specifica Senzorului Multec (Opel Vectra 1,6Lt)

2.2. Elecrovalve

Daca in sistemele obisnuite de racire sunt folosite termostate care actioneaza mecanic asupra debitului de fluid de racire care ajunge in radiator, mecatronica inbunatateste sensibilitatea acestui proces cu ajutorul electrovalvelor cu deschidere variabila.

Principiul de functionare este simplu: datele prelucrate de catre UCE de la senzorii de temperatura sunt analizate si apoi se da comanda unei electrovalve variabile, care este in esenta un actuator electric. Astfel, cu cat temperatura motorului creste, UCE determina deschiderea treptata electrovalvei.

Acest sistem prezinta avantajul sensibilitatii, insa pretul de cost este mai mare si de aceea nu sunt folosite des pe autovehicule, mai ales ca sensibilitatea oferita nu este necesara.

2.3. Ventilatorul

Ventilatoarele sunt folosite pentru fortarea curentului de aer printre vanele de racire ale radiatoarelor. Mecatronica intervine in cazul acestui tip de racire prin controlul turatiei sau controlul unghiului de atac al palelor ventilatorului.

2.3.1. Ventilatoare cu viteza modulata electric

Acestea sunt cele mai folosite in cazul autovehiculelor rutiere. Daca precursoarele lor erau controlate direct cu ajutorul unei termocuple, acum ventilatoarele sunt controlate de catre UCE, in functie de regimul termic al motorului.

Ventilatoarele cu modulare electrica a turatiei sunt de mai multe feluri:

cu o singura viteza;

cu doua sau mai multe viteze;

cu viteza variabila.

Utilizarea pe autovehicule a acestor trei tipuri de ventilatoare este determinata de factorul economic, cele mai scumpe fiind cele cu viteza variabila.

Tipuri de ventilatoare; simple si duble

In cazul ventilatoarelor cu viteze fixe, demararea acestora este facuta de catre UCE la praguri precise de temperatura. Solutia cea mai convenabila din punct de vedere al mentinerii constante al regimului termic sunt ventilatoarele cu variatie constanta a vitezei. Astfel, in functie de variatia temperaturii motorului, UCE modifica constant turatia ventilatorului, mentinand temperatura fluidului de racire perfect constanta.

Avantajele metodei de racire prin modulare electrica sunt gabaritul redus, volum mare de aer livrat, silentiozitate si sensibilitate mare a controlului turatiei.

2.3.2. Ventilatoare cu viteza modulata hidraulic

Acest tip de ventilatoare au o utilizare mai restransa in cazul automobilelor, ele fiind folosite in special pe autovehicule grele, cu motoare mari si cu sisteme hidraulice de mare putere.

Pompa hidraulica Ventilator hidraulic

Principiul de functionare al acestor ventilatoare se bazeaza pe modularea presiunii din pompa care actioneaza ventilatorul prin intermediul unui actuator electrohidraulic. Prin aceasta metoda ventilatorul nu se roteste la turatia maxima decat aproximativ 5% din durata de functionare a motorului. Sunt reduse astfel vibratiile datorate miscarii palelor, dar si consumul de carburant, care descreste proportional cu perioada de timp in care ventilatorul nu se misca.

Aceasta metoda de actionare a ventilatorului este una scumpa si se preteaza sistemelor care au restrictii ridicate cu privire la nivelul vibratiilor acustice. Deasemenea, nu se gaseste ca sistem autonom pe autovehicul, impartasind sistemul hidraulic cu mecanismele de servodirectie, servofrana, servoambreiaj etc.

2.3.3. Ventilatoare cu pale cu unghi de atac modulat

electric/hidraulic

O solutie constructiva mai putin utilizata in constructiile de masini este cea de modulare a unghiului de atac al palelor ventilatorului. Diferenta fata de celelalte modele consta in faptul ca turatia ventilatorului este constanta, iar fluxul de aer este controlat prin orientarea de catre UCE a palelor, fie electronic, fie electrohidraulic.

In aceeasi categorie ar putea intra si ambreiajele care controleaza viteza de rotatie a ventilatorului, sau asa numitele vascocuplaje. Metoda poate incorpora un actuator comandat electronic care sa actioneze ambreiajul, si deci rotatia ventilatorului.

Motivul pentru care aceste metode sunt mai putin utilizate este acela ca aceste componente sunt scumpe, greu de fabricat si cu multe piese mobile care, in cazul defectarii, este greu a fi schimbate.

Deasemenea, o alta metoda de marire a admisiei de aer prin radiator este comandarea electronica a unor motorase pas cu pas care controleaza sectiunea de admisie a aerului (fante reglabile sau chiar de tip obturator fotografic).

2.4. Pompe de apa

Pompa de apa pe autovehicule este de obicei pusa in miscare de catre arborele cotit, exceptie facand pompele electrice. Mecatronica intervine in cazul pompelor electrice foarte usor, deoarece motorul electric este controlat direct de catre UCE. Pompele electrice sunt fiabile, usoare si pot fi pozitionate in orice pozitie pe motor. Deasemenea, fiind direct controlata, este foarte usor pentru UCE de a modifica presiunea cu care aceasta debiteaza in sistem.

In cazul pompelor propulsate direct de catre motor problema se complica, deoarece singura metoda de a controla debitul de fluid de racire debitat in blocul motor este aceea de a introduce variatia palelor, ca si in cazul turbinelor de supraalimentare.

Asemanarile sunt evidente, iar tehnologiile exista, singura diferenta fiind ca se pompeaza lichid, nu gaz. Fantele care se deschid si se inchid vor fi controlate de catre UCE, regland debitul de lichid trimis in blocul motor.

2.5. Sistemul de climatizare

Desi nu pare, sistemul de climatizare este direct legat de restul sistemului de racire al motorului. Acesta este dependent de sistemul de racire al motorului deoarece fluidul de racire este preluat de un circuit auxiliar, care contine un radiator prin care este circulat aerul pentru incalzirea habitaclului.

Mecatronica intervine in acest sistem prin introducerea a cel putin doi senzori de temperatura care masoara temperaturile aerului la admisie, inainte de radiator si in habitaclu. Sistemul este proiectat pentru a mentine cat mai eficient microclimatul din habitaclu in limitele de confort ale pasagerilor sau de a raspunde cerintelor acestora cu maxim de eficienta.

Sisitem automat de climatizare Bosch

1. Admisie aer; 2. Ventilator; 3. Senzor temperatura habitaclu; 4. Electrovalva;

5. Radiator; 6. Comutator; 7. Senzor temperatura; 8. Canal admisie; 9. Unitate de control

Acest sistem este unul de referinta pentru sistemele de genul climatronic. Functionarea sa porneste de la utilizator, prin modificarea temperaturii de la comutatorul 6. Astfel, unitatea de control a climatizarii 9 analizeaza informatiile oferite de senzorii 3 si 7 si conform unui algoritm prestabilit comanda robinetul cu actuator electric 4.

3. Concluzii

Mecatronica a devenit in ultimii ani o componenta necesara, nu optionala, in constructia de masini. Ea ajuta la optimizarea sistemelor mecanice pentru o mai buna relatie masina-utilizator. Desi unele solutii electronice de comanda si control pot parea nefiabile, cu pret de cost mare, greoaie, acestea nu pot fi abandonate din gandirea inginereasca deoarece orice idee inovatoare face ca procesul de evolutie sa fie posibil. Astfel ne dam seama ca mecatronica ne ajuta sa controlam, sa optimizam si sa utilizam cat mai eficient produsele mecanice.

BIBLIOGRAFIE

Manea L.    - "Mecatronica automobilului modern"

Xxx    - Internet

Cuprins

Notiuni generale

Bazele sistemului de racire

Instalatia de racire cu fluid

Fluidul de racire

Pompa de apa

Motorul

Radiatorul

Termostatul

Ventilatorul

Mecatronica sistemului de racire

Masurarea temperaturii

Electrovalve   

Ventilatorul

Pompa de apa

Sistemul de climatizare

Concluzii

Bibliografie