II
II.5 Reglarea proceselor din instalaia de aprindere la
MASControlul proceselor care au loc n instalaia de aprindere
comandat a motoarelor cu aprindere prin scnteie are o mare importan
asupra performanelor de putere ale motoarelor, asupra economicitii
acestora ct i asupra nivelului emisiilor poluante produse de
acestea.
Posibilitatea efecturii reglajelor asupra momentului aprinderii,
duratei scnteii i energiei de descrcare ofer premisele controlului
arderii, a degajrii de cldur i n final a performanelor directe ale
motorului. Desigur c, sistemele iniiale de aprindere, prea puin
reglabile cu regimul funcional al motorului, i totui fiabile n
raport cu durata de exploatare a motorului, au cedat locul
sistemelor moderne, convenionale i neconvenionale, care ofer
posibilitatea automatizrii complete a aprinderii.II.5.1 Instalaia
de aprindere clasic
Principiul de funcionare a unui sistem de aprindere se bazeaz pe
transformarea tensiunii joase de 12 V c.c., disponibil de la
baterie, ntr-o tensiune foarte nalt (de ordinul kV) necesar
strpungerii spaiului dintre electrozii bujiei. Transformarea se
realizeaz cu ajutorul bobinei de inducie, care funcioneaz pe
principiul unui transformator de tensiune. ntreruperea curentului n
circuitul primar al acesteia determin prin variaia fluxului
magnetic apariia tensiunii induse n circuitul secundar i implicit
producerea scnteii electrice. Momentul ntreruperii curentului din
circuitul primar al bobinei este momentul care determin producerea
scnteii electrice.
n Fig. II.5.1.1 este prezentat schema de principiu a unui sistem
clasic de aprindere inductiv [19].
Circuitul primar (de joas tensiune) este format din baterie
(BA), ruptor (R) precum i de nfurarea primar a bobinei. Circuitul
secundar (de nalt tensiune) este compus din nfurarea secundar a
bobinei, distribuitor (D) i bujii (BU). Ruptorul, la instalaiile de
aprindere vechi, realizeaz ntreruperea curentului pe cale mecanic,
pe cnd la instalaiile moderne, este sub forma unui etaj electronic,
nglobat n controlerul sistemului de aprindere. n fiecare dintre
cazuri, el este comandat pe baza semnalelor de turaie i de
sarcin.
n Fig. II.5.1.2 sunt trasate variaiile intensitii curentului din
circuitul primar i a tensiunii din circuitul secundar n funcie de
timp. Sgeata din figur indic momentul de declanare a scnteii
electrice, ca urmare a deschiderii circuitului principal.
n figura de mai sus, [s] este perioada de alimentare a bobinei
(ruptor nchis), curebtul evolund dup o curb specific unui circuit
RLC. Perioada [s] este cea de descrcare a bobinei (ruptor deschis),
n care aceasta transfer energia pe care a primit-o iniial de la
baterie, bujiilor. Acestor dou perioade li se poate asocia duratele
unghiulare prin intermediul relaiei:
[grd.RAC] = 6n[rpm] [s]
(1)
unde n este turaia motorului.Raportul dintre durata unghiular
iniial, notat cu indicele 1 i cea cumulat, se noteaz cu %Dw i se
numete unghi, sau procentaj Dwell:
[%] = [%] = %Dw
(2)Unghiul Dwell caracterizeaz timpul de ncrcare a bobinei. n
cadrul unui ciclu de funcionare, uzual, unghiul Dwell ia valori
ntre 60 i 63%. Limitarea sa se realizeaz din considerente de
durabilitate a sistemului de aprindere. Valoarea maxim a energiei
pe care o acumuleaz bobina are valoarea:
E = L1i21,max / 2
(3)relaie n care, L1 este inductana circuitului primar, iar
i1,max este valoarea maxim a curentului din nfurarea
primarului.
Exemplu:
Pentru un MAS care funcioneaz la turaia de 1000 rpm, se
calculeaz Da = 180 grd.RAC. Dac se adopt %Dw = 60%, nseamn c 1 =
1800.6 = 108 grd.RAC, iar perioada echivalent 1 = 18 ms. La o
turaie de 5000 rpm, meninnd constant unghiul Dwell, perioada
unghiular 1 este aceeai, dar durata echivalent n timp 1 scade la
3.6 ms. Cu scderea timpului de ncrcare a bobinei scade i energia
disponibil care poate fi transferat bujiilor, deci este afectat
capacitatea de aprindere a amestecului proaspt din cilindru, cu
consecine negative evidente asupra ntregului proces de ardere.
Deci la creterea turaiei de funcionare a motorului, unghiul
Dwell scade, motiv pentru care un obiectiv fundamental al
controlului sistemelor actuale de aprindere este meninerea
cvasiconstant a energiei de aprindere. Acest lucru este posibil
prin majorarea %Dw la creterea turaiei.II.5.2 Optimizarea
funcionrii instalaiei de aprindere clasice inductive
n Fig.II.5.2.1 este nfiat schema unui sistem de aprindere cu
control al unghiului Dwell (sistem cu energie constant) [19].
Unitatea de control nglobeaz dou module destinate controlului
avansului i respectiv procentajului Dwell. Pentru a controla
momentul declanrii scnteii electrice sunt necesare a fi cunoscute
valoarea avansului i referina unghiular pe ciclul de funcionare.
Valoarea avansului se stabilete pe baza informaiilor de turaie i de
sarcin cu ajutorul hrii de optimizare a avansului stocat la nivelul
ECU. Referina unghiular se obine cu ajutorul unui generator de
impulsuri care primete un semnal (notat cu 1 n figur) de la un
tradustor inductiv de poziie montat la extremitatea arborelui
cotit. Semnalul este prelucrat, i la ieire se nregistreaz un semnal
dreptunghiular (notat cu 2). Fiecrui impuls i corespunde o anumit
poziie unghiular n raport cu care controlerul de avans poate s-i
stabileasc momentul declanrii scnteii.
Controlerul comand un circuit de putere care realizeaz reglajul
intensitii curentului din circuitul primar al bobinei. Al doilea
controler, cel cu aciune asupra unghiului Dwell, asigur energia
constant a descrcrii independent de regimul de turaie. n circuitul
primar este inserat un detector de curent, al crui rol este acela
de a determina valoarea maxim a curentului. Dac instensitatea
curentului scade, controlerul Dwell va mri timpul de alimentare a
bobinei. n acest fel, att curentul, ct i energia de descrcare se
menin la valoare constant. Blocul etichetat ali senzori poate
include: accelerometre, pentru nregistrarea nivelului de vibraii
ale blocului motor (necesare n acest mod pentru avertizarea la
funcionarea cu detonaie), traductoare de presiune, traductoare de
temperatur, etc. II.5.3 Instalaie de aprindere inductiv cu putere i
energie de descrcare mrite.
Acest paragraf prezint caracteristicile unei instalaii de
aprindere de tip inductiv la care creterea energiei de descrcare a
fost obinut prin mrirea duratei de descrcare [20] [21] (vezi Fig.
II.5.3.1).
Schema instalaiei de aprindere modificate este conceput n jurul
a dou surse de energie, una principal, i cea de-a doua, cea
auxiliar. Sursa principal este o surs de energie convenional,
care-i aduce aportul de energie n timpul fazei de strpungere, faza
median de descrcare electric, situat ntre fazele de arc i de plpire
n procesul de descrcare. Energia furnizat este rezultatul acumulrii
de energie n bobina de inducie, iar ntreruperea curentului din
circuitul primar se realizeaz printr-un ruptor electronic. Sursa de
energie auxiliar furnizeaz surplusul de energie pe celelalte faze
ale descrcrii (cea de arc i cea de plpire), prin contribuia unui
convertor de tensiune care ncarc o baterie de condensatoare la o
tensiune de aproximativ 1000 V n intervalul dintre dou scntei
consecutive. Deci, n timp ce descrcarea asigurat de sursa principal
rmne de tip inductiv (tipul clasic), descrcarea produs de sursa
auxiliar este de tip capacitiv. Scopul principal urmrit prin
utilizarea acestui tip modificat de instalaie l reprezint
posibilitatea extinderii plajei de funcionalitate a motorului n
zona amestecurilor srace, prin diminuarea variabilitii ciclice,
prin creterea eficienei n funcionare i prin scderea nivelului de
emisii poluante.
n figura II.5.3.2 sunt trasate curbele de variaie a intensitii
medii a curentului electric de descrcare pentru cele dou tipuri de
instalaii (clasic C i modificat - M) [20] [21].
Rezultatele testrii pe bancul motor a celor dou tipuri de
instalaii de aprindere evideniaz urmtoarele:- Instalaia modificat
genereaz o scnteie cu o durat de aproximativ 3.5 ori mai mare dect
cea clasic.- Intensitatea medie a curentului de descrcare este de
1.6 ori mai mare n cazul instalaiei clasice fa de cel al utilizrii
instalaiei clasice. - Pe ntreg domeniul de turaii, instalaia
modificat ofer o energie de descrcare amplificat. Factorul de
amplificare variaz n funcie de turaie i de distana dintre
electrozii bujiei electrice de (n cazul meninerii constante a
distanei la platin dp).
Rezultatele experimentale au scos n eviden ctigurile utilizrii
unei astfel de instalaie, cu putere i energie de descrcare mrite,
care constau n creterea puterii efective, creterea randamentului
efectiv i diminuarea nivelului emisiilor poluante ale MAS pe
domeniul de funcionare cu amestecuri srace ( = 1.0-1.2) (vezi Fig.
II.5.3.3 II.5.3.7).
Parametrii de lucru pentru care s-au trasat graficele din fig.
II.5.3.3-II.5.3.7 sunt: turaie 1800 rpm, sarcin 40%, ca avans la
producerea scnteii a fost setat avansul optim pentru turaia i
sarcina anunate, distan ntre electrozi de = 0.7 mm, distan la
platin dp = 0.4 mm.
n comparaie cu avantajele evidente, n ceea ce privete creterea
puterii efective, creterea randamentului efectiv i scderea
nivelului de emisii, n funcionarea MAS echipat cu o instalaie de
aprindere cu energie i putere mrite se evideniaz i un dezavantaj
major, acela al unei fiabiliti mai reduse a componentelor
instalaiei. Creterea valorii energiei de descrcare antreneaz
necesitatea nlocuirii mai dese a bujiilor electrice, a bobinei de
inducie, sau a platinei. Materialele mai rezistente, care le pot
nlocui pe cele utilizate n mod curent n producia de serie a
elementelor instalaiei de aprindere, sunt mai scumpe i cresc pe
ansamblu preul de achiziie a acesteia. II.5.4 Utilizarea
instalaiilor neconvenionale de aprindere
Fa de instalaiile de aprindere care realizeaz descrcarea
electric pe cale inductiv, exist i alte tipuri de instalaii, care
aplic alte principii de comunicare a energiei necesare aprinderii
amestecului carburant din cilindrul MAS. Aa cum s-a prezentat n
paragraful anterior, instalaia de aprindere era de tip mixt, sursa
principal de energie realiznd descrcarea de tip inductiv (de tip
clasic), iar cea auxiliar o descrcare de tip capacitiv. Alte tipuri
de dispozitive de aprindere utilizeaz electrozi generatori de
plasm, sau realizeaz aprinderea cu ajutorul unui jet de flacr, sau
a unei jerbe de scntei. Scopul utilizrii acestor dispozitive
neconvenionale de aprindere este reuita ct mai sigur a aprinderii i
asigurarea premiselor desfurrii unui proces de ardere ct mai
eficient, n funcie de regimul funcional al motorului.II.5.4.1
Sisteme de aprindere cu jet de plasmLa aceste sisteme descrcarea
electric se produce ntr-o cavitate care nconjoar electrozii bujiei
[22]. Cavitatea comunic cu camera de ardere printr-un orificiu
(vezi Fig.II.5.4.1). Energia de descrcare este majorat n comparaie
cu cea de la instalaiile clasice de aprindere, datorit prezenei
unui condensator care este ncrcat la o tensiune relativ joas.
Condensatorul elibereaz energie imediat dup ce scnteia a fost
declanat ntre electrozii bujiei. Energia mare de descrcare creaz o
plasm cu presiune i temperatur ridicate, care va ptrunde n camera
de ardere prin orificiul de legtur sub forma unui jet la viteze
supersonice. Aprinderea are loc n jet, flacra avnd un aspect
turbulent, spre deosebire de instalaia clasic, la care flacra are
iniial un caracter laminar. Penetraia jetului depinde de momentul
producerii sale, de energia descrcrii, de forma i de dimensiunile
orificiului. De asemenea, cu ct cavitatea conine o cantitate mai
mare de vapori de combustibil, aprinderea este mult uurat datorit
prezenei unui numr nsemnat de atomi de hidrogen creai n plasm i
care au un grad mare de reactivitate. Prin utilizarea unui astfel
de sistem, se realizeaz o extindere a limitei de srcire a
amestecurilor combustibile utilizate n mod obinuit, i se elimin
aproape complet posibilitatea ratrii aprinderii.
II.5.4.2 Sisteme de aprindere cu jet de flacrCaracteristica
acestor sisteme este existena unei camere separate n care se iniiaz
aprinderea, legtura cu camera principal fiind asigurat prin unul
sau mai multe ajutaje [22] (vezi fig.II.5.4.2). Pe msur ce flacra
se dezvolt n camera separat, presiunea n cavitate crete, fornd
gazul s treac n camera principal sub forma unui jet sau mai multor
jeturi de flacr turbulente. Aprinderea propriu-zis este asigurat de
o bujie convenional. Rolul antecamerei este acela de a transforma
flacra care se formeaz n jurul electrozilor bujiei n mai multe
flcri, care ptrund n camera principal de ardere, i care avnd o
suprafa mai mare sunt capabile s ard amestecuri cu un exces mai
mare de aer.
Cea mai simpl variant constructiv (cea schematizat n figur),
este cunoscut sub denumirea de torch cell. Cavitatea nu posed un
sistem special de alimentare cu amestec combustibil, i nici o cale
de evacuare a gazelor arse. Funcia ei este doar aceea de a accelera
dezvoltarea iniial a flcrii ntr-o zon n care turbulena este mai
mare dect n camera de ardere. Funcionarea sistemului depinde n mare
msur de volumul antecamerei, de numrul i forma orificiilor
(ajutajelor) de legtur, precum i de poziia bujiei. Dezavantajele
soluiei sunt legate de faptul c evacuarea gazelor arse din
antecamer este deficitar, astfel nct fracia gazelor arse reziduale
va fi mai mare n aceast configuraie dect n cea care utilizeaz o
instalaie de aprindere standard.
Legend:
BA = Baterie
R = Ruptor
BO = Bobin
D = Distribuitor
BU = Bujii
Fig. II.5.1.1 Schema de principiu a unui sistem clasic de
aprindere
Fig.II.5.1.2 Variaia n timp a mrimilor electrice tensiune i
curent din circuitul instalaiei de aprindere
Fig. II.5.2.1 Schema sistemului de control al aprinderii cu
reglarea unghiului Dwell
Fig.II.5.3.1 Instalaie de aprindere inductiv cu putere i energie
mrite
Fig.II.5.3.2. Comparaie ntre variaiile intensitilor curenilor de
descrcare electric n cele dou tipuri de instalaii: clasic i
modificat
Fig. II.5.3.7 Comparaie ntre nivelurile concentraiilor de CO2
ale motorului echipat cu cele dou instalaii
Fig. II.5.3.3 Comparaie ntre puterile efective ale motorului
echipat cu cele dou instalaii
Fig. II.5.3.4 Comparaie ntre randamentele efective ale motorului
echipat
cu cele dou instalaii
Fig. II.5.3.6 Comparaie ntre nivelurile concentraiilor de NOx
ale motorului echipat cu cele dou instalaii
Fig. II.5.3.5 Comparaie ntre nivelurile concentraiilor de HmCn
ale motorului echipat cu cele dou instalaii
Fig.II.5.4.1 Sistem de aprindere cu jet de plasm
Fig.II.5.4.2 Sistem de aprindere cu jet de flacr