Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

1

AUTOMOBILUL – SISTEM MECATRONIC. EXEMPLU: SISTEMUL ELECTRONIC VALVE TRAIN

ing.Agache Cristian - Sc.ROPECO Bucuresti ing.Agache Mihai Adrian - Sc.ROPECO Bucuresti Prof. ing. Agache Săndel

Prof. ing. Tănase Alexandru Colegiul Tehnic „Edmond

Nicolau” Focşani

I. CONSIDERAŢII GENERALE.

Automobilul a apărut în secolul al 19 – lea şi a concentrat şi concentrază cele mai semnificative eforturi ştiinţifice şi inginereşti din toate domeniile.

Până în anul 1980 componentele mecanice aveau o pondere semnificativă, componentele electrice şi electronice reprezentând un număr restrâns de :

• motoare: demaror, alternator, ştergătoare de parbriz; • senzori pentru: temperatura uleiului şi antigelului, presiunea uleiului, nivelul

carburantului; • relee pentru semnalizare şi aprindere; • lămpi pentru iluminare şi semnalizare.

Apariţia microelectronicii a generat circuitele integrate logice şi analogice, circuitele integrate de putere, microprocesoarele şi microcontrolerele, sistemele de acţionare inteligente şi noi tipuri de senzori care au modernizat automobilul transformându-l în sistem mecatronic. Iată câteva dintre sistemele mecatronice ce compun automobilul modern:

� sistemul electronic de frânare (Electronic Brake System) care include: � ABS (Antilocking Brake System), acesta controlează presiunea de frânare,

pentru evitarea blocării roţilor prin procesarea informaţiilor de la senzorii care măsoară viteza roţilor şi comandă motorul pompei hidraulice şi supapele care distribuie lichidul la frâne;

� Brake Asist, acesta interpretează informaţiile de la senzori şi corectează manevrele de frânare.

� sistemul electronic de stabilitate ESP ( Electronic Stability Program), acesta evaluează datele trimise de un mare număr de senzori şi compară acţiunile şoferului cu mişcările automobilului. De exemplu, la o virare bruscă, sistemul reacţionează prin electronica motorului şi a sistemului electronic de frânare, stabilizând automobilul. Include subsisteme complexe: ABS, EBD (Electronic Force Brake Distribution), TCS (Traction Control System) şi altele.

� tehnologia HDI (High Diesel Injection) – sistem de injecţie cu actuator piezoelectric care alimentează o rampă comună „common rail” la presiuni de 1500 bari, distribuţia carburantului făcându-se cu actuatori piezoelectrici.

Tendinţa de simplificare a componentelor mecanice şi de creştere a performanţelor a dus la apariţia sistemului EVT (Electromagnetic Valve Train) – un rezonator resort / masă care înlocuieşte axul cu came şi tachetul din sistemul clasic de distribuţie (fig. 1), dând posibilitatea comenzii libere a supapelor, în funcţie de algoritmul de optimizare impus. Este deci, un sistem integral de distribuţie variabilă. Avantajele sistemului sunt:

• îmbunătăţirea raportului moment motor / turaţie; • reducerea consumului de carburant;

Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

2

• reducerea volumului gazelor de eşapament. • pierderi reduse prin pompaj; • optimizarea recirculaţiei interne a gazelor reziduale; • optimizarea pornirii la rece si regimul de încălzire; • optimizarea funcţionării dinamice; • dezactivarea supapelor şi a cilindrilor; • functionarea cu mai mulţi timpi (2,4,6 timpi); • reducerea turaţiei de relanti; • simplificarea mecanismelor distribuţiei; • funcţionare sigură. PRECIZARE: Sistemul poate fi denumit „Electronic Valve Train” întrucât este acţionat electric şi comandat electronic.

1. cilindru 2. supapa 3. arcul supapei 4. culbutor 5. axul culbutorilor 6. chiulasa 7. tija împingătoare 8. arcul tachetului 9. tachetul 10. cama 11. arborele cu came

Fig 1.

II. DESCRIEREA CONSTRUCTIVĂ ŞI FUNCŢIONALĂ A SISTEMULUI EVT.

Elementul de acţionare este un actuator electromagnetic care a evoluat de la modelul bipoziţional (fig. 2), la modele mai complexe.

Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

3

kx0 kx0dd

x Fem

EM2 EM1

Supapă

Fig. 2

Doi electromagneţi şi două arcuri elicoidale, care lucrează în sensuri opuse pentru a realiza un regim dinamic corespunzător, în condiţiile în care forţele de inerţie pot atinge valori mari, iar forţele de presiune sunt, de asemenea, importante în faza de evacuare a gazelor. Acest actuator prezintă avantajul că are forţa inţială k.d, datorită pretensionării arcurilor, indiferent de sensul mişcării.

În acest mod, electromagnetul activ este ajutat să realizeze o comportare dinamică mai bună, fiind cunoscut faptul că există o anumită întârziere a creşterii fluxului, deci a forţei, până când aceasta atinge o valoare utilă. În acelaşi timp, electromagneţii au un întrefier mai mic, ceea ce conduce la forţe mai mari pentru aceeaşi cursă cumulată. Controlul deplasării supapei, durata şi frecvenţa sunt comnadate de calculator.

Sistemul EVT are trei subsisteme: – actuatorul ca sistem mecatronic, împreună cu un traductor de cursă, o unitate de comandă şi o

unitate de control;

– sistemul de comandă a dispozitivului de putere care realizează funcţiile supapelor convenţionale şi tipice;

– sistemul electric al vehiculului pentru alimentarea actuatorilor. Cele trei subsisteme sunt interdependente, actuatorul fiind cheia acestor legături.

Electromagneţii sunt comandaţi de un sistem hardware – software. Iată un exemplu ilustrat

în schema următoare:

Fig. 3 Pentru un motor cu opt opt supape se alocă 8 biţi care reprezintă starea dorită pentru cei opt electromagneţi. Cănd electromagnetul pentru deschidere este activat, cel pentru închidere este dezactivat şi invers. Pentru comandă sunt necesare opt semnale de comandă şi opt circuite inversoare (care asigură comanda inversată). Pentru diminuarea masei mobile a sistemului plasarea celor două arcuri este realizată ca în figura nr.4, iar în figura nr. 5 este prezentată realizarea fizică a sistemului.

Calculator cu mediu de programare grafică Lab

VIEW şi placă de I/E digitală PC-DIO 96

Circuit de amplificare

Sursă de tensiune

Electromagnet

Circuit pentru identificarea stării electromagnetului

Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

4

Fig. 4

Fig. 5

Un dezavantaj al acestui actuator electromagnetic este obţinerea vitezei reduse de aşezare a supapei pe scaunul ei. Problema poate fi soluţionată prin anularea instantanee a forţei în momentul aplicării comenzii corespunzătoare comutării poziţiei. Soluţia problemei econstă în aplicarea principiului inmagazinării magneto-elastice a energiei.

Iată o variantă constructivă care aplică această soluţie.

Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

5

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

6

Actuatorul electromagnetic (fig.6) este de curent continuu şi este compus din: plunjerul (a),

jugul feromagnetic exterior (b), jugul feromagnetic interior (c) şi un magnet permanent (d), plasat între acestea. Bobina (e) şi piesa de bază (f) sunt realizate din material nemagnetic. Arcul (g) furnizează forţa necesară comutării în a doua poziţie stabilă a actuatorului. Comutarea este realizată cu comutatorul electronic (fig.7).

Când întreruptorul I este închis, în poziţia cu întrefier deschis, forţa electromagnetică datorată curentului din circuitul bobinei (L,R), adăugată forţei dezvoltate de magnetul permanent (Fem), atrage plunjerul şi comprimă arcul (g), învingând şi celelalte forţe rezistente (forţa de presiune a gazelor de ardere, forţele de frecare (Fres) şi inerţia supapei). În timpul acestei perioade de funcţionare, fluxul creat de bobină (Φ) şi cel dezvoltat de magnetul permanent (Φp) au acelaşi sens, contribuind la creşterea forţei. La sfârşitul mişcării (întrefier, δ ≈ 0), forţa dezvoltată numai de fluxul magnetului permanent este suficient de mare pentru a menţine actuatorul în poziţie (fig.8). Pentru a comuta actuatorul în cealaltă poziţie, este necesar un flux magnetic opus flux (Φ’) care anulează fluxul creat de magnetul permanent (Φp). Acesta, la rândul său, este creat de tensiunea de polaritate inversă aplicată bobinei prin deschiderea întreuptorului I şi închiderea lui O. (fig.7). Când cele două forţe sunt egale, arcul este capabil să comute poziţia plunjerului.

3. CONCLUZII Sistemul este aplicat („Technological Approaches to Realize an Electromechanical

Valvetrain“ - BMW AG; “Cylinder cut-off technology – A demanding concept for fuel reduction without loss of driving-pleasure or comfort” - DaimlerChrysler AG; „The Electrical and Mechanical Properties of the Electromechanical Valve Train System Components“ - Siemens Automotive AG; „Recent Developments of a Mechanical Variable Valve Actuation System“ - Delphi Automotive Systems; „Smart Valve Actuation – How to Minimize Power Consumption and Noise Through an Adequate Control of an Optimized Actuator“ - SAGEM S.A; „Benefits of the Electromechanical Valve Train in Vehicle Operation“ - FEV Motorentechnik GmbH) şi aplicabil în continuare, însă pentru perfecţionarea acestuia se lucrează pe două direcţii:

1. comportarea adecvată a motorului la turaţii ridicate; 2. dezvoltarea unui sistem computerizat universal de comandă care să genereze algoritmul

de optimizare. Dar John Rusken a spus: “Omul poate fi învăţat să deseneze sau să taie în piatră o linie dreaptă, sau să cioplescă în lemn o linie curbă, să copieze sau să graveze oricăt de multe linii sau forme date, cu o iuţeală minunată şi o precizie desăvârşită, iar rezultatul muncii sale va fi socotit perfect în felul lui; când i se va cere însă să reflecteze asupra oricăreia din formele acelea şi să se gândească dacă nu poate găsi prin propria lui imaginaţie altele mai bune, el se va opri; de îndată ce va începe să gândească, execuţia lui va deveni şovăielnică şi în zece cazuri la unul, gândirea lui va fi greşită; în zece cazuri la unul va comite o eroare din prima trăsătură cu care începe lucrarea ca fiinţă care gândeşte. Dar în ciuda acestui lucru, el va deveni om, după ce înainte a fost doar o maşină, o unealtă însufleţită…”

Bibliografie

1. G.Leen, D.Heffernan, Expanding Automotive Electronic Systems, in Computer 0018-9162/02©2002IEEE, ianuarie 2002

Revista Virtuala Info MateTehnic ISSN 2069-7988

ISSN-L 2069-7988

7

2. C.Tai, T.C.Tsao, Control Of An Electromechanical Actuator For Camless Engines, Proceedings of the American Control Conference Denver, Colorado June 4-6, 2003, pag. 3113-3118

3. C. Tai, T.C.Tsao, Control Of An Electromechanical Camless Valve Actuator , Proceedings of the American Control Conference Anchorage, AK May 8-10, 2002, pag. 262-267

4. W.Salber, H. Kemper, F. Van der Staay, T. Esch, Der elektromechanische Ventiltrib – Systembaustein für zukünftige Antriebskonzepte, MTZ Motorzeitschrift 62 / 1, p.44-55, 2001

5. J. Born, Electromechanical variable valve actuator - US Patent 5,592,905 / 1997 6. C.Tai, A.Stubbs, T.C. Tsao, Modeling and Controller Design of an Electromagnetic Engine

Valve, Proceedings of the American Control Conference Arlington, VA June 25-27, 2001, pag.2890-2895

7. C.Puchalski, T.Megli, M.Tiller, N.Trask, Y.Wang, E.Curtis, Modelica Applications for

Camless Engine Valvetrain Development, Proc.2nd International Modelica Conference, March 18-19 2002, Oberpfaffenhofen, Germany, pag.77-86

8. R. Uhlenbrock, J. Melbert, G. Lugert, Smart Actuator for Sensorless Electromagnetic Variable Valve Actuation, Society of Automotive Engineers, Inc., 01ATT491

9. Y. Wang, T. Megli, M. Haghgooie, K.S. Peterson, A.G. Stefanopoulou, Modeling and

Control of Electromechanical 10. Revista de politica ştinţei şi şcientometrie – număr special 2005 “Raport de cercetare”. 11. Ştefan Ispas – Inginerul, Editura Militară , Bucureşti 1991. 12. Agache Săndel – Note de curs pentru modulul 10 “Sisteme mecatronice”. 13. WWW.pdffactory.com. 14. WWW.regielive.