Cap.1 INSTALAŢIA ELECTRICĂ A AUTOMOBILULUI.

Transcript

1 Cap.1 INSTALAŢIA ELECTRICĂ A AUTOMOBILULUI Destinaţie. Structură generală. Instalaţia electrică a automobilului este ansamblul tuturor echipamentelor electrice şi electronice, generatoare şi receptoare instalate la bordul său şi interconectate prin cabluri şi/sau conductori electrici având ca scop [1]: producerea (generarea) şi stocarea energiei electrice la bordul automobilului; alimentarea cu energie electrică a tuturor receptorilor la o valoare cât mai constantă a tensiunii de alimentare, atât în mers cât şi în staţionare; asigurarea pornirii şi funcţionării motorului cu ardere internă de tip MAS(scânteie) şi respectiv MAC (compresie Diesel) al automobilului; controlul (măsurare, afişare) a parametrilor funcţionali ai motorului şi a celorlalte sisteme ale automobilului; iluminarea drumului şi a vehiculului (în interior şi exterior) la circulaţia nocturnă, semnalizare optică şi acustică; asigurarea confortului ambiental (şofer plus pasageri) independent de condiţiile de funcţionare ale motorului şi de condiţiile climatice externe. Echipamentul electric presupune orice dispozitiv implicat în procesul de producere, transport/distribuţie şi utilizare a energiei electrice. Generatorul electric este echipamentul electric ce transformă o anumită formă de energie (mecanică, termică, luminoasă, etc.) în energie electrică. Receptorul electric este echipamentul electric ce transformă energia electrică în alte forme de energie (mecanică, termică, luminoasă) pentru utilizare. Consumatorul electric reprezintă totalitatea receptorilor din cadrul unei instalaţii electrice interconectaţi conform unui scop comun. Echipamentele electrice şi electronice din cadrul instalaţiei electrice auto se grupează în sisteme electrice funcţionale; o imagine sintetică a structurii generale este reprezentată în schema-bloc din fig. 1.: - Sistemul de alimentare cu energie electrică: produce, furnizează şi înmagazinează energia electrică necesară alimentării tuturor receptorilor instalaţi pe autovehicul; - Sistemul de pornire: realizează punerea în mişcare (funcţionare) a MAS/MAC cu ajutorul unui motor electric ( demaror ) prevăzut cu dispozitiv electromecanic de cuplare a pinionului cu coroana dinţată a volantei de pe arborele cotit al MAI; - Sistemul de aprindere realizează la momente precise, succesiv în fiecare cilindru, scânteile necesare aprinderii amestecului carburant din cilindrii MAI tip MAS; - Sistemul de carburaţie electronică: permite dozarea precisă şi reglarea optimă a amestecului (carburant aer) în funcţie de mai mulţi parametrii ca: turaţia AC(arbore cotit), debit de aer admis (depresiunea din galeria de admisie), temperatura motorului şi a aerului ambiant, poziţia clapetei de acceleraţie, compoziţia gazelor de eşapament. Se compune din: injectoare, ventile electromagnetice şi circuite de comandă electronice aferente; - Sistemul de măsură şi control a parametrilor,semnalizare internă a avariilor: realizează măsurarea şi afişarea la bord a parametrilor funcţionali ai motorului şi ai autovehiculului în general. Se compune din: traductoare specifice (mărimi fizice neelectrice mărimi electrice) conectate la bornele aparatelor indicatoare,lămpilor sau avertizoarelor; - Sistemul de iluminare şi semnalizare : asigură (pe timpul nopţii sau în condiţii de vizibilitate redusă) iluminarea drumului şi a autovehiculului (exterior/interior), precum şi semnalizarea optică (schimbarea de direcţie, frânare, mers înapoi) şi acustică. Se compune din: corpuri de 1

2 iluminat echipate corespunzător cu surse electrice de lumină (faruri, lămpi de poziţie, direcţie, frână, mers înapoi etc.), aparataj electric aferent, claxon şi/sau sirenă; - Sisteme auxiliare: au rol de a facilita conducerea automobilului şi de a spori siguranţa circulaţiei rutiere precum şi de a asigura confortul ambiental în habitaclu. Se referă la: - ştergătore de parbriz acţionate electric; - electropompă pentru spălarea parbrizului,farurilor,etc.; - rezistori pentru dezgheţare/dezaburire lunetă; - aerotermă / sistemul de climatizare; - brichetă electrică; - sistem electric/electronic de securizare/antifurt; - echipamente radio/audio, cass,tv,telefon,etc. fig.1 Schema bloc a instalaţiei electrice auto. 2

3 1.2. Cerinţe tehnico-funcţionale specifice. Construcţia şi funcţionarea echipamentelor electrice[1] şi electronice[2] instalate pe automobile sunt determinate esenţial atât de condiţiile de mediu şi de exploatare mult mai dificile, în general, faţă de cazul echipamentelor electrice staţionare - precum şi de multiple condiţii tehnice specifice (parametrii funcţionali, fiabilitate, tipizare, implicaţii asupra securităţii şi siguranţei circulaţiei rutiere etc.) normalizate în standarde/normative. Condiţii impuse de mediul ambiant şi de modul de exploatare: Echipamentele electrice auto ca şi celelalte sisteme funcţionale existente pe automobil sunt supuse în funcţionare unor condiţii mecano-climatice variabile în limite largi datorate atât climei locale (dependentă de zona geografică, anotimp, altitudine etc.) cât şi căldurii, vibraţiilor şi şocurilor produse prin funcţionarea motorului şi rularea automobilului. Factori de mediu: 1.Temperatura mediului ambiant (variabilă funcţie de radiaţia solară şi căldura transmisă prin funcţionarea motorului, funcţie de condiţiile de ventilaţie în repaus sau în mers): -temperatura nominală: 20 o C±5 o C (climat temperat normal - N); -temperatura externă maximă admisibilă:45 o C; -temperatura maximă admisibilă în habitaclu:65 o C; -temperatura maximă admisibilă în compartimentul motorului:80 o C-95 o C; -temperatura minimă admisibilă pentru funcţionarea sigură:-20 o C; -temperatura minimă de funcţionare:-40 o C; -temperatura minimă de pornire cu demaror electric:-18 o C. 2.Umiditatea relativă a mediului ambiant: 10 80% Acţiunea umidităţii poate fi simultană cu cea a căldurii sau a atmosferei corozive (de exemplu: ceaţă salină). 3.Pătrunderea corpurilor străine solide şi a apei: echipamentul electric trebuie protejat corespunzător prin carcase, garnituri, etanşări etc., contra pătrunderii apei, prafului, noroiului, pietrelor, insectelor etc. Grade normale de protecţie(ipxy) sunt precizate în detaliu în [3] (prima cifră(x) reprezintă protecţia contra pătrunderii corpurilor străine solide; a doua cifră(y) reprezintă protecţia contra pătrunderii apei ). 4.Şocuri şi vibraţii (mai importante pentru elementele montate direct pe motor, comparativ cu cele pe caroserie): zdruncinături de transport (frecvenţă =1 3Hz, acceleraţie=3g 15g), vibraţii mecanice întreţinute (frecvenţă =10 55Hz, amplitudini de zecimi de milimetri). Prin concepţie şi execuţie, toate componentele şi subansamblurile echipamentelor electrice auto trebuie ca în aceste condiţii mecano-climatice dificile să poată funcţiona corect un timp cât mai lung ceea ce înseamnă fiabilitate. În scopul evaluării performanţelor echipamentelor electrice auto din acest punct de vedere, acestea se supun (în totalitate sau prin sondaj) unor încercări mecano - climatice riguroase, standardizate în: frig, căldură uscată, căldură umedă continuă/ciclică, impact/şoc, zdruncinări, cădere liberă, vibraţii, atmosferă corozivă, praf şi nisip, variaţii de temperatură etc. După efectuarea încercărilor, aparatajul trebuie să-şi menţină capacitatea de funcţionare normală, să nu prezinte deteriorări mecanice etc. Condiţii tehnice generale de calitate privind siguranţa funcţionării dispozitivelor electronice (incluzând radio-casetofon etc.) instalate pe automobil sunt prevăzute în standarde specifice conţinând valorile parametrilor de influenţă şi metodele de încercare adecvate la solicitări mecano-climatice. Alte condiţii tehnice generale pentru echipamentul electric auto: 1.Condiţii de normalizare tipizare unificare:, -tensiunea nominală de funcţionare: 3

4 6V tensiune continuă (motociclete, Trabant, Wartburg); 12V tensiune continuă (majoritatea autoturismelor şi autocamioanelor de tonaj mic şi mediu); 24V tensiune continuă (autobuze, autocamioane de tonaj mare (la P inst >700W)). -polaritatea: minusul autovehiculului(-) la masă;plusul(+)-cablat, (în trecut a existat (+) la caroserie dar s-a renunţat la această idee); în prezent, aproape în totalitate automobilele au receptorii conectaţi printr-un singur conductor la sistemul de alimentare cu energie electrică, închiderea circuitului realizându-se prin masa metalică a şasiului şi caroserieiautomobilului (cablaj optimizat din punct de vedere al volumului,masei,costului); -sensul de rotaţie al unor aparate din cadrul echipamentului electric auto:de exemplu sens orar pentru ansamblul ruptor -distribuitor (delco) privit dinspre capac; -regimul nominal de funcţionare: continuu, de lungă durată (aprindere, iluminat), intermitent (claxon, relee semnalizare, ştergătoare de parbriz) şi de scurtă durată (demaror, brichetă, pompa de spălat parbrizul). 2.Condiţii impuse de necesitatea asigurării fiabilităţii în exploatare: majoritatea elementelor echipamentului electric auto trebuie să poată funcţiona corect, fără defecţiuni grave pe întreaga durată de viaţă normală a automobilului, sau cel puţin până la prima reparaţie capitală (în condiţiile respectării riguroase a indicaţiilor de exploatare şi întreţinere ale producătorului). Orientativ se dau următoarele durate de funcţionare prescrise[1],[2]: -bateria de acumulatori: de cicluri normale de încărcare/descărcare (după care capacitatea poate scădea cu 50 70%); -dinam+releu regulator cu contacte: max km; -alternator +releu regulator electronic: max km; -demaror: min de porniri; -bujii: km; -ruptor cu contacte din aliaje Wo ( platini ): km; -bobina de inducţie: max km; -sistem de aprindere electronică: km; -lămpi cu incandescenţă: de ore. 3.Condiţii determinate de normele de securitate şi siguranţă a circulaţiei rutiere: reglementări naţionale conforme cu recomandări internaţionale[4] pentru măsuri unitare şi eficiente de creşterea siguranţei circulaţiei rutiere, reducerea poluării mediului ambiant, limitarea consumului de carburant etc.: sunt condiţii tehnice minime în care trebuie să se încadreze constructiv şi funcţional echipamentul electric auto. De exemplu: structura şi parametrii funcţionali obligatorii (putere nominală,culoare,număr de lămpi,etc) ai sistemului de iluminat şi semnalizare optică. 4.Nivelul maxim al perturbaţiilor radio electrice generate cu motorul în funcţionare nu trebuie să depăşească limitele câmpului perturbator conform: -100µV/m - pentru autovehiculele fără radioreceptori la bord; -50µV/m - pentru autovehiculele cu radioreceptor la bord; -10µV/m - pentru autovehiculele cu echipamente de radiocomunicaţie profesionale la bord. Pentru autovehiculele care nu respectă aceste condiţii se impun măsuri de antiparazitare corespunzătoare. Comisia Economică pentru Europa din cadrul O.N.U(CEE-ONU) a elaborat un ansamblu de Acorduri şi Convenţii[4] care reglementează în mod uniform,pentru ţările semnatare,principalele aspecte caracteristice activităţii de transporturi rutiere în trafic internaţional(condiţii tehnice, juridice,etc). În cadrul Convenţiei[4] au fost iniţiate şi adoptate peste 90 de reglementări tehnice prin intermediul cărora se urmăreşte amplificarea elementelor de securitate rutieră,reducerea efectelor nocive,de agresiune a autovehiculelor asupra mediului înconjurător,în condiţiile creşterii spectaculoase a traficului rutier şi saturării pieţei de automobile. Instituţia naţională competentă în acest domeniu şi recunoscută oficial pe plan internaţional este Registrul Auto Român(R.A.R) din cadrul Ministerului Transporturilor. 4

5 1.3. Prezent şi perspective în evoluţia echipamentelor electrice şi electronice auto. În anul 1902 BOSCH a produs prima bujie; începând cu anul 1925 aceeasi companie impune etaloane şi în domeniul înaltei precizii, oferind dispozitive de aprindere tranzistorizate, diferite tipuri de bobine de inducţie,piese pentru aprindere(contacte platinate,rotoare,capace de distribuitoare,etc.);în anul 1986 BOSCH începe producţia primelor sisteme de injecţie Diesel - electronice destinate automobilelor. Până în prezent, automobilul este departe de a fi un vehicul adaptat la protecţia ecologică. Automobilul electric este capabil să contribuie indirect la evitarea distrugerii structurilor fragile ale mediului ambient. În pofida orientărilor pe termen lung adoptate de o serie de legislatori influenţi care intenţionează să vadă progresele în dezvoltarea automobilelor mult mai prietenoase mediului, limitări serioase în tehnologia bateriilor conduc inevitabil la ideea că doar dezvoltarea automobilului electric cu adevărat viabil rămâne ultima ţintă spre care orice producător de automobile trebuie să aspire în viitor. În acelaşi timp,motoarele care se bazează pe derivaţi ai combustibililor fosili ca sursă de energie primară, vor continua să asigure în principal sistemul de propulsie al automobilelor. Legislatorii pot conta pe menţinerea presiunii asupra producătorilor de automobile pentru reducerea emisiilor poluante. Electronica din componenţa automobilului creşte continuu datorită cerinţelor crescute privind protecţia mediului, securitatea şi consumul sporit de energie electrică. Cu 60 de ani în urmă (~1950) conţinutul de electronică din componenţa automobilului era aproape zero. În anul 1998 valoarea medie a electronicii în automobil era de cca. 500 USD; în anul 2001 aceasta valoare a depaşit 1000 USD/automobil. Această piaţă de cca. 100 bilioane USD a fost creată datorită reglementărilor de antipoluare şi economie de energie. Acest lucru a permis startul electronicii auto; ulterior, această industrie a descoperit imensele posibilităţi ale electronicii: creşterea numărului de funcţii pentru control, eficienţă, fiabilitate şi alte aplicaţii electronice. Prima introducere a electronicii în anasamblul automobilului a fost pentru managementul motorului (presiunea verde mondială datorată poluării). În al doilea rând electronica s-a introdus pentru sporirea siguranţei ( airbag-uri, sistemul ABS (Anti-Brake-Locking-System)), îmbunătaţirea confortului (suspensii active, control electric al direcţiei, control inteligent al iluminatului). Expansiunea electronicii pe automobile are rolul de a realiza integrarea cât mai eficientă a următoarelor principale aplicaţii: Tracţiune: -injecţie de benzină integrată; -control aprindere,transmisie,cutie de viteze; -diagnostic la bord. Securitate şi şasiu: -airbag-uri inteligente, laterale/spate; -evitare coliziuni; -sistem frânare ABS; -control suspensii active, direcţie. Conducere inteligentă: -sistem de navigaţie (GPS); -recunoaştere vocală; -control activ. Electronica în habitaclu: -control climatizare habitaclu; -afişaje; -imobilizatoare; -acces fără cheie; -sistem integrat de comunicaţii; -atenuare zgomot. 5

6 În anul 1978 Motorola a realizat primul microcontroller pentru managementul motorului. Astfel noxele au scăzut de 4 5 ori în perioada Noile sisteme de control al motorului constau dintr-o unitate centrală cu injector şi aprindere cu comutatoare statice. Fiecare tip de sarcină al fiecărui sistem dintre cele enumerate mai sus e controlat de un microprocesor descentralizat; comanda diverselor sarcini locale se realizează prin interfeţe şi electronică de putere. Sistemul de iluminare necesită electronică pentru îmbunătăţirea performanelor actuale (creşterea eficienţei lămpii) prin adoptarea lămpilor de tip HID (High Intensity Discharge); tensiunile înalte de amorsare şi de descărcare în arc, necesare pentru funcţionarea acestui tip de lămpi, impun utilizarea cel puţin a unui balast electronic. Controlul presiunii în anvelope este, de asemenea un sistem recent care contribuie la îmbunătăţirea siguranţei şi a confortului automobilelor. Toate aceste sarcini electrice conduc la o importantă creştere a consumului de energie. Actualmente puterea electrică stocată la bordul autovehiculelor în bateriile de 12V depăşeşte valoarea de 2000W. Aceasta ar însemna un curent mediu total de 200A, adică conductoare groase de cupru cu masă relativ mare. O soluţionare a acestei probleme este: baterii cu tensiuni mai mari de 42V sau instalarea unor sisteme multiplexate. În stadiul actual, în ansamblul eforturilor privind reducerea costurilor şi a noxelor, creşterea confortului şi a securităţii active şi pasive, etc., varianta de automobil electric sau cu hibridizare (cu motor termic) constituie o soluţie promiţătoare atât pentru transportul rutier urban cât şi pentru cel interurban [5]. Avantajele automobilelor electrice: - randamentul (energia mecanică furnizată/energia absorbită) motorului electric este ~ 90%, faţă de cca.(33 35)% la motorul termic de tip MAS(Otto), respectiv de ~40% la motorul termic MAC (Diesel) ; - acţionarea electrică directă a roţilor motoare (de tracţiune) reduce aproape la zero pierderile mecanice prin eliminarea cutiei de viteze (funcţia acesteia e preluată de module electronice de alimentare cu un raport tensiune/frecvenţă variabil); - degajările de noxe, cca. ( )g. CO 2 /kilometru la un vehicul cu motor termic, devin nule la un vehicul integral electric; Motorul electric pentru automobile trebuie sa corespundă unor cerinţe specifice: - valori cât mai mari pentru raportul de performanţă: putere dezvoltată/unitate de masă[kw/kg]; - robusteţe ridicată la solicitările mecano climatice (umiditate, praf, temperaturi extreme, şocuri, vibraţii,etc.); - capacitate de răcire cât mai eficientă; - dimensiuni de gabarit minime(compacte); posibilitatea încorporării motorului electric în butucul roţii de tracţiune a automobilului ( ACTIVE WHEEL ), precum şi posibilitatea frânării electrice recuperative (motorul electric este reversibil); - energia de frânare (aproximativ 80%) poate fi reconvertită electric pentru încărcarea bateriilor de acumulatori. Bateria de acumulatoare este, în cadrul sistemului electric al acestui tip de automobile veriga slabă care împiedică ofensiva automobilelor electrice pe piaţa auto. La o cantitate specifică de energie electrică stocată de 200w*h/kg (maximum de performanţă atins în prezent), aceasta reprezintă doar 1/50 din echivalentul energetic al carburanţilor lichizi (10000 w*h/kg). În consecinţă autonomia automobilului electric este limitată la aproximativ ( )km, acceptabilă doar pentru transport urban. Se au în vedere acumulatori de tipul NiMeH (nichel-metal-hidruri) cu o capacitate specifică de stocare a energiei electrice de cca. ( )w*h/kg şi o durată de viaţă de peste 1000 de cicluri convenţionale şi acumulatori de tipul litiu-ion-polymer membrană cu o capacitate de cca. ( ) w*h/kg şi o durată de viaţă de maximum 2000 de cicluri. 6

7 Cap.2 SISTEMUL DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ. Sistemul de alimentare cu energie electrică (SAE) al oricărui autovehicul furnizează energia electrică necesară funcţionării (la parametrii adecvaţi) tuturor receptorilor instalaţi/conectaţi la bordul acestuia. Se compune din (fig.2): fig.2 Schema electrică a sistemului de alimentare cu energie electrică. GE generator electric rotativ( alternator ); RRT- releu regulator de tensiune; BA- bateria de acumulatoare; Rd- redresor. 1 bateria de acumulatoare (BA) cu rolul de a: -alimenta electromotorul (demarorul) şi sistemul de aprindere la pornire, precum şi restul receptorilor de pe autovehicul în staţionare(cu motorul oprit); -contribui (alături de releul regulator de tensiune) la menţinerea unei tensiuni continue constante (6,12V sau 24V) în ansamblul instalaţiei electrice a auto, independent de variaţia turaţiei şi de numărul variabil de receptori alimentaţi; -prelua vârfurile de sarcină (de încărcare) ce apar când puterea electrică absorbită de receptoare depăşeste puterea electrică maximă debitată de generator (noaptea,iarna). Bateria de acumulatoare, conectată în paralel cu generatorul electric rotativ (conexiune în tampon ), stochează energie electrică şi alimentează consumatorii în repaus (pe durata opririi motorului MAS/MAC); 2 generator electric rotativ (GE) (în c.c.-dinam sau în c.a. alternator cu redresor înglobat) antrenat în mişcare de motorul cu ardere internă al automobilului transformă energia mecanică în energie electrică cu care se alimentează toate receptoarele de la bordul autovehicului şi încarcă bateria de acumulatoare la tensiuni relativ constante (6V sau 12V sau 24V). Avantajele alternatoarelor: mai robuste, mai fiabile, construcţie şi întreţinere mai simplă, puterea specifică (W/kg) de 3-5 ori mai mare ca dinamul, funcţionare bună (I,U) într-o plajă largă de turaţii ( rot./min). 3 releu regulator de tensiune (RRT ) (electric sau electronic) cu rol de a stabiliza tensiunea electrică (în general prin reglarea excitaţiei GE) debitată de generator. Variaţiile de tensiune depind de turaţia MAI şi de sarcină. 4 elemente componente de cablaj şi conectică: conductori, cabluri, papuci, conectori, siguranţe fuzibile, întrerupătoare şi comutatoare.etc. 7

8 2.1. Bateria de acumulatoare (BA). Cele mai vechi şi cele mai utilizate baterii sunt cele cu plăci de plumb şi electrolit acid, folosite ca baterii de pornire[1]. Pentru utilizări specifice (de exemplu la motociclete 6V) se fabrică în mod curent şi acumulatoare alcaline (electrolit alcalin: soluţie apoasă de KOH sau NaOH, electrozii sunt cupluri de : Ni-Cd,Ni-Fe,Ni-Zn,Ag-Zn etc). Bateriile de acumulatoare sunt formate din elemenţi (celule) de acumulatoare. Un element (celulă) acumulator e o pilă electrică reversibilă-generator de c.c. electrochimic constituit principial din doi electrozi metalici de natură diferită introduşi într-un electrolit (conductor de speţa II (conducţie ionică)). La contactul între un metal (conductor speţa I) şi un electrolit (conductor speţa II) apare un câmp electric imprimat galvanic (E i [V/m]) care creează t.e.m. de contur. Tensiunea electrică imprimată se exprimă prin relaţia (1): U i = Γ E i dl [V] (1) După rolul pe care îl îndeplinesc pe autovehicul bateriile de acumulatoare pot fi: baterii de pornire şi baterii pentru tracţiune. Bateriile de pornire, conectate în paralel cu generatorul de curent îndeplinesc următoarele funcţii: alimentează demarorul şi sistemul de aprindere la pornirea motorului, alimentează consumatorii când motorul este în repaus, preiau vârfurile de sarcină când cererile de curent sunt peste posibilităţile generatorului, contribuie la menţinerea unei tensiuni constante în instalaţia electrică, indiferent de regimul de lucru al generatorului. La alimentarea demarorului, aceste baterii trebuie să asigure un curent foarte mare (de ordinul sutelor de amperi) dar pentru o durată scurtă. Pentru a putea face faţă curenţilor mari, fără ca tensiunea la borne să scadă prea mult, este necesar să aibă o rezistenţă internă foarte mică([mω]). Construcţie Bateria de acumulatoare este formată dintr-o carcasă (cuvă) confecţionată din ebonită sau material plastic, compartimentată în 3 sau 6 elemente (celule) ( fig. 3). fig.3 Bateria de acumulatoare acidă Fiecare element constituie un acumulator având o tensiune nominală de 2 V, format dintr-un ansamblu de plăci pozitive şi negative izolate între ele prin separatori confecţionaţi din material plastic. Plăcile de aceeaşi polaritate sunt legate între ele prin punţi de plumb pe care se aşează borna de legătură. Celulele se leagă între ele în serie, rămânând la exterior doar bornele principale ale bateriei. Electrozii sunt formaţi din grătare de Pb care sunt iniţial pastate (acoperite) cu o pastă din oxizi de plumb (miniu=pb 3 O 4 ; litarga=pbo) în aşa numita stare neformată. Electrozii sunt scufundaţi în soluţie apoasă de H 2 SO 4 despartiti prin membrane microporoase (separatori) care permit transferul de ioni dar împiedica atingerea (contactul) directă = scurtcircuit. Totul este amplasat intr-o cuva (bachelit, termoplaste) rezistenta la H 2 SO 4.Prin aşa-numita operaţie de formare (a cărei reţetă diferă de la un procedeu de fabricaţie la altul) care constă în principal în alimentarea cu curent a acumulatorului, electrozii se transformă astfel: - plăcile pozitive se acoperă cu PbO 2 (culoare cafenie); - plăcile negative se acoperă cu Pb spongios (culoare cenuşie); iar electrolitul ajunge la concentraţia caracterizată prin densitatea de 1,27 g/cm 3. Funcţionare Funcţionarea bateriei are loc în baza reacţiilor chimice reversibile de încărcare- descărcare care se produc în interiorul celulelor. 8

9 Procesul de încărcare are loc dacă la bornele elementului accumulator se aplică o tensiune electrică U b >U i cu polaritatea corespunzătoare(fig.4). fig. 4 Procesul de incărcare al bateriei La încărcare reacţiile chimice sunt: Starea iniţială (încărcare). Electrod (+) Electrolit Electrod(-) PbSO 4 H 2 O/H 2 SO 4 PbSO 4 Sens I î în element: > Circulaţia ionilor: SO H 2 Reacţii chimice la electrozi: PbSO 4 +SO 4 +2H 2 O= PbSO 4 + H 2 = PbO 2 +2H 2 SO 4 Pb+H 2 SO 4 Starea finală a electrozilor: PbO 2 Pb spongios (cafeniu) (cenusiu) Rezultă ca prin încărcarea acumulatorului se regenereză substanţele active: sulfatul de Pb şi apa se transformă în Pb ce se depune poros pe plăcile (-), peroxid de Pb (PbO 2 ) ce se depune pe plăcile (+) şi H 2 SO 4 ceea ce înseamnă creşterea densităţii electrolitului la valoarea caracteristică de încărcare (1.27g/cm 3 ). Reacţile electro-chimice din cursul procesului de încărcare regenerează atât pasta activă de pe plăci cât şi densitatea H 2 SO 4, paralel cu diminuarea sulfatului de plumb; în consecinţă U i creşte şi Ri scade. Tensiunea la bornele elementului de acumulatori este dată de relaţia (2) : U b = U 0 + I i* R i [V] (2) Unde:U 0 U i tensiunea de mers în gol (valoarea măsurabilă cea mai apropiată de tensiunea internă U i ). Un element acumulator cu plumb şi electrolit acid încărcat are tensiunea nominală de 2V. Procesul de descărcare se produce dacă la bornele exterioare(+ ; -) ale elementului respectiv se închide circuitul printr-o rezistenţă R S şi ia naştere curentul de conducţie I d conform legii conducţiei electrice (legea lui Ohm, vezi fig.5.) fig.5 Procesul de descărcare al bateriei 9

10 Descărcarea acumulatorului comportă urmatoarele reacţii globale: Starea înainte de desc. Electrod (+) Electrolit Electrod(-) PbO 2 H 2 SO 4 /H 2 O Pb spongios (cafeniu) (cenusiu) Sens I d în element: < Circulaţia ionilor: ++ H 2 -- SO 4 Reacţii chimice la electrozi: PbO 2 +H 2 +H 2 SO 4 = Pb+SO 4 = PbSO 4 +2H 2 O PbSO 4 Starea finală a electrozilor: PbSO 4 PbSO4 Rezultă că la ambii electrozi atât pasta activă cât şi acidul se consumă se transformă în apă şi sulfat de plumb (plăcile se sulfatează, iar concentraţia acidului scade); plăcile electrozilor fiind identice, acumulatorul nu mai poate debita curent. Tensiunea la bornele elementului de acumulatori este dată de relaţia (3): U b = U 0 I d *R i (3) unde: -U 0 [V] = ρ electrolit - tensiunea la borne în gol (I d =I i =0) aprox. egală cu U i dependentă de masa pastei active, de densitatea electrolitului, de temperatura etc. -U b [V] - tensiunea la borne în sarcină (la curentul I d ) depinde de căderile de tensiune pe rezistenţa internă R i. Rezistenţa internă a unui element este foarte mică şi se compune din: rezistenţa electrolitului (50%), a separatorilor(20%) şi a plăcilor(cca 30%). R i depinde de temperatura mediului ambiant, starea de încărcare/descărcare (~3x>R i încărcată), rezistenţa legăturilor. R i are o importanţă deosebită la pornire deoarece la curenţi de sute de amperi rezultă căderi mari de tensiune U i =I d *R i. Caracteristici tehnice Energia necesară pentru pornirea electrică a unui motor cu ardere internă cât şi alimentarea consumatorilor trebuie furnizată de către BA. În general, mărimea BA este determinată de puterea necesară pentru pornire, caracteristicile demarorului, momentul de torsiune pe care trebuie să-l asigure demarorul şi turaţia necesară la pornire. Din cauza condiţiilor de pornire variate şi în special din cauza influenţei temperaturii, se cer cunoştinţe precise asupra proprietăţilor bateriei de acumulatoare: 1.CAPACITATEA (C) cantitatea de sarcini electrice stocate masurată convenţional prin produsul curent(i d sau I i ) x timp(h) într-un anumit regim de funcţionare până la limitele admisibile ale descărcării (sau încărcării): C d =I d *t d [Ah] ; C i =I i *t i [Ah] (4) Capacitatea depinde de cantitatea de masă activă a plăcilor şi de numărul lor (de fapt din întreaga masă activă doar 50-60% ia parte la reacţiile electrochimice rezultând coef. de utilizare a masei active). Capacitatea plăcilor (-) Pb spongios e mai mare decât a plăcilor (+) PbO 2. Capacitatea bateriilor noi e mai mică, ea creşte după câteva cicluri de încărcare-descărcare apoi scade pe masură ce bateria se uzează (în principal datorită sulfatării). Capacitatea nominală (C 20h )=produsul între valorile standard ale curentului [A] şi timpului [h]. Capacitatea nominală se obţine pentru un curent constant: I d =0.05*C 20h [A] care trebuie să descarce bateria în timpul t d =20h până la tensiunea de 1.75V pe element la θ o ref. electrolit=25 o C. (Ex: BA 12V/45Ah I d =0.05*45=2.25A; I d *t d =1.25*20=45Ah sau 12V/55Ah I d =0.05*55=2.75A; I d *t d =2.75*20=55Ah) 2.TENSIUNEA NOMINALĂ (U N ) e determinată de numarul de elemente în serie (6V;12V) 3.CAPACITATEA DE DESCĂRCARE RAPIDĂ caracterizează proprietaţile bateriei din punct de vedere al pornirii electrice a motoarelor, la temperaturi scăzute: -18±1[ C]. Se descarcă bateria sub 10

11 un anumit curent de descărcare. I d =(3-3.5)*C 20h [A] un timp td=3min; descărcarea se opreşte când U b 6V (pt U N =12V) (Ex: BA 12/45Ah I d = A ; 12/55Ah I d = A) 4.CURENTUL DE ÎNCĂRCARE (I î ) = curentul pe care o baterie nouă, încărcată în prealabil, poate să-l absoarbă după ce a fost descărcată timp de 5h. cu un curent I d =0.1C20h [A]. Acesta este curentul de încărcare al BA etapa I. 5.RANDAMENTUL BA = raportul dintre cantitatea de electricitate cedată la descărcare faţă de cea primită la încărcare. Este: η c = Ah cedaţi*100/ah absorbiţi = 85-90% funcţie de capacitate. η w = Wh cedaţi*100/wh absorbiţi = 75-85% funcţie de energie Randamentul scade dacă bateria de acumulatoare se încarcă cu o tensiune mai mare ca cea normală (supravoltat), dacă se descarcă sub limitele admisibile, dacă R i este mai mare decât valorile normale. 6.AUTODESCĂRCAREA (S) = pierderea capacitatii bateriei pe durata depozitarii sau nefolosirii (STAS: max 20% în 28zile) S=(C-C )*100/C [%] (5) C=capacitatea medie obţinută în cursul a două descărcări iniţiale [Ah] C =capacitatea măsurată după depozitarea bateriei un număr de zile [Ah] 7.DURATA DE FUNCŢIONARE (DF) = numărul de cicluri încărcare-descărcare până la care capacitatea scade la 60-70% din cea nominală. DF este limitată de distrugerea progresivă a plăcilor pozitive (mai subţiri, mai puţin rezistente ca cele (-): 250 cicluri pt plăci (+) si 300 cicluri pt plăci (-). În prezent cu perfecţionări tehnice de fabricaţie, DF a putut fi crescută de la 18 luni (respective km) la luni ( km). Pentru prelungirea DF se iau următoarele măsuri: control periodic, completare electrolit (la km), verificarea tensiunii elemenţilor şi densitatea electrolitului (la km). Bateria de acumulatoare pentru sistemele de alimentare cu energie electrică al autovehiculelor se alege în funcţie de următoarele criterii: -tensiunea nominală; -capacitatea nominală (funcţie de principalul consumator); -curentul debitat la demaraj; -tipul constructiv, dimensiuni (funcţie de locul de montaj); -criterii economice. 11

12 2.2. Generatorul electric rotativ. Generatorul electric rotativ (GE) antrenat în mişcare de motorul cu ardere internă al automobilului (doar în timpul funcţionării) transformă energia mecanică în energie electrică; alimentează toate receptoarele de la bordul autovehiculului şi încarcă bateria de acumulatoare la tensiuni aproximativ constante (6V / 12V / 24V). Alternatoarele pentru automobile (fig.6) sunt generatoare sincrone trifazate prevăzute cu redresoare statice, care folosesc de obicei diode cu siliciu, şi ca urmare nu mai necesită colectoare cu lamele ca în cazul dinamurilor. Ele au rolul de a alimenta cu curent electric consumatorii (receptoarele) şi de a încărca BA. Reprezentarea convenţională a alternatorului este arătată în figura de mai jos: fig.6 Schema electrică a alternatorului cu redresor încorporat B + - borna pozitivă; D - -borna negativă; DF borna de excitaţie; B ex înfăşurarea de excitaţie a rotorului; K- comutatorul cheii de contact; RT regulator de tensiune. Puterea instantanee dezvoltată de alternator este: Puterea activă medie pe o perioadă este: p 1 = u e1 i 1 + u e2 i 2 + u e3 i 3 (6) P = T 1 T 0 pdt =3 U f I f cosφ = 3 U l I f cosφ (7) În regim de funcţionare autonom (ω=2*π*f) nu este fixă, ci dependentă de turaţia de antrenare(n 1 ): p n1 f = 60 [Hz] (8) pentru n 1 =750 rpm 6000 rpm şi p=6(perechi de poli) f=75 600[Hz] 12

13 Între mărimile electrice (I,U) în c.a. şi mărimile electrice (I s,u s ) în c.c. există următoarele relaţii, ţinând cont de configuraţia redresorului de tip punte trifazată necomandată: 2 I (1)(2)(3) = Is 0,816 I s (9) 3 U (1)(2)(3) = U (RS)(ST)(TR) = Puterea aparentă necesară a fi debitată pe sarcină: Curentul printr-un element al punţii redresoare: π U s 0,42 U s (10) 3 6 π U s 0,74 U s (11) 3 2 S GS = 3 π Us I s 1,047 P s (12) I V = unde k s =coeficient de supraîncărcare (1,3 1,5). Tensiunea în stare de blocare a unei diode: 1 Is k s (13) 3 U V = 3 π Us β u (14) Pentru cazul specific instalaţiilor electrice de pe autovehicule (generator sincron autonom care debitează pe o reţea proprie), principalele caracteristici relevante pentru funcţionarea alternatoarelor sunt prezentate în fig. 7: -Caracteristica de mers în gol (fig. 7a) : Ue= f(i ex )(n=n N =constant, I=0, Ue rem (5 10)%U N ); -Caracteristica externă (fig. 7b): U= f(i)(n=n N =ct., I ex =ct., unde: curba a. ( cosφ =1) pentru receptori cu caracter rezistiv; curba b. ( cosφ>1) pentru receptori cu caracter inductiv; curba c. (cosφ<1) pentru receptori cu caracter capacitiv; -Caracteristica de reglare (fig. 7c): I ex = f(i)(n=n N =ct., U=U N =ct. unde: curba a. ( cosφ =1) pentru receptori cu caracter rezistiv; curba b. ( cosφ>1) pentru receptori cu caracter inductiv; curba c ( cosφ<1) pentru receptori cu caracter capacitiv. fig.7 Diagramele caracteristicilor alternatorului a) Caracteristica de mers în gol; b) Caracteristica externă; c)caracteristica de reglare 13

14 Bilanţul energetic al alternatorului se va prezenta în fig. 8, unde: P 1 = p m + P δ ; P δ = P 2 + p cu2 + p Fe2 ; P 1 = M 1 Ω; P 2 = 3 U l I f cosφ (15) fig.8 Bilanţul energetic al alternatorului P 1 -puterea mecanică de antrenare; p m pierderi mecanice(prin frecare la arbore, autoventilaţie); p Fe2 - pierderi prin curenţi turbionari; P δ - puterea electromagnetică care se transferă în întrefier; P 2- puterea utilă (de ieşire); p cu2 - pierdere ohmică în înfaşurările statorice; În general, alternatoarele pentru automobile se construiesc cu indusul în stator şi inductorul în rotor. Inductorul poate fi cu excitaţie electromagnetică sau cu magnet permanent. În prezent, construcţia cea mai răspândită este cea a alternatorului cu excitaţie electromagnetică cu două inele colectoare, având polii inductorului sub formă de gheare. La acest tip, înfăşurarea de excitaţie se compune dintr-o singură bobină aşezată concentric pe axul rotorului, ceea ce permite o construcţie simplă,compactă şi economică. Datorită polilor în formă de gheare şi a suprafeţelor trapezoidale ale tălpilor acestora se obţine o formă de undă aproape sinusoidală pentru inducţia (B δ ),în întrefier. Cele mai răspândite construcţii pentru puteri mai mari de 500 W, sunt cele trifazate cu redresor în punte având şase diode (fig.6). 14

15 2.3. Releul regulator de tensiune. Deoarece generatoarele electrice ale autovehiculelor funcţionează în regim de turaţie şi sarcină variabilă tensiunea la bornele generatoarelor este variabilă. În vederea asigurării funcţionării normale a consumatorilor, generatoarelor sunt ehipate cu regulatoare automate de tensiune (RRT) care pot fi electromecanice sau electronice. Funcţionarea generatorului (dinam sau alternator) în tampon cu bateria de acumulatoare şi consumatorii din instalaţia electrică a autovehiculelor impune respectarea unor condiţii: 1. asigurarea unei tensiuni constante; 2. limitarea creşterii curenţilor peste o valoare maxim admisibilă; 3. asigurarea conectării/deconectării automate a generatorului de la baterie. 1.Tensiunea debitată de generator depinde de turaţie (variabilă în limite largi, conform regimului de funcţionare al MAI) şi de sarcină (numărul şi puterea consumatorilor alimentaţi la un moment dat). Un receptor este caracterizat de tensiunea nominală U N şi de puterea nominală P N,deci I N =P N /U N. Prin urmare se impune asigurarea unei tensiuni constante(u N ± U) folosind un dispozitiv regulator. 2.Limitarea curentului debitat de generator este necesară pentru protejarea generatorului la curenţi de suprasarcină în cazul: P Σ consumatori >P max generator. Uzual, alternatoarele obişnuite ( W) au proprietatea de autolimitarea curentului prin construcţie (datorită saturaţiei magnetice). 3.Conectarea/deconectarea automată a generatorului de la baterie e necesară numai la generatoarele de tip dinam: în staţionare, bateria s-ar putea descărca pe înfăşurarea de indus a dinamului; pentru eliminarea acestei disfunctionalităţi se foloseşte un releu conjunctor disjunctor care cuplează generatorul la bornele bateriei doar când U GE >U BA şi invers. La alternatoare, prezenţa punţii redresoare trifazate evită implicit manifestarea acestei disfuncţionalităţi. Releele electromagnetice cu contacte vibratoare. Cele mai răspândite regulatoare de tensiune în sistemul de alimentare cu energie electrică/auto sunt cele de tip releu electromagnetic cu contacte vibratoare. Acestea pot fi cu un element de tensiune (electromagnet) sau cu două elemente de tensiune şi fac parte din categoria regulatoarelor discontinue. Funcţionarea lui se bazează pe modificarea în trepte a curentului de excitaţie a alternatorului (de la I ex =I exn la I ex =0) în funcţie de limitele(u MIN U MAX ) prescrise pentru variaţia admisibilă (acceptabilă) a tensiunii la bornele generatorului. RRT cu o treaptă de reglaj (fig. 9): resortul ce acţionează asupra clapetei este elementul de prescriere, Fr U Prescrisă. Înfăşurarea electromagnetului ID prcursă de curentul I D dezvoltă în întrefier o forţă F m U măsurată. U U U I D = Fm ; I EX = ; I EX I EX R R ' = R + Rr ; I R = I EX + I (16) ID ID EX Pentru U m < U p (F m < F r ) contactul este închis rezultă că I EX are valoarea nominală în funcţie de U şi R EX ~5,6 Ω,respectiv GS debitează curent în instalaţie, în acest caz tensiunea creşte. Pentru U m U p (F m F r ) armătura mobilă este atrasă şi contactul se deschide rezultând I EX < I EX (f. introd. R r ), iar tensiunea la bornele GS/ GE scade,în acest caz contactul revine la poziţia închis. EX 15

16 fig.9 Schema de principiu a unui RRT cu o treaptă de reglaj RT regulator de tensiune; ID electromagnet (înfăşurare derivaţie); GS generator sincron ; GE generator electric; Rr-rezistenţă de reglaj; Rct-rezistenţă de compensare termică; Rex rezistenţă înfaşurare excitaţie generator. RRT cu două trepte de reglaj (fig. 10): răspunde mai bine la o gamă de turaţii extinsă: U -până la o anumită tensiune contactul este închis pe treapta I şi rezultă I EX = (nominal); REX -la tensiune mai mare armătura mobilă oscilează între I şi II, într-o poziţie intermediară rezultând I EX < I EX (tensiunea scade la turaţie constantă); -pentru tensiune mai mare armătura mobilă este atrasă mai mult şi închide contactul II,rezultând I EX 0 (înfăşurarea de excitaţie este scurtcircuitată la masă şi tensiunea scade la orice turaţie). Pentru a creşte precizia de reglare a tensiunii e necesară o creştere a frecvenţei de comutaţie a contactului I II. 16

17 fig.10 Schema de principiu a unui RRT cu două trepte de reglaj Releele electronice regulatoare de tensiune Releele electronice regulatoare de tensiune[2] fac parte din categoria regulatoarelor continue. Sunt realizate cu componente semiconductoare (tranzistori, cicuite integrate, diode, diode Zener, etc.). Pot fi: electronice cu contacte (ieşire pe releu) semitranzistorizate sau regulatoare electronice fără contacte care sunt mai răspândite. Avantaje: - statice, fără piese în mişcare; - funcţionează bine la curenţi de excitaţie mai mari (la autobuze şi autotrenuri); - durata de funcţionare fără întreţinere este mai mare; - volum, greutate, gabarit reduse; Dezavantaje: - sensibile la influenţa temperaturii (deriva termică a dispozitivelor semiconductoare); - posibilitate de distrugere la conectări greşite. Un exemplu de RRT electronic tranzistorizat este prezentat în fig

18 Funcţionare: fig.11 Schema de principiu a regulatorului electronic tranzistorizat T 2 tranzistor (pnp) de putere; T 1 tranzistor (pnp) de comandă; DZ diodă Zener stabilizatoare; R 1 R 2 divizor de tensiune; D diodă de descărcare a autoinducţiei din excitaţia generatorului; -la tensiuni mici ale alternatorului ( 13V) ce se aplică prin divizorul R 1 şi R 2 dioda DZ şi în baza tranzistorului T 1, tranzistorul T 1 este blocat (necomandat) rezultă că tensiunea în baza tranzistorului T 2 este aproximativ egală cu tensiunea debitată de alternator, aeasta înseamnă că tranzistorul T 2 este în conducţie, saturat deci circuitul T 2 E-C este închis, prin T 2 trece curentul care ajunge în înfăşurarea de excitaţie; -dacă tensiunea alternatorului creşte peste o anumită limită (de exemplu >14V) dioda DZ străpunge, intră în conducţie deci creşte tensiunea de polarizare a tranzistorului T 1, tranzistorul T 1 intră în conducţie, polarizarea în baza tranzistorului T 2, acesta se blochează şi curentul prin înfăşurarea de excitaţie scade, până la anulare şi tensiunea U debitată de generator scade. Dioda D inversă de descărcare este conectată în paralel cu înfăşurarea de excitaţie şi este absolut necesară pentru că la variaţia curentului de excitaţie apar supratensiuni periculoase pentru T 2, de aici rezultă necesitatea scurgerii tensiunii autoinduse. Un alt exemplu este un regulator electronic cu circuit integrat (amplificator operaţional - AO) (fig.12) care asigură menţinerea unei tensiuni constante la bornele bateriei de acumulatoare(funcţie de consum şi turaţie) prin reglarea curentului din înfăşurarea de excitaţie a alternatorului. fig.12 Schema de principiu a regulatorului cu circuit integrat (amplificator operaţional) Funcţionare: Elementul de bază este circuitul integrat AO conectat într-un circuit comparator-inversor - pe intrarea (+) neinversoare se aplică tensiunea de referinţă stabilizată cu dioda Zener (6.2 V); 18

19 - pe intrarea (-) inversoare se aplică o parte din tensiunea de alimentare (mărimea reglată) prin divizorul potenţiometric R 2 -P-Th. Termistorul Th (cu coeficient negativ de temperatură) compensează variaţiile temperaturii mediului. În funcţie de U REF -U MĂS ><0 la ieşirea AO se obţine o tensiune nulă sau pozitivă care comandă tranzistorul T 1 +T 2 (conexiune Darlington). Dacă U REF -U măs >0,T 1 este în conducţie,t 2 este în conducţie rezultă că prin înfăşurarea de excitaţie a alternatorului trece un curent.dacă U REF -U MĂS <0,tranzistorul T 1 este blocat,tranzistorul T 2 este blocat rezultă un curent în înfăşurarea de excitaţie de valoare zero şi în consecinţă scăderea tensiunii de alimentare U alim. Dioda D (în conexiunea diodă inversă ) protejază tranzistorul T 2 contra supratensiunilor de autoinducţie la descărcarea excitaţiei.condensatoarele C 1 şi C 2 filtrează(netezesc) tensiunea de alimentare a regulatorului. Tranzistorul T 2 poate comuta un curent de excitatie de pînă la 5A,deci este necesară montarea unui radiator de răcire (datorită puterii disipate), radiator pe care se va monta şi dioda inversă D. 19

20 Cap.3 SISTEMUL ELECTRIC DE PORNIRE Factorii care determină pornirea MAI. Sistemele de pornire electrică au rolul de a antrena MAI cu o turaţie şi un cuplu determinat, din starea de repaus până în momentul aprinderii amestecului carburant - momentul intrării în funcţiune a MAI. Sistemul electric de pornire (SEP) trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: asigurarea turaţiei şi cuplului necesar pornirii MAI pentru cele mai grele condiţii de pornire: funcţionarea sigură într-un domeniu extins de temperatură : -20 C 60 C; decuplarea automată a SEP după momentul pornirii(intrării în funcţiune) a MAI caracteristici tehnico-economice convenabile : dimensiuni reduse, greutate, mică, preţ de cost redus, întreţinerea simplă şi uşoară în expoatare. Factorii necesari a fi realizaţi de SEP pentru punerea în funcţiune a MAI sunt turaţia, cuplul şi puterea (fig.13). fig.13 Diagrama M=f(n) pentru corelarea parametrilor principali ai demarorului (puterea[cp]) şi ai bateriri de acumulatoare (tensiunea[v] şi capacitatea nominală[ah]) Turaţia de pornire (n p ) Turaţia de pornire minimă depinde de tipul constructiv al MAI : - MAS sau MAC cu variante. Între turaţia de pornire şi durata pornirii p (Fig.14) există o legătură obiectivă: - cu cât turaţia de pornire este mai mare cu atât mai mică este p. Durata necesară uzual pentru o pornire promptă, la o turaţie suficientă este : p = 3 8sec. 20

21 fig.14 Diagrama p = f(n p) Pentru motoare de tip MAS turaţia n p necesară depinde de : - sistemul de aprindere (calitatea scânteii la turaţii mici şi la rece); - sistemul de alimentare cu carburant (debit, presiune, pompă de benzină, etanşeitatea sistemului); - caracteristicile carburatorului (in special circuitele de pornire şi de mers în gol); - temperatura motorului(mediului la pornire). OBS: La turaţii mici, depresiunea în carburator este mică determinând astfel ca formarea amestecului carburant să fie deficitară. La temperaturi scăzute, amestecul carburant în contact cu pereţii reci ai cilindrilor suferă condensarea vaporilor de benzină determinând astfel un amestec mai sărac ce conduce la înecare. Turaţia minimă la pornire n pmin = rpm la MAS în condiţii de mediu (θ amb = 0 C 5 C).Pentru asigurarea pornirii prompte, sigure în cele mai grele condiţii, SEP pentru MAS realizează turaţii de cca: n p = rpm. Pentru motoare de tip MAC turaţia de pornire necesară n p depinde de : - sistemul de injecţie (construcţie pompă de injecţie, bujiiincandescente, etc); - temperatura din cilindrii la pornire; - temperatura mediului ambiant; La turaţii scăzute, presiunea generată de pompa de injecţie poate fi insuficientă pentru a determina pulverizarea combustibilului. De asemenea, aerul comprimat rece nu va ajunge la temperatura de autoaprindere a amestecului. Cu cât temperatura mediului ambiant este mai mică, cu atât trebuie ca turaţia de pornire n p să fie mai mare(iar când θ amb<0 C,pornirea este foarte mult îngreunată). Rezultă astfel turaţii necesare la pornire (pentru θ amb=0 C) : n p = rpm pentru MAC cu injecţie directă; n p = rpm pentru MAS cu anticameră+bujii incadescente; n p = rpm pentru MAS cu anticameră fără bujii incandescente; Rezultă, deci, că din motive de pornire promptă în cele mai grele condiţii, SEP pentru MAC realizează turaţii de pornire de cca: n p = rot/min. Cuplul de pornire (Mp) Cuplul de pornire este determinat de cuplul rezistent opus de MAI, care se exprimă: M p =M c + M f (17) unde: - M c este cuplul datorat raportului de compresie, - M f este cuplul datorat frecărilor interne MAI. Cuplul rezultat datorită compresiei (Mc ) la motoarele MAC este de aproximativ două ori mai mare ca la MAS raportul de compresie, respectiv compresia funcţională este mult mai mare ca la MAS. 21

22 Cuplul rezultat datorită frecărilor (Mf ) depinde de frecarea pistoanelor de pereţii cilindrilor, frecarea in lagărele arborelui cotit şi bielelor, frecările în pistoanele auxiliare (pompe apă, ulei, distribuţie, injecţie, etc). Cuplul M f depinde de tipul uleiului de motor (vâscozitatea acestuia) şi de temperatura motorului / mediului la pornire. La MAS se cere realizarea pornirii la temperatura θ min = -18 C, la MAC pornirea făra preâncălzire la θ min = -5 C 0 C (Costul SEP, inclusiv bateria de acumulatoare, este mai mare cu 50% la 18 C faţă de θ amb = -10 C). Cuplul de pornire Mp se poate determina prin calcul sau prin măsurători experimentale. Prin calcul simplificat[1] : M p = C V K [danm] (18) unde: - C [danm/dm 3 ] - coeficientul de volum al MAI; - V [dm 3 ] - capacitatea cilindrică totală a MAI ; - K = coeficientul de vâscozitate, funcţie de tipul de ulei motor,vâscozitate, temperatură. Pornind de la valoarea parametrilor cinematici (turaţia-n p şi cuplul-m p ) necesar a fi realizaţi la arborele cotit al MAI, parametrii necesari a fi realizaţi de SEP sunt : turaţia la pornire a demarorului n pd : n pd = k d n p [rpm] (19) unde: k d este raportul de transmisie - pinion/coroana dinţată a volantei. k d = z volant / z pinion >>1 (20) cuplul de pornire al demarorului (M pd ) : M pd = M p / k d η tr [danm] (21) unde: η tr randamentul transmisiei mecanice pinion/volantă puterea la pornire a demarorului P pd P pd = M pd n pd / 975 [kw] = M pd n pd / [CP] (22) Principalele componente ale SEP sunt electromotorul de pornire (demarorul) şi electromagnetul (solenoidul). 22

23 3.2. Electromotorul de pornire(demarorul). Motorul electric care corespunde cel mai bine condiţiilor impuse pornirii MAI este motorul de c.c. cu excitaţie serie, care, pe lângă alte avantaje, realizează cel mai mare cuplu de pornire (fig.15). Ecuaţiile de funcţionare: fig.15 Schema electrică a demarorului - tensiunea electromotoare indusă E este : E= K Ω Φ [V] (23) unde: - K=1/2π p/a N constanta motorului - parametrii p nr. de perechi de poli constructivi N nr. de conductoare înseriate a nr. de perechi de poli în paralel - cuplul electromagnetic M în întrefier este : M = P / Ω = EI / Ω [Nm] M = K Φ I [Nm] (24) - -expresia analitică a caracteristicii mecanice Ω = f(m) (sau n = f(m)) este : ( ) U M R + Ω = a R 2 2 Κ Φ Κ Φ rezultând din înlocuiri în relaţia de echilibru : es (25) U = E + I(Ra+Res) (26) În aceste relaţii fluxul magnetic Φ în întrefier nu este constant ci depinde de sarcina(încărcarea) motorului: Φ = Φ(I) (considerând miezul magnetic nesaturat rezultă că fluxul maşinii variată proporţional cu curentul) adică caracteristica macanică (fig.16) este o hiperbolă echilateră având asimptote: axa ordonatelor şi orizontala la -Ωa rezultând la mers în gol (M=0 ; I=0) Ω, iar la un cuplu (curent)infinit : M/ I, viteza unghiulară tinde la : Ω -Ωa. 23