WPROWADZENIE. Foto: Mercedes - Benz. Przygotował: mgr inż. Tomasz Widerski

Transkrypt

1 WPROWADZENIE Foto: Mercedes - Benz Przygotował: mgr inż. Tomasz Widerski 1

2 Trochę historii Pan Karl Benz otrzymuje patent na pojazd napędzany silnikiem spalinowym początek motoryzacji 1903 Zakłady Forda w Detroit otwierają linię produkcyjną początek produkcji seryjnej samochodów Foto: Ford 1913 Firma Bosch montuje w samochodach kompletny układ elektryczny: - prądnica 12V, - regulator i wyłącznik, - dwa reflektory świateł drogowych, - dwa reflektory świateł mijania, - jedno światło tylne, - oświetlenie tablicy rozdzielczej, - rozrusznik z wyłącznikiem nożnym, - akumulator 2

3 Lata 50-te, 60-te i 70-te... Firma GM montuje pierwsze urządzenie elektroniczne (na lampach elektronowych) w samochodach Cadillac i Oldsmobile (automatyczny zmieniacz świateł drogowych) Pierwsze na świecie tranzystorowe urządzenie do sterowania wtryskiem paliwa (Bosch) 1958 (produkcja 1967). Początek produkcji tranzystorowych układów zapłonowych (Ford, Bosch) Foto: Oldsmobile Foto: Opel, FSO Pierwszy seryjny cyfrowy układ wtryskowy do silników benzynowych (Bosch) Pierwszy samochód z wbudowanym układem ABS Integracja układu wtryskowego z układem zapłonowym Motronic (patent Bosch)

4 Lata 80-te i 90-te... Foto: BMW Pierwszy samochód z poduszką powietrzną (Mercedes S) Pierwsze układy sterowania do silników wysokoprężnych 1986 Początki elektronicznych układów sterowania skrzynką przekładniową i układów ASR Wprowadzenie magistrali CAN 1989/ Rozwój elektronicznych układów podnoszących komfort jazdy (multimedia, komunikacja samochód kierowca), oraz bezpieczeństwo (układy związane z poduszkami i pasami). Pierwsze systemy oświetleniowe oparte na lampach gazowyładowczych (Bosch, Hella, Delphi) Wprowadzenie układ stabilizacji toru jazdy ESP i elektronicznego pedału gazu (EGAS) Foto: BMW 4

5 Dzień dzisiejszy... Wprowadzenie światłowodów do samochodów i multimediów typu video. Zastosowanie logiki rozmytej i systemów bazujących na sieciach neuronowych w sterowaniu układem napędowym Sterowanie X-by-wire. Prace nad napędami alternatywnymi. Foto: BMW, Peugot, Mercedes 5

6 Rozwój silników spalinowych Charakterystyki mocy silników z różnych okresów produkcyjnych 6 Za: Uwe Rokosch Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD WKŁ 2007

7 Rozwój silników spalinowych Parametry silnika czterocylindrowego (ten sam producent i rodzaj zapłonu) Silnik wyczynowy 1913r Silnik seryjny 1992r Silnik seryjny 2005r Przygotowanie mieszanki gaźnik Wtrysk wielopunktowy Wtrysk bezpośredni Pojemność skokowa 4441cm3 1998cm3 2198cm3 Stopień sprężania ε 5,1 10,5 12 Moc max. 82KM/2800rpm 150KM/6000rpm 155KM/6000rpm Max. moment obrotowy 240Nm/1700rpm 196Nm/4800rpm 220Nm/3800rpm Max. zużycie paliwa 32 40l/100km 12 14l/100km 6,5 11l/100km Max. ciśnienie w cylindrze 1,6MPa 7,71MPa 8MPa Masa silnika 220kg 120kg 115kg Przyspieszenie 20s 8,5s 9,8s Max. prędkość 150km/h 223km/h 210km/h 7 Za: Uwe Rokosch Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD WKŁ 2007

8 Codzienna praca silnika Silnik 8-cylindrowy pracuje przy 5800rpm: Układ dolotowy: litrów powietrza (325km/h) Układ chłodzenia: 4,5 litra/s Cykle pracy: /min (tłok 535g) Praca tłoka: siła 5,7 tony, przyspieszenie do ponad 100km/h w czasie 0,002s Temperatura wewnątrz cylindra ok. 3000ºC Wałek rozrządu: 32 krzywki, nacisk 140kg na popychacz zaworu (48 razy/s) Spaliny: temperatura 960ºC, prędkość ponaddźwiękowa Dawka paliwa: dokładność miligram Zapłon: U V, dokładność wyzwolenia mikrosekunda Za: Uwe Rokosch Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD WKŁ

9 Codzienna praca silnika Bez sterowania elektronicznego (mikroprocesory) silniki: Zużywałyby 30% paliwa więcej Nie zapewniałyby kultury pracy i norm ekologicznych Miałyby dużo gorsze parametry niezawodnościowe i trwałość Za: Uwe Rokosch Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD WKŁ

10 System sterowania silnika Do 50 mln operacji /sek. Nadzór i sterowanie ponad 1200 funkcji Co 10ms rejestracja ok zmierzonych wartości Za: Uwe Rokosch Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD WKŁ

11 Trendy rozwoju elektroniki w pojazdach Koszty (elektronika okazała się tańsza, mniej podatna na zakłócenia i łatwiejsza w serwisowaniu) Ekologia (mniejsze zużycie paliwa, normy emisji spalin) Bezpieczeństwo (niezawodność, szybsze działanie, podejmowanie akcji niezależnie od warunków w zaistniałej sytuacji, większe możliwości sterowania) Osiągi (prędkość, przyspieszenie) 11

12 Przykłady rozwoju elektroniki w pojazdach Ekonomiczne... 0,5% 7% Układ zapłonowy % 25% Wartość komponentów elektronicznych w pojazdach i technologiczne Foto: BOSCH 12

13 Przykłady rozwoju elektroniki w pojazdach Opel Kadett 75 Opel Astra 96 Opel Omega 98 Ilość połączeń elektrycznych Łączna długość przewodów 280 m 1400 m 1523 m Ilość złączy Ilość układów sterujących Źródło: Delphi

14 Elektronika w samochodzie osobowym NAPĘD BEZPIECZEŃSTWO DIAGNOSTYKA ŹRÓDŁA NAPIĘCIA KOMUNIKACJA MAGISTRALE TELEINFORMATYCZNE KOMFORT 14

15 Elektronika w samochodzie osobowym BEZPIECZEŃSTWO Układ zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania ABS Układ zapobiegający poślizgowi podczas przyspieszania ASR Układ stabilizacji toru jazdy ESP Układy wyzwalania poduszek powietrznych i napinaczy pasów bezp. Oświetlenie LITRONIC Kontrola ciśnienia powietrza w ogumieniu Wskaźnik terminów obsługi Układy kontroli materiałów eksploatacyjnych Magistrala CAN Układy diagnostyczne Foto: Mercedes - Benz 15

16 Elektronika w samochodzie osobowym UKŁAD NAPĘDOWY Elektronika w jednostkach napędowych: Układy zapłonowe Sterowanie wtryskiem Układy regulacji Lambda Układy regulacji ciśnienia doładowania (turbosprężarki) Elektroniczne sterowanie skrzyni przekładniowej Magistrala CAN Diagnostyka pokładowa OBD Foto: Mercedes - Benz 16

17 Elektronika w samochodzie osobowym KOMUNIKACJA I KOMFORT Multimedia Komputer pokładowy Nawigacja, system GPS Nowe technologie wskazań (wyświetlacze, wskaźniki przezierne) Elektroniczne informowanie głosem, rozpoznawanie mowy Klimatyzacja Układ poziomowania nadwozia Układ kontroli przestrzeni poza pojazdem Systemy alarmowe Magistrala danych (CAN, MOST) Układy diagnostyczne Foto: Mercedes - Benz 17

18 Zasilanie pojazdu Źródła zasilania Linie przesyłowe Złącza Odbiorniki Źródło: Ford 18

19 Zasilanie pojazdu 2000 przewodów o łącznej długości ok. 4km i masie ok. 120kg, 1000 złączy, ponad 100 kontrolerów, zastosowanie zintegrowanego układu rozrusznik alternator i dużej ilości urządzeń związanych z komfortem i multimediami. Zwiększenie poboru energii do 6kW wczoraj 40 przewodów, 80 złączy dziś jutro Zastosowanie napędów elektrycznych i hybrydowych, zintegrowanych bloków sterowania napędami (falowniki i konwertery), zastosowanie systemów teleinformatycznych wyższych generacji do sterowania i diagnozowania pojazdu, Podwyższenie napięć zasilających w pojazdach do kilku kv, 19

20 Wzrost konsumpcji mocy Moc *1000 W Renault M egane (standart) 1980 Renault Renault Laguna (high - class) 2002 Renault Megane (high - class) 2002 Renault Laguna (standart) 2005 Renault Espace Źródło: Renault (2001) 20

21 Źródła energii elektrycznej w pojazdach Akumulatory Prądnice (alternatory) Ogniwa paliwowe Foto: Delphi 21

22 Akumulator statyczne źródło napięcia Akumulator służy do zasilania odbiorników elektrycznych w przypadku, gdy silnik pojazdu jest unieruchomiony. Akumulator jest ogniwem elektrochemicznym, w którym energia elektryczna gromadzi się na skutek przemian chemicznych. 22

23 Budowa akumulatora zacisk zawór bezpieczeństwa ("odgazowanie" akumulatora) pły ta ograniczająca wpły w udarów i drgań "pasek" łączący poszczególne pły ty elektroda dodatnia elektrolit przekładka separująca elektroda ujemna Foto: Delphi 23

24 Budowa akumulatora System akumulatorowy LiMotive (litowo-jonowy) dla pojazdów HEV i EV Foto: Bosch 24

25 Parametry akumulatorów Napięcie znamionowe 12V (24V, 36V) Min. napięcie wyładowania ogniwa (1,75V) Max. napięcie ładowania (2,4-2,75V na ogniwo) Znamionowa pojemność elektryczna Q20 (pojemność 20- godzinna) Znamionowy prąd wyładowania I20 (iloraz znamionowej pojemności i czasu 20h) Prąd rozruchowy (60 I20) Sprawność (energetyczna 60%-70%) Zdolność rozruchowa (dla temp. -18 C min. 3 min) 25

26 Akumulatory bezobsługowe Ograniczenie samowyładowania przez zastosowanie innych metali wchodzących w skład elektrod (płyt). Zwiększenie ilości elektrolitu poprzez modyfikację konstrukcji akumulatora Główne zadanie akumulatorów bezobsługowych to, zwiększenie czasu pomiędzy kolejnymi czynnościami obsługowymi i obniżenie kosztów obsługi. 26

27 Ładowanie akumulatora Ładowanie eksploatacyjne niedostateczne ładowanie alternatorem niewłaściwe utrzymanie długa przerwa w użytkowaniu wyładowanie przez odbiorniki w trakcie postoju Ładowanie normalne Ił=0,1 Q20 przez 10-13h (intensywne gazowanie) Ładowanie dwukrotne Ił=0,1 Q20 przez 8-10h (początek gazowania) Przerwa 2h Ił=0,05 Q20 przez 5-6h (intensywne gazowanie) Ładowanie awaryjne Ił=0,8 Q20 do początku gazowania Ił=0,1 Q20 do intensywnego gazowania) Ładowanie regeneracyjne Ładowanie odsiarczające Kilkukrotne ładowanie Ił=0,035 Q20 przez 8h z przerwami 1,5h Ładowanie pierwsze Napełnianie elektrolitem 1,28 g/cm3 Przerwa 5-6h (nasiąkanie) Ił=0,05 Q20 przez 75h (intensywne gazowanie) 27

28 Alternator Foto: Bosch Samochodowa prądnica synchroniczna prądu przemiennego (trójfazowa). Główne zadanie: Dostarczanie energii elektrycznej, której napięcie jest niezależne od: prędkości obrotowej, prądu obciążenia, temperatury. 28

29 Zalety alternatorów 50% mocy jest już oddawane przy pracy jałowej silnika Samoczynne ograniczenie prądu obciążenia Foto: Bosch 3 razy mniejsze zużycie miedzi w porównaniu do prądnic Biegunowość nie zależy od kierunku wirowania Korzystny wskaźnik wykorzystania mocy na jednostkę masy W/kg (3 razy większy niż dla prądnic) Prosta konstrukcja, małe gabaryty i waga Możliwość montowania regulatorów wewnątrz alternatora Modyfikacja obwodu magnetycznego (mniejsza szczelina i kształt rdzeni) Zwiększenie efektywności chłodzenia (montaż wentylatora, będącego integralną częścią wirnika, wewnątrz obudowy) 29

30 Zalety alternatorów I obc silnik w stanie jałowym alternator prądnica 0 n 30

31 Regulatory napięcia alternatorów samochodowych Główne zadanie: utrzymanie stałej wartości napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu niezależnie od zmian prędkości obrotowej silnika, prądu obciążenia, temperatury. 31

32 Schemat blokowy regulatora A zabezpieczenie przepięciowe regulator ogranicznik prądu wyjściowego do sieci zasilające j zabezpieczenie przepięciowe wyłącznik prądu ws tecznego 32

33 Przebiegi napięcia wyjściowego U wy regulatora Napięcie wyjściowe w funkcji prędkości obrotowej ok. 0,1V n U wy Napięcie wyjściowe w funkcji prądu obciążenia ok. 0,5V I obc 33

34 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 34