WPROWADZENIE Przygotował: mgr inż. Tomasz Widerski

WPROWADZENIE
Foto: Mercedes - Benz
Przygotował:
mgr inż. Tomasz Widerski
1
Trochę historii...
1885 – 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
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) – 1952.
Pierwsze na świecie tranzystorowe urządzenie do sterowania
wtryskiem paliwa (Bosch) – 1958 (produkcja – 1967).
Początek produkcji tranzystorowych układów zapłonowych
(Ford, Bosch) – 1965 – 1967.
Foto: Oldsmobile
Pierwszy seryjny cyfrowy układ wtryskowy do
silników benzynowych (Bosch) – 1973.
Foto: Opel, FSO
Pierwszy samochód z wbudowanym układem
ABS – 1978.
Integracja układu wtryskowego z układem
zapłonowym – Motronic (patent Bosch) – 1979.
3
Lata 80-te i 90-te...
Foto: BMW
Pierwszy samochód z poduszką powietrzną
(Mercedes S) – 1980.
Pierwsze układy sterowania do silników
wysokoprężnych – 1986
Początki elektronicznych układów sterowania
skrzynką przekładniową i układów ASR – 1987.
Wprowadzenie magistrali CAN – 1989/1990.
1990 - 2000 – 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) – 1991.
Wprowadzenie układ stabilizacji toru jazdy ESP i
„elektronicznego pedału gazu” (EGAS) – 1997.
Foto: BMW
4
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.
5
Foto: BMW, Peugot, Mercedes
Rozwój silników spalinowych
Charakterystyki mocy silników z różnych okresów produkcyjnych
Za: Uwe Rokosch „Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD” WKŁ 2007
6
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
Za: Uwe Rokosch „Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD” WKŁ 2007
7
Codzienna praca silnika
Silnik 8-cylindrowy pracuje przy 5800rpm:
 Układ dolotowy: 11300 litrów powietrza (325km/h)
 Układ chłodzenia: 4,5 litra/s
 Cykle pracy: 23 000/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≈30 000V, dokładność wyzwolenia – mikrosekunda
8
Za: Uwe Rokosch „Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD” WKŁ 2007
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
9
Za: Uwe Rokosch „Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD” WKŁ 2007
System sterowania silnika
 Do 50 mln operacji /sek.
 Nadzór i sterowanie
ponad 1200 funkcji
 Co 10ms rejestracja ok.
7000 zmierzonych
wartości
Za: Uwe Rokosch „Układy oczyszczania
spalin i pokładowe systemy diagnostyczne
samochodów OBD” WKŁ 2007
10
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
Przykłady rozwoju elektroniki w pojazdach
Ekonomiczne ...
0,5%
1980
7%
Układ zapłonowy
1990
17%
25%
Foto: BOSCH
2000
2005
Wartość komponentów
elektronicznych w pojazdach
i technologiczne
12
Przykłady rozwoju elektroniki w pojazdach
Opel Kadett ‘75
Opel Astra ‘96
Opel Omega ‘98
73
395
1208
Łączna
długość
przewodów
280 m
1400 m
1523 m
Ilość złączy
53
154
270
0
11
29
Ilość połączeń
elektrycznych
Ilość układów
sterujących
13
Źródło: Delphi
Elektronika w samochodzie
osobowym
BEZPIECZEŃSTWO
NAPĘD
DIAGNOSTYKA
ŹRÓDŁA
NAPIĘCIA
KOMFORT
KOMUNIKACJA
MAGISTRALE
TELEINFORMATYCZNE
14
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
15
Foto: Mercedes - Benz
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
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
Zasilanie pojazdu
 Źródła zasilania
 „Linie przesyłowe”
 Złącza
 Odbiorniki
Źródło: Ford
18
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
jutro
dziś
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
Wzrost konsumpcji mocy 1985 - 2005
Moc
*1000 W
5
2005 Renault Espace
4
2002 Renault Laguna
(high - class)
3
2
1
2002 Renault M egane (high - class)
2002 Renault Laguna (standart)
2002 Renault M egane (standart)
1980 Renault 5
Źródło: Renault (2001)
20
Źródła energii elektrycznej w pojazdach
Akumulatory
Prądnice (alternatory)
Ogniwa paliwowe
21
Foto: Delphi
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
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
23
Foto: Delphi
Budowa akumulatora
System akumulatorowy LiMotive (litowo-jonowy) dla pojazdów HEV i EV
Foto: Bosch
24
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 20godzinna)
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
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
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 regeneracyjne
Ładowanie dwukrotne
• Ładowanie odsiarczające
• Kilkukrotne ładowanie Ił=0,035 Q20
przez 8h z przerwami 1,5h
• 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 pierwsze
• Napełnianie elektrolitem 1,28 g/cm3
• Przerwa 5-6h (nasiąkanie)
• Ił=0,05 Q20 przez 75h (intensywne
gazowanie)
27
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
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 – 100-200W/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
Zalety alternatorów
Iobc
silnik w stanie
jałowym
alternator
prądnica
0
n
30
Regulatory napięcia alternatorów
samochodowych
Główne zadanie:
utrzymanie stałej wartości napięcia w instalacji
elektrycznej pojazdu niezależnie od zmian
prędkości obrotowej silnika, prądu obciążenia,
temperatury.
31
Schemat blokowy
regulatora
A
zabezpieczenie
przepięciowe
do sieci zasilające j
regulator
zabezpieczenie
przepięciowe
ogranicznik prądu
wyjściowego
wyłącznik
prądu
ws tecznego
32
Przebiegi napięcia wyjściowego
regulatora
Uwy
Napięcie wyjściowe
w funkcji prędkości
obrotowej
ok. 0,1V
n
Uwy
Napięcie wyjściowe
w funkcji prądu
obciążenia
ok. 0,5V
33
Iobc
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
34