Cum controlează electronica eficiența combustibilului ?

Transportul reprezintă în prezent aproximativ 25% din emisiile de CO2 la nivel mondial. Ceea ce a fost considerat în urmă cu câțiva ani un vis vizionar este acum în centrul atenției: vehicule hibride si electrice au intrat pe piață. Nivelul de cerere la nivel mondial pentru vehiculele electrice hibride (HEV) este prognozat să avanseze într-un ritm rapid. S-ar putea ajunge la peste 5 milioane de unități reprezentând aproximativ 6% din cererea de vehicule la nivel mondial (exceptând camioane).

Pe de altă parte, acest lucru înseamnă că restul de 94% din totalul vehiculelor ușoare vor rula pe "clasicile motoare cu ardere internă". Cu toate acestea mașinile hibride vor rula în majoritatea timpului pe (diminuatele) motoare cu benzină. Acest lucru justifică ușor efortul imens luat pentru îmbunătățirea eficienței consumului motoarelor, inclusiv a sistemelor proprii de suport, cum ar fi răcirea și alimentarea cu combustibil.

Introducerea de sisteme de injecție directă de înaltă presiune folosind "o cale comună" pentru distribuția carburanților, la mai mult de 1000 de bar, a fost un reper major în evoluția motoarelor diesel. Motoarele au căpătat astfel o performanță mai bună și emisii reduse la un nivel de zgomot mai redus. Bobina injectoarelor permite trei-cinci injecții pe ciclu, ceea ce contribuie la o distribuție controlată a presiunii în cilindru, cu scopul de a realiza un motor mai silențios.

În figura următoare este reprezentat un etaj de putere simplificat de solenoid care folosește "două bancuri" ale sistemului CRDI (common rail direct injection). În timp ce injectorul este acționat pe partea de înaltă de comutatoarele statice QH1A și QH2B, cilindrul individual este selectat de comutatoarele de pe partea de joasa QL1 și QL6. Deschiderea rapidă a injectorului este executată de către VS2 prin intrarea în conducție a comutatoarelor statice aferente. După activarea injectorului cu QH1A/2A, QH1B/2B, menținerea în stare DESCHIS a injectorului se efectuează cu ajutorul VS1 de la o baterie. Utilizarea a două "bancuri" în două etaje independente de putere, așa cum se arată în figura 1, permite o flexibilitate mai mare în ceea ce privește momentul injecției combustibilului în cilindri, cu scopul de a obține performanțe mai ridicate. În mașinile de dimensiuni medii și compacte, sistemele cu un singur banc sunt folosite doar pentru a reduce costurile.

Cu toate acestea, evoluția continuă. Înlocuirea injectoarelor solenoid cu tehnologie piezo are mai multe avantaje semnificative. Injectoarele piezo sunt mult mai rapide, reduc timpii morți și permit un control mult mai riguros a cantități de combustibil injectat. De asemenea, reacția rapidă va permite mai multe injecții pe ciclu (până la 15 și chiar mai mult) prin reducerea variațiilor rapide de presiune în cilindru și eliminarea aproape în totalitate a zgomotul tipic diesel.

La începutul lansări în producție, injectoarele piezo au avut probleme de fiabilitate cu corpul ceramic, dar toate aceste probleme au putut fi în cele din urmă rezolvate prin optimizarea materialului. Astfel, injectoarele piezo au ajuns la maturitate.

În figura 2 s-a exemplificat arhitectura generală a unui modul piezo cu injecție directă. În acest caz, este vorba de o semi-arhitectura rezonantă unde sarcina capacitivă a injectorului și bobina serie formează un circuit oscilant. Aceasta arhitectura este în producție ridicată de ani de zile. Multe sisteme de pe piața de astăzi utilizează arhitectura CRDI, pentru injectoare piezo, care au nevoie de mai multe componente, dar sunt mai ușor de controlat și necesită o complexitate mai scăzută în ceea ce privește software-ul.

Ținând seama numai de părțile componente, diferența majoră dintre sistemele cu injecție directă și piezo este în mod semnificativ o tensiune mai mare de operare. În timp ce sistemele cu solenoid funcționează până la 120V (tensiune boost VS2), sistemul piezo are nevoie de impulsuri de 250V și 350V. Pentru ambele arhitecturi, Fairchild Semiconductor oferă comutatoare statice de putere în tehnologie planară și trench, precum și redresoare.

Din punct de vedere arhitectural, unitățile de control (ECU) a motoarelor pe benzină și motorină sunt foarte asemănătoare. La motoarele pe benzina, orificiu sistemului de injecție clasic a fost înlocuit cu injecția directă de înaltă presiune. Diferența majoră între ECU pentru motoarele diesel și benzină este puterea necesară de ieșire în etajul driver a injectorului și sistemul de operare. Controlul foarte precis a cantități combustibilului injectat prin injecție directă Piezo permite o stratificare definită a amestecului de aer-combustibil în cilindru. Rezultatul este nesemnificativ dar reduce consumul de combustibil. Pe de altă parte, este destul de dificil să se aprindă un amestec foarte slab de aer-carburant și există, de asemenea, riscul ca arderea să fie incompletă (combustie neomogenă). Pentru a depăși această provocare, este necesară multi-aprinderea prin scânteie care trebuie efectuată mai ales la rotații scăzute sau când motorul e rece. La adresa acestor provocări Fairchild a dezvoltat familia de tranzistoare IGBT EcoSPARK (Ignition IGBTs), care pot oferi o tensiune de saturație mică la cea mai mare capacitate de energie disipată pe unitatea de suprafața din industrie.

Dar care comutator static (MOSFET sau IGBT) este mai bun fără o interfață corespunzătoare între circuitul de control și comutator ? Din acest motiv Fairchild a creat familia de drivere de înaltă tensiune FAN708x, care pot fi direcționate spre aplicații de control a injecției directe. Aceștia au construit HDG4, un proces dedicat de înaltă tensiune, cu izolarea galvanică. Folosind un brevet de invenție au pus la punct o metodă de realizare a unor drivere mai puțin sensibile la zgomot decât dispozitivele concurente, admit tensiunii tranzitorii negative mai mult de -10V și prezintă cel mai mic curent rezidual (repaus) din industria caracteristica. În plus, timpul de întârziere și pragurile sunt aproape independente de temperatură eliminând eventualele variații în ciclul de execuție a aplicației, care pot cauza variații ale cantități de combustibil injectat.

Pentru a evita suprapunerea comutației în etajul de putere, FAN7080 include o funcție programabila a timpului mort. Suprapunerea comutației în etajul de putere nu numai va reduce eficiența acestuia ci este și un potențial risc pentru comutatoarele statice, care vor trebui să evite acest regim și din motive EMI. Cu toate acestea, timpul mort controlează doar direcția curentului în etajul de putere și evită creșterea puterii disipate de tranzistoare peste cea maximă admisă, contribuind astfel la menținerea, în limite admise, a mediei timpului de bună funcționare a etajului. Datorită dispersiei caracteristicilor tranzistoarelor, prezența timpului mort este inevitabilă iar cea mai mică valoare a sa poate fi combătută prin includerea in etajul de putere, în drena sau sursa tranzistoarelor, a unor rezistențe de valoare ohmică scăzută. Dacă nu sunt luate în considerare aceste măsuri, inclusiv diminuarea timpului mort, se poate compromite sau chiar reduce drastic fiabilitatea tranzistoarelor. Rețineți, de asemenea, că tensiunea de autoinducție generată de bobinele injectorului generează un curent invers prin capsula tranzistorului și ca atare, și acest aspect va trebui luat în considerare! O atenție specială trebuie acordată și PCB-ului. Experiența arată că, în cele mai multe cazuri, atunci când clienții se plâng de fiabilitate nesadisfăcătoare a etajului de putere și eșecurile neexplicabile ale pornirii motorului, o dispunere necorespunzătoare a componentelor pe circuitul imprimat (PCB) și un management termic defectuos, sunt de cele mai multe ori cauza principală.

În figura 3 este prezentat un exemplu de circuit H-bridge conectat pe sarcina inductivă. Dacă Q2 și Q3 sunt în saturație atunci curentul de sarcină parcurge aceste tranzistoare. Curentul se anulează prin aceste tranzistoare atunci când Q1 și Q4 sunt saturate. Tranzistoarele impun direcția curentului prin inductanță. Pe parcursul timpului mort, curentul (IOFF) se scurge de la sol prin diodele tranzistoarelor Q1 și Q4. În clipa când Q2 și Q3 intră din nou în saturație, un supracurent va circula prin corpul diodelor tranzistoarelor Q1 și Q3. Acest curent invers reprezintă un stres semnificativ pentru Q3, pentru că trebuie să absoarbă tensiunea inversă tranzitorie apropiată de potențialul VBIAS. Altfel spus, în acest timp, tranzistorul Q3 spunem că este solicitat în tensiune.

Presupunând că tranzistorul Q3 poate tolera aceste supratensiuni, există un alt risc: dacă curentul invers se întrerupe brusc, nodul A se apropie de potențialul pământului și va fluctua față de masă ca rezultat a parazitării circuitului. Această fluctuație poate distruge etajul de ieșire, în cazul în care este permis să depășească valorile maxime admise. Controlul corespunzător a layout-ului PCB-ului, prin realizarea unor planuri de masa de impedanță scăzută, trasee separate de masă pentru driver și partea de forță, precum și adăugarea unor rezistoare în grila tranzistoarelor (RGATE) și pe linia de referință a sursei (RSOURCE), va rezolva această problemă.

Un proiect PCB bun va avea poarta driver-ului amplasată cât mai aproape de grila tranzistoarelor de putere prin intermediul unui traseu de cel mult 1 inch lungime. Atunci când se utilizează placi separate pentru etajul de putere și de control, traseele de comandă pe poartă a tranzistoarelor nu vor trece NICIODATA prin aceeași conectori (ideal ar fi sa nu avem comanda prin conectori). În cazuri extreme, introducerea unui circuit snubber poate fi necesar pentru a preveni suprasolicitarea aparatului.

De asemenea, o contribuție semnificativă la consumul de combustibil este legată și de funcțiile suplimentare ale motorului. Prin înlocuirea componentelor mecanice cu sisteme electrice randamentul ar putea fi în continuare îmbunătățit. Folosirea unui ventilator cu motor brushless pentru răcirea motorului, un control precis și creșterea debitului de aer, va permite reducerea volumului lichidului de răcire a motorului termic. Acest lucru va conduce la o varia?ție în limite mult mai strânse a temperaturii de funcționare a motorului termic. Micșorarea variației temperaturii de funcționare va reduce emisiile și va crește durata de viața a motorului. O altă contribuție vine de la utilizarea unui sistem electric pentru controlul pompei de răcire. Doar introducerea ventilatoarelor cu turație reglabilă, optimizate pentru răcirea motorului, poate reduce consumul de carburant al unui automobil de dimensiune medie cu circa 3% [1].

În cele din urmă, ce îmbunătățiri globale s-au realizat sau se pot obține pentru gestionarea corectă și îngrijită a motorului termic ?

Noul motor diesel Citroen C6 DPFS240 dezvoltă 177kW la 3800rpm, în creștere cu 18%. Cuplul este de 422Nm la 1500rpm, care este cu 17% mai mare decât la motorul de generația anterioară. În același timp, consumul de carburant și emisiile de CO2 sunt reduse cu 15% [2] Motorul E240CGI de la Mercedes-Benz în noul E-Class produce 150kW și 310Nm, cu 26% mai mult față de unitățile V6 produse anterior, cu un consum de combustibil și a emisiilor de CO2 redus cu mai mult de 20% [3]. Acest fapt conduce la concluzia că eforturile întreprinse de ingineri nu au fost în zadar. Automatizarea electronică a sistemului de control și a funcțiilor direcției, cum ar fi puterea și controlul temperaturii, sunt reperele prezente și viitoare pentru îmbunătățirea randamentului total general.

Bibliografie:

• [1] Automobilindustrie, No.6, 1998 (1) Automobilindustrie, nr.6, 1998
• [2] ATZ online, June 2009, www.atzonline.com (2) ATZ online, iunie 2009, www.atzonline.com
• [3] Automotive engineering, June 2009, p.7 (3) Engineering Automotive, iunie 2009.