konstrukcja aparatury elektronicznej - dsod.p.lodz.pl · 1913 – firma bosch montuje w samochodach...

WPROWADZENIE

Przygotował:

mgr inż. Tomasz Widerski 1

Foto: Mercedes - Benz

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

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

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.

Pierwszy samochód z wbudowanym układem

ABS – 1978.

Integracja układu wtryskowego z układem

zapłonowym – Motronic (patent Bosch) – 1979.

Foto: Opel, FSO

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 ...

Foto: BMW, Peugot, Mercedes

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

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

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


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


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


System sterowania silnika

Do 50 mln operacji /sek.

Nadzór i sterowanie

ponad 1200 funkcji

Co 10ms rejestracja ok.

7000 zmierzonych

wartości

10 Za: Uwe Rokosch „Układy oczyszczania

spalin i pokładowe systemy diagnostyczne

samochodów OBD” WKŁ 2007

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 ...

i technologiczne 2000 2005

1980 1990

0,5% 7%

17% 25%

Foto: BOSCH

Wartość komponentów

elektronicznych w pojazdach

Układ zapłonowy

12

Przykłady rozwoju elektroniki w pojazdach

Opel Kadett ‘75 Opel Astra ‘96 Opel Omega ‘98

Ilość połączeń elektrycznych

73 395 1208

Łączna długość przewodów

280 m 1400 m 1523 m

Ilość złączy 53 154 270

Ilość układów sterujących

0 11 29

Źródło: Delphi

13

Elektronika w samochodzie

osobowym

NAPĘD

KOMUNIKACJA

BEZPIECZEŃSTWO

KOMFORT

ŹRÓDŁA

NAPIĘCIA

MAGISTRALE

TELEINFORMATYCZNE

DIAGNOSTYKA

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


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


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


17

Zasilanie pojazdu

Źródła zasilania

„Linie przesyłowe”

Złącza

Odbiorniki

Źródło: Ford 18

Zasilanie pojazdu

dziś

wczoraj

jutro

40 przewodów,

80 złączy

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

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

5

4

3

2

1

Moc

*1000 W

1980 Renault 5

2002 Renault Megane (standart)

2002 Renault Megane (high - class)

2002 Renault Laguna (standart)

2002 Renault Laguna

(high - class)

2005 Renault Espace

Źródło: Renault (2001) 20

Źródła energii elektrycznej w pojazdach

Akumulatory

Prądnice (alternatory)

Ogniwa paliwowe

Foto: Delphi

21

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

elektrolit

elektroda ujemna

elektroda dodatnia

zacisk

przekładka

separująca

zawór bezpieczeństwa

("odgazowanie" akumulatora)

pły ta ograniczająca

wpły w udarów i drgań

"pasek" łączący

poszczególne pły ty

Foto: Delphi

23

Budowa akumulatora

Foto: Bosch 24

System akumulatorowy LiMotive (litowo-jonowy) dla pojazdów HEV i EV

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

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

27

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 pierwsze • Napełnianie elektrolitem 1,28 g/cm3

• Przerwa 5-6h (nasiąkanie)

• Ił=0,05 Q20 przez 75h (intensywne

gazowanie)

Ładowanie regeneracyjne • Ładowanie odsiarczające

• Kilkukrotne ładowanie Ił=0,035 Q20

przez 8h z przerwami 1,5h

Alternator

Samochodowa prądnica synchroniczna prądu przemiennego (trójfazowa).

Główne zadanie: Dostarczanie energii elektrycznej, której napięcie jest niezależne od:

prędkości obrotowej,

prądu obciążenia,

temperatury.

Foto: Bosch

28

Zalety alternatorów

50% mocy jest już oddawane przy pracy jałowej silnika

Samoczynne ograniczenie prądu obciążenia

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)

Foto: Bosch

29

Iobc

0 n

silnik w stanie

jałowym

prądnica

alternator

30

Zalety alternatorów

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

przepięcioweregulator

ogranicznik prądu

wyjściowego

wyłącznik

prądu

wstecznego

zabezpieczenie

przepięciowedo sieci zasilającej

32

Przebiegi napięcia wyjściowego

regulatora

ok. 0,1V

Uwy

n

ok. 0,5V

Uwy

Iobc

Napięcie wyjściowe

w funkcji prędkości

obrotowej

Napięcie wyjściowe

w funkcji prądu

obciążenia

33

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

34

konstrukcja aparatury elektronicznej - dsod.p.lodz.pl · 1913 – firma bosch montuje w samochodach...

Documents