ΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ Κωνστάντης Μιχαήλ, Α.Μ. 4335
by user
Comments
Transcript
ΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ Κωνστάντης Μιχαήλ, Α.Μ. 4335
ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ Κωνστάντης Μιχαήλ, Α.Μ. 4335 Εισηγητής: ∆ρ. Εµµανουήλ Κουδουµάς Ηράκλειο, Μάρτιος 2013 2 3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδες Εισαγωγικά στοιχεία…………………………………………..9-10 1ο Κεφάλαιο- Οι αισθητήρες…………………………………….11 1.1 Γενικά στοιχεία αισθητήρων……………………………..12-13 1.2 Ορισμός αισθητήρα…………………………………………….13 1.3 Βασικές έννοιες συστημάτων μέτρησης και ελέγχου………..14-15 1.4 Συστήματα μέτρησης………………………………………15-16 1.5 Συστήματα ελέγχου……………………………………………16 1.5.1 Συστήματα ελέγχου ανοιχτού βρόγχου……………16-17 1.5.2 Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόγχου…………….17-18 1.6 Στατικά χαρακτηριστικά αισθητήρων…………………19-24 1.7 Κατηγορίες αισθητήρων…………………………………..24-25 1.7.1 Ενεργός μετατροπέας-αισθητήρας…………………..25-26 1.7.2 Παθητικός μετατροπέας αισθητήρας…………………….26 1.8 Τα είδη των αισθητήρων………………………………………27 1.8.1 Αισθητήρες ανίχνευσης αντικειμένων……………………27 1.8.1.1 Επαγωγικοί αισθητήρες προσέγγισης……..….28 1.8.1.2 Χωρητικοί αισθητήρες προσέγγισης………28-29 1.8.1.3 Μαγνητικοί ανιχνευτές…………………………29-30 1.8.2 Αισθητήρες δύναμης………………………………………30-31 1.8.3 Αισθητήρες ταχύτητας και επιτάχυνσης…………….31-32 1.8.4 Αισθητήρες θερμοκρασίας………………………………….32 1.8.5 Αισθητήρες πίεσης………………………………………….33-34 1.8.6 Αισθητήρες ροής και στάθμης ……………………………..34 4 Σελίδες 1.8.7 Άλλοι αισθητήρες-μετατροπείς………………………..35 2ο Κεφάλαιο- Γενικά στοιχεία αυτοκινήτου……………..….36 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία-η ιστορία του αυτοκινήτου…….37-44 2.2 Ορισμός αυτοκινήτου……………………………………………..44 2.3 Τα μέρη του αυτοκινήτου ……………………………………45-50 2.4 Τα απαραίτητα μέρη για την λειτουργία ενός αυτοκινήτου……..50-51 2.5 Φυσικά μεγέθη προς μέτρηση στο αυτοκίνητο………..52-53 2.5.1 Η ταχύτητα………………………………………………………53-55 2.5.2 Η θερμοκρασία…………………………………………………55-56 2.5.3 Η πίεση………………………………………………………………..56 2.5.4 Η στάθμη………………………………………………………...56-57 2.5.5 Η ροπή…………………………………………………………………57 2.5.6 Η επιτάχυνση…………………………………………………...57-58 2.5.7 Η ροή……………………………………………………………………58 2.5.8 Η κρουστική καύση…………………………………..…………..58 2.5.9 Η περιεκτικότητα οξυγόνου στους ρύπους…………..58-59 2.5.10 Η απόσταση…………………………………………………………59 2.5.11 Η θέση…………………………………………………………….59-60 2.5.12 Τα υπόλοιπα μεγέθη……………………………………………..60 3ο Κεφάλαιο- Οι αισθητήρες στο αυτοκίνητο……………….61 3.1 Εισαγωγικά…………………………………………………………62 3.2 Αισθητήρες στον κινητήρα……………………………………..63 3.2.1 Εισαγωγικά για τους αισθητήρες στον κινητήρα……63 3.2.2 Αισθητήρας κρουστικής καύσης …………………...64-66 3.2.3 Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής στροφαλοφόρου…..67-70 3.2.4 Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου………………..70-72 5 Σελίδες 3.2.5 Αισθητήρας απόλυτης πίεσης (MAP)……………….72-73 3.2.6 Αισθητήρας μάζας αέρα (MAF)………………………73-75 3.2.7 Αισθητήρες θερμοκρασίας στον κινητήρα……….75-76 3.2.7.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού……76-78 3.2.7.2 Αισθητήρας θερμοκρασίας εξαγομένων καυσαερίων…..79-81 3.2.7.3 Αισθητήρας θερμοκρασίας καυσίμου…………………81 3.2.7.4 Αισθητήρας θερμοκρασίας αέρα εισαγωγής……....82 3.2.7.5 Αισθητήρας θερμοκρασίας λαδιού………………..82-83 3.2.8 Αισθητήρες στάθμης……………………………………..83 3.2.8.1 Αισθητήρας στάθμης καυσίμου…………………….83-84 3.2.8.2 Αισθητήρας στάθμης ψυκτικού υγρού……………….84 3.2.8.3 Αισθητήρας στάθμης λιπαντικού μέσου………….85-86 3.2.9 Αισθητήρας λάμδα…………………………………....86-88 3.2.10 Αισθητήρας θέσης πεταλούδας γκαζιού…………88-90 3.2.11 Αισθητήρας πίεσης λαδιού………………………………90 3.3 Αισθητήρες στα ηλεκτρονικά συστήματα…………………..91 3.3.1 Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά συστήματα……………….91 3.3.2 Οι αισθητήρες στο ABS…………………………………92-93 3.3.2.1 Αισθητήρες στροφών των τροχών……………………..94 3.3.3 Οι αισθητήρες στο ESP …………………………………….95 3.3.3.1 Αισθητήρας γωνίας περιστροφής τιμονιού…..…95-96 3.3.3.2 Αισθητήρας πλευρικής επιτάχυνσης……………...96-97 3.3.3.3 Αισθητήρας ποσοστού εκτροπής…………………….….97 3.3.3.4 Αισθητήρας πίεσης φρένου……………………………….98 3.3.3.5 Αισθητήρες στροφών των τροχών………………...98-99 3.3.4 Οι αισθητήρες στο SRS……………………………...99-100 3.3.4.1 Αισθητήρας σύγκρουσης…………………………..100-101 3.3.4.2 Αισθητήρας ασφάλειας Safing…………………………101 3.3.5 Οι αισθητήρες στο ACC …………………………...102-103 3.3.5.1 Αισθητήρας ραντάρ απόστασης………………..103-104 3.3.5.2 Αισθητήρας ταχύτητας…………………………….104-105 3.4 Οι αισθητήρες στο σύστημα μετάδοσης…………………..105 3.4.1 Εισαγωγή στο σύστημα μετάδοσης………..…..105-106 3.4.2 Αισθητήρες σε μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων με αυτόματο συμπλέκτη……………………………………………………106 3.4.2.1 Ο αισθητήρας λαβής του μοχλού ταχυτήτων…107 6 Σελίδες 3.4.2.2 Αισθητήρας θέσης μοχλού ταχυτήτων…….107-108 3.4.2.3 Αισθητήρας θέσης πεντάλ γκαζιού………………..108 3.4.2.4 Αισθητήρας στροφών κινητήρα……………………108 3.4.2.5 Αισθητήρας ταχύτητας………………..……..108-109 3.5 Αισθητήρες στο σύστημα διεύθυνσης……………………...109 3.5.1 Εισαγωγή στο σύστημα διεύθυνσης………….109-110 3.5.2 Αισθητήρας γωνιακής θέσης τιμονιού……….110-111 3.5.3 Ο αισθητήρας ταχύτητας του αυτοκινήτου………111 3.5.4 Ο αισθητήρας ταχύτητας των στροφών………….111 3.5.5 Ο αισθητήρας γωνίας του συστήματος διεύθυνσης……….112 3.5.6 Ο αισθητήρας στροφών του κινητήρα…………….112 3.6 Αισθητήρες στο σύστημα πέδησης………………..……..112 3.6.1 Εισαγωγή στο σύστημα πέδησης………….…112-113 3.6.2 Αισθητήρας θέσης πεντάλ φρένου………………..113 3.6.3 Αισθητήρας στάθμης υγρών φρένων……….113-114 3.7 Αισθητήρες στα συστήματα του αυτοκινήτου που αφορούν την άνεση και τον εξοπλισμό………………………………114 3.7.1 Αισθητήρες στο σύστημα κλιματισμού του αυτοκινήτου…………………………………………..…..115-116 3.7.1.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας εξατμιστή……..116 3.7.1.2 Αισθητήρας θερμοκρασίας φρέσκου αναρροφούμενου αέρα………………………………………116-117 3.7.1.3 Αισθητήρας φωτός και ηλιακής ακτινοβολίας……..117 3.7.1.4 Αισθητήρας εξωτερικής θερμοκρασίας…….118 3.7.2 Αισθητήρες στάθμευσης…………………….…118-119 3.7.3 Αισθητήρας βροχής και αισθητήρας φωτός.119-120 3.8 Οι υπόλοιποι αισθητήρες……………………………………121 3.8.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας και πίεσης αέρα ελαστικών………………………………………………….121-122 7 Σελίδες 3.8.2 Αισθητήρας στάθμης υγρού καθαρισμού του παρμπρίζ…………………………………………………………122 4ο Κεφάλαιο- Αισθητήρες και καινοτόμα ηλεκτρονικά συστήματα στα αυτοκίνητα του μέλλοντος ……………………….………………...123 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 Εισαγωγικά στοιχεία……………………………….….124-125 Το My Key………………………………………………………….125 Σύστημα ελέγχου τυφλών σημείων…………………………126 Σύστημα υποβοήθησης εκκίνησης σε ανηφόρα………….127 Οροφή με Solar Panels…………………..……………………..127 Lane Departure Warning System…………………..……127-128 Lane Keeping Aid…………………………………………………128 Το σύστημα αναγνώρισης σημάτων κυκλοφορίας………129 Το σύστημα επαγρύπνησης του οδηγού- DAC………129-130 Το Active City Stop………………………………………………130 4.11 Σύστημα αυτόματης αλλαγής μεγάλης σκάλας προβολέων…….130-131 4.12 Το σύστημα auto start- stop…………………………………..132 4.13 Νέα τεχνολογία στα αυτόματα σύστημα κλιματισμού- Το S- Flow System……………………………………………..132-133 4.14 Το HUD (Head Up Display)…………………………………….133 4.15 Σύστημα πλήρους αυτόματης οδήγησης………………….134 4.16 Η πλήρως αυτόματη στάθμευση…………………………….135 4.17 Το ιπτάμενο αυτοκίνητο………………………………….136-137 Βιβλιογραφία…………………………………………….138-141 8 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Στην εποχή μας, μία εποχή τεχνολογικής επανάστασης, οι περισσότεροι από εμάς μπορούν να αντιληφθούν την σημασία των αισθητήρων στην ζωή μας και ειδικότερα την σημαντικότητα των αισθητήρων καθώς και των εφαρμογών της νανοτεχνολογίας και της μικρό-μηχανικής σε ένα αυτοκίνητο. Αυτό ασφαλώς πριν από χρόνια δεν ήταν εφικτό γιατί δεν είχαν αναπτυχθεί καταλλήλως αυτές οι εφαρμογές αλλά και οι αντίστοιχες τεχνικές ανάπτυξης. Στην σημερινή εποχή όμως που η τεχνολογία αναπτύσσεται και διαρκώς εξελίσσεται, οι αισθητήρες δεν μπορούν παρά να προσφέρουν πολλά σε ένα αυτοκίνητο όπως άνεση, ασφάλεια, ποιότητα και αξιοπιστία. Και φυσικά μπορούν να προσφέρουν και ακόμα περισσότερα στο μέλλον. Ένα αυτοκίνητο με τους αισθητήρες του και με το τρόπο που αυτοί συνδέονται με το αυτοκίνητο και το «εγκέφαλο» του και λειτουργούν σαν ένας ενιαίος μηχανισμός, θα μπορούσε να παρομοιαστεί με έναν άνθρωπο, με ένα ανθρώπινο σώμα. Δηλαδή όπως ο άνθρωπος έχει τα αισθητήρια όργανα του (μάτια, μύτη, στόμα, χέρια, αυτιά), έτσι και το αυτοκίνητο έχει τα δικά του αισθητήρια. Η σύνδεση των αισθητήριων οργάνων με τον εγκέφαλο στον άνθρωπο γίνεται μέσω των νεύρων. Έτσι, όταν π.χ. το μάτι λάβει ένα οπτικό σήμα, τότε τα οπτικά νεύρα στέλνουν αμέσως το σήμα στον εγκέφαλο και αυτός με την σειρά του καταγράφει τα δεδομένα και στέλνει διάφορα σήματα προς το ανθρώπινο σώμα. Με την σειρά του το ανθρώπινο σώμα ανταποκρίνεται στο σήμα που λαμβάνει από τον εγκέφαλο με την μορφή της αντίδρασης. Στο αυτοκίνητο αυτή η διαδικασία που περιγράφτηκε παραπάνω γίνεται με τα αναλογικά και ψηφιακά σήματα τα οποία τα λαμβάνει ο ¨εγκέφαλος¨ του αυτοκινήτου. Ο εγκέφαλος ενός αυτοκινήτου ή Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα (Engine Control Unit / ΕCU) ή Κεντρική Ηλεκτρονική Μονάδα Ελέγχου χρησιμοποιείται στα σύγχρονα αυτοκίνητα για να ελέγχει όλες τις λειτουργίες των ηλεκτρικών συστημάτων αλλά και άλλων υποσυστημάτων του οχήματος. Οι αισθητήρες λοιπόν αυτό που έχουν να κάνουν είναι να συλλέξουν πληροφορίες και να τις μεταβιβάσουν στη μονάδα ελέγχου Κινητήρα. Η μονάδα ελέγχου Κινητήρα με την 9 σειρά της επεξεργάζεται τις πληροφορίες που της παρέχονται και στην συνέχεια δίνει εντολές σε άλλα υποσυστήματα του οχήματος. Έτσι λοιπόν λειτουργεί ο ¨εγκέφαλος του αυτοκινήτου σε συνεργασία με τα αισθητήρια όργανα ώστε να μας προσφέρουν ασφάλεια, ποιότητα και άνεση στο αυτοκίνητο μας. Η παρόν πτυχιακή εργασία λοιπόν, φιλοδοξεί να αναλύσει και να επεξηγήσει όλα τα παραπάνω, δηλαδή, να αναλυθούν έννοιες όπως: αισθητήρια όργανα, συστήματα μετρήσεων και ελέγχου, τεχνολογία αυτοκινήτων, αισθητήρες στα αυτοκίνητα, καινούργιες τεχνολογίες αισθητηρίων στα αυτοκίνητα και άλλες τέτοιες έννοιες σχετικά με τους αισθητήρες και το αυτοκίνητο. Γενικά ο σκοπός αυτής της πτυχιακής είναι να δείξει την σημαντικότητα και την χρησιμότητα των αισθητήρων στο αυτοκίνητο σε τομείς που αφορούν την ασφάλεια, την άνεση, την αποδοτικότητα, την οικολογία και την οδηγική συμπεριφορά. Επίσης στο τέλος της πτυχιακής γίνεται αναφορά στο μέλλον της τεχνολογίας των αισθητήρων στο αυτοκίνητο και μία παρουσίαση σε καινοτόμες ιδέες που έχουν εφαρμοστεί πρόσφατα σε διάφορα μοντέλα αυτοκινήτων. Πιο συγκεκριμένα η πτυχιακή χωρίζεται σε 4 κεφάλαια: • 1ο κεφάλαιο: Οι αισθητήρες γενικά • 2ο κεφάλαιο: Το αυτοκίνητο και τα προς μέτρηση φυσικά μεγέθη που σχετίζονται με αυτό • 3ο κεφάλαιο: Οι αισθητήρες που υπάρχουν στο αυτοκίνητο • 4ο κεφάλαιο: Καινοτόμα συστήματα και ιδέες στο αυτοκίνητο 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 11 1.1 Γενικά στοιχεία αισθητήρων Οι αισθητήρες είναι συσκευές που ανιχνεύουν ένα σήμα ή μια διέγερση από το περιβάλλον τους και παράγουν από αυτό μια μετρήσιμη έξοδο. Στην αγγλική ορολογία οι αισθητήρες αναφέρονται με την ονομασία sensors αλλά μπορούμε επίσης να τους βρούμε με τις ονομασίες converters,detectors,transducers. Οι αισθητήρες έχουν διάφορες μορφές ώστε να μπορούν να μετρούν διάφορες φυσικές ποσότητες. Περισσότερα από 1600 αισθητήρια είναι σήμερα διαθέσιμα για την μετατροπή ενός φυσικού μεγέθους σε ηλεκτρικό σήμα. Μερικές από τις φυσικές ποσότητες που συναντώνται συχνά και απαιτούν μέτρηση είναι η ταχύτητα, η θέση, η θερμοκρασία, η δύναμη, η ροή και η στάθμη υγρών, η πίεση και η επιτάχυνση. Η καλύτερη κατανόηση των φυσικών φαινομένων και η ανάπτυξη νέων υλικών, είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή αισθητηρίων με υψηλή ακρίβεια, γρήγορη απόκριση και ευρεία περιοχή μέτρησης. Αξίζει να αναφερθεί ότι συχνά υπάρχει μία σύγχυση και μία ασάφεια όσο αναφορά την διαφορά ενός αισθητήρα από ένα μετατροπέα. Ειδικά στην βιβλιογραφία οι όροι αυτοί χρησιμοποιούνται ελεύθερα και πολλές φορές έχουν την ίδια σημασία. Ο μετατροπέας όμως έχει μία ελαφρά διαφορά από το αισθητήριο παρότι αυτοί οι δύο όροι είναι παρόμοιοι. O μετατροπέας είναι οποιαδήποτε συσκευή που μετασχηματίζει μία μορφή ενέργειας σε μία άλλη, οπότε ένας αισθητήρας είναι και μετατροπέας αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι όλοι οι μετατροπείς είναι απαραίτητα και αισθητήρες. Ένα πολύ απλό παράδειγμα είναι ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως ο οποίος μπορεί να χαρακτηριστεί ως μετατροπέας διότι μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμότητα και φωτεινή ενέργεια. Σε καμία περίπτωση όμως δεν μπορεί ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως να χαρακτηριστεί ως αισθητήριο όταν ο σκοπός του λαμπτήρα είναι απλά για φωτισμό. Εάν όμως ένας τέτοιος λαμπτήρας χρησιμοποιούνταν για να μας υποδεικνύει αν το κύκλωμα που είναι συνδεδεμένος διαρρέεται από ρεύμα τότε μπορεί να χαρακτηριστεί και σαν αισθητήριο. Αυτό το παράδειγμα είναι χαρακτηριστικό σε ότι αναφορά την διαφορά ανάμεσα στους όρους του μετατροπέα και του αισθητήρα. Για την επιλογή ενός αισθητήρα οι παράμετροι που ελέγχουμε είναι το κόστος, η ποιότητα, η αξιοπιστία, η καταλληλότητα μορφής 12 αισθητήρα, η γραμμικότητα, η διακριτική ικανότητα, οι συνθήκες λειτουργίας, η ποιότητα της απαιτούμενης πληροφορίας και άλλα πολλά. Η χρήση των αισθητήρων στην αυτοματοποίηση διάφορων συστημάτων, επέφερε πολλά θετικά συνεπακόλουθα όπως π.χ. στον παραγωγικό τομέα: • Αύξηση της παραγωγικότητας • Χαμηλό κόστος παραγωγής • Συνεχή λειτουργία χωρίς λάθη • Ασφάλεια του προσωπικού και των μηχανημάτων Οι αισθητήρες γενικά χρησιμοποιούνται για συλλογή πληροφοριών και για έλεγχο συστημάτων. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την συλλογή δεδομένων παρέχουν τIς πληροφορίες με σκοπό την γνωστοποίηση τους στον χρήστη, έτσι ώστε αυτός να γνωρίζει την τρέχουσα κατάσταση των παραμέτρων που ελέγχονται καθώς και την εξέλιξη τους. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ελέγχου δεν διαφέρουν από αυτούς που χρησιμοποιούνται για συλλογή πληροφοριών αλλά διαφέρουν στον τρόπο αξιοποίησης αυτής της πληροφορίας. Το σήμα του αισθητήρα σε ένα σύστημα ελέγχου τροφοδοτεί έναν ελεγκτή, ο οποίος παράγει μία έξοδο η οποία ρυθμίζει την τιμή της υπό μέτρηση παραμέτρου. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι το γνωστό ABS(anti-lock brake system) σε ένα αυτοκίνητο. Τα συστήματα ελέγχου και τα συστήματα μέτρησης αναλύονται λεπτομερώς στα παρακάτω υποκεφάλαια 1.4 , 1.5.1 και 1.5.2 . 1.2 Ορισμός αισθητήρα «Αισθητήρας είναι η συσκευή ή μία διάταξη από συσκευές η οποία χρησιμοποιείται για την μέτρηση φυσικών μεγεθών, μετατρέποντας την είσοδο του συστήματος σε μετρούμενο ηλεκτρικό σήμα εξόδου» Λέγοντας ηλεκτρικό σήμα εξόδου εννοούμε ότι είτε θα έχουμε στην έξοδο μας μετρούμενη τάση σε (Volt) ή μετρούμενο ρεύμα σε (Amber). Οι αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και είναι απαραίτητοι τόσο σε συστήματα μέτρησης όσο και σε συστήματα ελέγχου. 13 1.3 Βασικές έννοιες συστημάτων μέτρησης και ελέγχου Για την καλύτερη κατανόηση των συστημάτων μέτρησης και ελέγχου παραθέτουμε παρακάτω μία αναλυτική ερμηνεία των βασικών εννοιών που μπορεί να συναντήσει κάποιος που θα ασχοληθεί με αυτά τα συστήματα. Παράμετρος :Μία μεταβλητή ποσότητα με καθορισμένα όρια Μονάδες διεθνούς συστήματος(S.I):μονάδες μέτρησης φυσικών ποσοτήτων που είναι παγκοσμίως αποδεκτές για την εξασφάλιση συμβατότητας. Μεταβλητή ποσότητα: φυσική ποσότητα που μπορεί να πάρει διαφορετικές τιμές. Μετρούμενη ποσότητα: η ποσότητα που πρόκειται να μετρηθεί δηλαδή η είσοδος ενός συστήματος μέτρησης. Τοπική ένδειξη αισθητήρα(local reading): ένδειξη που παρέχεται μέσω του αισθητήρα με το σημείο στο οποίο γίνεται η μέτρηση να είναι κοντά στη μονάδα καταγραφής. Ένδειξη από απόσταση(remote reading): ένδειξη που παρέχεται μέσω του αισθητήρα με το σημείο στο οποίο γίνεται η μέτρηση να είναι μακριά από τη μονάδα καταγραφής. Ηλεκτρικός θόρυβος(noise): ανεπιθύμητα ηλεκτρικά σήματα που ενδέχεται να επιφέρουν αλλοιώσεις στο σήμα που μεταφέρει πληροφορίες. Ρυθμισμένο σήμα(conditioned signal): έξοδος ενός αισθητήρα κατάλληλα τροποποιημένη ώστε να μπορεί να γίνει κατανοητή από μία συσκευή απεικόνισης ή καταγραφής. Προδιαγραφές συσκευής(specifications): τεχνική περιγραφή των χαρακτηριστικών, της απόδοσης, της κατασκευής και οποιονδήποτε άλλων σχετικών πληροφοριών που αφορά την συσκευή. 14 Ολοκληρωμένο κύκλωμα: ηλεκτρονικό κύκλωμα του οποίου όλα τα στοιχεία είναι ενσωματωμένα σε μία μόνο ψηφίδα ημιαγώγιμου υλικού. Διασύνδεση(interface): σύνδεση δύο ηλεκτρονικών συσκευών κατά την οποία οι είσοδοι και οι έξοδοι έχουν σχεδιαστεί ώστε οι συσκευές να μπορούν να συνεργαστούν και να ανταλλάξουν δεδομένα. Ακροδέκτης μέτρησης(probe): συσκευή που ενώνει ένα αισθητήρα με την μετρούμενη ποσότητα 1.4 Συστήματα μέτρησης Στο σύστημα μέτρησης υπάρχει καταγραφή μίας ποσότητας, (ενός φυσικού μεγέθους), η οποία αντιστοιχεί στην παράμετρο που μετρά το σύστημα και αποτελεί την ποσότητα εισόδου. Το σύστημα μέτρησης δεν μπορεί να αλλάξει η να επεξεργαστεί την ποσότητα της εισόδου παρά μόνο να την καταγράψει και να την απεικονίσει κάνοντας την κατανοητή στον χρήστη. Παρακάτω φαίνεται ένα σχεδιάγραμμα ενός απλού συστήματος μέτρησης. Εικόνα 1.1 Σύστημα μέτρησης Η διαδικασία μέτρησης μπορεί να χωριστεί σε επιμέρους στάδια και επομένως ένα σύστημα μέτρησης μπορεί να περιλαμβάνει τα αντίστοιχα λειτουργικά στοιχεία. 15 Εικόνα 1.2 Τα στάδια της διαδικασίας μέτρησης Σε περίπλοκα συστήματα μετρήσεων, ο διαχωρισμός των επιμέρους λειτουργικών στοιχείων είναι απαραίτητος. Για παράδειγμα μπορεί να έχουμε μία φυσική ποσότητα όπου με την βοήθεια του αισθητήρα μετατρέπεται σε σήμα, στην συνέχεια το σήμα τροποποιείται κατάλληλα από την μονάδα ρύθμισης του σήματος, έτσι ώστε τελικά, το διαμορφωμένο σήμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί από την μονάδα καταγραφής η απεικόνισης. 1.5 Συστήματα ελέγχου Τα συστήματα ελέγχου μπορούν να διακριθούν σε συστήματα ελέγχου ανοιχτού βρόγχου και συστήματα ελέγχου κλειστού βρόγχου (closed loop). Ο σκοπός των συστημάτων ελέγχου είναι η διατήρηση μίας παραμέτρου σε ένα σύστημα σε μία προκαθορισμένη τιμή. 1.5.1 Σύστημα βρόγχου ελέγχου ανοιχτού Το σύστημα ελέγχου ανοιχτού βρόγχου αποτελείται από διάφορες επιμέρους βαθμίδες όπως βλέπουμε στην εικόνα 1.3. Οι βαθμίδες αυτές είναι: η είσοδος, ο ελεγκτής, το σύστημα υπό έλεγχο και η έξοδος. Το βασικό σημείο της λειτουργίας του συστήματος είναι ότι η τιμή της παραμέτρου στην είσοδο του συστήματος είναι 16 προκαθορισμένης τιμής και αυτή δεν αλλάζει ακόμη αν και άλλοι παράγοντες καταστήσουν την έξοδο του συστήματος ανακριβή. Αυτό ακριβώς είναι και το μειονέκτημα του συστήματος ελέγχου ανοιχτού βρόγχου, δηλαδή ότι δεν μπορεί να ελεγχτεί αυτόματα η τιμή της παραμέτρου υπό έλεγχο και να ρυθμιστεί αυτοματοποιημένα ανάλογα με την επιθυμία του χρήστη, δηλαδή με απλά λόγια το σύστημα αυτό ΔΕΝ έχει ανάδραση. Ανάδραση ονομάζεται η ανατροφοδότηση της εξόδου ενός συστήματος στην είσοδο του. Ωστόσο ο έλεγχος ανοιχτού βρόγχου έχει και πλεονεκτήματα όπως την γρήγορη ταχύτητα εκτέλεσης και το χαμηλό κόστος υλοποίησης. Ο σχεδιασμός αυτών των συστημάτων είναι απλός, ωστόσο τα συστήματα αυτά είναι μη αποδοτικά, είναι ευαίσθητα σε εξωτερικές διαταραχές και απαιτούν συχνή παρέμβαση εξωτερικού χειριστή. Οι προκαθορισμένες τιμές της εισόδου στο σύστημα είναι γενικά ανεπαρκείς, διότι αν η παράμετρος που ελέγχουν αλλάξει τότε θα πρέπει να επαναρρυθμιστούν, αλλιώς το σφάλμα που εμπεριέχεται στο σύστημα θα εκτελείται συνεχώς. Εικόνα 1.3. Σύστημα ελέγχου ανοιχτού βρόγχου 1.5.2 Σύστημα βρόγχου ελέγχου κλειστού Το σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου είναι ένα σύστημα που εκμεταλλεύεται το φαινόμενο της ανάδρασης ή feedback. Θα υπάρξει αναλυτική περιγραφή βήμα-βήμα του φαινομένου παρακάτω. Η χρησιμοποίηση ενός αισθητήρα είναι απαραίτητη για την επίτευξη της ανάδρασης(feedback). 17 Στο σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου έχουμε μία διαδικασία η οποία δεν εμφανίζεται στον έλεγχο ανοιχτού βρόγχου. Ποια είναι αυτή; Είναι ότι η κατάσταση-τιμή της εξόδου επηρεάζει άμεσα την κατάσταση της εισόδου. Αυτό γίνεται διότι το σύστημα κλειστού βρόγχου μετράει την τιμή της παραμέτρου στην έξοδο και την συγκρίνει με την επιθυμητή τιμή. Εάν η τιμή στην έξοδο του συστήματος δεν είναι η ίδια με την επιθυμητή τότε αφαιρούνται και η διαφορά των δύο αυτών τιμών ονομάζεται σφάλμα (error). Αναλυτικά: η επιθυμητή τιμή ονομάζεται και σήμα αναφοράς, η πραγματική τιμή ονομάζεται και σήμα ανάδρασης και η διαφορά των δύο αυτών τιμών εκτός από σφάλμα ονομάζεται και σήμα σφάλματος. Στην συνέχεια το σήμα σφάλματος τροποποιείται σε σήμα ελέγχου ώστε να ρυθμίζεται η απόδοση του συστήματος. Το σήμα ελέγχου στην συνέχεια ρυθμίζει την έξοδο του συστήματος, έτσι ώστε το σήμα ανάδρασης να πλησιάσει την τιμή του σήματος αναφοράς. Αυτός ο κύκλος γίνεται έως ότου η τιμή του σήματος σφάλματος γίνει ίση με το μηδέν και επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή. Το σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου είναι σαφώς πιο αποδοτικό από αυτό του ανοιχτού βρόγχου και έχει αρκετά πλεονεκτήματα. Τα πλεονεκτήματα του συστήματος κλειστού βρόγχου είναι ότι: 1. Είναι αυτορυθμιζόμενο 2. Είναι λιγότερο επιρρεπές σε σφάλματα 3. Είναι αρκετά αποδοτικό 4. Δεν απαιτεί συχνή παρέμβαση χειριστή Το σύστημα κλειστού βρόγχου ή closed loop control έχει δύο μειονεκτήματα, έχει αρκετά υψηλό κόστος και έχει πρόβλημα ευστάθειας. Παρόλα αυτά, το σύστημα αυτό είναι σαφώς καλύτερο του συστήματος με ανοιχτό βρόγχο και γι αυτό χρησιμοποιείται και περισσότερο. Παρακάτω φαίνεται εικόνα με το τον έλεγχο κλειστού βρόγχου. 18 Εικόνα 1.4. Σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου 1.6 Στατικά αισθητήρων χαρακτηριστικά Η επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα για κάθε περίπτωση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η διαθεσιμότητα, το κόστος, αλλά και οι περιβαλλοντολογική παράγοντες. Επίσης σημαντικό είναι τα χαρακτηριστικά του αισθητήρα να είναι τα κατάλληλα για την ποιότητα της εξόδου που απαιτούμε. Αυτά τα χαρακτηριστικά θα αναλυθούν παρακάτω: Ακρίβεια: Η ακρίβεια μίας συσκευής ή ενός αισθητήρα είναι ο βαθμός εγγύτητας της τιμής που μετράει με την πραγματική τιμή. Η ακρίβεια σε έναν αισθητήρα εκφράζεται ως σχετική ακρίβεια (όταν αφορά την εγγύτητα της τιμής της εξόδου με την μετρούμενη τιμή σε απόλυτο νούμερο) , ή ως εκατοστιαία (%) ακρίβεια (όταν αφορά το ποσοστό σε εκατοστιές μονάδες). Σχετική Ακρίβεια(Ακ.) =1-|(r-x)/r| Εκατοστιαία Ακρίβεια(%) = [1-|(r-x)/r|] 100% 19 όπου r=μετρούμενη τιμή (πραγματική) x=τιμή εξόδου του αισθητήρα Σφάλμα: Το σφάλμα ενός αισθητήρα ή μίας συσκευής είναι η διαφορά ανάμεσα στην έξοδο του αισθητήρα και την πραγματική τιμή και εκφράζεται είτε ως σχετικό σφάλμα είτε ως απόλυτο σφάλμα. Εκ. Σφάλμα(%) = (|r-x|/r)100% Απ. Σφάλμα = |r-x| όπου r = πραγματική τιμή x = τιμή εξόδου του αισθητήρα Βαθμονόμηση: Βαθμονόμηση είναι η διαδικασία με την οποία καθορίζεται η συνάρτηση μεταφοράς ενός αισθητήρα έτσι ώστε να γίνεται η αντιστοίχηση της τιμής του ηλεκτρικού σήματος που έχουμε στην έξοδο με την τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Δηλαδή αν έχουμε έναν αισθητήρα που μετράει ταχύτητα, στην έξοδο του αισθητήρα θα έχουμε κάποιο ηλεκτρικό σήμα π.χ. τάση, τότε για να απεικονισθεί στην οθόνη το επιθυμητό μέγεθος, δηλ. km/h, θα χρειαστεί η συνάρτηση μεταφοράς για να αντιστοιχήσει την τάση (volt) με την ταχύτητα (km/h). Αυτή η διαδικασία λέγεται βαθμονόμηση. Ολίσθηση: Η ολίσθηση είναι μία φυσική τάση του αισθητήρα να μεταβάλει τα χαρακτηριστικά του εξαιτίας περιβαλλοντικών συνθηκών π.χ. υψηλές θερμοκρασίες, υγρασία ή εξαιτίας της γήρανσης των υλικών μετά την πάροδο μεγάλου χρονικού διαστήματος. Το αποτέλεσμα της ολίσθησης σε ένα αισθητήρα είναι μία μεταβολή του σήματος στην έξοδο ενώ η είσοδος (δηλ. το μετρούμενο φυσικό μέγεθος) παραμένει αμετάβλητη. Νεκρή ζώνη: Νεκρή ζώνη σε ένα αισθητήρα (dead zone) ονομάζουμε την περιοχή μετρήσεων για την οποία ο αισθητήρας δεν αποκρίνεται στις μεταβολές της μετρούμενης ποσότητας. Η εικόνα παρακάτω δείχνει τα χαρακτηριστικά της νεκρής ζώνης σε έναν αισθητήρα ή σε μία συσκευή. 20 Εικόνα 1.5. Νεκρή ζώνη Υστέρηση: Η υστέρηση προκαλεί διαφορές στην έξοδο ενός αισθητήρα όταν η κατεύθυνση μεταβολής της εισόδου αντιστραφεί, οπότε και παράγεται κάποιο σφάλμα. Η υστέρηση εμφανίζεται σε αισθητήρες που έχουν κινητά μέρη (ρουλεμάν, μηχανικά γρανάζια κ.τ.λ.) και εξαιτίας αυτού επηρεάζονται από τριβή, μαγνητικά φαινόμενα και μηχανική τάση. Εικόνα 1.6. Υστέρηση Γραμμικότητα: Η γραμμικότητα αποτελεί τον βαθμό, στον οποίο η γραφική παράσταση της εξόδου ως προς την είσοδο του αισθητήρα 21 προσεγγίζει μία ευθεία γραμμή. Ένας αισθητήρας μπορεί να είναι γραμμικός σε μία περιοχή τιμών εισόδου και αυτή η γραμμικότητα να εκφράζεται ως ποσοστό επί του εύρους λειτουργίας. Στην εικόνα 6 φαίνεται η γραμμικότητα και η δυνατότητα ενός αισθητήρα να είναι γραμμικός σε μία περιοχή τιμών της εισόδου. Εικόνα 1.7. Γραμμικότητα αισθητήρα Καθυστέρηση: Καθυστέρηση (lag) ονομάζεται η καθυστέρηση της αλλαγής της τιμής εξόδου ενός αισθητήρα ως προς την αλλαγή της εισόδου του (σε seconds ή σε milliseconds). Χρόνος λειτουργίας: Χρόνος λειτουργίας ονομάζεται το χρονικό διάστημα εκείνο κατά το οποίο ο αισθητήρας αναμένεται να λειτουργεί στα πλαίσια των προδιαγραφών του. Ο χρόνος λειτουργίας αισθητήρα εκφράζεται σε μονάδες χρόνου ή σε αριθμό κύκλων λειτουργίας. Ευαισθησία (sensitivity): Ευαισθησία ονομάζεται ο λόγος ανάμεσα στην αλλαγή της εξόδου και την αντίστοιχη αλλαγή στην είσοδο. Αναλυτικά η ευαισθησία εκφράζεται με την παρακάτω σχέση: Ευαισθησία = Μέγιστη τιμή εξόδου - Ελάχιστη τιμή εξόδου Μέγιστη τιμή εισόδου - Ελάχιστη τιμή εισόδου Αξίζει να αναφερθεί ότι εάν η σχέση ανάμεσα στην μετρούμενη ποσότητα και την έξοδο είναι γραμμική τότε η ευαισθησία είναι σταθερή για όλο το εύρος λειτουργίας. Αυτό όμως δεν συμβαίνει συχνά διότι η σχέση ανάμεσα στην μετρούμενη ποσότητα και την 22 έξοδο είναι συνήθως γραμμική για ένα μόνο μικρό τμήμα της γραφικής ή και καθόλου. Τότε σε αυτή την περίπτωση η ευαισθησία διαφέρει από περιοχή σε περιοχή. Εύρος λειτουργίας: Το εύρος λειτουργίας μίας συσκευής ή ενός αισθητήρα είναι τα όρια στα οποία η συσκευή μπορεί να λειτουργεί αξιόπιστα. Το εύρος εκφράζεται με την ελάχιστη και την μέγιστη τιμή που μπορεί να μετρά η συσκευή. Ονομαστική τιμή: Η ονομαστική τιμή είναι το σύνολο των βέλτιστων συνθηκών υπό τις οποίες ένας αισθητήρας θα λειτουργεί με ασφάλεια και αξιοπιστία. Μετά το πέρας της ονομαστικής τιμής, η ασφάλεια και αξιοπιστία του αισθητήρα δεν υφίσταται στον απόλυτο βαθμό αλλά αρχίζει και φθίνει. Επαναληψιμότητα (precision): Η επαναληψιμότητα είναι ο βαθμός κατά τον οποίο ο αισθητήρας παράγει το ίδιο αποτέλεσμα όταν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές τροφοδοτείται με την ίδια είσοδο. Συχνά συγχέεται με την ακρίβεια αλλά η αλήθεια είναι ότι ένας αισθητήρας μπορεί να έχει υψηλή επαναληψιμότητα αλλά χαμηλή ακρίβεια, όπως και το αντίθετο. Μπορεί όμως να έχει και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά στον ίδιο βαθμό. Η επαναληψιμότητα εκφράζεται ως ποσοστό αλλά και σαν απόλυτο νούμερο. Αξιοπιστία (reliability): Αξιοπιστία ονομάζεται η ικανότητα του αισθητήρα να λειτουργεί μέσα στα πλαίσια των προδιαγραφών του, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες και για συγκεκριμένο χρόνο λειτουργίας. Η αξιοπιστία είναι παρεμφερές χαρακτηριστικό με τον χρόνο λειτουργίας. Ευστάθεια (stability): Ευστάθεια ονομάζεται το μέτρο μεταβολής της εξόδου ενός αισθητήρα όταν η είσοδος και οι συνθήκες μέτρησης παραμένουν σταθερές για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Απόκριση (response): Απόκριση ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για να λάβει η έξοδος του αισθητήρα την τελική της τιμή ενώ η είσοδος είναι δεδομένη. Για παράδειγμα όταν έχουμε απόκριση 98%=2 sec, τότε χρειάζονται 2 seconds για να φτάσει η έξοδος στο 98% της τελικής της τιμής. 23 Διακριτική ικανότητα (resolution) : Διακριτική ικανότητα ονομάζεται η μικρότερη αλλαγή στην είσοδο που μπορεί να ανιχνεύσει ο αισθητήρας. Η διακριτική ικανότητα όσο πιο μεγάλη είναι τόσο πιο μικρό είναι το βήμα που μπορεί να μετρήσει ο αισθητήρας. Ανοχή (tolerance) : Ανοχή ονομάζεται το μέγιστο ποσοστό σφάλματος που μπορεί να υπάρξει κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός αισθητήρα. Στατικό σφάλμα: Στατικό σφάλμα ονομάζεται ένα σταθερό σφάλμα το οποίο υπάρχει σε όλο το εύρος τιμών εισόδου ενός αισθητήρα. Μπορεί να αντιμετωπιστεί και να αντισταθμιστεί το στατικό σφάλμα εάν είναι γνωστό, χωρίς να υπάρξει υποβάθμιση της ακρίβειας του αισθητήρα. 1.7Κατηγορίες αισθητήρων Οι αισθητήρες που υπάρχουν σήμερα είναι χιλιάδες και χρησιμοποιούνται για πάρα πολλές και διάφορες εφαρμογές. Όπως είναι φυσικό έχει παραστεί η ανάγκη για κατηγοριοποίηση των αισθητήρων, έτσι ώστε να είναι πιο εύκολο στον καθένα να βρει τον 24 κατάλληλο αισθητήρα για την εφαρμογή που θέλει με τα χαρακτηριστικά που θέλει. Για αυτόν το λόγο υπάρχουν αρκετές κατηγορίες αισθητήρων. Η κατηγοριοποίηση και ταξινόμηση των αισθητήρων γίνεται με βάση πολλά κριτήρια όπως: 1. Εάν υπάρχει επαφή του αισθητήρα με το υπό μέτρηση μέγεθος ή όχι. Εάν υπάρχει επαφή ονομάζονται αισθητήρες επαφής ενώ στην αντίθετη περίπτωση ονομάζονται αισθητήρες μη επαφής. 2. Ανάλογα με την μεταβολή ένδειξης του αισθητήρα. Δηλαδή εάν ο αισθητήρας παράγει συνεχώς μεταβαλλόμενα σήματα τάσης με μία πληθώρα διαφορετικών τιμών, τότε ονομάζεται αναλογικός αισθητήρας. Εάν όμως ο αισθητήρας παράγει ψηφιακό σήμα, δηλαδή οι τιμές τάσης που μπορεί να παράγει είναι μόνο δύο (π.χ. 0 –1V ή 0-5V) τότε ονομάζεται ψηφιακός. 3. Ανάλογα με την αρχή λειτουργίας του αισθητήρα. Σε αυτή την κατηγορία μπορεί να διακρίνει κανείς αισθητήρες θερμικούς, μαγνητικούς, οπτικούς, πιεζοηλεκτρικούς, ηλεκτρομαγνητικούς, επαγωγικούς, χωρητικούς κλπ. 4. Ανάλογα με το αν απαιτείται χρήση εξωτερικής πηγής ηλεκτρικής ενέργειας για την λειτουργία του αισθητήρα ή όχι. Ενεργητικοί αισθητήρες ονομάζονται αυτοί που απαιτούν εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργήσουν, ενώ αυτοί που δεν απαιτούν εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για την λειτουργία τους ονομάζονται Παθητικοί. Κάποια από αυτά τα κριτήρια και τις κατηγορίες που απαρτίζουν θα αναλυθούν στα παρακάτω υποκεφάλαια. 1.7.1 Ενεργός αισθητήρας μετατροπέας- Ένα αισθητήριο μπορούμε να τον χωρίσουμε σε ενεργό ή παθητικό ανάλογα με τον αν απαιτεί για την λειτουργία του εξωτερική πηγή ενέργειας η όχι. Εάν ο μετατροπέας απαιτεί εξωτερική ενέργεια για την λειτουργία του τότε λέγεται ενεργός μετατροπέας. Ο ενεργός μετατροπέας έχει δύο εισόδους και μία έξοδο. Η μία είσοδος είναι η είσοδος του υπό 25 μέτρηση μεγέθους και η άλλη είναι η είσοδος της εξωτερικής πηγής (διέγερσης). Η έξοδος, είναι η έξοδος του σήματος που είναι το αποτέλεσμα που δημιουργείται από το υπό μέτρηση μέγεθος. Ενεργοί αισθητήρες ή μετατροπείς, είναι η θερμοαντίσταση, το θερμίστορ, το ποτενσιόμετρο κλπ.. Εικόνα 1.8. Θερμοαντίσταση 1.7.2 Παθητικός (αισθητήρας) μετατροπέας Ένας αισθητήρας ονομάζεται παθητικός όταν δεν απαιτείται για την λειτουργία του εξωτερική πηγή ενέργειας, αλλά η ενέργεια που απορροφάται από το μετρούμενο σύστημα μετατρέπεται σε ενέργεια εξόδου. Προφανώς ο παθητικός μετατροπέας έχει μία είσοδο και μία έξοδο. Αυτού του τύπου οι μετατροπείς παράγουν χαμηλής ισχύος σήματα διότι η ισχύς εισόδου είναι μικρή και γι αυτό απαιτείται συνήθως ενίσχυση του σήματος τους. Κάποια παραδείγματα παθητικών μετατροπέων είναι η δίοδος φωτοβολταϊκού τύπου και το θερμοζεύγος. Εικόνα 1.9. Θερμοζεύγος 26 1.8 Τα είδη των αισθητήρων Αφού αναλύθηκαν παραπάνω οι κατηγορίες των αισθητήρων και τα κριτήρια που τις απαρτίζουν, ήρθε η στιγμή της παρουσίασης διαφόρων ειδών αισθητήρων όπως: Αισθητήρες ανίχνευσης αντικειμένων Αισθητήρες δύναμης Αισθητήρες ταχύτητας και επιτάχυνσης Αισθητήρες πίεσης Αισθητήρες θερμοκρασίας Αισθητήρες ροής και στάθμης 1.8.1 Αισθητήρες αντικειμένων ανίχνευσης Ανιχνευτής αντικειμένου είναι ένα αισθητήριο το οποίο αντιδρά στην ύπαρξη ορισμένων αντικειμένων όταν αυτά βρίσκονται εντός της εμβελείας του. Οι βασικοί τύποι ανιχνευτών αντικειμένων είναι τρεις: • Οι επαγωγικοί • Οι χωρητικοί • Οι μαγνητικοί. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτών των ανιχνευτών σε βιομηχανικές εφαρμογές είναι ότι δεν έχουν κινητά μέρη και ότι λόγο της ικανότητας που έχουν να ανιχνεύουν από μακριά δεν έρχονται σε επαφή με τα αντικείμενα που ανιχνεύουν. Οι ανιχνευτές αντικειμένων είναι κυρίως ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά συστήματα. Οι επαγωγικοί και οι μαγνητικοί ανιχνευτές έχουν την ικανότητα ανίχνευσης μετάλλων ενώ οι χωρητικοί ανιχνευτές μπορούν να ανιχνεύσουν και μη μεταλλικά αντικείμενα όπως π.χ. πλαστικά αντικείμενα, γυάλινα αντικείμενα, κεραμικά αντικείμενα κ.α. . Οι τρεις αυτοί τύποι ανιχνευτών αντικειμένων (επαγωγικός τύπος, χωρητικός και μαγνητικός ) θα αναλυθούν παρακάτω στα υποκεφάλαια 1.9.1 ,1.9.2 και 1.9.3 αντίστοιχα. 27 1.8.1.1 Επαγωγικοί προσέγγισης αισθητήρες Οι επαγωγικοί αισθητήρες είναι μια κατηγορία αισθητήρων που εκμεταλλεύονται το φαινόμενο της επαγωγής, η οποία οφείλεται σε απώλειες δινορρευμάτων σε αγώγιμα υλικά. Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει την χωρίς επαφή ανίχνευση όλων των αγώγιμων υλικών όπως μεταλλικά αντικείμενα κ.α. Οι επαγωγικοί αισθητήρες οι οποίοι ανιχνεύουν μεταλλικούς στόχους από απόσταση, σήμερα προσφέρουν σε σύγκριση με μηχανικούς διακόπτες, πάρα πολλά πλεονεκτήματα για χρήση σε βιομηχανικές εφαρμογές. Είναι ανθεκτικοί σε δονήσεις, σκόνη, υγρασία, λάδια και νερά. Προσφέρουν ακρίβεια ενεργοποίησης, λειτουργία χωρίς μηχανικές φθορές καθώς και υψηλή συχνότητα. Οι επαγωγικοί αισθητήρες έχουν πολλές εφαρμογές όπως η μέτρηση σειράς αντικειμένων. Εικόνα 1.10. Επαγωγικός αισθητήρας 1.8.1.2 Χωρητικοί προσέγγισης αισθητήρες Οι χωρητικοί αισθητήρες υπολογίζουν την μεταβολή της χωρητικότητας που οφείλεται στην εισαγωγή ενός αντικειμένου 28 στο ηλεκτρικό πεδίο ενός πυκνωτή (ή την μεταφορά του οπλισμού του πυκνωτή πάνω απ’ το αντικείμενο) εκφράζοντας έτσι την γνωστή σχέση που συνδέει την χωρητικότητα c ενός πυκνωτή με τα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά δηλαδή την σχέση: C = ε ε 0 S l Με αυτόν τον τρόπο γίνεται ανίχνευση όχι μόνο αγώγιμων υλικών όπως π.χ. μεταλλικών αντικειμένων αλλά και οποιοδήποτε άλλων υλικών όπως ξύλο, πλαστικό, κεραμικά κ.α. Οι χωρητικοί ανιχνευτές μπορούν να ανιχνεύσουν και την παρουσία υγρού γι αυτό και μία από τις εφαρμογές του είναι η μέτρηση της στάθμης υγρών. Εικόνα 1.11. Χωρητικοί αισθητήρες προσέγγισης 1.8.1.3 Μαγνητικοί ανιχνευτές Οι μαγνητικοί ανιχνευτές όπως και οι επαγωγικοί έχουν την δυνατότητα ανίχνευσης μεταλλικών αντικειμένων. Αποτελούνται από ένα πηνίο το οποίο είναι τυλιγμένο γύρω από ένα μαγνήτη και το σύστημα ανίχνευσης. Όταν περάσει ένα μαγνητικό υλικό μέσα από το πεδίο του μαγνήτη τότε η μαγνητική ροή που εμπλέκεται με το πηνίο μεταβάλλεται με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα ρεύμα στο πηνίο. Το ρεύμα αυτό ανιχνεύεται από το σύστημα ανίχνευσης και έτσι 29 γίνεται αντιληπτή η διέλευση κάποιου αντικειμένου. Είναι φανερό ότι όσο μεγαλύτερη η ταχύτητα διέλευσης αντικειμένου τόσο μεγαλύτερο το επαγόμενο ρεύμα. Ο μαγνητικός ανιχνευτής χαρακτηρίζεται από μία ελάχιστη ταχύτητα αναγνώρισης. Εάν ένα αντικείμενο περάσει εμπρός από τον ανιχνευτή με ταχύτητα μικρότερη από την ελάχιστη ταχύτητα αναγνώρισης τότε το αντικείμενο δεν θα γίνει αντιληπτό. Η κύρια εφαρμογή του μαγνητικού ανιχνευτή είναι η μέτρηση ταχύτητας. Εικόνα 1.12. Μαγνητικός αισθητήρας 1.8.2 Αισθητήρες δύναμης Γενικά για την μέτρηση δύναμης υπάρχουν τρεις σημαντικοί τρόποι: Εξισορρόπηση της άγνωστης δύναμης με γνωστό βάρος. Μέτρηση της παραμόρφωσης που δημιουργεί η δύναμη σε κάποιο ελαστικό στοιχείο όπως π.χ. ελατήριο Μετατροπή της δύναμης σε πίεση ενός ρευστού και μέτρηση της πίεσης. Ένα είδος αισθητήρα μέτρησης δύναμης είναι οι κυψελίδες φόρτισης, οι οποίες είναι συσκευές που χρησιμοποιούν μετρητές μηχανικής τάσης για να προσδιορίζουν την τιμή μίας άγνωστης 30 δύναμης. Οι κυψελίδες φόρτισης είναι ικανοποιητικά γραμμικές, έχουν καλή επαναληψιμότητα, είναι αρκετά ακριβείς και είναι ανθεκτικές σε υπερφόρτιση. Ένα άλλο είδος αισθητήρα δύναμης είναι ο ζυγός ισορροπίας, ο οποίος είναι ένα σύστημα όπου μέσω της επιδίωξης της ισορροπίας προσδιορίζει την τιμή μίας άγνωστης δύναμης. Ο ζυγός αποτελείται από ένα βραχίονα όπου στα ισαπέχοντα άκρα του βρίσκονται δίσκοι όπου τοποθετούνται οι γνωστές και άγνωστες δυνάμεις. Η ισορροπία επιτυγχάνεται με την προσθήκη γνωστών μαζών στην δεξιά πλευρά, ωσότου ο βραχίονας λάβει οριζόντια θέση. Επίσης ο ζυγός ελατηρίου είναι μία διάταξη που μετράει δύναμη. Ο ζυγός ελατηρίου είναι στην ουσία ένα ελατήριο όπου ανάλογα με την δύναμη που του ασκείται επιμηκύνεται. Αυτή η επιμήκυνση του ελατηρίου είναι ευθέως ανάλογη της δύναμης, σύμφωνα με τον νόμο του Hooke. Με την μέθοδο αυτή είναι αδύνατο να επιτευχθεί υψηλή ακρίβεια αλλά δεν παύει να είναι μία εύκολη και γρήγορη εκτίμηση της τιμής μίας άγνωστης δύναμης. Επίσης συνδυάζοντας το ζυγό ελατηρίου με ένα ποτενσιόμετρο μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα ηλεκτρικό σήμα εξόδου ανάλογο του εφαρμοζόμενου φορτίου. 1.8.3 Αισθητήρες ταχύτητας και επιτάχυνσης Η ταχύτητα ενός σώματος ορίζεται ως ο ρυθμός μεταβολής της θέσης του ως προς τον χρόνο. Στο S.I η μονάδα μέτρησης της ταχύτητας είναι μέτρο ανά δευτερόλεπτο ( meter/second ) ή (m/s). Οι πιο βασικοί μέθοδοι μέτρησης ταχύτητας είναι: Διαφόριση της μετατόπισης Υπολογισμός της μέσης ταχύτητας ως ο λόγος της μετατόπισης προς τον χρόνο. Στροβοσκοπική μέθοδος Με χρήση μετατροπέων ταχύτητας Ταχογεννήτριες Όσο αφορά όμως την επιτάχυνση, υπάρχουν άλλες διαφορετικές μέθοδοι μέτρησης. Οι αισθητήρες που μετρούν επιτάχυνση λέγονται επιταχυνσιόμετρα και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα επιταχυνσιόμετρα ανοιχτού βρόγχου και τα επιταχυνσιόμετρα 31 κλειστού βρόγχου ή σερβοεπιταχυνσιόμετρα. Τα επιταχυνσιόμετρα ανοιχτού βρόγχου χωρίζονται σε διάφορους τύπους όπου οι πιο βασικοί είναι: Επιταχυνσιόμετρα με ποτενσιόμετρο Επιταχυνσιόμετρα με μετατροπέα πιεζοαντίστασης Επιταχυνσιόμετρα με ΓΜΔΜ. Ημιαγωγικά επιταχυνσιόμετρα Πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόμετρα Τα σερβοεπιταχυνσιόμετρα δεν χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες όπως τα επιταχυνσιόμετρα ανοιχτού βρόγχου, ωστόσο έχουν το πλεονέκτημα της υψηλής ακρίβειας. 1.9.3 Αισθητήρες θερμοκρασίας Θερμοκρασία είναι η φυσική ποσότητα που μετρά την ενέργεια κίνησης ή ταλάντωσης της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Οι πιο συνηθισμένες κλίμακες για την μέτρηση της θερμοκρασίας είναι η κλίμακα Κελσίου (C) η κλίμακα Kelvin (K) και η κλίμακα Fahrenheit (F). Υπάρχουν αρκετά όργανα μέτρησης θερμοκρασίας από τα οποία το πιο παλιό και πιο διαδεδομένο να είναι το θερμόμετρο διαστολής. Επίσης υπάρχουν και άλλοι βασικοί μετατροπείς θερμοκρασίας όπως : • • • • • • Το θερμοζεύγος Το θερμίστορ Οι ημιαγωγικοί μετατροπείς θερμοκρασίας Το θερμόμετρο αντίστασης Το πυρόμετρο υπερύθρου Το διμεταλλικό θερμόμετρο Όλοι αυτοί οι τύποι αισθητήρων θερμοκρασίας έχουν ο καθένας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους και ανάλ0γα την χρήση επιλέγουμε τον κατάλληλο τύπο αισθητήρα. 32 Εικόνα 1.13. Θερμόμετρο διαστολής υγρού 1.8.5 Αισθητήρες πίεσης Πίεση ονομάζεται η δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας δηλαδή: P = F/A Όπου F= Κάθετη δύναμη που ασκείται σε μία επιφάνεια A= Επιφάνεια Στο σύστημα S.I, η μονάδα μέτρησης της πίεσης είναι το Nt/m² το οποίο ισούται και με 1 Pascal. Το Nt/m² όμως επειδή είναι πολύ μικρή μονάδα συχνά χρησιμοποιείτε το Kp/cm² σαν μονάδα μέτρησης. Οι βασικοί τύποι αισθητήρων πίεσης είναι: • Ο αισθητήρας με ΓΜΔΜ • Ο επαγωγικός αισθητήρας • Ο χωρητικός αισθητήρας • Ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας • Ο αισθητήρας με πιεζοαντίσταση • Ο ωμικός αισθητήρας • Ο αισθητήρας με ποτενσιόμετρο 33 Οι μετατροπείς πίεσης με ΓΜΔΜ χρησιμοποιούν ένα ΓΜΔΜ για την μέτρηση της μετατόπισης λόγω παραμόρφωσης κάποιου ελαστικού στοιχείου που μπορεί να είναι: • Φυσητήρας • Διάφραγμα • Σωλήνας Μπουρντόν Εικόνα 1.14. Αισθητήρας πίεσης λαδιού 1.8.6 Αισθητήρες ροής και στάθμης ‘Όταν υπάρχουν αναφορές σχετικά με ροή και στάθμη είναι κατανοητό και αντιληπτό ότι αυτό αφορά υγρά η ακόμα και αέρια. Ωστόσο, το συνηθισμένο είναι η ροή και η στάθμη να αφορά υγρά. Οι πιο συνηθισμένοι μετατροπείς ροής υγρών είναι οι ηλεκτρομαγνητικοί μετρητές παροχής, ο σωλήνας pitot, οι μετρητές παροχής με υπερήχους (π.χ. χρόνου μετάβασης, Doppler) και οι μετρητές παροχής διαφορικού τύπου, (μετρητής διαφράγματος, μετρητής venturi, μετρητής ακροφύσιου κ.α.). Όσο αφορά για την στάθμη υγρών και την μέτρηση της, οι πιο βασικοί μετρητές στάθμης είναι: • Οι μετρητές με βυθιζόμενο σώμα • Οι μετρητές με επιπλέον σώμα • Οι μετρητές με χωρητικό μετατροπέα • Οι μετρητές με μέτρηση πίεσης • Οι μετρητές με υπέρηχους ή laser κ.α. 34 Εικόνα 1.15. Αισθητήρας στάθμης υπερήχων του οίκου Flow Line Αμερικής 1.8.7 Άλλοι αισθητήρες-μετατροπείς Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα υπάρξει αναφορά στα είδη των αισθητήρων-μετατροπέων που δεν αναφερθήκαν στα παραπάνω υποκεφάλαια και οι οποίοι είναι άξιοι αναφοράς. Αρκετά σημαντικοί και χρήσιμοι αισθητήρες είναι οι οπτικοί αισθητήρες. Οι φωτοαντιστάσεις, τα φωτοτρανζίστορ και οι φωτοδιόδοι είναι είδη οπτικών αισθητήρων. Επίσης υπάρχουν αισθητήρες υγρασίας που μετρούν την απόλυτη και την σχετική υγρασία, αισθητήρες ανίχνευσης αερίων (ανίχνευση υγραερίου, διοξειδίου και άλλων αερίων), αισθητήρες ροπής, αισθητήρες θέσης, αισθητήρες λ ή οξυγόνου, αισθητήρες στροφών, αισθητήρες ραδιενέργειας, αισθητήρες πάχους, αισθητήρες μέτρησης PH, αισθητήρες ανίχνευσης ακτινών Χ και άλλοι πολλοί αισθητήρες διαφόρων τύπων. Εικόνα 1. 16. Αισθητήρας υγρασίας εδάφους 35 Κεφάλαιο 2 Γενικά στοιχεία αυτοκινήτου 36 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία-η ιστορία του αυτοκινήτου Το αυτοκίνητο με κινητήρα εσωτερικής καύσης εφευρέθηκε το 1885 στην Γερμανία από τον Carl Benz. Πριν όμως αυτήν την εφεύρεση -η οποία θεωρείται η εφεύρεση του συγχρόνου αυτοκινήτου- υπάρχει αρκετή ιστορία γύρω από το αυτοκίνητο που χάνεται στο βάθος του χρόνου. Από την αρχαιότητα ακόμα πολλοί οραματιστές προσπάθησαν να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν τροχοφόρα οχήματα τα οποία θα κινούταν με δική τους ενέργεια, χωρίς αποτέλεσμα όμως. Πηγαίνοντας πίσω στην ιστορία συναντάει κανείς τον Λεονάρντο ντα Βίντσι, ο οποίος σχεδίασε ένα όχημα το οποίο είχε την δυνατότητα κίνησης αλλά με μοχλούς τους οποίους θα κινούσε ο οδηγός. Ήταν μία απόπειρα δημιουργίας ενός οχήματος που θα κινούταν με δική του ενέργεια ωστόσο το σχέδιο του Ντα Βίντσι δεν προχώρησε. Στην συνέχεια ο Νεύτων είχε σχεδιάσει ένα ατμοκινούμενο βαγόνι , του οποίου η λειτουργία θα στηριζόταν στην αρχή της ατμοώθησης. Αυτή η απόπειρα του Νεύτωνα για δημιουργία ενός οχήματος το οποίο θα κινούταν με την βοήθεια ατμομηχανής είχε πολλούς ακόλουθους οι οποίοι έβαλαν και αυτοί το λιθαράκι τους στην ιστορία και στην εξέλιξη των αυτοκινήτων. Η συνέχεια της ιστορίας του αυτοκινήτου ανήκει στον Γάλλο Νichοlas Jοseρh Cugnοt ( Νικολά-Ζόζεφ Κουνιό ), ο οποίος το 1769 κατασκεύασε το πρώτο ατμοκίνητο αυτοκίνητο της ιστορίας το οποίο ονόμασε fardier. Ο Κουνιό χρησιμοποίησε για την κίνηση του οχήματός του την ατμομηχανή, η οποία είχε ήδη ιστορία 50 χρόνων. Στην συνέχεια και μετά την ανακάλυψη του Κουνιό ακολούθησαν αρκετές προσπάθειες και επιτεύχθηκαν κατασκευές ατμοκίνητων οχημάτων όπως αυτή του Άγγλου William Murdock το 1784, του Robert Furnes το 1788 (κατασκευή τρακτέρ), του Richard Trevithick το 1801 και του Sir Gοrdswοrthy Gurney το 1830. Έκτος όμως από τις κατασκευές ατμοκίνητων οχημάτων -τρικύκλων κυρίωςυπήρχαν και οι εξαιρέσεις και οι κατασκευές οχημάτων με τεχνολογία διαφορετική από του ατμού. Μία τέτοια περίπτωση ήταν το 1823 όταν ο Άγγλος Samuel Brown κατασκεύασε ένα όχημα το οποίο είχε 2 κυλίνδρους και χρησιμοποιούσε σαν καύσιμο το υδρογόνο. 37 Όμως μετά την ακμή των ατμοκίνητων αυτοκινήτων επήλθε και η παρακμή τους, μετά από 70 χρόνια από την κατασκευή του Κουνιό. Είχε γίνει αντιληπτό το 1840 ότι οι δυνατότητες των ατμοκίνητων αυτοκινήτων ήταν περιορισμένες. Αυτή η κατάσταση οδήγησε στην σταδιακή μείωση αυτών που ασχολούνταν με τα ατμοκίνητα οχήματα. Η εξαίρεση του κανόνα ωστόσο ήταν ο Τhοmas Rickett από το Μπάκιγχαμ ο οποίος συνέχισε να κατασκευάζει τέτοιου τύπου αυτοκίνητα μέχρι και το 1859. Βέβαια ατμοκίνητα οχήματα συνέχισαν να κατασκευάζονται κυρίως στις Η.Π.Α μέχρι και το 1924, ωστόσο η παρακμή για αυτήν την τεχνολογία είχε ξεκινήσει πολλά χρόνια πριν. Έτσι λοιπόν φτάνουμε στην χρονολογία ορόσημο για το σύγχρονο αυτοκίνητο και την ιστορία του, το 1885. Πριν όμως το 1885 μία άλλη ημερομηνία υπήρξε καθοριστική για την εξέλιξη του αυτοκινήτου. Ήταν το 1862 όταν ο Γάλλος Εtienn Lenοir -τον οποίο πολλοί τον θεωρούν ως ο πατέρας του σύγχρονου αυτοκινήτου αντί του Carl Benz- κατασκεύασε τον πρώτο κινητήρα εσωτερικής καύσης κατά το πρότυπο της ατμομηχανής. Ο κινητήρας αυτός δούλευε με μείγμα αέρα και φυσικού αερίου χωρίς συμπίεση. Την ίδια χρονιά ο Αlρhοnse Βeau de Rοchas πραγματοποίησε την κατασκευή ενός τετράχρονου κινητήρα. Η θεωρητική όμως και τεχνική πατρότητα του τετράχρονου κινητήρα αποδίδεται στον Γερμανό φυσικό Dr. Ν. Α. Οttο ο οποίος ανακάλυψε τον ομώνυμο κύκλο λειτουργίας των μηχανών και κατασκεύασε το 1872, την αθόρυβη αεριομηχανή του. Τελικά, ο Carl Benz ίδρυσε μία εταιρία κατασκευής μηχανών και ξεκίνησε την παραγωγή των πρώτον τρίκυκλων οχημάτων. Στην συνέχεια ο ίδιος εφεύρε τον επιταχυντή, την ανάφλεξη, το ψυγείο νερού, τον αναφλεκτήρα (μπουζί), το συμπλέκτη και το σύστημα επιλογή της ταχύτητας, ενώ το 1888 ξεκίνησε την πρώτη παραγωγή αυτοκινήτου στην ιστορία. Αυτές οι εξελίξεις και οι ανακαλύψεις γύρω από το αυτοκίνητο και τον κινητήρα εσωτερικής καύσης που διαδεχόταν η μία την άλλη είχαν φέρει την Γερμανία στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος όσο αναφορά τα αυτοκίνητα. Το 1885 ωστόσο υπήρξε άλλη μία σημαντική ανακάλυψη: ένας μηχανικός που δούλευε κοντά στον Otto, ο Gοttlieb Daimler εφεύρε το καρμπιρατέρ και χρησιμοποίησε για πρώτη φορά στην ιστορία την βενζίνη ως καύσιμο. Την ίδια χρονιά τοποθέτησε την μηχανή αυτή σε ένα τρίκυκλο και την επόμενη χρονιά έφτιαξε το πρώτο του τετράτροχο αυτοκίνητο. Την ίδια εποχή ο Benz κατασκεύαζε τρίκυκλα οχήματα στα οποία είχε τοποθετήσει ένα 38 στοιχειώδης κιβώτιο ταχυτήτων που περιελάμβανε 2 ταχύτητες στον αριθμό. Στην συνέχεια η ιστορία του αυτοκινήτου γράφτηκε από τους Γάλλους, καθώς το 1889 μία Γαλλική εταιρεία η Ρanhard et Leνassοr, αγόρασε τα δικαιώματα κατασκευής των κινητήρων του Gοttlieb Daimler στην Γαλλία. Οι Γάλλοι προχώρησαν σε αλλαγές και μετατροπές κυρίως στο σύστημα μετάδοσης και στην μετατροπή του κινητήρα. Έτσι σταδιακά ξεκίνησε η ίδρυση εταιρειών κατασκευής αυτοκινήτων, με την πρώτη ίδρυση εταιρείας να χρονολογείται το 1891, με την ονομασία De Diοn Βοutοn. Την ίδια εποχή ιδρύθηκαν στην Γαλλία οι εταιρείες γνωστές και μέχρι σήμερα Peugeot και Renault, ενώ στην Ιταλία ιδρύθηκαν οι εταιρείες Steffanini Μartina και η γνωστή μέχρι σήμερα FIAT (Fabbrica Ιtaliana Αutοmοbili Τοrinο ). Αντίθετα από την Ευρώπη, στην Αμερική υπήρξε μία μικρή καθυστέρηση στην παραγωγή αυτοκινήτων. Όμως και η Αμερική και πιο συγκεκριμένα ο Ford έπαιξε σπουδαίο ρόλο στην εξέλιξη της παραγωγής αυτοκινήτων. Ο Ford κατασκεύασε το πρώτο του αυτοκίνητο το 1895 άλλα αρκετά χρόνια αργότερα έφερε την επανάσταση στις μεθόδους παραγωγής. Αυτά ήταν τα βασικά επιτεύγματα στην τεχνολογία των αυτοκινήτων τον 19ο αιώνα. Στην συνέχεια θα αναλυθεί η εξέλιξη των αυτοκινήτων από την αρχή του 20ου αιώνα μέχρι και σήμερα. Εικόνα 2.1. Ένα από τα πρώτα αυτοκίνητα του 20ου αιώνα. 39 Στις αρχές του 20ου αιώνα όλο περισσότερα και βελτιωμένα αυτοκίνητα και εταιρείες κατασκευής αυτοκινήτων έκαναν την εμφάνιση τους. Τα αυτοκίνητα στις αρχές του αιώνα είχαν μεγάλες διαφορές με τα σημερινά ωστόσο άρχισαν σταδιακά με το πέρασμα του χρόνου να παίρνουν την μορφή που έχουν σήμερα. Μερικές σημαντικές ημερομηνίες στην εξέλιξη του αυτοκινήτου τον 21ο αιώνα ήταν: • Το 1900 διοργανώθηκε για πρώτη φορά αγώνας αυτοκινήτων 1600 χιλιομέτρων με τους Ρanhard να θριαμβεύουν με ένα όνομα που σύντομα θα γινόταν πασίγνωστο στον κόσμο του αυτοκινήτου, τον C.S. RΟLLS. • Το 1907 κατασκευάστηκε η πρώτη Rolls-Royce με την ονομασία Silver ghost. Η Rolls-Royce ήταν η πρώτη εταιρεία παραγωγή αυτοκινήτων στην ιστορία που υποσχόταν ύψιστη ποιότητα χωρίς οικονομικούς περιορισμούς. Την ίδια εποχή εμφανίστηκαν στην Ευρώπη οι ανταλλακτικοί τροχοί - ρεζέρβες, που έβαλαν τέρμα σ' ένα μεγάλο πρόβλημα, το πρόβλημα της επιδιόρθωσης των ελαστικών στο δρόμο. • Το 1907 επίσης λειτούργησε στην Αγγλία, στην οποία οι αγώνες απαγορεύονταν σε δημόσιους δρόμους, η πρώτη πίστα αγώνων αυτοκινήτου, με ασφάλτινη διαδρομή, η πίστα του Βrοοkland. • Το 1908 εμφανίστηκε το Ford T, το οποίο έγινε γνωστό ως ένα αυτοκίνητο το οποίο κατασκευάστηκε με σκοπό να παράγει υψηλή αξιοπιστία στην χαμηλότερη δυνατή τιμή. Η προσιτή του τιμή είχε σαν αποτέλεσμα το Ford T να γίνει ανάρπαστο στην εποχή του, να παραμείνει στην αγορά 19 χρόνια και να πουλήσει συνολικά 19.500.000 αυτοκίνητα • Το 1911 εμφανίστηκε το πρώτο πραγματικά "μικρό" αυτοκίνητο στον κόσμο, το Ρeugeοt, σχεδιασμένο από μια μεγάλη μορφή του κόσμου του αυτοκινήτου, τον Εttοre Βugatti. • Το 1919 η εταιρεία κατασκευής αυτοκινήτων Ηisρanο - Suiza εισήγαγε φρένα και στους τέσσερις τροχούς και μέχρι το 1925 όλοι οι κατασκευαστές είχαν υιοθετήσει αυτήν την εξέλιξη. • Το 1922 εμφανίστηκαν στην Ευρώπη τα μικρά φτηνά αυτοκίνητα, απόγονοι του μικρού Ρeugeοt της προηγούμενης δεκαετίας. Αυτοκίνητα όπως τα Αustin Seνen , Τriumρh "Sυρer Seνen" και Fοrd "Εight" .'Έτσι το αυτοκίνητο έγινε προσιτό σε όλους και από τότε άρχισαν τα πρώτα κυκλοφοριακά προβλήματα. Μάλιστα στο Λονδίνο, για να αντιμετωπιστεί η κατάσταση, εμφανίστηκαν το 1925 οι πρώτοι μονόδρομοι και φωτεινοί σηματοδότες. 40 • Το 1929 ιδρύθηκε από τον Έντσο Φερράρι η γνωστή σε όλους Φερράρι με την ονομασία Scuderia Ferrari και με αντικείμενο την υποστήριξη οδηγών αγώνων και την υποστήριξη αγωνιστικών αυτοκινήτων για λογαριασμό της Άλφα Ρομέο. • Το 1930 κατασκευάστηκε -μετά από απαίτηση του Χίτλερ για προσιτό οικονομικά αυτοκίνητό για όλους- ο πασίγνωστος Σκαραβαίος το διάσημο μοντέλο της Volkswagen (στα γερμανικά Volkswagen σημαίνει το αυτοκίνητο του λαού). Ο σκαραβαίος ονομάστηκε έτσι διότι θύμιζε σκαθάρι και είναι παγκοσμίως το πιο δημοφιλές αυτοκίνητο με πωλήσεις που ξεπερνούν τα 21.000.000. • 1946-1974: Μετά το Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, η εξέλιξη των αυτοκινήτων ήταν ραγδαία. Όλες οι τεχνικές εξελίξεις που δοκιμάστηκαν στα αεροπλάνα, μεταφέρθηκαν μετά από δοκιμές και στα αυτοκίνητα αγώνων ενώ παράλληλα στην Ευρώπη εμφανίστηκαν τα δισκόφρενα, οι χαμηλές αναρτήσεις και οι καρότσες με έντονα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά. Στον τομέα αυτό, οι Ιταλοί σχεδιαστές αυτοκινήτων κυριάρχησαν χωρίς συναγωνισμό με εξαιρέσεις τη γαλλική φίρμα Citrοen και την Ροrsche. Καθώς περνούσαν τα χρόνια ξεχώρισαν σε παγκόσμια κλίμακα δυο τάσεις στην όλη κατασκευή του αυτοκινήτου. Η "Ευρωπαϊκή Σχολή", με αυτοκίνητα μικρά αλλά με μεγάλη εκμετάλλευση του χώρου των επιβατών, με μικρούς κινητήρες υψηλής απόδοσης και μικρής κατανάλωσης, διπλά κυκλώματα φρένων με δίσκους τουλάχιστον εμπρός, ανάρτηση λίγο σκληρή, σχεδιασμένα για δρόμους με στροφές και με θαυμάσιο κράτημα, χάρη στους ανεξάρτητους πίσω τροχούς ή σταθερούς άξονες καλά μελετημένους. Τα κιβώτια ταχυτήτων είναι κυρίως χειροκίνητα με 4 ή 5 ταχύτητες. Τα λάστιχα χαμηλά και φαρδιά. Αντίθετη τελείως είναι η φιλοσοφία της "Αμερικανικής Σχολής" - που επηρέαζε έμμεσα και μερικούς Ευρωπαίους κατασκευαστές παρ' όλο που υπήρχε το τεχνολογικό υπόβαθρο και τα μέσα. Τα αυτοκίνητα ήταν τεράστια σε σύγκριση με τα ευρωπαϊκά, με σπάταλη εκμετάλλευση του χώρου, κακές αλλά μαλακές αναρτήσεις, κατάλληλες μόνο για ίσιους δρόμους, φρένα τελείως ξεπερασμένα, ακατάλληλα για σκληρή χρήση. Οι κινητήρες ήταν βαριοί, λιγόστροφοι, τεράστιοι και είχαν χαμηλή απόδοση, καταβροχθίζοντας φανταστικές, για την Ευρώπη, ποσότητες βενζίνης. 41 • Το 1950 διεξάγεται ο πρώτος αγώνας Formula 1 της ιστορίας στο Σίλβερστοουν, σε ένα εγκαταλελειμμένο αεροδρόμιο της RAF. Νικητής είναι ο Τζιουζέπε Φαρίνα με Αλφα Ρομέο. • 1950-σήμερα: Μετά το πέρας του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου και περνώντας τα χρόνια η τιμή της βενζίνης ολοένα και αυξανόταν. Το γεγονός αυτό έδωσε ώθηση για καινούργιες έρευνες πάνω στους κινητήρες και στα καύσιμα με αποτέλεσμα να σχεδιαστούν και να κατασκευαστούν καινούργιες μηχανές που είχαν ως σκοπό να είναι πιο οικονομικές και πιο φιλικές για το περιβάλλον. Τέσσερεις καινούργιοι κινητήρες ξεχώρισαν από το πλήθος: 1ο ) Ο κινητήρας Wankel, που βασίζεται σε μια παλιά ιδέα Γερμανού μηχανικού και εξελίχτηκε στη δεκαετία του 1960 2ο) Ο κινητήρας Sterling 3ο) ο στροβιλοκινητήρας (Τurbine) που χρησιμοποιείται σε αεροσκάφη ή μόνιμες μηχανές κίνησης, αλλά παρουσιάζει προβλήματα τεράστιας κατανάλωσης καυσίμων και μετάδοσης της κίνησης στους τροχούς. 4ο) ο ηλεκτροκινητήρας που είναι μια πολύ παλιά ιδέα και προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως έλλειψη θορύβου και μόλυνσης, απλή κατασκευή, ομαλή κατασκευή, ομαλή λειτουργία και οικονομία αλλά και δυο βασικά μειονεκτήματα, τη μικρή απόσταση που μπορεί να διανύσει ένα ηλεκτροκίνητο όχημα και το μεγάλο βάρος που έχουν οι μπαταρίες που το τροφοδοτούν. Έτσι η χρήση του περιορίζεται δοκιμαστικά ακόμα σε μικρά αυτοκίνητα για την πόλη. Ωστόσο, όσο τα χρόνια πέρναγαν και οι έρευνες γύρω από τους κινητήρες και τα καύσιμα αυξανόταν συνεχώς, γεννήθηκε η ανάγκη για την ύπαρξη ενός «εγκεφάλου» στο αυτοκίνητο, ο οποίος θα αξιοποιούσε κατάλληλα, δηλαδή προς συμφέρον της οικονομίας των καυσίμων και της εύρυθμης και ασφαλής λειτουργία του κινητήρα τις χρήσιμες πληροφορίες που θα δεχόταν για μία πληθώρα φυσικών μεγεθών. Έτσι λοιπόν γεννήθηκε άλλη μια ανάγκη, την ανάγκη για μέτρηση και έλεγχο διαφόρων φυσικών μεγεθών και μη και την διοχέτευση αυτών των πληροφοριών στον εγκέφαλο. Οι αισθητήρες λοιπόν ήταν το κλειδί για την υλοποίηση αυτής της ιδέας και είναι υπεύθυνη για την δημιουργία δεκάδων συστημάτων και υποσυστημάτων που χρησιμοποιούνται σήμερα στο αυτοκίνητο όπως το ESP, το ABS και το ASR. Έτσι σιγά σιγά οι πρώτοι αισθητήρες έκαναν την εμφάνιση τους στο αυτοκίνητο, φτάνοντας στο σήμερα όπου οι αισθητήρες σε ένα σύγχρονο αυτοκίνητο είναι εκατοντάδες και προσφέρουν σε 42 συνεργασία με τον εγκέφαλο (ECU), αυξημένη άνεση και λειτουργικότητα, ασφάλεια στην οδήγηση, μειωμένη κατανάλωση καυσίμου, μειωμένη μόλυνση του περιβάλλοντος και βελτιωμένες διαγνωστικές λειτουργίες. Εικόνα 2.2. Bygatti Veyron Super Sport ένα από τα γρηγορότερα αυτοκίνητα στον κόσμο Αυτή ήταν η ιστορική αναδρομή της εξέλιξης των αυτοκινήτων και κάλυψε διάφορες χρονικές περιόδους. Πιο αναλυτικά χωρίστηκαν σε τέσσερεις χρονικές περιόδους: 1. Τα πρώιμα χρόνια, πού η κατασκευή ενός οχήματος που θα κινούταν με δική του ενέργεια και όχι με την βοήθεια ζώων, όπως π.χ. τα κάρα, υπήρχε μόνο σαν ιδέα και σαν σχέδιο στο χαρτί. 2. Τον 18ο και αρχές του 19ου αιώνα, τους αιώνες της ανάπτυξης του ατμού και της ατμομηχανής, όπου υπήρξαν μεγάλοι πρωτοπόροι (Cugnοt, Murdock, Rickett κ.α.) στην δημιουργία ατμοκίνητων κυρίως οχημάτων. 3. Τα μέσα και τέλη του 19ου αιώνα, οπού εμφανίστηκαν οι πατέρες του σύγχρονου αυτοκινήτου, (Carl Benz, Ettoir Lenoir, Daimler, Otto ), οι οποίοι έκαναν πάρα πολλές και σημαντικές ανακαλύψεις, όπως τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, τον τετράχρονο κινητήρα, την βενζίνη ως καύσιμο και συνέβαλαν γενικά ώστε το αυτοκίνητο να έχει την μορφή που έχει σήμερα. 4. Την αρχή του 20ου αιώνα έως σήμερα οπού υπήρξαν οι τελευταίες σημαντικές αλλαγές στα αυτοκίνητα. Αυτές η αλλαγές συνέβαλλαν ώστε με το πέρασμα του χρόνου τα 43 αυτοκίνητα να γίνουν πιο άνετα, ασφαλή, αξιόπιστα, γρήγορα και πολυμορφικά. Τα αυτοκίνητα που υπάρχουν σήμερα καλύπτουν όλα τα γούστα σε όλους τους τομείς. Υπάρχουν πολλά αυτοκίνητα για πολλές χρήσεις. Επιβατικά αυτοκίνητα που χρησιμεύουν στις μεταφορές ανθρώπων, επαγγελματικά αυτοκίνητα ( φορτηγά, νταλίκες κ.α.) που χρησιμεύουν στις μεταφορές διαφόρων αντικειμένωνεμπορευμάτων, αυτοκίνητα-τρακτέρ που χρησιμεύουν σε γεωργικές εργασίες και αγωνιστικά αυτοκίνητα που χρησιμοποιούνται σε αγώνες ταχύτητας. Όσο αφορά τα χαρακτηριστικά των αυτοκινήτων του σήμερα, υπάρχουν αυτοκίνητα με πάρα πολύ υψηλή τελική ταχύτητα (SSC Tuatara) που φτάνουν τα 434 Km/h, αυτοκίνητα πάρα πολύ μικρά (Peel) (50 κ.εκ. και 3.5 ίππους), αυτοκίνητα για ακριβά γούστα (Maybach exelero) που κοστίζουν 8 εκατομμύρια αμερικάνικα δολάρια, αυτοκίνητα πολύ οικονομικά και σε πολύ χαμηλή τιμή (Tata Nano) με κόστος μόλις 1.700 ευρώ και γενικά αυτοκίνητα για όλες τις προτιμήσεις, για όλες της χρήσεις και με οποιοδήποτε χαρακτηριστικά επιθυμεί κάποιος. 2.2 Ορισμός αυτοκινήτου Στο παραπάνω υποκεφάλαιο αναλύθηκε η ιστορική εξέλιξη του αυτοκινήτου από αρχαιοτάτων χρόνων, τότε που το αυτοκίνητο υπήρχε μόνο ως ιδέα και ο κόσμος χρησιμοποιούσε οχήματα που κινούταν με την βοήθεια ζώων, κυρίως αλόγων, έως και σήμερα που το αυτοκίνητο έχει φτάσει στην ακμή του. Τι είναι όμως το αυτοκίνητο; Ποιος είναι ο ορισμός του; Το αυτοκίνητο είναι ένα όχημα που κινείται με δική του μηχανή πάνω σε τέσσερεις ή περισσότερους τροχούς και χρησιμοποιείται για την μεταφορά ανθρώπων και αντικειμένων. 44 Εικόνα 2.3 Maybach exelero, ένα από τα πιο ακριβά αυτοκίνητα στον κόσμο 2.3 Τα μέρη του αυτοκινήτου Το αυτοκίνητο είναι μια περίπλοκη κατασκευή για την οποία πολλοί άνθρωποι εργάστηκαν σκληρά πολλούς αιώνες για την υλοποίηση της κατασκευής του. Παρόλα αυτά ακόμα και σήμερα που το αυτοκίνητο θεωρείται τελειοποιημένο, υπάρχουν αρκετές καινούργιες ιδέες και καινοτομίες που έχουν ως σκοπό την βελτίωση των αυτοκινήτων σε πολλούς τομείς. Κυριότερες βελτιώσεις στα αυτοκίνητα σήμερα γίνονται στον τομέα της απόδοσης του κινητήρα, στον τομέα της κατανάλωσης καυσίμου που επιδιώκεται η δυνατότερη οικονομία στα καύσιμα, στον τομέα της ασφάλειας και στον τομέα της οικολογίας. Παρόλα αυτά, το αυτοκίνητο του σήμερα έχει συγκεκριμένα μέρη, τα οποία έχουν μείνει ουσιαστικά αναλλοίωτα από το παρελθόν, καθώς θεωρούνται ως ενδεδειγμένα και ως βάση για ένα αυτοκίνητο. Γι αυτό τον λόγο οι βελτιώσεις που έχουν γίνει και γίνονται στα μέρη του αυτοκινήτου δεν έχουν αλλοιώσει την ουσιαστική μορφή τους, απλά έχουν συντελέσει ώστε να γίνουν πιο μοντέρνα, πιο αποδοτικά και πιο ασφαλές. Το αυτοκίνητο αποτελείται από πολλά και διαφορετικά μέρη από τα οποία τα σημαντικότερα είναι: Το αμάξωμα: Το αμάξωμα είναι ένα πολύ σημαντικό μέρος του αυτοκινήτου καθώς αποτελείται από όλα τα εξωτερικά μέρη του αυτοκινήτου όπως η οροφή, οι πόρτες, τα παράθυρα κ.α. Ανάλογα με τον τύπο του 45 αμαξώματος γίνεται και ο διαχωρισμός των αυτοκινήτων σε διάφορες κατηγορίες όπως π.χ. στέισον βαγκόν, κουπέ, σεντάν κ.α. Επίσης το αμάξωμα μπορεί να είναι είτε ανοιχτό είτε κλειστό. Συνήθως κατασκευάζονται από φύλλα σιδήρου. Τα μέρη ενός αμαξώματος ενώνονται με το πλαίσιο είτε με βίδες, είτε με συγκολλήσεις, οι οποίες σε όλα τα σύγχρονα εργοστάσια γίνονται αποκλειστικά από ρομπότ. Η συναρμολόγηση των μερών του αμαξώματος γίνεται και αυτή από ρομπότ ενώ μεγάλη προσοχή δίνεται στην ποιότητα συναρμογής τους. Μεγάλο ρόλο για την εμφάνιση ενός αμαξώματος πέρα από τη σχεδίαση και την ποιότητα συναρμογής του παίζει και η βαφή. Όταν τελειώσει η διαδικασία της βαφής, περνάει από τον ποιοτικό τελικό έλεγχο όπου ελέγχεται προσεκτικά για πιθανές ατέλειες στο φινίρισμα. Εικόνα 2.4. Το αμάξωμα του αυτοκινήτου Το πλαίσιο: Το πλαίσιο είναι ένα από τα σημαντικότερα μέρη του αυτοκινήτου καθώς πάνω σε αυτό στηρίζονται όλα τα μηχανικά μέρη του αυτοκινήτου και το αμάξωμα και αποτελεί κατά κάποιον τρόπο τον σκελετό του οχήματος. Το πλαίσιο είναι μια άκαμπτη κατασκευή από ένα σύνολο χαλύβδινων δοκών που δέχεται όλες τις καταπονήσεις του οχήματος. Η διαμόρφωση του είναι τέτοια, ώστε πάνω του να συναρμολογούνται κατάλληλα τα όργανα του αυτοκινήτου, ο κινητήρας, και το σύστημα ανάρτησης. 46 Ειδική κατασκευή πλαισίου υπάρχει στα αυτοκίνητα αγώνων και στα σπορ αυτοκίνητα, με τα υλικά κατασκευής να είναι ανθρακονήματα, κέβλαρ και μαγνήσιο. Ωστόσο το πιο διαδεδομένο υλικό κατασκευής των πλαισίων για αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής είναι ο χάλυβας αλλά και το αλουμίνιο που έκανε την εμφάνιση του το 1980 και αρχίζει να χρησιμοποιείται όλο και πιο πολύ. Ο κινητήρας: Ο κινητήρας είναι η καρδιά του αυτοκινήτου καθώς είναι η μηχανή που μετατρέπει την χημική ενέργεια των καυσίμων, (είτε πετρέλαιο, είτε βενζίνη), σε θερμότητα και στην συνέχεια σε κινητική ενέργεια. Οι κινητήρες αυτοί διαχωρίζονται σε αυτούς που δουλεύουν σε δύο χρόνους (δίχρονοι) και σε τέσσερις (τετράχρονοι). Οι τετράχρονοι είναι πιο διαδεδομένοι λόγω των χαμηλών ρύπων που εκπέμπουν αλλά και της πιο ομοιογενούς λειτουργίας τους. Τα στάδια λειτουργίας ενός τετράχρονου κινητήρα είναι η εισαγωγή, η συμπίεση, η εκτόνωση και η εξαγωγή καυσαερίων. Βασική αρχή της λειτουργίας του κινητήρα είναι η καύση του μείγματος αέρα - καυσίμου, το οποίο οδηγείται από το σύστημα ψεκασμού στους κυλίνδρους τη στιγμή που το έμβολο κατεβαίνει μέσω των αυλών εισαγωγής. Μετά το έμβολο ανεβαίνει και συμπιέζει το μείγμα, ενώ το μπουζί στο τέλος της συμπίεσης δημιουργεί σπινθήρα και πραγματοποιείται η καύση του μείγματος. Η πίεση που δημιουργείται από τα αέρια ωθεί προς τα κάτω το έμβολο και ανοίγει ο αυλός εξαγωγής για να οδηγήσει τα καυσαέρια στην πολλαπλή εξαγωγής. Το συγχρονισμό των αυλών εισαγωγής - εξαγωγής αναλαμβάνει ο εκκεντροφόρος επικεφαλής ενώ η κίνησή του όπως και των εμβόλων γίνεται μέσω του στροφαλοφόρου άξονα. Στη συνέχεια ανοίγει πάλι ο αυλός εισαγωγής και συνεχίζεται διαρκώς η ίδια διαδικασία. Σημαντικό στοιχείο σε έναν κινητήρα είναι οι κύλινδροι μέσα στους οποίους παλινδρομεί ένα έμβολο. Ο αριθμός των κυλίνδρων σε έναν κινητήρα φτάνει μέχρι τους 12, ωστόσο τα περισσότερα αυτοκίνητα είναι εφοδιασμένα με τετρακύλινδρους κινητήρες, ενώ αρκετή διάδοση έχουν και οι εξακύλινδροι. 47 Εικόνα 2.5. Κινητήρας αυτοκινήτου Το σύστημα μετάδοσης: Γενικά το σύστημα μετάδοσης της κίνησης είναι το μέρος εκείνο του αυτοκινήτου που ευθύνεται για την μετατροπή της ισχύς του κινητήρα σε περιστροφική κίνηση στους τροχούς. Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης στο αυτοκίνητο αποτελείται από διάφορα μέρη όπως: 1. Ο συμπλέκτης 2. Το κιβώτιο των ταχυτήτων 3. Ο άξονας μετάδοσης 4. Το διαφορικό 5. Τα ημιαξόνια 6. Οι άξονες των τροχών Επίσης σημαντικό είναι να αναφερθεί ότι το σύστημα μετάδοσης της κίνησης στους τροχούς μπορεί να διαφέρει από αυτοκίνητο σε αυτοκίνητο διότι ανάλογα τον τύπο του αυτοκινήτου και την μάρκα, η κίνηση μπορεί να μεταδίδεται είτε και στους τέσσερεις τροχούς, είτε στους δύο (πιο σύνηθες είναι στους δυο μπροστινούς, παρά στους πίσω τροχούς). Αυτό το στοιχείο είναι απαραίτητο να αναφερθεί διότι ανάλογα σε ποιους τροχούς μεταδίδεται η κίνηση υπάρχει και διαφορετική οδική συμπεριφορά και επίπεδα πρόσφυσης του οχήματος. Τροχοί-φρένα: Οι τροχοί είναι το μέρος εκείνο του αυτοκινήτου το οποίο έρχεται σε επαφή με το έδαφος, είναι υπεύθυνοι για την ομαλή και ασφαλή κίνηση του αυτοκινήτου και αποτελούνται από ένα μεταλλικό δίσκο, την ζάντα, που περιβάλλεται από έναν ελαστικό αεροθάλαμο, την 48 σαμπρέλα. Η σαμπρέλα καλύπτεται από το ελαστικό, που αποτελείται από το πέλμα και από στρώματα λινού νήματος. Οι τροχοί πρέπει να είναι έτσι κατασκευασμένοι, ώστε να μπορούν να απορροφούν τους κραδασμούς του οχήματος κατά τη διάρκεια της οδήγησης και επιπλέον να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Το σύστημα πέδησης, τα φρένα, είναι απαραίτητα για την ασφάλεια του οχήματος χρησιμεύουν για να μειώνουν την ταχύτητα του οχήματος, ακόμα και να το ακινητοποιεί εντελώς όταν χρειάζεται. Κάθε αυτοκίνητο έχει δύο φρένα ανεξάρτητα μεταξύ τους. Στο ένα ο χειρισμός από τον οδηγό γίνεται με το χέρι (χειρόφρενο) και στο άλλο με το πεντάλ ποδιού (ποδόφρενο). Το χειρόφρενο χρησιμοποιείται κυρίως στη στάθμευση του οχήματος και ως βοηθητικό σε περίπτωση ανάγκης. Λειτουργεί μηχανικά ακινητοποιώντας τον άξονα μόνο στους πίσω τροχούς, αλλά με την αύξηση της ταχύτητας των οχημάτων λειτουργεί και στους τέσσερις τροχούς για μεγαλύτερη ασφάλεια. Το ποδόφρενο λειτουργεί στους τροχούς μέσω συστήματος σιαγόνων ή ταινιών. Μέσω ειδικού μηχανισμού οι σιαγόνες ανοίγουν, έρχονται σε επαφή με τους ίδιους τους τροχούς με τη βοήθεια τυμπάνων και η αναπτυσσόμενη δύναμη τριβής έχει ως αποτέλεσμα το φρενάρισμα του αυτοκινήτου. Η μετάδοση της λειτουργίας στις σιαγόνες γίνεται είτε με μηχανικό σύστημα (μοχλοί και συρματόσκοινα) είτε με υδραυλικό (υδραυλικά φρένα). Βασικό πρόβλημα στη μελέτη της πέδησης είναι ο τρόπος απαγωγής της θερμότητας που αναπτύσσεται. Υπόλοιπα μέρη αυτοκινήτου: Παραπάνω μελετήθηκαν μέρη του αυτοκινήτου όπως το πλαίσιο, το αμάξωμα, ο κινητήρας, η μετάδοση και οι τροχοί-φρένα τα οποία θεωρήθηκαν σημαντικά για πιο λεπτομερή ανάλυση και περιγραφή. Ωστόσο υπάρχουν και άλλα μέρη ενός αυτοκινήτου τα οποία δεν αναφέρθηκαν παραπάνω αλλά είναι και αυτά απαραίτητα για την λειτουργία του. Τα υπόλοιπα μέρη λοιπόν είναι: • Σύστημα διεύθυνσης: Είναι το μέρος του αυτοκινήτου, του οποίου ο μηχανισμός μεταφέρει την εντολή του οδηγού από το τιμόνι στους τροχούς έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή πορεία του αυτοκινήτου στον δρόμο. • Ανάρτηση: Η ανάρτηση είναι το σύστημα του αυτοκινήτου μέσα απ’ το οποίο ρυθμίζεται η συμπεριφορά του 49 αυτοκινήτου και των τροχών στον δρόμο, ώστε να παρέχει ασφάλεια και άνεση στους επιβάτες. • Ενεργητική ασφάλεια: Είναι το σύνολο του εξοπλισμού ενός αυτοκινήτου που έχει ως σκοπό την αποφυγή ατυχημάτων. • Παθητική ασφάλεια: Η παθητική ασφάλεια είναι ένα σύνολο μέτρων ασφαλείας στο αυτοκίνητο (π.χ αερόσακοι, ζώνη ασφαλείας κ.α.) που έχουν ως σκοπό την διασφάλιση της ανθρώπινης ζωής όταν συμβεί ένα ατύχημα. • Εξοπλισμός-εργονομία: Είναι το σύνολο του εξοπλισμού ενός αυτοκινήτου που έχει ως σκοπό τον ασφαλή και άνετο χειρισμό διαφόρων λειτουργιών του αυτοκινήτου(φλας κ.α). • Εξοπλισμός-άνεση: Είναι το σύνολο του εξοπλισμού ενός αυτοκινήτου που έχουν ως σκοπό την άνεση των επιβατών όπως πχ ο κλιματισμός, η ηλιοροφή, το Gps κ.α. Εικόνα 2.6. Το σύστημα ανάρτησης 2.4 Τα απαραίτητα μέρη για την λειτουργία ενός αυτοκινήτου (συνοπτικά) Στα παραπάνω υποκεφάλαια μελετήθηκε η ιστορική εξέλιξη του αυτοκινήτου και έγινε μια εισαγωγή στα μέρη που απαρτίζουν το αυτοκίνητο. Στο παρόν υποκεφάλαιο θα αναλυθεί συνοπτικά το αυτοκίνητο ως προς την λειτουργία του. Δηλαδή ποια μέρη του αυτοκινήτου θεωρούνται απαραίτητα για την λειτουργία του και πως αυτά προσφέρουν γενικότερα στο αυτοκίνητο. 50 Το πιο βασικό στοιχείο για την λειτουργία ενός αυτοκινήτου είναι ο κινητήρας του, (υπάρχει εκτενής αναφορά σε παραπάνω υποκεφάλαιο), ο οποίος θεωρείται η «καρδιά» του αυτοκινήτου και είναι υπεύθυνος για την μετατροπή της ενέργειας του καυσίμου από χημική σε μηχανική. Το καύσιμο επίσης θεωρείτε ζωτικής σημασίας, καθώς ο κινητήρας εκμεταλλεύεται τις χημικές ιδιότητές του για να μετατρέψει την χημική ενέργεια σε θερμική και στην συνέχεια σε κινητική με την βοήθεια και του συστήματος μετάδοσης της κίνησης που υπάρχει σε κάθε αυτοκίνητο. Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης και τα γρανάζια γενικότερα βοηθάνε και αυτά με την σειρά τους ώστε η ενέργεια του κινητήρα να μετατραπεί σε κινητική ενέργεια πάνω στους τροχούς και να δημιουργηθεί η μετατόπιση. Επίσης ζωτικής σημασίας για την λειτουργία του αυτοκινήτου είναι οι μπαταρίες και γενικότερα το ηλεκτρονικό σύστημα του αυτοκινήτου. Οι μπαταρίες αποθηκεύουν το ρεύμα που προέρχεται από το δυναμό και στην συνέχεια παρέχουν ρεύμα στα ηλεκτρικά μέρη του αυτοκινήτου. Οι τροχοί επίσης μαζί με τα φρένα είναι βασικά μέρη του αυτοκινήτου διότι χωρίς αυτά δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί η ομαλή κίνηση, η επιβράδυνση και η ακινητοποίηση. Άλλο ένα βασικό στοιχείο για την εύρυθμη λειτουργία του αυτοκινήτου είναι τα αισθητήρια όργανα, τα οποία σε συνεργασία με τον εγκέφαλο του αυτοκινήτου (ECU/engine control unit) φροντίζουν να ελέγχουν τον κινητήρα και τα υπόλοιπα εξαρτήματα του αυτοκινήτου. Όλα αυτά τα στοιχεία μαζί, συνεργαζόμενα το ένα με το άλλο αποτελούν τα βασικά κομμάτια ενός πάζλ που λέγεται αυτοκίνητο. Αυτό το πάζλ αποτελείται από εκατοντάδες κομμάτια, από τα οποία μερικά είναι απαραίτητα για την λειτουργία του και κάποια άλλα κομμάτια απλά προσφέρουν άνεση και ασφάλεια στους επιβάτες. Ωστόσο όλα τα κομμάτια μαζί αποτελούν το αυτοκίνητο όπως έχει διαμορφωθεί έως σήμερα. Εικόνα 2.7. Διάγραμμα κίνησης της ενέργειας όπως αυτό αποτυπώνεται στην οθόνη των 7 ιντσών του υβριδικού Toyota Prius 51 2.5 Φυσικά μεγέθη προς μέτρηση στο αυτοκίνητο Η λειτουργία του αυτοκινήτου είναι λογικό να σχετίζεται με ορισμένα φυσικά μεγέθη όπως η ταχύτητα, η ροπή, η θερμοκρασία, η πίεση κ.α. Αυτά τα φυσικά μεγέθη πρέπει να μετρώνται, να ελέγχονται και να απεικονίζονται. Σε τι χρησιμεύει όμως η καταγραφή ή σε ορισμένες περιπτώσεις και η απεικόνιση αυτών των φυσικών μεγεθών στον οδηγό; Αφενός τον προειδοποιεί και τον ενημερώνει για διάφορα μεγέθη του οχήματος του, τα οποία θα πρέπει να γνωρίζει, όπως π.χ. την θερμοκρασία του ψυχτικού υγρού ή τις στροφές του κινητήρα, και αφετέρου η καταγραφή κάποιων φυσικών μεγεθών που σχετίζονται με την εύρυθμη λειτουργία του κινητήρα ή άλλων στοιχείων του αυτοκινήτου επεξεργάζονται από τον ενσωματωμένο μικροϋπολογιστή ώστε αυτός να δώσει τις κατάλληλες εντολές στα υπόλοιπα συστήματα και υποσυστήματα του αυτοκινήτου. Επίσης αν κάποια τιμή διαφέρει από την φυσιολογική τότε προειδοποιεί τον οδηγό με προειδοποιητικές λυχνίες, ώστε να αποφευχθεί πιθανή βλάβη, όπως για παράδειγμα στον κινητήρα. Η καταγραφή των φυσικών μεγεθών γίνεται με αισθητήρια όργανα τα οποία είναι αρκετά και ποικίλουν σε ένα αυτοκίνητο. Ο σκοπός της καταγραφής και απεικόνισης των φυσικών μεγεθών από τα αισθητήρια είναι κυρίως για να γνωρίζει ο «εγκέφαλος» ή κάποιο υποσύστημα, κάποιες απαραίτητες παραμέτρους που αφορούν την λειτουργία του αυτοκινήτου και κατά δεύτερον λόγο για την προστασία του οδηγού και την συμμόρφωση του ως προς τον Κ.Ο.Κ (κώδικας οδικής κυκλοφορίας). Όσο αναφορά την χρησιμότητα της απεικόνισης των μεγεθών στον οδηγό, ένα παράδειγμα είναι η απεικόνιση της ταχύτητας του οχήματος στον οδηγό. Δηλαδή ανάλογα με την σήμανση που υπάρχει σε ένα οδικό δίκτυο, ο οδηγός δεν πρέπει να ξεπερνάει μία ανώτερη τιμή ταχύτητας. Έτσι η καταγραφή και η απεικόνιση της ταχύτητας του οχήματος βοηθάει τον οδηγό να συμμορφώνεται στον Κ.Ο.Κ και γενικά να γνωρίζει με ακρίβεια την ταχύτητα ή άλλα μεγέθη (σε άλλες περιπτώσεις) του οχήματος του. Στις σελίδες και στα υποκεφάλαια που ακολουθούν, αναλύονται λεπτομερώς τα φυσικά μεγέθη και όχι μόνο, που είναι απαραίτητα και χρήσιμα για την σωστή λειτουργία του αυτοκινήτου και τα οποία μετρούνται και ελέγχονται. 52 Επίσης αναλύονται οι λόγοι που τα φυσικά αυτά μεγέθη πρέπει να μετρώνται και να ελέγχονται και πως αυτά απεικονίζονται στον οδηγό. 2.5.1 Η ταχύτητα Η ταχύτητα είναι ένα φυσικό μέγεθος το οποίο συνδέει την μετατόπιση χ ενός σώματος με τον αντίστοιχο χρόνο t. Πιο αναλυτικά: Ταχύτητα ονομάζουμε το μέγεθος υ που ισούται με το πηλίκο της μετατόπισης που πραγματοποιήθηκε σε χρόνο Δτ προς τον χρόνο αυτό. υ = S / Δτ όπου S: η μετατόπιση σε m Δτ: ο χρόνος σε sec Η σχέση αυτοκινήτου-ταχύτητας είναι πολύ στενή, καθώς το αυτοκίνητο, όπως αναφέρει και το ίδιο του το όνομα, είναι ένα σώμα το οποίο κινείται. Αυτό σημαίνει ότι το αυτοκίνητο αναπτύσσει ταχύτητα και εκτελεί είτε ομαλή ευθύγραμμη κίνηση, είτε επιταχυνόμενη κίνηση, είτε ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση, είτε επιβραδυνόμενη κίνηση, είτε ομαλά επιβραδυνόμενη κίνηση. Στο αυτοκίνητο, η ταχύτητα καθορίζει κατά πόσο ένα αυτοκίνητο θεωρείτε αργό ή γρήγορο και επίσης καθορίζει την χρονική διάρκεια που χρειάζεται ένα αυτοκίνητο για να διανύσει μια συγκεκριμένη απόσταση. Η στιγμιαία ταχύτητα μετριέται στο S.I σε m/s (meter/second) αλλά στο αυτοκίνητο απεικονίζεται σε km/h (kilometer/hour) στην Ευρώπη και σε ml/h (miles/hour) στην Αμερική. Γιατί όμως είναι χρήσιμο να μετριέται και να ελέγχεται η ταχύτητα ενός αυτοκινήτου ή ενός εξαρτήματος του αυτοκινήτου (όπως τροχοί, στροφαλοφόρος); Ένας λόγος είναι ότι στον Κ.Ο.Κ υπάρχει σαφής οδηγία προς τους οδηγούς να μην υπερβαίνουν συγκεκριμένα όρια ταχύτητας. Αυτά τα όρια δεν είναι σταθερά αλλά εξαρτώνται από την κατηγορία του οχήματος (π.χ. επιβατηγό, λεωφορείο, φορτηγό κ.α.) και από την κατηγορία του οδικού δικτύου (π.χ. αυτοκινητόδρομος, οδοί ταχείας κυκλοφορίας, κ.α.). Ένας άλλος λόγος είναι για να πληροφορείται η ECU, (πχ για την ταχύτητα του στροφαλοφόρου), ώστε να ρυθμίζει διάφορες παραμέτρους του κινητήρα. 53 Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται κάποια παραδείγματα επιτρεπόμενων ταχυτήτων σύμφωνα με τον Κ.Ο.Κ. Κατηγορία οχήματος Αυτοκινητόδ Οδοί ταχείας Άλλο ρομοι κυκλοφορίας οδικό δίκτυο Επιβατηγά 130 km/h 110 km/h 90 km/h Επιβατηγά με 90 km/h 80 km/h 80 km/h ρυμουλκούμενο Λεωφορεία 100 km/h 90 km/h 80 km/h Αρθρωτά λεωφορεία 70 km/h 70 km/h 70 km/h Διώροφα λεωφορεία 80 km/h 80 km/h 70 km/h Επίσης άλλος λόγος που είναι χρήσιμο να μετριέται η ταχύτητα σε ένα αυτοκίνητο είναι ότι ο εγκέφαλος (ECU), πρέπει να λαμβάνει με ακρίβεια την ταχύτητα του οχήματος για να ρυθμίζει παραμέτρους που αφορούν τόσο την ασφάλεια των επιβατών (αποφυγή ατυχημάτων, ενεργοποίηση συστημάτων ασφαλείας), όσο και την σωστή λειτουργία της μηχανής. Η απεικόνιση της ταχύτητας του αυτοκινήτου γίνεται από το ταχύμετρο ή κοντέρ, ένας μετρητής ο οποίος έχει είτε αναλογική απεικόνιση με δείκτες, είτε ψηφιακή απεικόνιση σε οθόνη (στα πιο σύγχρονα αυτοκίνητα). Το κοντέρ είναι βαθμονομημένο σε χιλιόμετρα ανά ώρα (Km/h) ή σε μίλια ανά ώρα (m/h) και έχει ως ελάχιστη ένδειξη το 0 και ως μέγιστη ανάλογα την τελική ταχύτητα του κάθε αυτοκινήτου. Το ταχύμετρο στα αυτοκίνητα βρίσκεται στο ταμπλό. Το ταμπλό του αυτοκινήτου είναι ένα πλαίσιο το οποίο βρίσκεται κάτω από το παρμπρίζ και περιέχει πίνακες και δείκτες συμπεριλαμβανομένου και του ταχυμέτρου. Εικόνα 2.8. Το ταχύμετρο ή κοντέρ ενός αυτοκινήτου 54 Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι στην κατηγορία της ταχύτητας, εντάσσεται και η μέτρηση των στροφών, διότι στην ουσία όταν υπάρχει μέτρηση στροφών, υπάρχει μέτρηση ταχύτητας. Έτσι λοιπόν και ο αισθητήρας στροφών των τροχών εντάσσεται σε αυτήν την κατηγορία. 2.5.2 Η θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι ένα φυσικό μέγεθος που προσδιορίζει πόσο θερμό η ψυχρό είναι ένα σώμα. Οι πιο συνηθισμένες κλίμακες για την μέτρηση της θερμοκρασίας είναι η κλίμακα Κελσίου (C), η κλίμακα Kelvin (K) και η κλίμακα Fahrenheit (F). Το αυτοκίνητο και η θερμοκρασία σχετίζονται κατά κύριο λόγο σε ότι αφορά την μηχανή του αυτοκινήτου και την λειτουργία της, καθώς αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες κατά την έκρηξη του μίγματος στον θάλαμο καύσης . Γενικά είναι γνωστό ότι κάθε μηχανή, στην συγκεκριμένη περίπτωση η μηχανή (κινητήρας) του αυτοκινήτου, έχει ανάγκη από ψύξη διότι κατά την λειτουργία της αναπτύσσονται αρκετά υψηλές θερμοκρασίες που μπορούν να προκαλέσουν αλλοιώσεις στα υλικά από τα οποία αποτελείται. Στον κινητήρα του αυτοκινήτου η ψύξη επιτυγχάνεται με την χρήση του ψυγείου. Ο σκοπός της χρήσης του είναι να αποτρέπει την άνοδο της θερμοκρασίας του κινητήρα σε επίπεδα παραπάνω από τα επιτρεπόμενα. Τι γίνεται όμως αν κάποια στιγμή υπάρξει βλάβη στο σύστημα ψύξης του αυτοκινήτου; Πως ο οδηγός μπορεί να καταλάβει ότι κάτι δεν πάει καλά με την θερμοκρασία του κινητήρα; Ο οδηγός μπορεί να καταλάβει ότι η θερμοκρασία έχει περάσει τα επιτρεπόμενα επίπεδα ελέγχοντας ανά τακτά διαστήματα τον μετρητή θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού. Οπότε, όπως καταλαβαίνει κανείς η ανάγκη για μέτρηση και έλεγχο της θερμοκρασίας στον κινητήρα είναι μεγάλη. Ωστόσο δεν είναι μόνο η θερμοκρασία του συστήματος ψύξης του κινητήρα, και γενικά του κινητήρα, που μετριέται και ελέγχεται σε ένα αυτοκίνητο. Η θερμοκρασία του καυσίμου, της βαλβολίνης, του λαδιού, των καυσαερίων, του εσωτερικού και εξωτερικού χώρου του αυτοκινήτου, επίσης μετριούνται και ελέγχονται από τον εγκέφαλο. Το συμπέρασμα από τα παραπάνω είναι ότι η θερμοκρασία είναι ένα φυσικό μέγεθος που σχετίζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό με το αυτοκίνητο και την λειτουργία του. Εξάλλου, η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας που εκμεταλλεύεται το αυτοκίνητο για να κινηθεί. 55 Γι αυτό λοιπόν είναι λογικό να υπάρχουν πολλοί αισθητήρες θερμοκρασίας σε διάφορα μέρη και συστήματα του αυτοκινήτου. 2.5.3 Η πίεση Πίεση ονομάζεται η δύναμη που ασκείται στη μονάδα της επιφάνειας ενός υλικού και ορίζεται ως το πηλίκο της ασκούμενης δύναμης που δρα σε μία επιφάνεια δια το εμβαδό της επιφάνειας αυτής. Μονάδες μέτρησης της πίεσης είναι το Πασκάλ (Pa), το Χιλιοστό στήλης υδραργύρου (mmHg), το Torr , η Ατμόσφαιρα (Atm) και το Μπάρ (Bar). Στο αυτοκίνητο υπάρχουν αισθητήρια που μετράνε την πίεση του αέρα των ελαστικών, την πίεση του λαδιού, την απόλυτη πίεση (MAP), την πίεση του καυσίμου, την ατμοσφαιρική πίεση κ.α.. Οπότε στο αυτοκίνητο υπάρχουν αισθητήρες που μετράνε πίεση σε υγρά και σε αέρια κατά κυρίως λόγο. Είναι ζωτικής σημασίας για τον κινητήρα και την λειτουργία του, η ακριβής μέτρηση και έλεγχος της πίεσης του λαδιού, του καυσίμου, της απόλυτης πίεσης και άλλων μεγεθών. Αντίθετα η μέτρηση της πίεσης του αέρα των ελαστικών δεν έχει να κάνει και τόσο με την λειτουργία του αυτοκινήτου αλλά κυρίως με την ασφάλεια στην οδήγηση και στην οικονομία καυσίμων. 2.5.4 Η στάθμη Η στάθμη υγρού είναι ένα μέγεθος που προσδιορίζει το ύψος του επιπέδου της επιφάνειας ενός υγρού. Η στάθμη του υγρού μπορεί να χαρακτηριστεί είτε ως υψηλή είτε ως χαμηλή. Στο αυτοκίνητο είναι απαραίτητο να ελέγχεται η στάθμη υγρών και να προειδοποιείτε ο οδηγός ώστε να γνωρίζει πότε χρειάζεται να αναπληρώσει τα διάφορα υγρά. Τα αισθητήρια που υπάρχουν στο αυτοκίνητο και μετράνε την στάθμη των υγρών είναι αρκετά. Τα κυριότερα αισθητήρια ωστόσο είναι το αισθητήριο στάθμης καυσίμου, το αισθητήριο της στάθμης των υγρών του ψυγείου και το αισθητήριο της στάθμης των υγρών του υαλοκαθαριστήρα. Το πιο σημαντικό για απεικόνιση στον οδηγό από τα παραπάνω είναι η στάθμη καυσίμου και γι αυτόν τον λόγο υπάρχει και μετρητής ο οποίος βρίσκεται στο ταμπλό του αυτοκινήτου και απεικονίζει στον οδηγό κατά πόσο η δεξαμενή του καυσίμου (ντεπόζιτο) είναι άδεια ή γεμάτη. Τα υπόλοιπα υγρά που ελέγχεται η στάθμη τους, είτε δεν 56 απεικονίζονται στον οδηγό, είτε απεικονίζονται με την μορφή προειδοποιητικών λυχνιών στο ταμπλό. 2.5.5 Η ροπή Η ροπή είναι το μέτρο της επίδρασης που ασκεί μια δύναμη κατά την διάρκεια της περιστροφής ενός σώματος. Η μαθηματική εξίσωση της ροπής είναι: (Ροπή) Ρ=Δ *Α (Δύναμη)*(Απόσταση) και η μονάδα μέτρησης είναι τα Nm στο S.I και το Kpm στο τεχνικό σύστημα. Η ροπή είναι ένα μέγεθος που υπάρχει στο αυτοκίνητο και σε πολλά συστήματα του και γι αυτό υπάρχουν αισθητήρες που μετράνε ροπή σε ένα αυτοκίνητο. Αισθητήρας ροπής υπάρχει στο αυτοκίνητο και είναι απαραίτητος για το σύστημα EPS (Electrically Power Steering). Το EPS είναι ένα σύστημα του αυτοκινήτου που ουσιαστικά έρχεται να αντικαταστήσει την υδραυλική υποβοήθηση στο τιμόνι. Αναμένεται στο μέλλον να μην υπάρχει αυτοκίνητο χωρίς το σύστημα EPS. Έτσι λοιπόν το σύστημα της υδραυλική υποβοήθησης αναμένεται να αποτελέσει παρελθόν μέσα στα επόμενα χρόνια έχοντας αντικατασταθεί πλήρως από το EPS. Στο επόμενο κεφάλαιο υπάρχει εκτενέστερη ανάλυση όσον αφορά το σύστημα EPS και τους αισθητήρες που υπάρχουν σε αυτό. 2.5.6 Η επιτάχυνση Η επιτάχυνση είναι ένα φυσικό μέγεθος το οποίο συνδέει την Κινηματική με την Δυναμική, δύο βασικούς κλάδους της Φυσικής. Τι είναι όμως η επιτάχυνση; Ο όρος επιτάχυνση εκφράζει την αλλαγή (την μεταβολή) της ταχύτητας στην μονάδα του χρόνου. Συμβολίζεται διεθνώς με το λατινικό γράμμα “a” και είναι μέγεθος διανυσματικό. Μονάδα μέτρησης της επιτάχυνσης στο σύστημα μονάδων S.I. είναι το 1 m/s². Το αυτοκίνητο είναι λογικό να σχετίζεται με την επιτάχυνση καθώς είναι ένα σώμα το οποίο κινείται και εκτελεί επιταχυνόμενη κίνηση. Έτσι λοιπόν στο αυτοκίνητο υπάρχουν αρκετοί αισθητήρες που μετράνε επιτάχυνση. Αισθητήρες επιτάχυνσης υπάρχουν σε διάφορα συστήματα του αυτοκινήτου, όπως π.χ. στους αερόσακους, στον ηλεκτρονικό έλεγχο ευστάθειας ESP και στον ηλεκτρονικό 57 έλεγχο ανάρτησης. Οι αισθητήρες επιτάχυνσης είναι πολύ χρήσιμοι και παρέχουν σημαντικές πληροφορίες στο ECU και στα συστήματα που χρησιμοποιούνται. Πιο λεπτομερής περιγραφή των αισθητήρων επιτάχυνσης περιέχεται στο επόμενο κεφάλαιο. 2.5.7 Η ροή Η ροή χαρακτηρίζεται ως η συνεχόμενη κίνηση μορφή της ύλης μέσα στον χώρο. Γενικότερα η ροή αφορά την κίνηση των υγρών και των αερίων. Στο αυτοκίνητο η μέτρηση της ροής πχ του αέρα είναι πολύ σημαντική καθώς ο αισθητήρας ροής ή μάζας αέρα MAF αφενός ρυθμίζει την σωστή παροχή καυσίμου στο μείγμα καυσίμου-αέρα για όλες τις συνθήκες λειτουργίας αφετέρου είναι κεντρικό εξαρτήματα για την μείωση των ρύπων. 2.5.8 Η κρουστική καύση Η κρουστική καύση είναι ένα φαινόμενο στον κινητήρα κατά το οποίο η καύση του μίγματος καυσίμου-αέρα δεν γίνεται ομαλά αλλά παρατηρούνται φαινόμενα όπως η αυτοανάφλεξη και η προανάφλεξη. Η κρουστική καύση συμβαίνει κυρίως κακής ποιότητας καυσίμου και μη σωστών συνθηκών λειτουργίας του κινητήρα. Η κρουστική καύση δεν είναι επιθυμητή και γι αυτό η ανίχνευση της θεωρείται απαραίτητη. Την ανίχνευση της κρουστικής καύσης αναλαμβάνει ο αισθητήρας κρουστικής καύσης (Knock Sensor), ο οποίος αφού ανιχνεύσει την κρουστική καύση στέλνει σήμα στην ECU. Η ECU με την σειρά της δίνει τις κατάλληλες εντολές ώστε να αποτρέψει την κρουστική καύση. Ο αισθητήρας κρουστικής καύσης είναι πιεζοηλεκτρικού τύπου και ανιχνεύει την κρουστική καύση από τις δονήσεις που παράγονται κατά την διάρκεια της κρουστικής καύσης. 2.5.9 Η περιεκτικότητα οξυγόνου στους ρύπους Η περιεκτικότητα του οξυγόνου στα καυσαέρια του αυτοκινήτου είναι ένα μέγεθος από το οποίο έμμεσα προσδιορίζεται εάν το μίγμα 58 του καυσίμου-αέρα είναι φτωχό η πλούσιο. Αυτό το μέγεθος μετριέται από τον αισθητήρα λάμδα ή αισθητήρα οξυγόνου. Εάν ο αισθητήρας ανιχνεύσει μεγάλη ποσότητα οξυγόνου στα καυσαέρια, αυτό συμβαίνει διότι το μίγμα καυσίμου-αέρα είναι φτωχό, δηλαδή η αναλογία καυσίμου-αέρα δεν είναι η ιδανική και περιέχει περισσότερο αέρα από ότι πρέπει. Στην αντίθετη περίπτωση, δηλαδή αν ο αισθητήρας εντοπίσει μικρή ποσότητα οξυγόνου στα καυσαέρια, τότε το μίγμα θεωρείται πλούσιο, δηλαδή το καύσιμο που υπάρχει στο μείγμα είναι περισσότερο από το ιδανικό. Και στις δύο περιπτώσεις, η ECU αφού λάβει το σήμα από τον αισθητήρα, πρέπει να επανναρυθμίσει την αναλογία καύσιμου-αέρα στο μίγμα, ώστε να πλησιάσει όσο το δυνατόν στην ιδανική αναλογία. Η μέτρηση, ο έλεγχος και η ρύθμιση αυτού του μεγέθους είναι πάρα πολύ σημαντικά για την ρύθμιση της ιδανικής αναλογίας του μίγματος καυσίμου-αέρα. 2.5.10 Η απόσταση Όσο η τεχνολογία εξελίσσεται, τόσο πιο πολύ κάνουν την εμφάνιση τους μεγέθη που δεν χρειαζόταν παλιότερα να ελέγχονται και να μετριούνται. Η απόσταση είναι ένα από αυτά τα μεγέθη. Στο διεθνές σύστημα μονάδων ή S.I, το μήκος, δηλαδή η απόσταση, έχει για μονάδα μέτρησης το μέτρο (meter), με πολλαπλάσιο το χιλιόμετρο (Kilometer), το οποίο χρησιμοποιείτε σε συνάρτηση με το χρόνο, για να περιγράφει την ταχύτητα του αυτοκινήτου. Η απόσταση που μπορεί να ερμηνευτεί και ως διαδρομή, είναι ένα μέγεθος που μετριέται από αισθητήρες ραντάρ αποστάσεως κυρίως. Η μέτρηση της απόστασης είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε κάποια ηλεκτρονικά συστήματα του αυτοκινήτου, όπως το Cruise Control και το Adaptive Cruise Control (ACC) κ.α. 2.5.11 Η θέση Η θέση ενός αντικειμένου, είναι μία χρήσιμη πληροφορία σε ορισμένες εφαρμογές. Στην περίπτωση του αυτοκινήτου η πληροφορία της θέσης κάποιων εξαρτημάτων, είναι πάρα πολύ χρήσιμη για την κεντρική μονάδα ελέγχου ώστε να ρυθμίζει κάποιες ιδιαίτερα σημαντικές λειτουργίες στον κινητήρα και στα συστήματα 59 του αυτοκινήτου. Πιο συγκεκριμένα, κάποια μεγέθη που πρέπει να ελέγχονται και να μετριούνται σε ένα αυτοκίνητο είναι η θέση του πεντάλ γκαζιού, η θέση του πεντάλ φρένου και η θέση του εκκεντροφόρου άξονα. Για καθένα από αυτά τα εξαρτήματα είναι πολύ σημαντική η μέτρηση της θέσης τους, καθώς η πληροφορίες που στέλνονται στην ECU, είναι απαραίτητες για την ρύθμιση λειτουργιών του κινητήρα όπως ο χρονισμός των βαλβίδων, ο έλεγχος της ανάφλεξης, ο χρόνος ψεκασμού, ο υπολογισμός του φορτίου αέρα και άλλες πολλές χρήσιμες λειτουργίες που βοηθάνε τον κινητήρα να λειτουργεί σωστά και αποδοτικά. 2.5.12 Τα υπόλοιπα μεγέθη Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα αναφερθούν κάποια φυσικά μεγέθη, που πρέπει να ελέγχονται και να μετριούνται σε ένα αυτοκίνητο και τα οποία δεν έχουν μελετηθεί στα προηγούμενα υποκεφάλαια. Μέχρι στιγμής έχουν μελετηθεί κάποια πολύ σημαντικά προς μέτρηση φυσικά μεγέθη στο αυτοκίνητο όπως: η θερμοκρασία, η ταχύτητα, η στάθμη, η ροή, η επιτάχυνση κ.α. Εκτός όμως από αυτά τα μεγέθη και τους αισθητήρες που τα μετράνε, υπάρχουν και μεγέθη προς μέτρηση που θεωρούνται χαμηλότερης σημασίας για την λειτουργία του κινητήρα και του αυτοκινήτου αλλά θεωρούνται σημαντικά για άλλους σκοπούς, όπως για τα συστήματα ενεργητικής και παθητικής ασφάλειας, για τα συστήματα άνεσης και εργονομίας και για άλλα συστήματα του αυτοκινήτου. Μερικά από τα μεγέθη αυτά είναι η κλίση, η γωνία περιστροφής, η ηλιακή ακτινοβολία, η κρούση και η ανίχνευση βροχής. Πιο συγκεκριμένα, στα σύγχρονα αυτοκίνητα υπάρχουν αισθητήρες που υπολογίζουν και μετράνε την κλίση του οδοστρώματος (αυτόματη ρύθμιση φώτων), την γωνιακή περιστροφή του τιμονιού, την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στο αυτοκίνητο (στα σύγχρονα συστήματα κλιματισμού), την κρούση (εάν υπάρχει σύγκρουση με διερχόμενο όχημα ή με οτιδήποτε άλλο για την ενεργοποίηση των αερόσακων) και την ανίχνευση βροχής στο παρμπρίζ (για το αυτόματο σύστημα ενεργοποίησης υαλοκαθαριστήρων). 60 Κεφάλαιο 3 Οι αισθητήρες στο αυτοκίνητο Εικόνα 3.1 Αισθητήρας λ 61 3.1 Εισαγωγικά Στα προηγούμενα κεφάλαια περιγράφτηκαν αναλυτικά, τοσο οι αισθητήρες όσο και το αυτοκίνητο. Το πρώτο κεφάλαιο αναφερόταν στους αισθητήρες και ότι είχε να κάνει με: • • • • τα χαρακτηριστικά των αισθητήρων τα συστήματα ελέγχου ανοιχτού και κλειστού βρόγχου τα συστήματα μετρήσεων κατηγορίες και είδη αισθητήρων. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορούσε το αυτοκίνητο και πιο συγκεκριμένα: • • • • Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη των αυτοκινήτων Ορισμός αυτοκινήτου Τα μέρη που απαρτίζουν ένα αυτοκίνητο Τα φυσικά μεγέθη που πρέπει να ελέγχονται στο αυτοκίνητο Φτάνοντας στο τρίτο κεφάλαιο και ενώ έχουν περιγραφεί μέχρι τώρα, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, ξεχωριστά το αυτοκίνητο και ξεχωριστά οι αισθητήρες, η εργασία φτάνει στον κυρίως σκοπό της. Δηλαδή να περιγραφούν οι αισθητήρες που υπάρχουν σε ένα αυτοκίνητο και να υπογραμμιστεί η σημασία τους και ο λόγος ύπαρξης τους στο αυτοκίνητο. Στο τρίτο κεφάλαιο θα παρουσιαστούν οι περισσότεροι αισθητήρες που υπάρχουν στο αυτοκίνητο, είτε αυτοί είναι σημαντικοί για την λειτουργία του και αφορούν το κινητήρα, είτε είναι απαραίτητοι για συστήματα ασφαλείας, είτε αφορούν την άνεση, είτε οτιδήποτε άλλο. Έτσι με αυτόν τον τρόπο, τμηματικά, δηλαδή ανάλογα σε ποιο τμήμα-μέρος του αυτοκινήτου βρίσκεται ο αισθητήρας και σε τι αποσκοπεί, θα παρουσιαστούν οι αισθητήρες που βρίσκονται στο αυτοκίνητο. Η περιγραφή των αισθητήρων θα ξεκινήσει με αυτούς που είναι πιο σημαντικοί και βασικοί για την λειτουργία του αυτοκινήτου και χρειάζονται κυρίως για την εύρυθμη λειτουργία του κινητήρα. Στην συνέχεια θα περιγραφούν και οι υπόλοιποι αισθητήρες που βρίσκονται σε άλλα μέρη του αυτοκινήτου όπως στο σύστημα διεύθυνσης, στο σύστημα μετάδοσης κ.α. και χρειάζονται για την ρύθμιση διάφορων λειτουργιών του αυτοκινήτου που αφορούν είτε την ασφάλεια (παθητική, ενεργητική), είτε την άνεση, είτε οτιδήποτε άλλο. 62 3.2 Αισθητήρες στον κινητήρα 3.2.1 Εισαγωγικά για αισθητήρες στον κινητήρα τους Ο κινητήρας είναι ένα μέρος του αυτοκινήτου το οποίο θεωρείται, ως η καρδιά του. Στον κινητήρα έχουμε την μετατροπή της ενέργειας του καυσίμου από χημική σε θερμική και από θερμική σε κινητική, μέσω της διαδικασίας της καύσης του καυσίμου. Αυτή η διαδικασία γίνεται μέσω της τετράχρονης (κυρίως τετράχρονης, διότι υπάρχει και η δίχρονη) λειτουργίας του κινητήρα. Είναι λογικό αυτή η διαδικασία να είναι περίπλοκη και για να εκτελεστεί σωστά και να υπάρξει όσο το δυνατόν πιο τέλεια καύση, χρειάζεται να δοθούν σωστές εντολές από την ECU. Η ECU για να δώσει τις σωστές εντολές, ώστε να επιτευχθεί όσο το δυνατόν τέλεια καύση του καυσίμου και μέγιστη απόδοση του κινητήρα, χρειάζεται να λάβει μία πληθώρα πληροφοριών και μεγεθών που αφορούν την λειτουργία του κινητήρα και του αυτοκινήτου. Το εργαλείο στο αυτοκίνητο που κάνει αυτή την δουλειά, δηλαδή να μετράει και να διαβιβάζει τις πληροφορίες στην ECU, δεν είναι άλλο από τους αισθητήρες. Οι αισθητήρες διοχετεύουν με χρήσιμες πληροφορίες την ECU για τα μεγέθη που μετρούν ενώ η ECU αξιολογεί τις παραμέτρους που έχει και αποφασίζει ανάλογα με τον προγραμματισμό που έχει γίνει, για τις εντολές που θα δώσει. Για παράδειγμα η ECU μπορεί να δώσει εντολή όσον αφορά τον χρόνο ανοίγματος και κλεισίματος των βαλβίδων. Για να γίνει όμως αυτό πρέπει η ECU να έχει λάβει πληροφορίες που αφορούν την θέση του στροφάλου ή του εκκεντροφόρου. Ο αισθητήρας λοιπόν πρέπει να μετρήσει την στιγμιαία γωνιακή θέση του στροφάλου και να το διαβιβάσει στην ECU. Στα επόμενα υποκεφάλαια λοιπόν θα μελετηθούν οι αισθητήρες που θεωρούνται σημαντικοί για την λειτουργία του κινητήρα και πιο συγκεκριμένα: αισθητήρας κρουστικής καύσης, αισθητήρας στροφών στροφαλοφόρου άξονα, αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου, αισθητήρας απόλυτης πίεσης (MAP), αισθητήρας μάζας αέρα (MAF), αισθητήρες θερμοκρασίας (ψυχτικού υγρού, καυσίμου, λαδιού), αισθητήρες στάθμης (ψυχτικού υγρού, καυσίμου, λαδιού), αισθητήρας λ, αισθητήρας θέσης πεταλούδας γκαζιού και αισθητήρας πίεσης λαδιού. 63 3.2.2 Αισθητήρας καύσης κρουστικής Ο αισθητήρας κρουστικής καύσης ή knock sensor, κατά την αγγλική ορολογία, είναι ένας αισθητήρας, ο οποίος πληροφορεί την ECU για την ύπαρξη κρουστικής καύσης (πειράκια). Η κρουστική καύση είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο η καύση του μίγματος αέρα-καυσίμου δεν γίνεται ομαλά αλλά παρατηρείται το φαινόμενο της αυτανάφλεξης κάποιων περιοχών του καυσίμου μείγματος που βρίσκεται στον θάλαμο καύσης, πριν προλάβει το μέτωπο της φλόγας να την ¨ επισκεφτεί ¨. Η κρουστική καύση συμβαίνει κυρίως εξαιτίας: • Κακής ποιότητας καυσίμου • Μη σωστές συνθήκες λειτουργίας ( πχ σε σχέση με θερμοκρασία κινητήρα ή γωνία αβάνς) Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι η κρουστική καύση κάνει ζημιά στον κινητήρα, καθώς συντελεί στην έντονη υπερθέρμανση του, ενώ επίσης μπορεί να προκαλέσει μέχρι και τρύπα στο έμβολο λόγω υπερβολικής και έντονης υπερθέρμανσης. Για τους παραπάνω λόγους ο αισθητήρας κρουστικής καύσης (εικ. 3.2) θεωρείται απαραίτητος για την προστασία του κινητήρα. Εικόνα 3.2. Αισθητήρας κρουστικής καύσης Ο αισθητήρας κρουστικής καύσης είναι στερεωμένος με κοχλία στο σώμα του κινητήρα, συμμετρικά ανάμεσα στους κυλίνδρους. Πιο συγκεκριμένα, στις τετρακύλινδρες μηχανές συνήθως υπάρχει ένας 64 αισθητήρας ανάμεσα στους κυλίνδρους 2 και 3, ενώ στις εξακύλινδρες υπάρχουν 2 αισθητήρες τοποθετημένοι συμμετρικά. Περιέχει ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο το οποίο σε περίπτωση δόνησης παράγει ένα σήμα τάσης (παλμό). Το ύψος του παλμού αυξάνεται με την ισχύ της δόνησης. Όταν υπάρχει κρουστική καύση, αυτή παράγει δονήσεις οι οποίες μεταφέρονται μέσω του σώματος του κινητήρα στον αισθητήρα. Οι δονήσεις αυτές έχουν συχνότητα περίπου 7 KHz. Όταν η ECU λαμβάνει σήμα 7 KHz από τον αισθητήρα και το μέγεθος της τάσης του σήματος είναι πάνω από ένα όριο, τότε αναγνωρίζει κρουστική καύση. Στην περίπτωση αυτή μειώνεται η γωνία αβάνς κατά ένα βήμα. Αν οι κτύποι συνεχιστούν, τότε η μείωση του αβάνς συνεχίζεται έως το σταμάτημα των κτύπων. Ταυτόχρονα με την μείωση του αβάνς, γίνεται και κάποιος εμπλουτισμός του μίγματος για να αποφευχθεί υπερθέρμανση των καυσαερίων που θα μπορούσε να καταστρέψει τον καταλύτη. Στην συνέχεια, το αβάνς αρχίζει να αυξάνεται έτσι ώστε να λειτουργεί στο όριο κτυπήματος και ο κινητήρας να αποκτήσει πάλι μέγιστη απόδοση. Στο σημείο αυτό λοιπόν για να κατανοηθεί καλύτερα το παραπάνω κείμενο, θα γίνει μια επεξήγηση τον όρων αβάνς και πιεζοηλεκτρικό στοιχείο/φαινόμενο. TIP: Βίντεο με αναλυτική περιγραφή για τον αισθητήρα κρουστικής καύσης μπορεί να παρακολουθήσει κανείς στον ιστότοπο http://www.youtube.com/watch?v=0xI94ZDF54Y . Τι είναι το αβάνς; Το αβάνς είναι η γωνία που πρέπει να γυρίσει ο στροφαλοφόρος άξονας, από τη στιγμή που δίνει σπινθήρα το μπουζί έως ότου το έμβολο φτάσει στο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ). Ο λόγος που ο σπινθήρας της ανάφλεξης δίνεται πριν το ΑΝΣ (προπορεία), είναι γιατί η καύση απαιτεί έναν ορισμένο χρόνο για να ολοκληρωθεί, έτσι ώστε η μέγιστη πίεση στο θάλαμο καύσης ν 'αναπτυχθεί λίγο μετά το ΑΝΣ, οπότε έχουμε και τη μέγιστη απόδοση του κινητήρα. Μικρότερη γωνία προπορείας (αβάνς) από την ενδεδειγμένη έχει σαν αποτέλεσμα την καθυστερημένη ανάπτυξη της πίεσης μέσα στον θάλαμο καύσης, οπότε έχουμε μειωμένη απόδοση. Αντίθετα, η υπερβολική γωνία αβάνς οδηγεί σε φαινόμενα όπως αυτό που εξετάζει το παρόν υποκεφάλαιο, δηλαδή προανάφλεξης (πειράκια), που μπορούν ν' αποβούν καταστροφικά για τα μπουζί ή και τον ίδιο τον κινητήρα. Για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης, η γωνία αβάνς μεταβάλλεται 65 συνεχώς, ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα, το φορτίο του (άνοιγμα γκαζιού) και άλλες παραμέτρους. Τι είναι το πιεζοηλεκτρικό πιεζοηλεκτρισμός; φαινόμενο και γενικότερα ο Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ιδιότητα κάποιων υλικών (κυρίως κρυσταλλικών υλικών αλλά και μερικών κεραμικών υλικών) να παράγουν ηλεκτρική τάση όταν δέχονται κάποια μηχανική τάση/πίεση ή ταλάντωση. Το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί ποιοτικά με τη μεταφορά ελεύθερων φορτίων στα άκρα του κρυσταλλικού πλέγματος. Επίσης, ο όρος περιλαμβάνει και το αντίστροφο φαινόμενο, κατά το οποίο το υλικό παραμορφώνεται, όταν βρεθεί κάτω από ηλεκτρική τάση. Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε από τον Πιέρ Κιουρί το 1880. Οφείλεται σε κρυσταλλικές ασυμμετρίες και αποτελεί φαινόμενο πρώτης τάξης. Παραδείγματα υλικών με πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες είναι ο χαλαζίας (SiO2), το αλάτι Rochelle ή Seignette (τρυγικό καλιονάτριο, NaKC4H4O6·2H2O), το ADP (δισόξινο φωσφορικό αμμώνιο, NH4H2PO4), το ένυδρο θειικό λίθιο, (LiSO4.H2O), ο τουρμαλίνης, το συνθετικό πολυμερές PVDF (polyvinylidene difluoride), κτλ. Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα φαινόμενο που εκμεταλλεύεται η τεχνολογία αισθητήρων, καθώς υπάρχουν πολλοί αισθητήρες που χρησιμοποιούν αυτό το φαινόμενο για να μετράνε πίεση και επιτάχυνση. Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες έχουν αρκετά πλεονεκτήματα. Για παράδειγμα ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας πίεσης έχει μικρό μέγεθος, λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες ενώ έχει ταχεία απόκριση και σχετικά μεγάλο εύρος λειτουργίας. Έχει επίσης υψηλή ευαισθησία, καλή ακρίβεια και επαναληψιμότητα ενώ έχει και χαμηλή υστέρηση. Απ’ την άλλη το πιεζοηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο έχει τα πλεονεκτήματα της καλής απόκρισης σε υψηλές συχνότητες, παραγωγή υψηλής τάσης εξόδου, απλότητας κατασκευής και έχει μικρό μέγεθος. Τα μειονεκτήματα όμως που έχει είναι πτωχή απόκριση σε χαμηλές συχνότητες και η ύπαρξη ηλεκτρικού θορύβου. Ωστόσο είναι ένας από τους πιο διαδεδομένους τύπους επιταχυνσιομέτρου. 66 3.2.3 αισθητήρας περιστροφής στροφαλοφόρου άξονα ταχύτητας (στροφών) Η ταχύτητα περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα ή των στροφών του κινητήρα, είναι ένα από τα πιο σημαντικά μεγέθη προς μέτρηση στον κινητήρα ενός αυτοκινήτου. Προτού όμως γίνει λεπτομερής ανάλυση του αισθητήρα, καλό είναι να γίνει μια επεξήγηση του στροφαλοφόρου άξονα. Στροφαλοφόρος άξονας Ο στροφαλοφόρος άξονας είναι ένας άξονας, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την μετατροπή της παλινδρομικής κίνησης των εμβόλων σε περιστροφική. Ο στροφαλοφόρος αποτελεί το συνδετικό στοιχείο μεταξύ του κιβωτίου ταχυτήτων και των εμβόλων και διωστήρων του κινητήρα. Τα κυριότερα μέρη ενός στροφαλοφόρου άξονα είναι τα κομβία βάσης, τα κομβία των διωστήρων και τα αντίβαρα τα οποία χρησιμεύουν για την στατική και δυναμική ζυγοστάθμιση του στροφαλοφόρου. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται ένας στροφαλοφόρος άξονας με την έδρασή του. Εικόνα 3.3 Ο στροφαλοφόρος άξονας και η εδρασή του 67 Αισθητήρας ταχύτητας στροφών στροφαλοφόρου άξονα Ο αισθητήρας ταχύτητας στροφαλοφόρου άξονα είναι πολύ σημαντικός για την λειτουργία του αυτοκινήτου καθώς η μέτρηση του είναι απαραίτητη για την ρύθμιση του χρονισμού της ανάφλεξης και της διάρκειας του ψεκασμού του καυσίμου. Ο αισθητήρας ταχύτητας στροφαλοφόρου άξονα είναι ένας από τους κυριότερους αισθητήρες στον κινητήρα. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι μέτρησης του συγκεκριμένου μεγέθους. Οι κυριότεροι τρόποι όμως που εφαρμόζονται είναι: η μέτρηση με αισθητήρα ταχύτητας φαινομένου Hall, η μέτρηση με αισθητήρα ταχύτητας μαγνητιζόμενων επαφών, η μέτρηση με μαγνητική αντίσταση και η μέτρηση με οπτικό αισθητήρα. Αισθητήρας ταχύτητας στροφαλοφόρου άξονα τύπου φαινομένου Hall Οι αισθητήρες τύπου Hall, εκμεταλλεύονται το φαινόμενο Hall για να μετρήσουν διάφορα μεγέθη. Στην προκειμένη λοιπόν περίπτωση για την μέτρηση της ταχύτητας στροφών του στροφαλοφόρου άξονα. Ο αισθητήρας ταχύτητας στροφαλοφόρου τύπου φαινομένου Hall είναι πολύ διαδεδομένος, καθώς θεωρείται πολύ ακριβής και αξιόπιστος. Το φαινόμενο Hall εξηγείται ως εξής: αν ένα στοιχείο Hall τροφοδοτείται από σταθερό ρεύμα I και βρίσκεται εντός μαγνητικού πεδίου, τότε παράγει τάση V που εξαρτάται από την θέση του στοιχείου μέσα στο πεδίο. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί την αρχή λειτουργίας των αισθητήρων Hall και για την περίπτωση μας, του αισθητήρα ταχύτητας στροφών Hall. Ο αισθητήρας ταχύτητας στροφών στροφαλοφόρου τύπου φαινομένου Hall παρακολουθεί 360 σιδηρομαγνητικά δόντια που βρίσκονται σε ένα τροχό στο στροφαλοφόρο. Ο αισθητήρας Hall βρίσκεται ανάμεσα από τον στροφαλοφόρο και από ένα μόνιμο μαγνήτη ο οποίος σχηματίζει ένα κάθετο μαγνητικό πεδίο προς το στοιχείο Hall. Εάν ένα δόντι περάσει μπροστά από το στοιχείο του αισθητήρα, τότε μεταβάλλεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου και δημιουργείται μια τάση από επαγωγή και ένα ψηφιακό σήμα από τον αισθητήρα Hall. Η περιστροφή του τροχού στον στροφαλοφόρο μεταβάλλει επομένως την τάση του αισθητήρα Hall στην κεφαλή του αισθητήρα. Η μεταβαλλόμενη τάση μεταβιβάζεται και αξιολογείται στη μονάδα ελέγχου. Έτσι δημιουργείται ένας παλμός, ο οποίος είναι 68 και το ψηφιακό σήμα εξόδου. Το σήμα αυτό είναι ανάλογο προς τον αριθμό των στροφών του στροφαλοφόρου άξονα ανά λεπτό. Αισθητήρας ταχύτητας μαγνητιζόμενων επαφών στροφαλοφόρου άξονα τύπου Η μέθοδος μέτρησης της ταχύτητας του στροφαλοφόρου άξονα με αισθητήρα ταχύτητας τύπου μαγνητιζόμενων επαφών, χρησιμοποιεί ένα μόνιμο μαγνήτη ο οποίος είναι στερεωμένος πάνω στον στροφαλοφόρο άξονα. Έτσι, καθώς ο μαγνήτης περιστρέφεται μαγνητίζει και απομαγνητίζει δυο σταθερές μαγνητικές επαφές, οι οποίες ανάλογα με το είδος της μαγνήτισης έλκονται ή απωθούνται μεταξύ τους. Έτσι με αυτόν τον τρόπο, και ενώ η μία μαγνητική επαφή τροφοδοτείται με τάση 5V, παράγεται ένα σήμα το οποίο είναι ανάλογο προς τον αριθμό των στροφών του στροφαλοφόρου άξονα ανά λεπτό. Ο αισθητήρας αυτός λόγω της απλότητας στην λειτουργία του και της φτηνής κατασκευής είναι αρκετά διαδεδομένος στα αυτοκίνητα ωστόσο έχει το μειονέκτημα της μη αξιόπιστης μέτρησης των υψηλών στροφών. Αισθητήρας ταχύτητας στροφαλοφόρου άξονα με μαγνητική αντίσταση Η μέθοδος μέτρησης της ταχύτητας του στροφαλοφόρου άξονα με μαγνητική αντίσταση, χρησιμοποιεί έναν επαγωγικό αισθητήρα αποτελούμενο από ένα πηνίο και ένα μόνιμο μαγνήτη. Ένα μεταλλικό έκκεντρο τοποθετείται πάνω στον άξονα για να προκαλεί αλλαγή της μαγνητικής ροής μέσα στο πηνίο όταν αυτό διέρχεται μπροστά από τον άξονα. Έτσι λοιπόν, για κάθε περιστροφή του άξονα υπάρχει δημιουργία μέσω επαγωγής ενός παλμού, ο οποίος στην συνέχεια προωθείται για περαιτέρω επεξεργασία από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η διάταξη αυτή είναι γνωστή και ως γεννήτρια μαγνητικών παλμών και πλεονέκτημα της είναι η αξιοπιστία. Οπτικός αισθητήρας ταχύτητας στροφαλοφόρου άξονα Η μέθοδος μέτρησης ταχύτητας στροφαλοφόρου με οπτικό αισθητήρα, χρησιμοποιεί ένα μεταλλικό διάτρητο δίσκο ο οποίος είναι στερεωμένος πάνω στον στροφαλοφόρο και έχει 360 εγκοπές, (κάθε εγκοπή σχετίζεται με μία μοίρα), ώστε να παράγεται σήμα κάθε 1°. Πιο αναλυτικά, ο οπτικός αισθητήρας στροφών στροφαλοφόρου αποτελείται από ένα LED, δηλαδή μία δίοδο που εκπέμπει υπέρυθρο 69 φως και από ένα φωτο-τρανζίστορ. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος κατάλληλα έτσι ώστε το LED, (το οποίο τροφοδοτείται με 12 Volt DC ώστε να εκπέμπει συνεχώς), να εκπέμπει πάνω στο φωτοτρανζίστορ. Επιπλέον ο μεταλλικός δίσκος βρίσκεται ανάμεσα στο LED και στο φωτοτρανζίστορ, ώστε καθώς γυρίζει ο δίσκος η φωτεινή δέσμη στο LED, να διακόπτεται και να επανέρχεται διαδοχικά και συνεχώς κατά την διαδρομή της προς το φωτοτρανζίστορ. Με αυτόν τον τρόπο, το φωτοτρανζίστορ το οποίο εδώ δουλεύει σαν διακόπτης, παράγει ένα ψηφιακό σήμα ανάλογο με τον αριθμό των εγκοπών στο δίσκο και την ταχύτητα περιστροφής τους. Εικόνα 3.4. Αισθητήρες ταχύτητας στροφών Hall στροφαλοφόρου άξονα 3.2.4 Αισθητήρας εκκεντροφόρου θέσης Ο αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου μετράει την θέση και την ταχύτητα του εκκεντροφόρου, μεγέθη απαραίτητα για τα ηλεκτρονικά ελέγχου της ανάφλεξης, το χρονισμό των βαλβίδων και γενικά για την λειτουργία του κινητήρα και του αυτοκινήτου. Πριν όμως αναλυθεί ο εν λόγω αισθητήρας πρέπει να γίνει μια αναφορά στον εκκεντροφόρο και την χρησιμότητά του στο αυτοκίνητο, καθώς και στις βαλβίδες, οι οποίες σχετίζονται με τον εκκεντροφόρο. Εκκεντροφόρος άξονας Ο εκκεντροφόρος άξονας όπως αναφέρει το όνομα του, είναι ένας άξονας ο οποίος φέρει πάνω του τα έκκεντρα. Τα έκκεντρα είναι σαν 70 δοντάκια, τα οποία καθώς περιστρέφεται ο άξονας ανοίγουν και κλείνουν τις βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής με ρυθμό ίδιο με αυτόν της κίνησης του πιστονιού. Σύμφωνα με αυτά που αναφέρθηκαν ως τώρα, μπορεί ο οποιοσδήποτε να καταλάβει την άμεση σχέση ανάμεσα στην διάταξη και το σχήμα των έκκεντρων με την απόδοση της μηχανής στις διάφορες ταχύτητες λειτουργίας της. Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι ο εκκεντροφόρος άξονας περιστρέφεται με τις μισές στροφές από ότι ο στροφαλοφόρος άξονας. Οι βαλβίδες Οι βαλβίδες, πάντοτε μια εισαγωγής και μια εξαγωγής για κάθε κύλινδρο, έχουν ως σκοπό να ανοίγουν την κατάλληλη στιγμή και να εισάγουν στον κύλινδρο το μίγμα αέρος - βενζίνης και κλείνοντας να εξάγουν τα καμένα αέρια. Οι πρώτες, δηλαδή αυτές που εισάγουν το μίγμα στον κύλινδρο, λέγονται εισαγωγής και οι δεύτερες εξαγωγής. Επίσης οι βαλβίδες οφείλουν να εξασφαλίζουν μια τέλεια ισορροπία και αντοχή κατά την διάρκεια της εκρήξεως (στιγμή καύσεως). Όλες αυτές οι εργασίες, πραγματοποιούνται κατά την διάρκεια δύο πλήρων στροφών του στροφαλοφόρου. Δηλαδή, κάθε δύο πλήρεις στροφές του στροφαλοφόρου, έχουμε μια εισαγωγή μίγματος και μια εξαγωγή. Συνεπώς, οι βαλβίδες κινούνται από ένα όργανο που περιστρέφεται μ' ένα αριθμό στροφών ίσο με το μισό του αριθμού στροφών του στροφαλοφόρου. Και το όργανο αυτό είναι ο εκκεντροφόρος που έχει στο γρανάζι του διπλάσια δόντια απ’ ότι ο στροφαλοφόρος. Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου Εφόσον επεξηγήθηκαν οι όροι εκκεντροφόρος άξονας και βαλβίδες, ήρθε η στιγμή για την ανάλυση και επεξήγηση του αισθητήρα θέσης εκκεντροφόρου. Οι πιο βασικοί και διαδεδομένη τύποι αισθητήρων για την μέτρηση του εν λόγω μεγέθους είναι: • Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου οπτικού τύπου • Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου τύπου Hall Ο πρώτος τύπος αισθητήρα χρησιμοποιεί την τεχνολογία τον οπτικών αισθητήρων σε συνεργασία με ένα διάτρητο δίσκο, ο οποίος 71 είναι τοποθετημένος στον εκκεντροφόρο. Η τεχνολογία και η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα δεν διαφέρει σε τίποτα με αυτήν που αναλύθηκε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο για τον οπτικό αισθητήρα στροφαλοφόρου. Η μόνη διαφορά είναι ότι εδώ ο δίσκος εκτός από τα σημάδια (τις εγκοπές) 360 ° έχει και μία εγκοπή για κάθε κύλινδρο ώστε να δημιουργείται ένα σήμα αναγνώρισης για τον κάθε κύλινδρο. Έτσι λοιπόν δημιουργείτε ένας παλμός για κάθε κύλινδρο όπου ενημερώνει την μονάδα ελέγχου με την θέση του εμβόλου 70° πριν από το ΑΝΣ ανάφλεξης του κάθε κυλίνδρου, για τον υπολογισμό της γωνίας ανάφλεξης. Ο δεύτερος τύπος αισθητήρα για την μέτρηση της θέσης του εκκεντροφόρου χρησιμοποιεί το φαινόμενο Hall για να μετρήσει. Ένας μόνιμος μαγνήτης που υπάρχει στον αισθητήρα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Σε αυτό το μαγνητικό πεδίο βρίσκεται ένας αγωγός στο οποίο ρέει ρεύμα έτσι ώστε να δημιουργείται κάθετα προς το ρεύμα και κάθετα προς το μαγνητικό πεδίο μία ηλεκτρική τάση, η οποία εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο στον αισθητήρα μεταβάλλεται μέσω ενός οδοντωτού δίσκου που είναι στερεωμένος στον εκκεντροφόρο. Δηλαδή, μόλις περάσει ένα δόντι του δίσκου μπροστά από το μαγνητικό πεδίο του αισθητήρα, τότε μεταβάλλεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου και δημιουργείται μία τάση από επαγωγή και ένα ψηφιακό σήμα. Το αποτέλεσμα είναι ότι με την περιστροφή του δίσκου, οπότε και του εκκεντροφόρου η τάση του αισθητήρα μεταβάλλεται και το σήμα που παράγεται είναι ανάλογο της θέσης και της ταχύτητας του εκκεντροφόρου. Ο αισθητήρας αυτός δεν έχει πολλά προβλήματα, είναι αποδοτικός και χρησιμοποιείται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία στις μέρες μας. 3.2.5 Αισθητήρας απόλυτης πίεσης (MAP) Ο αισθητήρας απόλυτης πίεσης (MAP-Manifold Absolute Pressure) είναι ένας αισθητήρας ο οποίος μετράει ένα σημαντικό μέγεθος για την σωστή λειτουργία του κινητήρα, την απόλυτη πίεση του εισερχόμενου αέρα στην πολλαπλή εισαγωγή. Οι περισσότεροι κινητήρες λειτουργούν με φυσική εισαγωγή αέρα στους κυλίνδρους, δηλαδή με την βοήθεια της ατμοσφαιρικής πίεσης. Αυτό μπορεί όμως να είναι και πρόβλημα, διότι πρέπει να μετριέται η πίεση της 72 ατμόσφαιρας καθώς ενδέχεται να υπάρχει μειωμένη εισαγωγή αέρα και απώλεια ισχύος. Η απόλυτη πίεση του αέρα είναι σημαντικό να μετριέται καθώς αποτελεί ένδειξη για την ισχύ του κινητήρα και για το φορτίο ενώ επίσης είναι απαραίτητο στην ECU, ώστε να υπολογίζει και να ρυθμίζει ανάλογα την διάρκεια ψεκασμού, τον χρονισμό της ανάφλεξης και την πίεση στο σύστημα διανομής καυσίμου. Ο αισθητήρας MAP είναι συνήθως αισθητήρας πιεζοηλεκτρικού τύπου και βρίσκεται συνδεδεμένος μέσω ενός σωλήνα υποπίεσης στην πολλαπλή εισαγωγή μετά την πεταλούδα γκαζιού. Ο πιεζοηλεκτρισμός, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι η ιδιότητα κάποιων υλικών (κυρίως κρυσταλλικών υλικών αλλά και μερικών κεραμικών υλικών) να παράγουν ηλεκτρική τάση όταν δέχονται κάποια μηχανική τάση/πίεση ή ταλάντωση. Ο αισθητήρας MAP αποτελείται από ένα κύκλωμα ενίσχυσης του σήματος και από ένα τσιπ πυριτίου που έχει πάνω του ενσωματωμένες 4 ηλεκτρικές αντιστάσεις συνδεδεμένες σε γέφυρα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 3.5. Γέφυρα Wheatstone με 4 αντιστάσεις Ένα από τα κυριότερα κομμάτια του αισθητήρα MAP είναι ο στεγανός θάλαμος, ο οποίος χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο ένα μέρος βρίσκεται το τσιπ, και επικρατεί ατμοσφαιρική πίεση (πίεση αναφοράς) και στο άλλο μέρος του θαλάμου υπάρχει η ζητούμενη προς μέτρηση πίεση, δηλαδή η πίεση της πολλαπλής εισαγωγής. Έτσι λοιπόν, όταν μεταβάλλεται η πίεση στην πολλαπλής εισαγωγής, η μεμβράνη πάνω στην οποία στηρίζεται το τσιπ κάμπτεται και αλλάζει η αντίσταση του. Επομένως αλλάζει και η τάση που διαβάζει η ECU μεταφράζοντας αυτήν την αλλαγή στην τάση ως αλλαγή της πίεσης στην πολλαπλή εισαγωγή. 3.2.6 Αισθητήρας μάζας αέρα (MAF) O αισθητήρας μάζας αέρα (MAF) (Mass Airflow Sensor) είναι ένας αισθητήρας που μετράει ένα ακόμα σημαντικό μέγεθος για την λειτουργία του αυτοκινήτου, την μάζα του εισερχόμενου αέρα. Ο ΜΑF 73 πληροφορεί την ECU για την μάζα του εισερχόμενου αέρα μετατρέποντας το μέγεθος αυτό σε σήμα τάσης εξόδου. Η ECU με την σειρά της διαβάζοντας τα δεδομένα από την MAF ρυθμίζει την σωστή παροχή καυσίμου για όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Το σήμα είναι αναλογικό στους περισσότερους MAF αν και υπάρχουν και κάποιοι MAF που παράγουν ψηφιακό σήμα. O αισθητήρας βρίσκεται στον αγωγό εισαγωγής αέρα μετά το φίλτρο και μετά την πεταλούδα και κατασκευαστικά υπάρχουν δυο τύποι αισθητήρων MAF, ο αισθητήρας MAF θερμού νήματος και ο αισθητήρας MAF λεπτού φιλμ. Αισθητήρας μάζας αέρα θερμού νήματος Ο αισθητήρας μάζας αέρα (MAF) θερμού νήματος, βρίσκεται εκτεθειμένος στην ροή του αέρα εισαγωγής. Το αισθητήριο έχει επικάλυψη από πλατίνα και είναι μία αντίσταση τύπου PTC, δηλαδή με την αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται και αύξηση της τιμής της αντίστασης. Η αντίσταση αυτή είναι συνδεδεμένη σε γέφυρα με άλλες τρεις αντιστάσεις, από τις οποίες η μια είναι ένα θερμίστορ ή θερμοαντίσταση NTC (Negative Temperature Coefficient) εκτεθειμένη στον εισερχόμενο αέρα, με τιμή ανάλογη της θερμοκρασίας του. Οι άλλες δυο αντιστάσεις έχουν σταθερή τιμή. Όταν το αυτοκίνητο θα ξεκινήσει την λειτουργία του, το αισθητήριο έχει μικρή τιμή αντίστασης, οπότε ο άλλος κλάδος της γέφυρας έχει μικρότερη αντίσταση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να προκαλέσει μεγάλη διαφορά δυναμικού και η γέφυρα να έχει μεγάλη ένταση ρεύματος. Το ρεύμα αυτό θερμαίνει γρήγορα το αισθητήριο πλατίνας σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (100οC για την περίπτωση του θερμού νήματος και 750οC για την περίπτωση του λεπτού φιλμ) πάνω από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα, οπότε και η αντίσταση του αισθητήριου αυξάνεται. Στην στιγμιαία κατάσταση αυτή, υπάρχει ισορροπία στην γέφυρα των αντιστάσεων. Όταν αρχίσει η ροή αέρα στον κινητήρα, ο εισερχόμενος αέρας ψύχει το αισθητήριο ανάλογα με την ταχύτητα και την θερμοκρασία του. Αυτό προκαλεί μείωση της τιμής της αντίστασής του, η οποία δημιουργεί πτώση τάσης στην γέφυρα. Αυτή είναι ανάλογη με το ρυθμό ψύξης του αισθητήριου προσπαθώντας να κρατήσει την θερμοκρασία στην αρχική τιμή της. Αυτή την πτώση τάσης είναι που “διαβάζει” η ECU και κυμαίνεται από 0,5 έως και 4,5 V, ανάλογα με την μάζα του εισερχόμενου αέρα. 74 Αισθητήρας μάζας αέρα λεπτού φίλμ Ο αισθητήρας μάζας αέρα λεπτού φιλμ έχει ίδια αρχή λειτουργίας με τον αισθητήρα θερμού νήματος, του οποίου η επεξήγηση έγινε παραπάνω. Παρακάτω γίνεται μια σύντομη επεξήγηση του θερμίστορ ή θερμοαντίστασης, ενός βασικού στοιχείου για την λειτουργία του αισθητήρα μάζας αέρα MAF. Θερμίστορ Το θερμίστορ (thermistor), το οποίο μεταφράζεται στα ελληνικά θερμοαντίσταση, είναι μια μεταβλητή αντίσταση, κατασκευασμένη από ημιαγωγούς, με μέγεθος εξαρτώμενο της θερμοκρασίας. Οι θερμικές αντιστάσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους, ανάλογα με τον συντελεστή θερμοκρασίας Κ. Εάν το Κ είναι θετικό, η αντίσταση αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η θερμοκρασία ενώ η συσκευή καλείται θερμική αντίσταση με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας (PTC) . Εάν το Κ είναι αρνητικό, η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται και η συσκευή καλείται θερμική αντίσταση με αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας (NTC). Εικόνα 3.6 MAF sensor-Αισθητήρας μάζας αέρα 3.2.7 Αισθητήρες στον κινητήρα θερμοκρασίας Οι αισθητήρες θερμοκρασίας είναι μετρητές ενός πολύ σημαντικού μεγέθους όπως είναι η θερμοκρασία. Όταν αυτό το μέγεθος αφορά μηχανές και στην περίπτωση μας κινητήρες, τότε μπορεί ο οποιοσδήποτε να καταλάβει την σημασία της μέτρησης και ελέγχου αυτού του μεγέθους. Στην περίπτωση του κινητήρα και γενικότερα του αυτοκινήτου ο έλεγχος και η μέτρηση της 75 θερμοκρασία γίνεται συνεχώς ενώ η θερμοκρασία που μετριέται αφορά κυρίως υγρά και αέρια. Γενικά η θερμοκρασία είναι κριτήριο για την ομαλή λειτουργία του αυτοκινήτου, καθώς η πολύ υψηλή θερμοκρασία θεωρείται προάγγελος βλαβών λόγω υπερθέρμανσης ενώ επίσης θεωρείται και μία από τις αιτίες για την παραγωγή βλαβερών καυσαερίων. Επίσης και η χαμηλή θερμοκρασία του κινητήρα πρέπει να ελέγχεται διότι ένας κρύος κινητήρας χρειάζεται ειδικές ρυθμίσεις για την λειτουργία και εκκίνηση του. Γι αυτούς τους λόγους είναι απαραίτητο να πληροφορείται η ECU για τις θερμοκρασίες των επιμέρους τμημάτων ώστε να ρυθμίζει παραμέτρους που αφορούν: χρονισμό, ενεργοποίηση συστημάτων ψύξης κινητήρα, ενεργοποίηση συστήματος ανακυκλοφορίας καυσαερίων, εμπλουτισμό μείγματος αέρα-καυσίμου και άλλα πολλά. Ενδεικτικά, κάποια αισθητήρια που αφορούν την μέτρηση θερμοκρασιών του κινητήρα είναι: •Αισθητήριο θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού •Αισθητήριο θερμοκρασίας εξαγομένων καυσαερίων •Αισθητήριο θερμοκρασίας καυσίμου •Αισθητήριο θερμοκρασίας αέρα εισαγωγής •Αισθητήριο θερμοκρασίας λαδιού Εικόνα 3.7 Θερμοζεύγος τύπου Κ 3.2.7.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας ψυχτικού υγρού H θερμοκρασία ψυκτικού υγρού είναι ένα σημαντικό μέγεθος προς μέτρηση που χρησιμεύει εκτός των άλλων και για τις ακόλουθες λειτουργίες: •Καθορισμός χρόνου ανάφλεξης •Καθορισμός χρόνου ψεκασμού •Ρύθμιση ιδανικού αριθμού στροφών ρελαντί 76 Η τεχνολογία που υπήρχε παλαιότερα για την μέτρηση και τον έλεγχο αυτού του μεγέθους ήταν ένα πολύ απλό κύκλωμα που περιελάμβανε ένα διακόπτη θερμοκρασίας. Οι καταστάσεις που γνώριζε ήταν δύο, είτε κλειστός διακόπτης που σήμαινε θερμή μηχανή, είτε ανοιχτός που σήμαινε κρύα μηχανή. Αυτό το σύστημα είχε την δυνατότητα με τον έλεγχο για το κλείσιμο ή άνοιγμα των επαφών των διακοπτών να φροντίζει για την βέλτιστη απόδοση του κινητήρα. Αυτή η τεχνολογία όμως σήμερα θεωρείται ξεπερασμένη καθώς το θερμίστορ έχει αντικαταστήσει τον διακόπτη θερμοκρασίας. Τι είναι όμως το θερμίστορ; Θερμίστορ Το θερμίστορ (thermistor), το οποίο μεταφράζεται στα ελληνικά θερμοαντίσταση, είναι μια μεταβλητή αντίσταση, κατασκευασμένη από ημιαγωγούς, με μέγεθος εξαρτώμενο της θερμοκρασίας. Η μαθηματική εξίσωση για το θερμίστορ είναι: RT= A • e^(-ΔΕ/RT) όπου: • RT: η αντίσταση του θερμίστορ σε θερμοκρασία Τ • Α: συντελεστής ανάλογος του είδους του ημιαγωγού • ΔΕ: ενεργειακό χάσμα μεταξύ μιας ζώνης που είναι πλήρης σε ηλεκτρόνια και της ζώνης στην οποία πρέπει να διεγερθούν τα ηλεκτρόνια για να προκληθεί αγωγιμότητα. • R: παγκόσμιος σταθερά των αερίων(8,314J×mol-1×K-1) • Τ: η απόλυτη θερμοκρασία σε Κ Οι θερμικές αντιστάσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους, ανάλογα με τον συντελεστή θερμοκρασίας Κ. Εάν το Κ είναι θετικό, η αντίσταση αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η θερμοκρασία ενώ η συσκευή καλείται θερμική αντίσταση με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας (PTC) . Εάν το Κ είναι αρνητικό, η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται και η συσκευή καλείται θερμική αντίσταση με αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας (NTC). 77 Περιγραφή λειτουργίας του αισθητηρίου Ο αισθητήρας θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού βρίσκεται τοποθετημένος στο σώμα του κινητήρα, στην έξοδο του ψυχτικού υγρού και κοντά στην κυλινδροκεφαλή. Το κύκλωμα του αισθητηρίου θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού αποτελείται από ένα θερμίστορ NTC, δηλαδή μία θερμοαντίσταση αρνητικού θερμικού συντελεστή και από μία απλή αντίσταση. Πιο αναλυτικά, το κύκλωμα του αισθητήριου που περιέχει το θερμίστορ και την αντίσταση (πχ R1) σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης τροφοδοσίας αναφοράς 5 V. Όταν ο κινητήρας είναι κρύος, η αντίσταση στο θερμίστορ είναι πολύ υψηλή και έτσι καταναλώνει το μεγαλύτερο μέρος της τάσης. Η άλλη αντίσταση του κυκλώματος η R1 που είναι μικρή συγκριτικά με την αντίσταση του θερμίστορ, δηλαδή μόνο 350 Ω, προκαλεί πολύ μικρή πτώση τάσης σε σύγκριση με το θερμίστορ. Αυτό κάνει την τάση σχεδόν 5 V. Το θερμίστορ έχει αντίσταση 100.000 Ω, όταν είναι κρύο. Δεδομένου ότι ο κινητήρας αρχίζει να θερμαίνεται, η αντίσταση του θερμίστορ αρχίζει να μειώνεται. Αυτό οφείλεται στην αρχή λειτουργίας των θερμίστορ. Στα αρχικά στάδια της προθέρμανσης του κινητήρα το θερμίστορ μπορεί να έχει τιμή 75.000 Ω, αλλά η αντίσταση στην R1 είναι 350 Ω. Η τάση θα είναι ακόμα κοντά στα 5 V. Για να μειωθεί η τάση σε 2,5 V, απαιτείται η θερμοκρασία του κινητήρα να φθάσει την τιμή λειτουργίας, οπότε το θερμίστορ θα έχει αντίσταση επίσης 350 Ω. Σαν αποτέλεσμα η τάση στην αντίσταση R1,( 350 Ω), και στο αισθητήριο, (350 Ω) θα είναι ίδια, δηλαδή περίπου 2,5 V. Στην συνεχεία, η αντίσταση του θερμίστορ μειώνεται περισσότερο μέχρι τους 100°C όπου μπορεί να φτάσει μέχρι και 70-80 Ω, ενώ η τάση γίνεται περίπου 1,0 V στη θερμοκρασία λειτουργίας. Δεδομένου ότι η τάση στο αισθητήριο αρχίζει να μειώνεται είναι προγραμματισμένο στην ECU η ρύθμιση του μείγματος αέρα / καυσίμου, καθώς και της ανάφλεξης πολλές φορές, κάθε δευτερόλεπτο, για να ανταποκριθεί στις μεταβολές της τάσης των σημάτων του αισθητηρίου. Γι' αυτό ένα όχημα με θερμική αντίσταση έχει άριστη απόδοση και χαρακτηριστικά κατά τη λειτουργία του σε κρύα κατάσταση. Κατά τη διάρκεια της προθέρμανσης δεν υπάρχει καμία αξιοπρόσεκτη διαφορά στην απόδοση, ακόμα και αν τη συγκρίνουμε με τον κινητήρα να έχει φθάσει την θερμοκρασία λειτουργίας του. 78 3.2.7.2. Αισθητήρας εξαγομένων καυσαερίων θερμοκρασίας Η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι ένα μέγεθος, το οποίο ελέγχεται και μετριέται από τον αισθητήρα θερμοκρασίας καυσαερίων. Ο σκοπός της μέτρησης και του ελέγχου του συγκεκριμένου μεγέθους είναι η ρύθμιση, από την ECU, παραμέτρων που αφορούν την διάρκεια ψεκασμού του μείγματος όπως επίσης και την σύσταση του μείγματος. Επίσης η μέτρηση αυτού του μεγέθους μπορεί να δώσει πολύτιμες πληροφορίες σε ότι αφορά την κατάσταση του κινητήρα ώστε να ληφθούν οι απαραίτητες ενέργειες πρόληψης και διόρθωσης προβλημάτων στον κινητήρα, πριν αυτός υποστεί βλάβη. Τι είναι όμως το καυσαέριο; Παρακάτω ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή του όρου. Καυσαέριο Το καυσαέριο, όπως φανερώνει και το όνομα του, είναι αέριο που προκύπτει ως κατάλοιπο της καύσης ορυκτών καυσίμων. Παράγεται από βιομηχανίες, εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης, μέσα μεταφοράς κ.λπ. και καταλήγει στην ατμόσφαιρα διαμέσου των καμινάδων ή των εξατμίσεων των οχημάτων. Τα καυσαέρια των αυτοκινήτων περιέχουν άζωτο, μονοξείδιο και διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ και ΝΟ2, για συντομία ΝΟx), μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα (CΟ και CΟ2), υδρογόνο (Η2), οξυγόνο (Ο2), νερό σε μορφή υδρατμών (Η2Ο), άκαυστους υδρογονάνθρακες (ΗC) και ελάχιστες ποσότητες διοξειδίου του θείου (SΟ2). Από αυτά θεωρούνται ως ρύποι τα ΝΟx, το CΟ, οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες και το SΟ2. Το CΟ2 δεν θεωρείται ρύπος, είναι όμως επικίνδυνο, γιατί ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η αύξηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έκανε επιτακτική την ανάγκη για εφαρμογή αντιρρυπαντικών συστημάτων στα βενζινοκίνητα και πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα. Από τη δεκαετία του 1980 και μετά έχουν εφαρμοστεί: ο καταλύτης καυσαερίων και ο κινητήρας φτωχού (lean burn engine) και πολύ φτωχού μείγματος. Είναι ένα νέο και εξελισσόμενο είδος κινητήρα στον οποίο η αναλογία αέρα-καυσίμου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών κινητήρων. Με τα μέτρα αυτά έχει μειωθεί κατά πολύ η ρύπανση της ατμόσφαιρας από τα καυσαέρια αλλά δυστυχώς το πρόβλημα υπάρχει, και θα υπάρχει και στα προσεχή χρόνια. 79 Αισθητήρας θερμοκρασίας εξαγομένων καυσαερίων (συνέχεια) Αφού έγινε παραπάνω μια σύντομη επεξήγηση σχετικά με το καυσαέριο, ήρθε η στιγμή της ανάλυσης και της περιγραφής του αισθητήρα. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας εξαγομένων καυσαερίων τοποθετείται άμεσα στους κυλίνδρους των μηχανών για να μετρήσουν την θερμοκρασία εξάτμισης. Το αισθητήριο αποτελείται από τρία μέρη, από το θερμοηλεκτρικό ζεύγος (thermocouple), από το πυρόμετρο και από το καλώδιο που τα συνδέει μεταξύ τους. Το θερμοηλεκτρικό ζεύγος, που ανακαλύφθηκε το 1821 από τον Τόμας Γιόχαν Ζέεμπεκ, είναι το βασικό όργανο του αισθητήριου καθώς είναι αυτό που εκτελεί την μέτρηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων. Η αρχή λειτουργίας του θερμοηλεκτρικού ζεύγους βασίζεται στο φαινόμενο Ζέεμπεκ (Seebeck), που είναι φανερό ότι πήρε το όνομα του από τον εφευρέτη του θερμοηλεκτρικού ζεύγους, Τόμας Γιόχαν Ζέεμπεκ. Τι είναι όμως το φαινόμενο Ζέεμπεκ (Seebeck) που στηρίζεται η λειτουργία του θερμοζεύγους; Φαινόμενο Ζέεμπεκ (Seebeck) (αρχή λειτουργίας θερμοζεύγους) Tο φαινόμενο Ζέεμπεκ (Seebeck) εξηγείται ως εξής: Όταν ένα ζεύγος δυο διαφορετικών μετάλλων σχηματίζουν ένα βρόγχο και τα δύο σημεία σύνδεσης βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε θα υπάρξει ροή ρεύματος με τιμή ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, υπάρχουν δυο διαφορετικά μέταλλα, το μέταλλο Χ και το μέταλλο Υ. Τα σημεία σύνδεσης τους 1 και 2 ευρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες Τ1 και Τ2. Λόγω του φαινομένου δημιουργούνται μικρές ΗΕΔ στις δύο επαφές. Το αλγεβρικό άθροισμα των δύο ΗΕΔ δεν είναι μηδέν, οπότε δημιουργείτε ένα ρεύμα στο κύκλωμα. Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι τέτοιο, ώστε όταν δύο δεδομένα μέταλλα έχουν επαφές που ευρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε η αναπτυσσόμενη συνολική ΗΕΔ είναι πάντα η ίδια. Επομένως αυτή μπορεί να μετρηθεί και να βαθμονομηθεί σε μονάδες θερμοκρασίας. Εάν και οι δύο επαφές του θερμοζεύγους βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, τότε δεν θα δημιουργηθεί συνολική ΗΕΔ. Εάν όμως κάποια στιγμή η θερμοκρασία μίας επαφής αρχίζει να αλλάζει ενώ της άλλης μείνει σταθερή, τότε θα δημιουργηθεί μια ΗΕΔ, η οποία θα μεγαλώνει όσο αυξάνει η διαφορά θερμοκρασίας. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας του θερμοζεύγους. 80 Αισθητήρας θερμοκρασίας εξαγομένων καυσαερίων (συνέχεια) Η τάση που παράγει το θερμοηλεκτρικό ζεύγος οδηγείται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίο λαμβάνει μια τάση σε μV και έχει ως σκοπό να μας δώσει στην έξοδό του ενισχυμένη τάση η οποία μέσω ενός μετρητή θα μετατραπεί σε βαθμούς Κελσίου. Επίσης στο κύκλωμα εκτός του ολοκληρωμένου, υπάρχει και ένας πυκνωτής ο οποίος λειτουργεί σαν φίλτρο θορύβου. Αξίζει να αναφερθεί επίσης ότι το ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι συνήθως το AD595, το οποίο η τροφοδοσία του είναι στα 12,3 Volt, ιδανική λύση για την χρησιμοποίηση του σε αυτοκίνητα, ενώ μπορεί και να φθάσει μέχρι τα 36V. Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να δείτε ένα θερμοζεύγος. Εικόνα 3.8 Το θερμοζεύγος (thermocouple) 3.2.7.3 Αισθητήρας θερμοκρασίας καυσίμου Η θερμοκρασία καυσίμου είναι ένα μέγεθος που ελέγχεται και μετριέται από τον αισθητήρα θερμοκρασίας καυσίμου και χρησιμεύει για τις ακόλουθες λειτουργίες: •Προστασία υπερθέρμανσης κινητήρα •Υπολογισμός ποσότητας ψεκασμού •Υπολογισμός απαίτησης αντλία προπαροχής •Διόρθωση κύματος πίεσης Ο αισθητήρας θερμοκρασίας καυσίμου είναι βιδωμένος λίγο πριν από την αντλία υψηλής πίεσης και καταγράφει τη θερμοκρασία καυσίμου μέσω της μεταβλητής του θερμοαντίστασης (NTC= αρνητικός συντελεστής θερμοκρασίας). Στην παρακάτω εικόνα βλέπετε ένα αισθητήρα θερμοκρασίας καυσίμου. 81 Εικόνα 3.9 Αισθητήρας θερμοκρασίας καυσίμου 3.2.7.4 Αισθητήρας εισαγωγής θερμοκρασίας αέρα Ο αισθητήρας θερμοκρασίας αέρα εισαγωγής μετράει ένα μέγεθος χρήσιμο για την ρύθμιση της σύστασης και της αναλογίας του μείγματος καυσίμου/αέρα, καθώς η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα και στο μείγμα καυσίμου/αέρα είναι μεταβαλλόμενη από πολλούς παράγοντες. Γι αυτό και το μίγμα μπορεί να είναι πλούσιο στις υψηλές θερμοκρασίες, ενώ στις χαμηλές να είναι φτωχό. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας αέρα εισαγωγής, ο οποίος είναι τοποθετημένος στην είσοδο του μετρητή αέρα, έχει λύσει αυτό το πρόβλημα του φτωχού/πλουσίου μίγματος καθώς μετράει την θερμοκρασία του αέρα και την μεταβιβάζει στην ECU. Ο αισθητήρας αποτελείται από ένα θερμίστορ NTC, στο οποίο η αντίσταση μεταβάλλεται ανάλογα με την θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής. Πιο συγκεκριμένα, όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι υψηλή, τότε η αντίσταση μειώνεται και αυτό συνεπάγεται ότι και η τάση στον αισθητήρα μειώνεται, και το αντίστροφο σε αντίθετη περίπτωση. Έτσι οι μεταβολές της θερμοκρασίας που μεταφράζονται σε τάση, συγκρίνονται από κάποια τάση αναφοράς στην ECU . Η ECU με την σειρά της διορθώνει την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα ώστε το μίγμα καυσίμου/αέρα να είναι όσο πιο κοντά γίνεται στην ενδεδειγμένη στοιχειομετρική αναλογία. 3.2.7.5 Αισθητήρας θερμοκρασίας λαδιού Ο αισθητήρας θερμοκρασία λαδιού είναι ένας μετρητής της θερμοκρασίας του λιπαντικού μέσου, δηλαδή του λαδιού. Συνήθως ο αισθητήρας θερμοκρασίας λαδιού λέγεται και θερμικός αισθητήρας 82 στάθμης λαδιού καθώς συνδυάζει σε μία συσκευή την μέτρηση και της θερμοκρασίας αλλά και της στάθμης του λαδιού. Επίσης υπάρχει και ο αισθητήρας κατάστασης λαδιού όπου είναι πιο βελτιωμένος και διευρύνει τις λειτουργίες του θερμικού αισθητήρα στάθμης καθώς εκτός από την μέτρηση στάθμης και θερμοκρασίας λαδιού, έχει την δυνατότητα ελέγχου της ποιότητας του λαδιού. Το αισθητήριο βρίσκεται τοποθετημένο στην κάτω πλευρά του κάρτερ λαδιού και μετράει παράλληλα στάθμη και θερμοκρασία. Η μέτρηση της στάθμης λαδιού επεξηγείτε παρακάτω στους αισθητήρες στάθμης, ενώ για την θερμοκρασία αξίζει να αναφερθεί ότι μετριέται από μία θερμοαντίσταση NTC η οποία είναι εμβαπτισμένη με στρώμα λαδιού και βρίσκεται σε πλαστικό περίβλημα. Το εύρος της θερμοκρασίας που μπορεί να μετρήσει ο αισθητήρας είναι συνήθως από τους -40°c έως τους 150°c. 3.2.8 Αισθητήρες στάθμης Η στάθμη είναι ένα σημαντικό μέγεθος που αφορά τα υγρά και πιο συγκεκριμένα την ποσότητα των υγρών σε ένα δοχείο. Στο αυτοκίνητο υπάρχουν αρκετά υγρά όπου είναι απαραίτητος ο έλεγχος της ποσότητας τους. Για αρκετά υγρά στο αυτοκίνητο όπως τα καύσιμα, το λάδι, η βαλβολίνη, το ψυχτικό υγρό και άλλα πολλά, είναι χρήσιμο να γίνεται ο έλεγχος και η μέτρηση της στάθμης τους. 3.2.8.1 Αισθητήρας στάθμης καυσίμου Η μέτρηση της στάθμης του καυσίμου γίνεται για πολλούς λόγους. Ο απλούστερος είναι για να γνωρίζει ο οδηγός την ποσότητα του καυσίμου που υπάρχει στο ντεπόζιτο, ώστε να το αναπληρώνει πριν αυτό τελειώσει. Η πιο απλή μέθοδος μέτρησης της στάθμης καυσίμου είναι με πλωτήρα μέσα στο ντεπόζιτο, ο οποίος είναι συνδεμένος με ένα ποτενσιόμετρο, το οποίο είναι σφραγισμένο και στεγανοποιημένο για να μην έχει επαφή με το καύσιμο. Έτσι λοιπόν όταν ο πλωτήρας αλλάζει θέση καθώς η στάθμη του καυσίμου κατεβαίνει, αλλάζει θέση και το ποτενσιόμετρο με συνεπακόλουθο την μεταβολή του ρεύματος. Αυτή η μεταβολή του ρεύματος είναι ανάλογη της στάθμης του καυσίμου στο ρεζερβουάρ. Αυτή η μέθοδος μέτρησης είναι πολύ απλή αλλά παρουσιάζει ένα σημαντικό και σοβαρό μειονέκτημα, η 83 φθορά από τις τριβές με την πάροδο του χρόνου μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένες ενδείξεις. Γι αυτό τον λόγο έχουν κατασκευαστεί αισθητήρες που δεν παρουσιάζουν σημαντικές φθορές όπως o αισθητήρας που έχει κατασκευάσει η Siemens, ο οποίος περιλαμβάνει μία διάταξη στοιχείων επαφής. Η διάταξη των στοιχείων μοιάζει με μία άρπα πάνω στην οποία το κάθε στοιχείο ενεργοποιείται μαγνητικά. Υπάρχει επίσης ένας πλωτήρας ο οποίος όπως κινείται, κινεί ένα βραχίονα που είναι συνδεμένος πάνω του. Στον βραχίονα είναι προσαρμοσμένος ένας μαγνήτης, ο οποίος όταν διέρχεται πάνω από την διάταξη με τα στοιχεία επαφής, ενεργοποιεί την κάθε επαφή ξεχωριστά και έτσι με αυτόν τον τρόπο, δηλαδή με το άνοιγμα-κλείσιμο των επαφών, το αισθητήριο προσδιορίζει την στάθμη. Εκτός όμως από τις κλασσικές μεθόδους μέτρησης, πάντα υπάρχουν και εναλλακτικές λύσεις. Μια εντελώς διαφορετική μέθοδος μέτρησης του μεγέθους αυτού είναι, χωρίς την χρήση πλωτήρα. Η μέθοδος αυτή, χρησιμοποιεί πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς που βρίσκονται στον πυθμένα του ντεπόζιτου. Οι πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς εκπέμπουν υπερηχητικά κύματα και έτσι με αυτόν τον τρόπο, δηλαδή μέσω της μέτρησης χρόνου της διαδρομής των ανακλώμενων κυμάτων, προκύπτει το ύψος της στάθμης του καυσίμου. Βέβαια για την μέτρηση της στάθμης ενός οποιοσδήποτε υγρού υπάρχουν και άλλοι τρόποι όπως ο ράβδος βυθομέτρησης, ο μετρητής στάθμης φυσαλίδων, η μέτρηση με υπέρηχους και άλλα πολλά. Δεν αναλύθηκαν όμως γιατί δεν χρησιμοποιούνται για μέτρηση στάθμης υγρών σε αυτοκίνητα, αλλά για άλλες εφαρμογές. 3.2.8.2 Αισθητήρας στάθμης ψυκτικού υγρού Η στάθμη του ψυκτικού υγρού είναι ένα μέγεθος που πρέπει να ελέγχεται γιατί η χαμηλή στάθμη ψυκτικού υγρού ενδέχεται να αυξήσει την θερμοκρασία του κινητήρα σε απαγορευτικά επίπεδα. Ο σκοπός της μέτρησης αυτού του μεγέθους είναι να προειδοποιήσει τον οδηγό, όταν η στάθμη του ψυκτικού υγρού είναι χαμηλή ώστε να συμπληρώσει το ψυγείο με υγρό. Η μέτρηση αυτού του μεγέθους γίνεται συνήθως με πλωτήρα που είναι συνδεδεμένος με ένα ποτενσιόμετρο και ο τρόπος μέτρησης είναι παρόμοιος με τον απλό τρόπο μέτρησης της στάθμης καυσίμου με πλωτήρα. 84 3.2.8.3 Αισθητήρας στάθμης λιπαντικού μέσου (λαδιού) Ο αισθητήρας στάθμης λαδιού μετράει το ύψος της στάθμης του λιπαντικού μέσου (λαδιού). Υπήρξε αναφορά στο σύστημα λίπανσης γενικά και ειδικότερα στο λιπαντικό μέσο στο προηγούμενο υποκεφάλαιο που αφορούσε τους αισθητήρες θερμοκρασίας. Εκεί λοιπόν αναλύθηκε και ο αισθητήρας θερμοκρασίας λαδιού και αναφέρθηκε το γεγονός ότι υπάρχουν συστήματα όπως ο θερμικός αισθητήρας στάθμης λαδιού όπου μετράει και την θερμοκρασία αλλά και την στάθμη του λαδιού. Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα αναλυθεί η μέτρηση της στάθμης του λαδιού, αφού πρώτα γίνει μία σύντομη ενημέρωση σχετικά με το λάδι και το σύστημα λίπανσης. Το λάδι είναι κύριο συστατικό του συστήματος λίπανσης του αυτοκινήτου. Ο σκοπός του συστήματος λίπανσης είναι η λίπανση επιφανειών του αυτοκινήτου, και κατά κύριο λόγω του κινητήρα, που χρειάζονται λίπανση ώστε να αποτραπεί η φθορά τους. Πέρα από την λίπανση του κινητήρα, το λάδι καθαρίζει τις επιφάνειες από διάφορα κατάλοιπα, απορροφά θερμότητα και προστατεύει τα μεταλλικά εξαρτήματα από την διάβρωση. Από όλα αυτά καταλαβαίνεις κανείς, την χρησιμότητα του συστήματος λίπανσης και του λαδιού πιο συγκεκριμένα, στην εύρυθμη λειτουργία του κινητήρα. Γι αυτό τον λόγο ο οδηγός πρέπει να γνωρίζει την κατάσταση της στάθμης του λαδιού. Δηλαδή αν η στάθμη του λαδιού είναι είτε πιο χαμηλά από το κανονικό, είτε πιο υψηλά, τότε πιθανόν να υπάρξει πρόβλημα. Αυτή η πληροφορία δίνεται από τον αισθητήρα στάθμης του λαδιού. Η μέτρηση του συγκεκριμένου μεγέθους γίνεται κυρίως με δύο τρόπους. Ο πρώτος τρόπος χρησιμοποιεί ένα πυκνωτή, στον οποίο η χωρητικότητα επηρεάζεται από το ύψος του λαδιού. Όσο πέφτει η στάθμη του λαδιού αλλάζει και η χωρητικότητα του πυκνωτή, με αποτέλεσμα η ηλεκτρική μονάδα αξιολόγησης να σχηματίζει απ’ αυτό ένα ψηφιακό σήμα. Ο δεύτερος τρόπος μέτρησης του εν λόγου μεγέθους χρησιμοποιεί ένα μαγνήτη, ο οποίος είναι συνδεμένος με ένα πλωτήρα. Όταν ο πλωτήρας βρεθεί στην ελάχιστη τιμή της στάθμης του λαδιού, τότε ο μαγνήτης αλλάζει την σύνδεση της επαφής με μαγνητικά ελάσματα τύπου Reed. Η επαφή τύπου Reed στέλνει το σήμα στην ECU που αυτή με την σειρά της ενεργοποιεί το προειδοποιητικό σύστημα alarm. Στην συνέχεια, αφού διορθωθεί η στάθμη του λαδιού, το προειδοποιητικό σύστημα απενεργοποιείται καθώς η θέση του 85 πλωτήρα και του μαγνήτη αλλάζουν όπως και η σύνδεση της επαφής Reed. Έτσι λοιπόν υπολογίζεται η στάθμη λαδιού με τους δύο αυτούς τρόπους και στην συνέχεια απεικονίζεται, (συνήθως με την μορφή προειδοποιητικής λυχνίας και ηχητικού συναγερμού). Σε κάποια αυτοκίνητα απεικονίζεται και στο ταμπλό οργάνων, ώστε ο οδηγός να γνωρίζει την κατάσταση της στάθμης του λαδιού στον κινητήρα. 3.2.9 Αισθητήρας οξυγόνου Ο2 ή λάμδα Ο αισθητήρας οξυγόνου ή λ είναι μία ηλεκτρονική διάταξη που προσδιορίζει την περιεκτικότητα οξυγόνου σε υγρά και αέρια. Στο αυτοκίνητο είναι απαραίτητος αυτός ο αισθητήρας, διότι η πληροφορία που αποστέλλει στην ECU, δηλαδή το ποσοστό του οξυγόνου που εμπεριέχεται στα καυσαέρια, είναι πολύ χρήσιμη για την ρύθμιση της αναλογίας του καυσίμου μείγματος και για την ρύθμιση των ρύπων στα καυσαέρια ώστε να είναι κάτω από τα επιτρεπτά όρια. Είναι σημαντικό όμως πριν επεξηγηθεί η λειτουργία του αισθητήρα να γίνει μία επεξήγηση σχετικά με την στοιχειομετρική αναλογία. Στοιχειομετρική αναλογία Η στοιχειομετρική αναλογία με απλά λόγια είναι το θεωρητικά ιδανικό μίγμα αέρα-καυσίμου, ώστε η καύση του μείγματος να είναι τέλεια. Η τιμή της στοιχειομετρικής αναλογίας είναι 1:14,7. Αυτό σημαίνει ότι για να καεί τέλεια ένα γραμμάριο βενζίνης χρειαζόμαστε 14,7 γραμμάρια αέρα. Ο λόγος όμως αυτός στην πράξη δεν είναι εφικτός διότι εξαρτάται από διάφορα πράγματα, όπως τις συνθήκες κυκλοφορίας και τη θέση του γκαζιού. Έτσι μιλάμε για πλούσιο μείγμα όταν η ποσότητα καμένης βενζίνης είναι μεγαλύτερη από τον λόγο αυτό και για φτωχό μίγμα στην ακριβώς αντίθετη περίπτωση. Λειτουργία του αισθητήρα λ Αφού επεξηγήθηκε παραπάνω η στοιχειομετρική αναλογία, έφτασε η στιγμή της επεξήγησης της λειτουργίας του αισθητήρα. Ο αισθητήρας βρίσκεται τοποθετημένος στο σώμα της εξάτμισης και γι’ 86 αυτό είναι εκτεθειμένος σε υψηλές θερμοκρασίες και μηχανικές καταπονήσεις. Γι αυτό τον λόγο φθείρεται εύκολα και καλό είναι ο συχνός έλεγχος του για τυχόν βλάβη καθώς αν ο αισθητήρας δεν λειτουργεί σωστά τότε ενδέχεται οι τιμές των ρύπων να περάσουν κατά πολύ τις επιτρεπτές. Ο αισθητήρας λ εντοπίζει την περιεκτικότητα του οξυγόνου στους ρύπους και από αυτήν την τιμή εξαρτάται η τάση εξόδου. Πιο συγκεκριμένα, αν ο αισθητήρας αντιληφθεί μεγάλο ποσοστό οξυγόνου, τότε η τάση εξόδου είναι μικρή, της τάξης των 300 mV και κάτω. Έτσι λοιπόν η ECU αντιλαμβάνεται από την χαμηλή τάση που δέχεται από το αισθητήριο, ότι το μείγμα είναι φτωχό, καθώς χαμηλή τάση συνεπάγεται υψηλή περιεκτικότητα οξυγόνου, οπότε και φτωχό μείγμα. Από την άλλη αν το αισθητήριο εντοπίσει χαμηλή περιεκτικότητα οξυγόνου, τότε η τάση φτάνει περίπου τα 900 mV, που θεωρείται υψηλή, και έτσι το μείγμα θεωρείται πλούσιο καθώς χαμηλή περιεκτικότητα οξυγόνου συνεπάγεται ότι η σχέση καυσίμου/ αέρα είναι μεγαλύτερη από την ιδανική, δηλαδή τη στοιχειομετρική αναλογία. Η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα λ στηρίζεται στην πόλωση κάποιων ηλεκτροδίων και περιέχει ηλεκτρολύτη σε στερεά μορφή. Το αισθητήριο αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια σπογγώδους πλατίνας (λευκόχρυσος) και έχει για στερεό ηλεκτρολύτη ένα στρώμα διοξειδίου του ζιρκονίου (ZrO2). Το ZrO2 στερεώνεται με την βοήθεια ενός υλικού από διοξείδιο του Υτρίου (Y2O2). Επίσης, η πλευρά της πλατίνας που εκτίθεται στα καυσαέρια, δηλαδή το εξωτερικό ηλεκτρόδιο, καλύπτεται από ένα πορώδες κεραμικό στρώμα από τριοξείδιο του αργίλου (Al2O3), ενώ το εσωτερικό ηλεκτρόδιο είναι εκτεθειμένο στον ατμοσφαιρικό αέρα. Έτσι λοιπόν όταν η θερμοκρασία θερμάνει την πλατίνα πάνω από τους 250°C, τότε αυτή ενεργεί σαν καταλύτης και μετατρέπει το διοξείδιο σε ιόντα οξυγόνου. Αν το μίγμα είναι πλούσιο, δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο στα καυσαέρια και επειδή οι αγωγοί παρουσιάζουν ασσυμετρία, υπάρχει πόλωση των ηλεκτροδίων και η τάση μεταξύ τους παρουσιάζεται αρκετά μεγάλη, της τάξης των 850-900 mV. Η ECU καταλαβαίνει από την υψηλή τάση ότι το μείγμα είναι πλούσιο. Αντίθετα αν το μίγμα είναι φτωχό, τότε υπάρχει αφθονία οξυγόνου στα καυσαέρια, οπότε δεν υπάρχει πόλωση μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αυτή η κατάσταση κάνει την τάση να κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα της τάξης των 250 mV και κάτω. Σε αυτήν την περίπτωση και εξαιτίας της χαμηλής τάσης, η ECU καταλαβαίνει ότι το μίγμα ήταν φτωχό. 87 Και στις δύο περιπτώσεις όμως, δηλαδή είτε με φτωχό μείγμα, είτε με πλούσιο μείγμα, η ECU πρέπει να επαναρυθμίσει την αναλογία καυσίμου-αέρα ώστε να πλησιάζει όσο το δυνατόν πιο κοντά την στοιχειομετρική αναλογία. Ο αισθητήρας λ είναι σημαντικός αλλά και απαραίτητος για την σωστή λειτουργία του κινητήρα, διότι λειτουργεί σαν συνεχής ανάδραση στο σύστημα, για την καλύτερη δυνατή ρύθμιση του μείγματος καυσίμου-αέρα. Επίσης μία σημαντική πληροφορία για τον αισθητήρα, που αξίζει να αναφερθεί είναι ότι ο αισθητήρας δεν λειτουργεί σωστά όταν ο κινητήρας είναι κρύος. Έτσι λοιπόν για να φτάσει γρήγορα ο αισθητήρας στη θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας του, έχει προστεθεί σ’ αυτόν μια ηλεκτρική αντίσταση (θερμαντικό στοιχείο). Στην περίπτωση κρύας εκκίνησης ή όταν ο κινητήρας λειτουργεί με μικρό φορτίο, οπότε η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι χαμηλή, η ηλεκτρική αντίσταση βοηθάει τον αισθητήρα να αποκτήσει την απαιτούμενη θερμοκρασία σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Εικόνα 3.10 Αισθητήρας οξυγόνου ή λάμδα 3.2.10 Αισθητήρας πεταλούδας γκαζιού θέσης Ο αισθητήρας θέσης πεταλούδας γκαζιού είναι ένα σημαντικό στοιχείο του συστήματος της ηλεκτρονικά ελεγχόμενης πεταλούδας γκαζιού ETC (Electrical Throttle Control System), της πεταλούδας η οποία ανοίγει και κλείνει με την βοήθεια ενός ηλεκτρικού μοτέρ και όχι με ντίζα όπως ήταν διαδεδομένο παλαιότερα. Ο αισθητήρας Θέσης Πεταλούδας Γκαζιού (ΤΡ) είναι τοποθετημένος στο σώμα της πεταλούδας και ανιχνεύει την γωνία ανοίγματος της πεταλούδας γκαζιού. Η μέτρηση και ο έλεγχος της θέσης της πεταλούδας γκαζιού είναι σημαντική καθώς η πληροφορία αυτή χρειάζεται στην ECU για τον υπολογισμό του φορτίου αέρα, τον υπολογισμό του χρόνου 88 ψεκασμού και για την επιστροφή του ενεργοποιητή πεταλούδας στην αρχική του κλειστή θέση στην περίπτωση που ενεργοποιηθεί ο διακόπτης του ρελαντί. Πεταλούδα γκαζιού Η πεταλούδα γκαζιού είναι ένα σημαντικό εξάρτημα του αυτοκινήτου και ο σκοπός της είναι να μετράει την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα στον κινητήρα (μέσω της πολλαπλής εισαγωγής), αναλόγως της δύναμης του πατήματος του πεντάλ γκαζιού από τον οδηγό. Η πεταλούδα είναι στην ουσία ένα στρογγυλό στόμιο, το οποίο περιστρέφεται από την οριζόντια θέση (όταν η πεταλούδα είναι κλειστή, δηλαδή όταν το πεντάλ του γκαζιού δεν έχει πατηθεί καθόλου από τον οδηγό) έως στην κάθετη θέση (όταν η πεταλούδα είναι τελείως ανοιχτή, δηλαδή το πεντάλ του γκαζιού είναι πατημένο πλήρως). Λειτουργία του αισθητήρα Ο αισθητήρας θέσης πεταλούδας γκαζιού είναι ένας συρόμενος βραχίονας που τοποθετείται πρεσσαριστός κατευθείαν στον άξονα της πεταλούδας γκαζιού ενώ έχει και δύο ποτενσιόμετρα, από τα οποία το καθένα στέλνει ένα σήμα, στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ECU. Οι αντιστάσεις του ποτενσιόμετρου και οι ηλεκτρικές συνδέσεις, βρίσκονται πάνω σε μια πλαστική πλακέτα βιδωμένη στο έξω μέρος του σώματος της πεταλούδας. Η τροφοδοσία γίνεται από μια σταθεροποιημένη πηγή τάσης στα 5V. Σε κάθε αύξηση της γωνίας, αντιστοιχεί μια πτώση τάσης. Το ένα ποτενσιόμετρο, ας το ονομάσουμε 1, χρησιμοποιείται για να ανιχνεύει την γωνία της πεταλούδας γκαζιού και το δεύτερο χρησιμοποιείται για να ανιχνεύει τυχόν βλάβες στο ποτενσιόμετρο 1. Οι τάσεις των σημάτων του αισθητήρα κυμαίνονται μεταξύ 0 και 5 Volts. Η τάση του σήματος στο ποτενσιόμετρο 1 μεταβάλλεται σε αναλογία με την γωνία ανοίγματος της πεταλούδας γκαζιού και μεταδίδεται στους ακροδέκτες VTA του εγκεφάλου ECU. Η τάση του ποτενσιόμετρου 1 πρέπει κατά το πάτημα του πεντάλ γκαζιού από το ρελαντί μέχρι το πλήρες φορτίο να αυξάνεται σταθερά και να μειώνεται συνεχώς για το άλλο ποτενσιόμετρο. Όταν δεν πατιέται το πεντάλ γκαζιού πρέπει να απεικονίζεται η κατάσταση ”ρελαντί”. Ο εγκέφαλος ECU υπολογίζει την γωνία ανοίγματος της πεταλούδας γκαζιού σύμφωνα με τα σήματα αυτά (που όπως αναφέρθηκε παραπάνω κυμαίνονται από 0 89 έως 5 Volts) και ελέγχει το ηλεκτρικό μοτέρ κίνησης της πεταλούδας γκαζιού, (ενεργοποιητής) σε απόκριση των δεδομένων που εισάγονται από τον οδηγό με το πάτημα του πεντάλ του γκαζιού. Εικόνα 3.11 Αισθητήρας πεταλούδας γκαζιού 3.2.11 Αισθητήρας πίεσης λαδιού Ο αισθητήρας πίεσης λαδιού μετράει ένα σημαντικό μέγεθος για την λειτουργία του κινητήρα, την πίεση του λαδιού. Η πίεση του λαδιού, επειδή ακριβώς είναι ένα τόσο σημαντικό μέγεθος, πρέπει να κυμαίνεται πάντα μέσα στα προκαθορισμένα όρια που ορίζει ο κατασκευαστής. Όταν η πίεση του λαδιού φτάσει κοντά στα κατώτατα όρια, δηλαδή κάπου κοντά στα 0,5 bar, τότε ο κινητήρας πρέπει να σταματήσει την λειτουργία του, ώστε να αποφευχθούν ανυπολόγιστες ζημιές στα εξαρτήματα του, καθώς το λάδι με χαμηλή πίεση δεν φθάνει στα σημεία που το έχουν ανάγκη. Γι αυτό είναι απαραίτητος ο έλεγχος και η μέτρηση αυτού του μεγέθους, καθώς και η ενημέρωση του οδηγού μέσω προειδοποιητικής λυχνίας μόλις προκύψει το πρόβλημα. Εικόνα 3.12 Oil pressure switch 90 3.3 Αισθητήρες στα ηλεκτρονικά συστήματα του αυτοκινήτου Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα επεξηγηθεί η λειτουργία των κυριότερων ηλεκτρονικών συστημάτων στο αυτοκίνητο και κυρίως η λειτουργία των αισθητήρων που βρίσκονται στο κάθε σύστημα. Παρακάτω ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγική αναφορά στα ηλεκτρονικά συστήματα του αυτοκινήτου και μετά ακολουθεί η επεξήγηση της λειτουργίας των αισθητήρων σε κάθε σύστημα ξεχωριστά. 3.3.1 Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά συστήματα Τα ηλεκτρονικά συστήματα στο αυτοκίνητο, είναι σύστημα όπως το ABS (Anti-lock Braking System), το ESP (Electronic Stability Program), το σύστημα αερόσακων SRS (Supplementary Restraint System), το ACC (Adaptive Cruise Control) και το Cruise control. Όλα τα προαναφερθέντα συστήματα έχουν σχεδιαστεί τα τελευταία χρόνια, είναι υποβοηθητικά και στοχεύουν στην άνετη, ξεκούραστη και ασφαλή οδήγηση του αυτοκινήτου. Τα κύρια εξαρτήματα των ηλεκτρονικών συστημάτων είναι οι αισθητήρες (οι οποίοι θα αναλυθούν σε κάθε σύστημα ξεχωριστά) και η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (εγκέφαλος) του κάθε συστήματος. Ο εγκέφαλος του κάθε συστήματος θεωρείται η ¨καρδιά¨ του, καθώς δέχεται τα σήματα (πληροφορίες) των αισθητήρων, τα εξετάζει διεξοδικά και στην συνέχεια στέλνει σήματα στα αρμόδια όργανα του αυτοκινήτου, ώστε να επιτευχθεί ο σκοπός για τον οποίο είναι προορισμένος το κάθε σύστημα. Στα επόμενα υποκεφάλαια θα εξεταστούν ένα προς ένα τα κυριότερα ηλεκτρονικά σύστημα που υπάρχουν σε ένα αυτοκίνητο και οι αισθητήρες που περιέχουν. 91 3.3.2 Οι αισθητήρες στο ABS (Antilock Braking System) Το ABS ή Σύστημα Αντιμπλοκαρίσματος Τροχών είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα στο αυτοκίνητο, το οποίο είναι υπεύθυνο για την αποφυγή του μπλοκαρίσματος των τροχών κατά την διαδικασία του φρεναρίσματος. Το ABS είναι πολύ χρήσιμο, καθώς κατά την διάρκεια ενός δυνατού φρεναρίσματος δεν είναι επιθυμητό, το μπλοκάρισμα των τροχών. Το μπλοκάρισμα στους τροχούς μειώνει κατά πολύ την πρόσφυση του αυτοκινήτου στο δρόμο και αυτό συνεπάγεται στην μείωση της δυνατότητας αλλαγής πορείας και στην αύξηση του χρόνου ακινητοποίησης του αυτοκινήτου. Αυτό που κάνει το ABS για να επιτύχει το αντιμπλοκάρισμα των τροχών κατά την διάρκεια ενός δυνατού φρεναρίσματος ή φρεναρίσματος πανικού, είναι να ελέγχει την πίεση των υγρών των φρένων που εφαρμόζεται στο κυλινδράκι κάθε τροχού από την αντλία των φρένων. Χωρίς το ABS κατά την διάρκεια ενός δυνατού φρεναρίσματος η πορεία του αυτοκινήτου πιθανόν να ξέφευγε της κανονικής. Οπότε αυτό που προσφέρει το ABS στον οδηγό είναι η δυνατότητα της διατήρησης της σταθερότητας και του ελέγχου του αυτοκινήτου κατά την διάρκεια ενός φρεναρίσματος τόσο στην ευθεία όσο και στις στροφές. Η απόδοση του ABS ωστόσο δεν είναι σίγουρο ότι θα κυμαίνεται στο μέγιστο, καθώς αυτή εξαρτάται από κάποιους παράγοντες, όπως γενικά η λειτουργική κατάσταση του συστήματος πέδησης αλλά και η κατάσταση τόσο των ελαστικών όσο και του οδοστρώματος. Αυτά ήταν κάποια εισαγωγικά στοιχεία που αφορούσαν το ηλεκτρονικό σύστημα ABS στα αυτοκίνητα. Στην συνέχεια θα επεξηγηθούν τα βασικά στάδια της λειτουργίας του συστήματος κατά τον έλεγχο της πίεσης των υγρών των φρένων, τα οποία είναι: •Η αύξηση της πίεσης •Η συγκράτηση της πίεσης σε σταθερή τιμή •Η μείωση της πίεσης Αυτά είναι τα τρία βασικά στάδια της λειτουργίας του συστήματος και εξηγούνται ως εξής: ο οδηγός ασκεί πίεση στο πεντάλ του φρένου και γι αυτό το πρώτο στάδιο είναι η αύξηση της πίεσης του φρένου. Μετά το σύστημα φροντίζει το ίδιο ώστε να σταθεροποιήσει την τιμή της πίεσης και αμέσως μετά να την μειώσει. 92 Από ποιά όμως εξαρτήματα αποτελείται το ηλεκτρονικό σύστημα ABS ; Τα κυριότερα εξαρτήματα του είναι: •Οι αισθητήρες στροφών •Ο εγκέφαλος ή ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ABS •Η ηλεκτροϋδραυλική μονάδα Οι αισθητήρες στροφών είναι αισθητήρες που ανιχνεύουν την ταχύτητα περιστροφής των τροχών και παράγουν σήματα εξόδου, τα οποία μεταβιβάζονται στην ηλεκτρική μονάδα ελέγχου του ABS και πληροφορούν για την ύπαρξη ολίσθησης στους τροχούς ή όχι. Οι αισθητήρες στροφών τροχών είναι επαγωγικού τύπου. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του ABS είναι κεντρικό εξάρτημα του συστήματος ABS και η δουλειά του είναι με βάση τις πληροφορίες που παίρνει από τους αισθητήρες στροφών των τροχών, να στέλνει σήματα λειτουργίας προς την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα του ABS, ώστε να ελεγχθεί η πίεση των υγρών που εφαρμόζεται στο κυλινδράκι κάθε τροχού και να αποτραπεί το μπλοκάρισμα των τροχών. Η ηλεκτροϋδραυλική μονάδα του ABS είναι το εξάρτημα του συστήματος όπου δέχεται τις εντολές, (δηλαδή τα σήματα), από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του ABS και λειτουργεί σύμφωνα με αυτές. Η λειτουργία της ηλεκτροϋδραυλικής μονάδας είναι μέσω των μονάδων της και, ανάλογα με τα σήματα που έχει λάβει από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, να ρυθμίζει την πίεση των υγρών των φρένων για την αποφυγή του μπλοκαρίσματος των τροχών. Η ηλεκτροϋδραυλική μονάδα περιλαμβάνει τα εξής μέρη: •Τον ηλεκτροκινητήρα •Την αντλία •Το συσσωρευτή της πίεσης του κυκλώματος •Της ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες •Τον αποσβεστήρα παλμών •Τα διάφορα ρελέ Επίσης πριν αναλυθούν οι αισθητήρες στροφών τροχών, αξίζει να αναφερθεί ότι σήμερα τα συστήματα ABS έχουν εξελιχθεί πολύ σημαντικά και πλέον με την εξέλιξη και άλλων συστημάτων ενεργητικής ασφάλειας, όπως το ESP, υπάρχει η δυνατότητα συνεργασίας μεταξύ τους. Αυτή η εξέλιξη στα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας έχει επιφέρει σημαντική βελτίωση στην σταθερότητα του αυτοκινήτου σε δύσκολες καταστάσεις οδήγησης. 93 3.3.2.1 Αισθητήρες στροφών των τροχών Οι αισθητήρες στροφών των τροχών είναι αισθητήρες του συστήματος ABS και ο σκοπός τους είναι να μετράνε την ταχύτητα περιστροφής στο κάθε τροχό και να ενημερώνουν την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του ABS. Ο αισθητήρας στροφών των τροχών είναι επαγωγικού τύπου και τοποθετείται σε σταθερή θέση, σε απόσταση 1-1,5 mm από ένα οδοντωτό τροχό. Ο αισθητήρας αποτελείται από ένα πηνίο τυλιγμένο γύρω από ένα μόνιμο μαγνήτη. Ένας οδοντωτός τροχός, που είναι τοποθετημένος στο ημιαξόνιο του τροχού, στο διαφορικό ή στον κεντρικό άξονα, περιστρέφεται μπροστά από τον αισθητήρα. Ο οδοντωτός τροχός καθώς περιστρέφεται μπροστά από τον αισθητήρα, παράγει μία εναλλασσόμενη τάση λόγω επαγωγής. Η συχνότητα της παραγόμενης τάσης είναι ανάλογη με την περιστροφή του τροχού. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του ABS πληροφορείται από το σήμα της παραγόμενης τάσης για την ταχύτητα της περιστροφής των τροχών. Ο αισθητήρας στροφών των τροχών υπόκεινται συχνά σε μηχανικές βλάβες εξαιτίας της θέσης του κοντά στους τροχούς του αυτοκινήτου. Σε περίπτωση βλάβης, ακόμη και ενός από τους αισθητήρες, τότε το σύστημα ABS μένει εκτός λειτουργίας, η ενδεικτική λυχνία απενεργοποίησης του ABS ανάβει και τα φρένα του αυτοκινήτου λειτουργούν με την συμβατική μορφή τους. Εικόνα 3.12 Αισθητήρας στροφών ABS 94 3.3.3 Οι αισθητήρες στο (Electronic Stability Program) ESP Το ESP (Electronic Stability Program) ή ( Ηλεκτρονικό Πρόγραμμα Ευστάθειας) είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα ενεργητικής ασφάλειας του αυτοκινήτου που έχει ως σκοπό την βοήθεια του οδηγού σε δύσκολες οδηγικές καταστάσεις, όπως π.χ. την απότομη αλλαγή κατεύθυνσης. Το ESP βελτιώνει την ευστάθεια των αυτοκινήτων κατά την διάρκεια της οδήγησης και αποτρέπει ακραίες οδηγικές καταστάσεις, όπως η υποστροφή και υπερστροφή. Το σύστημα ESP στην ουσία παρακολουθεί την πορεία του οχήματος και την συγκρίνει με τις κινήσεις του τιμονιού. Το ESP αποτελεί και θεωρείται η μετεξέλιξη των συστημάτων ABS και TCS και περιλαμβάνει τα ίδια εξαρτήματα με αυτά, με την διαφορά ότι έχει αρκετούς παραπάνω αισθητήρες. Αναλυτικά οι αισθητήρες που περιλαμβάνονται στο σύστημα ESP είναι: •Αισθητήρας γωνίας περιστροφής του τιμονιού •Αισθητήρας πλευρικής ή εγκάρσιας επιτάχυνσης •Αισθητήρας ποσοστού εκτροπής •Αισθητήρας πίεσης φρένου •Αισθητήρας στροφών των τροχών 3.3.3.1 Αισθητήρας τιμονιού γωνίας περιστροφής Ο αισθητήρας γωνίας περιστροφής τιμονιού είναι ένας αισθητήρας του συστήματος ESP που ενημερώνει την μονάδα ελέγχου του συστήματος για την γωνία στροφής του τιμονιού. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος στην κολώνα του τιμονιού και λειτουργεί με βάση την αρχή ενός φωτεινού φράγματος. Για την μέτρηση αυτού του μεγέθους χρησιμοποιούνται δύο οπτικοί αισθητήρες(π.χ. Φωτοδίοδοι ή φωτοτρανζίστορ), οι οποίοι βρίσκονται απέναντι από μια πηγή φωτός, ενώ ανάμεσα τους παρεμβάλλεται ένας δίσκος κωδικοποίησης με δύο δακτύλιους σε μορφή διατρητής μάσκας, ενός απλού δακτυλίου και αυξητικού δακτυλίου. Όταν περιστραφεί το τιμόνι, το φως θα περάσει από τα ανοίγματα της διατρητής μάσκας και θα πέσει κατευθείαν πάνω στους οπτικούς 95 αισθητήρες, οι οποίοι θα παράγουν μία τάση. Οι διατρητές μάσκες, επειδή έχουν διαφορετική μορφή, συντελούν ώστε η τάση να παρουσιάζει διαφορετικές τιμές. Πιο αναλυτικά, από τον αυξητικό δακτύλιο δημιουργείται ένα ομοιόμορφο σήμα, ενώ αντίθετα από τον απόλυτο δακτύλιο ένα ανομοιόμορφο. Αυτά τα δύο σήματα συγκρίνονται και από την σύγκριση μπορεί η μονάδα ελέγχου να υπολογίσει πόσο στράφηκε το τιμόνι. Το παρακάτω σχήμα βοηθάει στην καλύτερη κατανόηση της περιγραφής της λειτουργίας του αισθητήρα. Εικόνα 3.13 Αισθητήρας γωνίας τιμονιού 3.3.3.2 Αισθητήρας πλευρικής επιτάχυνσης Ο αισθητήρας πλευρικής επιτάχυνσης είναι ένας αισθητήρας του συστήματος ESP, ο οποίος έχει σκοπό την ανίχνευση πλευρικών δυνάμεων που προσπαθούν να φέρουν το αυτοκίνητο εκτός πορείας. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος όσο πιο κοντά γίνεται στο κέντρο βάρους του αυτοκινήτου. Τα εξαρτήματα από τα οποία αποτελείται ο αισθητήρας είναι: ένας μόνιμος μαγνήτης, μία πλάκα απόσβεσης, μία γεννήτρια Hall και ένα ελατήριο. Ένα μαγνητικό σύστημα δημιουργείται από την παρουσία του ελατηρίου, του αποσβεστήρα και του μόνιμου μαγνήτη. Ο μόνιμος μαγνήτης είναι συνδεμένος με το ελατήριο και μπορεί να αιωρείται ελεύθερα πάνω από την πλάκα απόσβεσης. Εάν στο αυτοκίνητο υπάρξει επίδραση μίας εγκάρσιας ταχύτητας, τότε η πλάκα απόσβεσης κινείται κάτω από τον μόνιμο μαγνήτη, ο οποίος κινείται με καθυστέρηση, λόγω της αδράνειας. Με την κίνηση 96 υπάρχει η δημιουργία δινορρευμάτων στην πλάκα, που δημιουργούν ένα αντίθετο μαγνητικό πεδίο από εκείνο του μόνιμου μαγνήτη. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος, η δύναμη του μαγνητικού πεδίου ελαττώνεται, με συνέπεια να μεταβάλλεται η τάση Hall. Η δύναμη της μεταβολής της τάσης είναι ανάλογη προς την δύναμη της πλευρικής ή εγκάρσιας επιτάχυνσης. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή της τάσης Hall (όπου συνεπάγεται, ανίχνευση εγκάρσιας επιτάχυνσης), εξαρτάται από το πόσο δυνατή είναι η κίνηση μεταξύ της πλάκας απόσβεσης και του μαγνήτη, που οδηγεί στην εξασθένηση του συνολικού μαγνητικού πεδίου και στην μεταβολή της τάσης Hall. Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι η τάση Hall είναι σταθερή όσο δεν επιδρά στο αυτοκίνητο εγκάρσια ή πλευρική επιτάχυνση. 3.3.3.3 Αισθητήρας ποσοστού εκτροπής Ο αισθητήρας ποσοστού εκτροπής είναι ένας αισθητήρας του ηλεκτρονικού συστήματος ευστάθειας του αυτοκινήτου ESP, όπου έχει ως σκοπό την ανίχνευσης της πιθανότητας περιστροφής του αυτοκινήτου γύρω από τον άξονα του. Όπως συμβαίνει και στον αισθητήρα πλευρικής επιτάχυνσης, έτσι και εδώ η τοποθέτηση του αισθητήρα πρέπει να γίνει όσο πιο κοντά γίνεται στο κέντρο βάρους του αυτοκινήτου. Ο αισθητήρας ποσοστού εκτροπής χρησιμοποιεί ένα κοίλο κύλινδρο, στον οποίο είναι τοποθετημένα οχτώ πιεζοηλεκτρικά στοιχεία. Τέσσερα από αυτά τα στοιχεία μεταθέτουν τον κοίλο κύλινδρο σε δονήσεις συντονισμού, ενώ τα άλλα τέσσερα στοιχεία καταγράφουν εάν μεταβάλλονται οι κόμβοι ταλάντωσης στους οποίους βρίσκονται. Εάν μία ροπή στρέψης επιδράσει στον κοίλο κύλινδρο, τότε οι κόμβοι δόνησης μετατοπίζονται. Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία ανιχνεύουν την μετατόπιση και στην συνέχεια το σήμα στέλνεται στην μονάδα ελέγχου. Έτσι λοιπόν, υπολογίζεται το ποσοστό εκτροπής και ενημερώνεται το σύστημα κατά πόσο το το αυτοκίνητο τείνει προς περιστροφή γύρω από τον άξονα του. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι στα νέα συστήματα, ο αισθητήρας ποσοστού εκτροπής και ο αισθητήρας πλευρικής επιτάχυνσης τοποθετούνται μαζί σε ένα περίβλημα. Αυτό φυσικά αλλάζει και τον τρόπο, με τον οποίο μετράνε τα μεγέθη για τα οποία είναι προορισμένοι. 97 3.3.3.4 Αισθητήρας πίεσης φρένου Ο αισθητήρας πίεσης φρένου είναι ένας αισθητήρας του ηλεκτρονικού συστήματος ESP, που ο σκοπός του είναι η ανίχνευση της τρέχουσας πίεσης φρένου στο κύκλωμα φρένου για την μονάδα ελέγχου. Η μονάδα ελέγχου, από τις λαμβάνουσες τιμές του αισθητήρα πίεσης φρένου, υπολογίζει τις δυνάμεις πέδησης του τροχού, οι οποίες θα συμπεριληφθούν στους υπολογισμούς της μονάδας ελέγχου. Ο αισθητήρας βρίσκεται τοποθετημένος στην υδραυλική αντλία του ESP και αποτελείται από ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, πάνω στο οποίο επιδρά η πίεση του υγρού των φρένων και από ένα ηλεκτρονικό σύστημα αξιολόγησης. Πως λειτουργεί όμως ο αισθητήρας; Όταν υπάρξει μεταβολή της πίεσης στα φρένα, τότε μεταβάλλεται και η κατανομή φορτίου στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο. Εάν το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο είναι σε κατάσταση ηρεμίας, τα φορτία είναι κατανεμημένα ομοιόμορφα. Όταν όμως η πίεση αυξηθεί στα φρένα άρα και στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, τότε μετατοπίζονται τα φορτία και δημιουργείται μία τάση. Όσο μεγαλύτερη πίεση υπάρχει στα φρένα, τόσο περισσότερο χωρίζονται τα φορτία και αυξάνεται η τάση. Αυτή η τάση ενισχύεται από το ηλεκτρονικό σύστημα αξιολόγησης και στην συνέχεια αποστέλλεται στην μονάδα ελέγχου. Εικόνα 3.14 Η συμπεριφορά ενός αυτοκινήτου σε ακραίες οδηγικές συνθήκες με την χρήση του ESP (πράσινη γραμμή) και χωρίς χρήση ESP(κόκκινη γραμμή) 3.3.3.5 Αισθητήρας στροφών τροχών Ο αισθητήρας στροφών τροχών είναι ένας αισθητήρας του ηλεκτρονικού συστήματος ESP, που έχει ως σκοπό την μέτρηση του αριθμού των στροφών των τροχών. Η μονάδα ελέγχου υπολογίζει 98 από αυτήν την πληροφορία την ταχύτητα της περιστροφής των τροχών. Ο αισθητήρας στροφών των τροχών είναι εξάρτημα και του ηλεκτρονικού συστήματος ABS, (που αναλύθηκε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο) και η λειτουργία του επεξηγήθηκε στο υποκεφάλαιο 3.3.2 Οι αισθητήρες στο ABS και γι αυτό δεν θεωρείται απαραίτητο να γίνει και σε αυτό το υποκεφάλαιο. 3.3.4 Οι αισθητήρες στο SRS (Supplementary Restraint System) Το SRS (Supplementary Restraint System) ή σύστημα αερόσακων SRS, είναι ένα σύστημα παθητικής ασφάλειας του αυτοκινήτου. Ο σκοπός του συστήματος είναι να προστατεύσει τους επιβάτες ενός αυτοκινήτου, κατά την διάρκεια μίας σφοδρής πρόσκρουσης, χρησιμοποιώντας τους αερόσακους κατάλληλα. Ο αισθητήρας πρόσκρουσης παρακολουθεί τους κραδασμούς που μεταφέρονται στο σασί του οχήματος, και μόλις αντιληφθεί ισχυρή πρόσκρουση, ενεργοποιεί τους αερόσακους, ώστε να αποτραπούν στο ποσοστό του εφικτού, τυχόν τραυματισμοί των επιβατών. Η ζώνη ασφαλείας και ο προ-εντατήρας, είναι δύο σημαντικά εξαρτήματα του συστήματος αερόσακων, και παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξασφάλιση του χρόνου που χρειάζεται ώστε οι επιβαίνοντες να έρθουν σε επαφή με τον πλήρως ανοιγμένο αερόσακο. Όλοι μας ξέρουμε τι είναι η ζώνη ασφαλείας. Ο προεντατήρας τι είναι όμως; Ο προ-εντατήρας είναι ένα εξάρτημα της ζώνης ασφαλείας, που έχει ως σκοπό την μείωση της αδράνειας του μηχανισμού της ζώνης και της αυτόματης σύσφιξή της. Το SRS αποτελείται από τα παρακάτω τμήματα: • Την μονάδα του αερόσακου Η μονάδα του αερόσακου αποτελείται από τα παρακάτω τμήματα: • Το κάλυμμα • Τον αερόσακο • Την γεννήτρια αερίων • Το σετ των καλωδίων • Την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου 99 • Τους αισθητήρες • Την προειδοποιητική λυχνία Οι αισθητήρες του συστήματος αερόσακων Οι αισθητήρες που περιλαμβάνονται στο σύστημα SRS είναι: • Αισθητήρας σύγκρουσης (crash sensor) • Αισθητήρας ασφαλείας (safing sensor) 3.3.4.1 Αισθητήρας σύγκρουσης ή κρούσης Ο αισθητήρας σύγκρουσης (crash sensor) ή κρούσης, είναι ένας αισθητήρας του συστήματος αερόσακων SRS, που ενεργοποιείται κατά την διάρκεια ατυχήματος και έχει ως σκοπό την αξιολόγηση της κρισιμότητας του χτυπήματος. Η πληροφορία αυτή αποστέλλεται στην μονάδα ελέγχου του συστήματος, η οποία επεξεργάζεται τα δεδομένα που έχει λάβει από τους αισθητήρες και κρίνει την σοβαρότητα και το βαθμό του ατυχήματος. Συνήθως οι αερόσακοι δεν ενεργοποιούνται αν δεν θεωρηθεί σοβαρό το ατύχημα από την μονάδα ελέγχου και αν δεν σταλθεί σήμα και από τον δεύτερο αισθητήρα (τον αισθητήρα ασφαλείας). Γι’ αυτό ο αισθητήρας ασφαλείας λέγεται και αισθητήρας επαλήθευσης. Ο αριθμός των αισθητήρων σύγκρουσης είναι ανάλογος με το σύστημα του αερόσακου και με τον αριθμό των υπαρχόντων αερόσακων. Οι αισθητήρες είναι τοποθετημένοι απευθείας στο μπροστινό μέρος του αυτοκινήτου ή στο πλάι. Οι μπροστινοί αισθητήρες είναι πάντα διπλοί. Πως λειτουργεί αυτός ο αισθητήρας όμως; Μέσα στον αισθητήρα βρίσκεται μία τροχαλία, η οποία γεμίζεται με τυποποιημένα βαρίδια και περιτυλίγεται με μία μπρούτζινη ταινία-ελατήριο. Η μπρούτζινη ταινία έχει το άκρο της τοποθετημένο στην τροχαλία και στο περίβλημα του αισθητήρα. Έτσι όταν η δύναμη δρα από μία ορισμένη κατεύθυνση, για την τροχαλία μόνο μία κίνηση είναι δυνατή. Αυτή η κίνηση της τροχαλίας, σε περίπτωση δράσης δύναμης, είναι αντίθετη προς μία δύναμη από το ελατήριο, με συνέπεια να κλείνει μία ανοιχτή επαφή του κυκλώματος ρεύματος της μονάδας ελέγχου. Μία υψηλής ωμικής τιμής αντίσταση βρίσκεται στον αισθητήρα για την αυτοδιάγνωση. Επίσης μία άλλη δυνατότητα ανίχνευσης σύγκρουσης είναι με την χρήση μάζας πυριτίου, όπου στην περίπτωση επίδρασης δύναμης, η μάζα πυριτίου 100 κινείται στον αισθητήρα προκαλώντας αλλαγή χωρητικότητας. Καλό είναι να αναφερθεί ότι οι αισθητήρες σύγκρουσης συχνά αναφέρονται ως επιτάχυνσης ή επιβράδυνσης, διότι η δύναμη που δρα και ενεργοποιεί τον αισθητήρα είναι είτε επιτάχυνσης, είτε επιβράδυνσης. Εικόνα 3.15 Αισθητήρας σύγκρουσης 3.3.4.2 Αισθητήρας ασφαλείας Ο αισθητήρας ασφαλείας είναι ένας αισθητήρας του συστήματος αερόσακων SRS, που ο σκοπός του είναι η πρόληψη της αθέλητης ενεργοποίησης των αερόσακων και γι αυτό τον λόγο συνδέεται σε σειρά με τους αισθητήρες σύγκρουσης. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος-ενσωματωμένος στην μονάδα ελέγχου του συστήματος και αποτελείται από ένα μαγνήτη σε σχήμα δακτυλίου και από μία επαφή μαγνητικών ελασμάτων. Η ανοιγμένη επαφή μαγνητικών ελασμάτων βρίσκεται σε ένα σωλήνα γεμάτο ρητίνη που καλύπτεται από ένα δακτυλιοειδή μαγνήτη, ο οποίος συγκρατείται από ένα ελατήριο στο άκρο του περιβλήματος. Όταν δράσει μία δύναμη αρκετά ισχυρή, ο μαγνήτης κυλάει αντίθετα προς τη φορά της δύναμης του ελατηρίου πάνω από το σωλήνα που είναι γεμάτος με ρητίνη και κλείνει την επαφή μαγνητικών ελασμάτων. Έτσι λοιπόν κλείνει η επαφή για την έναυση και ενεργοποίηση του ή των αερόσακων. Εικόνα 3.16 Σχεδιάγραμμα των εξαρτημάτων του συστήματος SRS 101 3.3.5 Οι αισθητήρες στο Acc (Adaptive cruise control) και στο cruise control Το ACC (Adaptive Cruise Control) και το Cruise Control είναι συστήματα αυτομάτου ελέγχου της ταχύτητας του αυτοκινήτου. Χρονικά, το Cruise Control εμφανίστηκε πρώτο, ενώ το ACC, το οποίο θεωρείται ένα εξελιγμένο Cruise Control, δηλαδή ένα εξελιγμένο σύστημα ελέγχου της ταχύτητας του αυτοκινήτου, εμφανίστηκε μεταγενέστερα. Τι είναι όμως το Cruise Control και το Adaptive Cruise Control , πως λειτουργούν και σε τι ωφελούν τον οδηγό; Εισαγωγικά για το Cruise Control Το Cruise Control είναι ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου της ταχύτητας του αυτοκινήτου, το οποίο έχει ως σκοπό να κάνει την οδήγηση πιο άνετη. Η λειτουργίες που προσφέρει το Cruise Control είναι η εύκολη ρύθμιση και η διατήρηση μιας συγκεκριμένης ταχύτητα ώστε να μην χρειάζεται ο οδηγός να πατάει το πεντάλ του γκαζιού. Η χρήση του συστήματος είναι πολύ απλή καθώς η επιλογή της επιθυμητής σταθερής ταχύτητας αλλά και της αύξησης ή μείωσης αυτής γίνεται πολύ απλά με το πάτημα κουμπιών που βρίσκονται στο τιμόνι του αυτοκινήτου. Η επιθυμητή ταχύτητα που θα επιλεχτεί παραμένει σταθερή μέχρι να πατήσει ο οδηγός φρένο ή συμπλέκτη. Εισαγωγικά για το ACC (Adaptive Cruise Control) Το ACC (Adaptive Cruise Control) είναι ένα εξελιγμένο σύστημα αυτομάτου ελέγχου της ταχύτητας του αυτοκινήτου, το οποίο είναι παρόμοιο με το Cruise Control που μελετήθηκε παραπάνω, με την διαφορά ότι εδώ το σύστημα μπορεί να διατηρήσει και σταθερή πορεία από προπορευόμενο όχημα, χάρη στην χρήση ενός αισθητήρα ραντάρ. Όταν λοιπόν το σύστημα ανιχνεύσει άλλο αυτοκίνητο εμπρός του, τότε επιβραδύνει και διατηρεί μία σταθερή απόσταση από το προπορευόμενο. Εάν ο δρόμος απελευθερωθεί εμπρός από το αυτοκίνητο τότε το σύστημα επιταχύνει και επιστρέφει στην 102 προεπιλεγμένη ταχύτητα. Το ACC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ταχύτητες από 30 έως 180 Km/h. Επίσης μία άλλη δυνατότητα που προσφέρει το σύστημα είναι το CMbB (Collision Mitigation by Braking), το οποίο όταν ανιχνεύσει ότι πλησιάζει υπερβολικά κοντά το προπορευόμενο όχημα και υπάρχει άμεσος κίνδυνος σύγκρουσης, φρενάρει απότομα ώστε να αποφευχθεί η σύγκρουση. Εάν όμως ο οδηγός αντιδράσει, στρίβοντας για παράδειγμα το αυτοκίνητο, τότε το σύστημα παραμένει σε παθητική κατάσταση και αφήνει τον έλεγχο στον οδηγό. Οι αισθητήρες του ACC (Adaptive Cruise Control) Οι αισθητήρες του συστήματος ACC είναι πάρα πολύ σημαντικά στοιχεία του συστήματος. Χωρίς τους αισθητήρες, δεν θα ήταν δυνατή η εξέλιξη και η βελτίωση του Cruise Control και η ύπαρξη του Adaptive Cruise Control ή ACC. Παρακάτω θα επεξηγηθούν οι αισθητήρες του συστήματος. 3.3.5.1 Αισθητήρας ραντάρ απόστασης Ο αισθητήρας ραντάρ απόστασης είναι ένα πολύ βασικό και κεντρικό εξάρτημα του συστήματος ACC. Σκοπός του αισθητήρα είναι να μετράει την απόσταση μεταξύ του αυτοκινήτου στο οποίο είναι τοποθετημένο και μεταξύ του προπορευόμενου αυτοκινήτου. Αυτή η πληροφορία είναι πολύτιμη όσο και χρήσιμη για το σύστημα καθώς μία από τις λειτουργίες του συστήματος είναι η διατήρηση της απόστασης ασφαλείας από το προπορευόμενο όχημα. Ο αισθητήρας αυτός λέγεται αισθητήρας ραντάρ απόστασης. Τι είναι όμως το ραντάρ και πως λειτουργεί; Το ραντάρ είναι ένα σύστημα που χρησιμοποιεί τα ραδιοκύματα ώστε να ανιχνεύσει και να καθορίσει την απόσταση ενός αντικειμένου. Μία συσκευή αποστολής σημάτων εκπέμπει τα ραδιοκύματα, τα οποία ανακλώνται από τον στόχο. Το επιστρεφόμενο ραδιόσημα ανιχνεύεται από ένα δέκτη, ο οποίος βρίσκεται τοποθετημένος στην ίδια θέση με την συσκευή αποστολής σημάτων. Τα ραδιοσήματα που επιστρέφουν είναι συνήθως πολύ μικρής έντασης, ωστόσο μπορούν εύκολα να ενισχυθούν. Οι αισθητήρες ραντάρ στα αυτοκίνητα χωρίζονται σε μεσαίων και μεγάλων αποστάσεων. Ενδεικτικά ένας αισθητήρας ραντάρ μεγάλων 103 αποστάσεων της Bosch διαθέτει εμβέλεια μέχρι τα 200 μέτρα και λειτουργεί σε ένα εύρος συχνοτήτων των 77 GHz. Αναλυτικά, ο αισθητήρας λειτουργεί με τέσσερεις επικαλυπτόμενες μεταξύ τους δέσμες ραντάρ, σε ένα γωνιακό άνοιγμα των 16°, οι οποίες δέσμες σαρώνουν τον χώρο μπροστά από το αυτοκίνητο, ώστε το σύστημα να μπορεί να αντιμετωπίσει καταστάσεις οδήγησης και κυκλοφορίας σε στενότερες στροφές και να αντιδράσει σε αυτοκίνητα που περνάνε πολύ κοντά. Εικόνα 3.17 Η λειτουργία ενός αισθητήρα ραντάρ απόστασης στο σύστημα ACC 3.3.5.2 Αισθητήρας ταχύτητας Είναι απολύτως φυσιολογικό, εφόσον το θέμα στο παρόν υποκεφάλαιο είναι οι αισθητήρες στο σύστημα αυτομάτου ελέγχου της ταχύτητας του αυτοκινήτου, να υπάρχει τουλάχιστον ένας αισθητήρας ταχύτητας στο σύστημα. Το Adaptive Cruise Control δίνει την δυνατότητα στον οδηγό να ρυθμίζει αυτόματα την επιθυμητή ταχύτητα που θα αναπτύξει το αυτοκινήτου του. Αυτή η δυνατότητα όμως δεν θα υπήρχε χωρίς την ύπαρξη του αισθητήρα ταχύτητας. Ο αισθητήρας ταχύτητας δίνει στο σύστημα την δυνατότητα να γνωρίζει την ταχύτητα που κινείται το αυτοκίνητο και έτσι όταν αυτό φτάσει στην επιθυμητή ταχύτητα που έχει επιλέξει ο οδηγός, τότε αυτή σταθεροποιείται, μέχρι να επιλέξει ο οδηγός (ή αυτόματα εξαιτίας των συνθηκών) απενεργοποίηση του συστήματος. Η μέτρηση της ταχύτητας στο αυτοκίνητο γίνεται με πολλούς τρόπους, ωστόσο εδώ θα εξεταστεί η μέτρηση της ταχύτητας με αλλαγή του μαγνητικού πεδίου. Ο αισθητήρας ταχύτητας ή διαδρομής, ο οποίος βρίσκεται είτε στον πίσω άξονα, είτε στο κιβώτιο 104 ταχυτήτων, καταγράφει τις αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο όπου παράγονται από ένα περιστρεφόμενο πολυπολικό τροχό. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται, ανοίγει και κλείνει μία επαφή μαγνητικών ελασμάτων. Η επαφή αυτή είναι τοποθετημένη εντός του αισθητήρα και βρίσκεται υπό τάση λειτουργίας. Έτσι, λοιπόν με το συνεχές ανοιγοκλείσιμο της επαφής, δημιουργείται το σήμα εξόδου υπό την μορφή παλμών ορθογωνίου σήματος. Στην συνέχεια το σήμα μεταβιβάζεται προς την ECU. Η ECU επεξεργάζεται το σήμα και υπολογίζει από αυτό την ταχύτητα του οχήματος. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μέτρηση της ταχύτητας του αυτοκινήτου δεν χρησιμεύει μόνο για το σύστημα αυτομάτου ελέγχου της ταχύτητας του αυτοκινήτου (ACC) αλλά και για την απεικόνιση του μεγέθους στον οδηγό μέσω του ταχυμέτρου. 3.4 Οι αισθητήρες στο σύστημα μετάδοσης Στο παρόν υποκεφάλαιο θα αναλυθούν οι αισθητήρες που βρίσκονται στο σύστημα μετάδοσης και κυρίως στο κιβώτιο ταχυτήτων. Παρακάτω θα ακολουθήσει μία σύντομη εισαγωγή στο σύστημα μετάδοσης και στην συνέχεια θα υπάρξει η επεξήγηση των βασικότερων αισθητήρων του συστήματος μετάδοσης του αυτοκινήτου. 3.4.1 Εισαγωγή μετάδοσης στο σύστημα Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης είναι ένα σημαντικό μέρος του αυτοκινήτου. Γενικά η λειτουργία που συντελεί στο αυτοκίνητο είναι η μετατροπή της ισχύς του κινητήρα σε περιστροφική κίνηση στους τροχούς. Τα μέρη που απαρτίζουν το σύστημα μετάδοσης της κίνησης είναι: •Ο συμπλέκτης •Το κιβώτιο των ταχυτήτων •Το διαφορικό •Ο άξονας μετάδοσης •Τα ημιαξόνια •Οι άξονες των τροχών 105 Ο τελικός προορισμός του συστήματος μετάδοσης της κίνησης δεν είναι άλλος από τους τροχούς του αυτοκινήτου. Η κίνηση μπορεί να μεταδίδεται είτε στους δύο μπροστινούς, είτε στους δύο πίσω τροχούς, είτε και στους τέσσερεις τροχούς. Αυτό το στοιχείο βέβαια είναι ανάλογο του είδους, της μάρκας και του τύπου του αυτοκινήτου. Ωστόσο όσο αφορά τους αισθητήρες, είναι φυσιολογικό ένα τέτοιο μέρος του αυτοκινήτου, όπως είναι το σύστημα μετάδοσης να έχει κάποιους αισθητήρες. Αυτοί οι αισθητήρες θα μελετηθούν στα παρακάτω υποκεφάλαια. 3.4.2 Αισθητήρες σε μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων με αυτόματο συμπλέκτη Στο υποκεφάλαιο αυτό θα επεξηγηθεί η λειτουργία των αισθητήρων σε κιβώτια που χρησιμοποιούν αυτόματο συμπλέκτη. Ο αυτόματος συμπλέκτης είναι στην ουσία, η αυτοματοποιημένη ενεργοποίηση του συμπλέκτη, δηλαδή η δυνατότητα να αλλάζει ο οδηγός ταχύτητα στο αυτοκίνητο του χωρίς να χρειάζεται να πατήσει το πεντάλ του συμπλέκτη. Παρακάτω θα ξεκινήσει η παρουσίαση των αισθητήρων που υπάρχουν στο μηχανικό κιβώτιο με αυτόματο συμπλέκτη, ξεκινώντας από τον αισθητήρα λαβής του μοχλού. Εικόνα 3.18 Τα γρανάζια του κιβωτίου ταχυτήτων 106 3.4.2.1 Ο αισθητήρας λαβής του μοχλού ταχυτήτων Ο αισθητήρας λαβής του μοχλού ταχυτήτων πληροφορεί την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) για την κατεύθυνση στην οποία ο οδηγός θέλει να κινήσει τον επιλογέα καθώς και για την επιλογή της νεκράς. Ο αισθητήρας αποτελείται από δύο κυκλώματα των οποίων οι επαφές είναι τα ηλεκτρόδια που βρίσκονται στο εσωτερικό του μοχλού. Τοποθετημένο αξονικά στο εσωτερικό του μοχλού βρίσκεται το κεντρικό σωληνοειδές ηλεκτρόδιο, ενώ τα άλλα δύο δακτυλιοειδή ηλεκτρόδια είναι τοποθετημένα γύρω από αυτό. Τα ηλεκτρόδια, όταν ο μοχλός ταχυτήτων είναι σε ηρεμία, δεν βρίσκονται σε επαφή, οπότε και τα δύο κυκλώματα του αισθητήρα είναι ανοιχτά. Όταν ο μοχλός ταχυτήτων όμως πιέζεται, είτε προς τα μπρος, είτε προς τα πίσω, τότε το ένα από τα δύο δακτυλιοειδή ηλεκτρόδια κλείνει το ένα κύκλωμα ακουμπώντας το κεντρικό ηλεκτρόδιο, απομονώνοντας και αφήνοντας ανοιχτό το δεύτερο κύκλωμα. Έτσι η ECU, αντιλαμβάνεται την κατεύθυνση που ο οδηγός έχει πρόθεση να δώσει στον επιλογέα. Εικόνα 3.19 Ο αισθητήρας λαβής του μοχλού ταχυτήτων 3.4.2.2 Αισθητήρας θέσης μοχλού ταχυτήτων Ο αισθητήρας θέσης μοχλού ταχυτήτων είναι ένας αισθητήρας, ο οποίος χρησιμεύει στην ηλεκτρονική μονάδα για την αναγνώριση της 107 θέσης που έχει ο επιλογέας ταχυτήτων. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος στην βάση του μοχλού και αποτελείται από δύο ποτενσιόμετρα, τα οποία είναι κάθετα μεταξύ τους. Το ένα ποτενσιόμετρο είναι συνδεμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να αλλάζει την αντίστασή του ανάλογα με την μπροστινή ή πίσω θέση του μοχλού ταχυτήτων. Το άλλο ποτενσιόμετρο είναι προορισμένο για να αλλάζει αντίσταση ανάλογα της αριστερής ή δεξιάς θέσης του μοχλού ταχυτήτων. Έτσι με αυτόν τον τρόπο, δηλαδή ανάλογα της επίδρασης που έχει στα ποτενσιόμετρα η θέση του μοχλού ταχυτήτων, η ηλεκτρονική μονάδα καταλαβαίνει την θέση του μοχλού. 3.4.2.3 Αισθητήρας θέσης πεντάλ γκαζιού Ο αισθητήρας θέσης πεντάλ γκαζιού είναι ένας αισθητήρας που υπολογίζει μέσω ενός ποτενσιόμετρου, του οποίου η τάση εξόδου αυξάνεται με το άνοιγμα της πεταλούδας του γκαζιού, την θέση του πεντάλ γκαζιού. Επειδή, επεξηγήθηκε η λειτουργία του αισθητήρα θέσης πεντάλ γκαζιού στο υποκεφάλαιο 3.2.10, στην ενότητα με τους αισθητήρες στον κινητήρα, δεν θεωρείται απαραίτητο να γίνει και εδώ ανάλυση του αισθητήρα. 3.4.2.4 Αισθητήρας στροφών κινητήρα Ο αισθητήρας στροφών κινητήρα είναι ένας επαγωγικός αισθητήρας, όμοιος με αυτόν του στροφαλοφόρου, από τον οποίον η ECU, πληροφορείται τις στροφές του κινητήρα. Ο αισθητήρας αυτός έχει επεξηγηθεί στην ενότητα με τους αισθητήρες στον κινητήρα, στο υποκεφάλαιο 3.2.3. Ο αισθητήρας στροφών κινητήρα χρησιμεύει στην περίπτωση που αν ο οδηγός επιχειρήσει να αλλάξει ταχύτητα, για παράδειγμα από μεγαλύτερη σε πολύ μικρότερη, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την πολύ μεγάλη αύξηση των στροφών του κινητήρα, κάτι που δεν είναι επιθυμητό. Η ηλεκτρονική μονάδα σε μία τέτοια περίπτωση δεν επιτρέπει την αλλαγή της ταχύτητας. 3.4.2.5 Αισθητήρας ταχύτητας Ο αισθητήρας ταχύτητας είναι ένας αισθητήρας, ο οποίος πληροφορεί την κεντρική ηλεκτρονική μονάδα για την ταχύτητα του αυτοκινήτου. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι μέτρησης αυτού του μεγέθους κάτι που εξαρτάται από την μάρκα ή την παλαιότητα του 108 αυτοκινήτου. Ένας τρόπος είναι η μέτρηση της ταχύτητας με αλλαγή του μαγνητικού πεδίου. Η συγκεκριμένη μέθοδος αναλύθηκε στο υποκεφάλαιο 3.3.5, στην ενότητα των αισθητήρων στα ηλεκτρονικά συστήματα. Μία άλλη διαδεδομένη μέθοδος είναι με ένα αισθητήριο τύπου Hall, το οποίο διεγείρεται μέσω της ντίζας του ταχυμέτρου που είναι τοποθετημένο. Εικόνα 3.20 Ο μηχανικός συμπλέκτης 3.5 Αισθητήρες στο σύστημα διεύθυνσης 3.5.1 Εισαγωγή διεύθυνσης στο σύστημα Εισαγωγή στο σύστημα διεύθυνσης Το σύστημα διεύθυνσης είναι το μέρος εκείνο του αυτοκινήτου, που είναι υπεύθυνο για την μεταφορά της εντολής του οδηγού από το τιμόνι στους τροχούς, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή πορεία του αυτοκινήτου στον δρόμο. Τα περισσότερα συστήματα διευθύνσεως έχουν τρία βασικά μέρη. Ένα κεντρικό μέρος, που συνδέει τα άλλα δύο εξωτερικά μέρη με το τιμόνι και τα εξωτερικά μέρη που εξασφαλίζουν το στρίψιμο καθενός απ’τους κατευθυντήριους τροχούς. Το κεντρικό μέρος λέγεται και πυξίδα διευθύνσεως και ο σκοπός της είναι να μεταβιβάσει τις εντολές του οδηγού στους τροχούς. Τον σκοπό της η πυξίδα διευθύνσεως τον πετυχαίνει, μετατρέποντας την περιστροφική κίνηση του τιμονιού σε ευθύγραμμη. Η πιο διαδεδομένη κατασκευή πυξίδας είναι η κρεμαγέρα. Ωστόσο η καρδιά του συστήματος και το πιο γνωστό 109 μέρος του είναι το τιμόνι. Το τιμόνι είναι το κομμάτι εκείνο του συστήματος που συνδέει τον οδηγό με τους τροχούς του αυτοκινήτου του και την κατεύθυνση την οποία θέλει να τους δώσει. Παρόλα αυτά θα ήταν αδύνατο να οδηγήσει κάποιος ένα πολύ βαρύ και μεγάλο αυτοκίνητο εάν δεν υπήρχαν οι μηχανισμοί υποβοήθησης στο τιμόνι (υδραυλικό τιμόνι). Εάν δεν υπήρχαν σήμερα αυτοί οι μηχανισμοί υποβοήθησης, θα χρειαζόταν αρκετούς μύες ένας οδηγός μόνο και μόνο για να πάρει μία στροφή. Έτσι λοιπόν, από το 1950 έχουν ξεκινήσει να κάνουν την εμφάνιση τους μηχανισμοί υποβοήθησης, όπως το υδραυλικό τιμόνι, για να κάνουν την ζωή του οδηγού πιο εύκολη. Στην ουσία αυτά τα συστήματα είναι βοηθητικά υδραυλικά ή ηλεκτρονικά συστήματα που ενισχύουν την δύναμη που εξασκεί ο οδηγός στο τιμόνι και από εκεί στους τροχούς. Υπάρχουν επίσης και αρκετοί αισθητήρες που χωρίς αυτούς τα συστήματα υποβοήθησης δεν θα μπορούσαν να κάνουν την δουλειά τους. Οι αισθητήρες αυτοί θα αναλυθούν στις παρακάτω σελίδες. Εικόνα 3.21 Το σύστημα διεύθυνσης του αυτοκινήτου 3.5.2 Αισθητήρας γωνιακής θέσης τιμονιού Ο αισθητήρας γωνιακής θέσης τιμονιού είναι ένα πολύ βασικό εξάρτημα του υδραυλικού συστήματος υποβοήθησης και γενικά όλων των συστημάτων υποβοήθησης, είτε πρόκειται για σύστημα τετραδιεύθυνσης, είτε δύο αξόνων, είτε ηλεκτρονικό, είτε υδραυλικό. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος πάνω στον άξονα του τιμονιού και πληροφορεί την μονάδα ελέγχου σχετικά για την γωνιακή θέση του τιμονιού. Η ανάλυση της λειτουργίας του αισθητήρα γωνιακής θέσης τιμονιού έχει γίνει στην ενότητα με τους αισθητήρες στα ηλεκτρονικά 110 συστήματα του αυτοκινήτου και πιο συγκεκριμένα στο υποκεφάλαιο 3.3.3-Οι αισθητήρες στο ESP. Ο αισθητήρας εκτός από το να πληροφορεί την ηλεκτρονική μονάδα για την γωνιακή θέση του τιμονιού, είναι και πολύ χρήσιμος και στις ακόλουθες λειτουργίες: •Αυτόματη ρύθμιση της ανάρτησης •Ακύρωση της ενέργειας του μοχλού που ενεργοποιεί το φλας (μετά από στροφή) Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή κατά την τοποθέτηση ενός τέτοιου αισθητήρα στο αυτοκίνητο, γιατί πρέπει να είναι ρυθμισμένος στην θέση ηρεμίας. 3.5.3 Ο αισθητήρας ταχύτητας του αυτοκινήτου Ο αισθητήρας ταχύτητας του αυτοκινήτου είναι ένας αισθητήρας, ο οποίος είναι πολύ χρήσιμος στο αυτοκίνητο και συναντάται σε πολλά συστήματα και σε πολλές λειτουργίες του αυτοκινήτου. Μέχρι στιγμής ο αισθητήρας ταχύτητας, έχει συναντηθεί στα προηγούμενα υποκεφάλαια άλλες δύο φορές. Στο σύστημα υποβοήθησης ο αισθητήρας ταχύτητας είναι χρήσιμος διότι η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου χρειάζεται την πληροφορία αυτή για να ελέγχει την γωνία στροφής των τροχών, σύμφωνα με τις συνθήκες ταχύτητας του αυτοκινήτου. 3.5.4 Ο αισθητήρας ταχύτητας (στροφών) των τροχών Ο αισθητήρας ταχύτητας των τροχών ή των στροφών των τροχών, είναι ένας αισθητήρας του συστήματος ηλεκτρό-υδραυλικής υποβοήθησης τετραδιεύθυνσης, ο οποίος πληροφορεί την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του συστήματος υποβοήθησης για την ταχύτητα στην περιφέρεια των τροχών. Με την πληροφορία αυτή η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του συστήματος ελέγχει την γωνία στροφής των τροχών σύμφωνα με τις συνθήκες της ταχύτητας του τροχού. Η λειτουργία του αισθητήρα έχει αναλυθεί σε προηγούμενα υποκεφάλαια. 111 3.5.5 Ο αισθητήρας γωνίας του συστήματος διεύθυνσης Ο αισθητήρας γωνίας του συστήματος διεύθυνσης ή αισθητήρας στροφής, είναι αισθητήρας του συστήματος ηλεκτρό-υδραυλικής υποβοήθησης τετραδιεύθυνσης και είναι τοποθετημένος στο πίσω σύστημα διεύθυνσης. Χρησιμοποιεί μία μεταβλητή αντίσταση, μέσω της οποίας υπάρχει μεταβολή της τάσης στον αισθητήρα. Αυτή η μεταβολή της τάσης πληροφορεί την ηλεκτρονική μονάδα για την γωνία στροφής, για την κατεύθυνση του συστήματος διεύθυνσης, για την μέγιστη στροφή των πίσω τροχών και για την κατάσταση της λειτουργίας του ενεργοποιητή. 3.5.6 Ο αισθητήρας στροφών του κινητήρα Ο αισθητήρας στροφών κινητήρα είναι ένας αισθητήρας του συστήματος υδραυλικής υποβοήθησης, είναι όμοιος με τον αισθητήρα στροφών στροφαλοφόρου και μετράει τις στροφές του κινητήρα. Η πληροφορία αυτή στέλνεται από τον αισθητήρα στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, και μαζί με τα σήματα που έχουν ληφθεί από τους υπόλοιπους αισθητήρες, η μονάδα ρυθμίζει την υδραυλική πίεση του λαδιού. Η λειτουργία του αισθητήρα έχει αναλυθεί σε προηγούμενα υποκεφάλαια. 3.6 Αισθητήρες στο σύστημα πέδησης 3.6.1 Εισαγωγή πέδησης στο σύστημα Το σύστημα πέδησης είναι ένα μέρος του αυτοκινήτου που είναι απαραίτητο για την ασφάλεια του οχήματος και σκοπός του είναι να μειώνει την ταχύτητα του αυτοκινήτου με σιγουριά. Το σύστημα πέδησης αποτελείται από δύο φρένα ανεξάρτητα μεταξύ τους. Το ένα φρένο ονομάζεται χειρόφρενο, διότι ο χειρισμός του γίνεται από τον 112 οδηγό με το χέρι και το άλλο φρένο είναι το γνωστό ποδόφρενο, που ο χειρισμός του γίνεται από τον οδηγό με το πόδι στο πεντάλ φρένου. Το σύστημα πέδησης χωρίζεται σε κύρια συστήματα πέδησης και σε βοηθητικά. Τα κύρια συστήματα είναι τα αερόφρενα, τα υδραυλικά φρένα και τα μηχανικά, ενώ τα βοηθητικά είναι τα σερβόφρενα, τα ηλεκτρόφρενα και το ABS. Στα βοηθητικά συστήματα, όπως π.χ. το ABS, οι αισθητήρες τους έχουν επεξηγηθεί στο υποκεφάλαιο: 3.3.2 Οι αισθητήρες στο ABS, στην ενότητα των αισθητήρων ηλεκτρονικών συστημάτων. Στα κύρια συστήματα πέδησης υπάρχουν επίσης κάποιοι αισθητήρες που θα επεξηγηθούν στα παρακάτω υποκεφάλαια. 3.6.2 Αισθητήρας φρένου θέσης πεντάλ Ο αισθητήρας θέσης πεντάλ φρένου είναι ένας αισθητήρας του συστήματος φρένου που υπολογίζει την θέση που έχει το πεντάλ φρένου. Ο αισθητήρας αποτελείται από δύο στοιχεία Hall και από ένα έμβολο με ένα μόνιμο μαγνήτη. Ο αισθητήρας λειτουργεί ως εξής: Όταν το πεντάλ φρένου είναι σε ηρεμία, δηλαδή όταν δεν είναι πατημένο, τότε το έμβολο με το μαγνήτη είναι στην θέση ηρεμίας. Έτσι λοιπόν, η τάση είναι μηδενικής τιμής και γι αυτό το λόγο η ECU καταλαβαίνει ότι το πεντάλ φρένου δεν είναι πατημένο. Όταν όμως πατηθεί το πεντάλ φρένου, τότε το έμβολο με τον μόνιμο μαγνήτη, μετακινούνται προς τα στοιχεία Hall και ως αποτέλεσμα υπάρχει μία μεταβολή της τάσης ανάλογα με το πόσο είναι πατημένο το πεντάλ του φρένου. Ο εγκέφαλος του συστήματος, αναγνωρίζει την θέση του πεντάλ φρένου, από το σήμα εξόδου που λαμβάνει από τον αισθητήρα. 3.6.3 Αισθητήρας στάθμης υγρών φρένων Ο αισθητήρας στάθμης υγρών φρένων είναι ένας αισθητήρας στο αυτοκίνητο που προειδοποιεί τον οδηγό, μέσω προειδοποιητικής ενδεικτικής λυχνίας στο ταμπλό των οργάνων του αυτοκινήτου, ότι η στάθμη του υγρού των φρένων είναι χαμηλή. Ο οδηγός πρέπει να αναπληρώσει το υγρό είτε να αντικαταστήσει τα τακάκια που 113 ενδέχεται να έχουν φθαρεί. Μόλις γίνουν οι απαραίτητες ενέργειες από τον οδηγό και το σύστημα αναγνωρίσει ότι δεν υπάρχει πρόβλημα τότε θα σβήσει και η λυχνία προειδοποίησης. Ο αισθητήρας βρίσκεται τοποθετημένος στο δοχείο υγρού φρένων και αποτελείται από ένα πλωτήρα με μαγνήτη. Στο πάτο του δοχείου βρίσκεται ένα κύκλωμα το οποίο έχει μία ανοιχτή μαγνητική επαφή, η οποία λειτουργεί ως διακόπτης. Μόλις η στάθμη πέσει κάτω από ένα κατώτατο όριο, τότε ο πλωτήρας με τον μαγνήτη, αφού έχει πλησιάσει κοντά στην επαφή του κυκλώματος, μαγνητίζει την επαφή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μετατροπή της επαφής από ανοιχτή σε κλειστή. Οπότε αφού κλείνει η επαφή, κλείνει και το κύκλωμα, με αποτέλεσμα να ανάβει η προειδοποιητική λυχνία στάθμης φρένων. Εικόνα 3.22 Σχεδιάγραμμα ενός αισθητήρα στάθμης υγρού φρένων 3.7 Αισθητήρες στα συστήματα του αυτοκινήτου που αφορούν την άνεση και τον εξοπλισμό Η εξέλιξη που έχει επιφέρει η τεχνολογική επανάσταση, έχει επηρεάσει σημαντικά και τον τομέα της αυτοκίνησης. Εκτός από τις βελτιώσεις που έχουν γίνει στον κινητήρα, στο αμάξωμα, στην ασφάλεια, στο σύστημα καυσαερίων και σε άλλα πολλά, έχουν βελτιωθεί πολύ και οι λειτουργίες που αφορούν την άνεση του οδηγού και των επιβατών. Λειτουργίες που δεν υπήρχαν παλιότερα έχουν κάνει την εμφάνιση τους όπως: το σύστημα air-condition, ο αισθητήρας παρκαρίσματος και η αυτόματη ενεργοποίηση των φώτων και υαλοκαθαριστήρων. Βέβαια, όλες αυτές οι λειτουργίες και τα συστήματα, δεν θα μπορούσαν να δουλέψουν εάν δεν υπήρχαν οι αισθητήρες, οι οποίοι είναι βασικά εξαρτήματα των συστημάτων. Αυτοί οι αισθητήρες θα αναλυθούν στα επόμενα υποκεφάλαια, αρχίζοντας από τους αισθητήρες του συστήματος air-condition. 114 Εικόνα 3.23 Το κουμπί ενεργοποίησης του air-condition στο αυτοκίνητο 3.7.1 Αισθητήρες στο σύστημα κλιματισμού του αυτοκινήτου (aircondition) Το air condition είναι ένα σύστημα κλιματισμού, το οποίο δεν υπήρχε στα αυτοκίνητα περασμένων δεκαετιών, σε αντίθεση με το σύστημα θέρμανσης που εμφανίστηκε νωρίτερα. Στο τελευταίο συνέβαλλαν οι κλιματολογικές συνθήκες των βόρειων χωρών και η αύξηση του ανταγωνισμού στο τομέα των πωλήσεων των αυτοκινήτων. Έτσι οι κατασκευαστές αναγκάστηκαν να συμπεριλάβουν ένα σύστημα θέρμανσης στο βασικό εξοπλισμό των αυτοκινήτων. Το σύστημα ψύξης, το οποίο μαζί με το σύστημα θέρμανσης μπορούν να θεωρηθούν κλιματιστικά, εμφανίστηκε αργότερα στα αυτοκίνητα. Πλέον, σχεδόν όλα τα αυτοκίνητα διαθέτουν σύστημα κλιματισμού. Μία ψυκτική συσκευή αποτελείται από κάποια βασικά μέρη, όπως: •Τον μηχανικό συμπιεστή •Τον συμπυκνωτή (ψυγείο) •Την εκτονωτική βαλβίδα •Τον ατμοποιητή (εξατμιστής) Αυτή η ψυκτική διάταξη λειτουργεί σαν αντλία που αφαιρεί θερμότητα από ένα χώρο όπου είναι επιθυμητή η ψύξη και την αποβάλει σ’ ένα χώρο όπου η θέρμανση είναι αδιάφοροι. Η ηλεκτρομαγνητική σύμπλεξη ενός πηνίου βάζει σε λειτουργία τον συμπιεστή, που περιστρέφεται μέσω ενός ιμάντα από τον στροφαλοφόρο άξονα. Το έργο που απαιτείται αντιστοιχεί στην απώλεια μερικών ίππων. 115 Τα αυτοκίνητα του αύριο ωστόσο, αναμένεται να είναι όλα εξοπλισμένα με τον ηλεκτρονικά ελεγχόμενο κλιματισμό ECC ( Electronic Climate Control), που είναι ένας μηχανισμός που ρυθμίζει ακριβώς την θερμοκρασία που έχει προεπιλέγει. Το σύστημα αυτό διατηρεί σταθερή την προεπιλεγμένη θερμοκρασία χωρίς να επηρεάζεται από τις αλλαγές της εξωτερικής θερμοκρασίας. Η λειτουργία του συστήματος βασίζεται κυρίως στην χρήση αισθητήρων και ενεργοποιητών, που αναλαμβάνουν την αυτόματη ρύθμιση της θερμοκρασίας και της ποσότητας του αέρα. 3.7.1.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας εξατμιστή (Evaporator Sensor) Ο αισθητήρας θερμοκρασίας εξατμιστή είναι ένα πολύ σημαντικό εξάρτημα του συστήματος κλιματισμού. Είναι πολλοί οι λόγοι για τους οποίους η μέτρηση της θερμοκρασίας του εξατμιστή είναι απαραίτητη στο σύστημα κλιματισμού. Γι αυτό το λόγο, ο αισθητήρας πρέπει να έχει ταχεία απόκριση και υψηλή αντοχή στην υγρασία. Ο αισθητήρας συνήθως τοποθετείται στα πτερύγια του εξατμιστή και αποτελείται από μία θερμοαντίσταση NTC. Ένας τρόπος μέτρησης του μεγέθους είναι η μέτρησης της θερμοκρασίας του αέρα ακριβώς μπροστά από τον εξατμιστή. Στα σύγχρονα συστήματα κλιματισμού έχει καθιερωθεί αυτός ο τρόπος μέτρησης καθώς είναι η πιο οικονομική και η πιο αποτελεσματική λύση. 3.7.1.2 Αισθητήρας θερμοκρασίας φρέσκου αναρροφούμενου αέρα (Integral sensor) Ο αισθητήρας του εξατμιστή και ο αισθητήρας θερμοκρασίας εσωτερικού χώρου δεν επαρκούν για την ρύθμιση της θερμοκρασίας ακριβώς όπως απαιτείται στο θάλαμο των επιβατών. Η ακριβής ρύθμιση προϋποθέτει αισθητήρες θερμοκρασίας που θα καταγράφουν την θερμοκρασία του ρεύματος αέρα, όσο αυτό είναι δυνατόν, σε κάθε έξοδο του αέρα είτε αφορούν τον αέρα στα πόδια ή στο σώμα του οδηγού και των επιβατών, προκειμένου να καταστεί δυνατή η αυτόματη διαδικασία ρύθμισης. Οι αισθητήρες θερμοκρασίας πρέπει να μετρούν την ιδανική μέση θερμοκρασία του ρεύματος αέρα. Ο Integral sensor μετρά την θερμοκρασία πάνω από όλο το μήκος της μεταλλικής πλάκας του, σημειώνοντας έτσι μία καλή 116 τιμή αναφοράς που του δίνει ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των αισθητήρων θερμοκρασίας σημείου που μετρούν την θερμοκρασία μόνο σε συγκεκριμένα σημεία. Λόγω της δυσκολίας να προβλεφθούν τα ρεύματα του αέρα εξαιτίας των διάφορων θερμοκρασιών, είναι αδύνατο να οριστεί ένα αντίστοιχο σημείο αναφοράς για έναν αισθητήρα θερμοκρασίας σημείου. 3.7.1.3 Αισθητήρας φωτός ακτινοβολίας (solar sensor) και ηλιακής Μία παράμετρος που δεν μπορεί να ανιχνευτεί από έναν αισθητήρα θερμοκρασίας είναι η θερμοκρασία που προκαλείται στους επιβάτες από την απευθείας έκθεση της ηλιακής ακτινοβολίας στο δέρμα τους. Γι αυτόν τον λόγο υπάρχουν οι αισθητήρες ηλιακής ακτινοβολίας, που χρησιμοποιούνται ήδη σχεδόν σε όλα τα αυτοκίνητα. Ο αισθητήρας αυτός μπορεί να αξιολογήσει την ένταση του ηλιακού φωτός και σε πολλές περιπτώσεις και την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτό βοηθάει το σύστημα να καταλάβει ποιά πλευρά του αυτοκινήτου ακτινοβολείται περισσότερο από το φως του ηλίου και ποιά πλευρά βρίσκεται στην σκιά ώστε να ψύξει ανάλογα την κάθε πλευρά. Η κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας ορίζεται από ένα ημισφαίριο που περιγράφεται από το αζιμούθιο και γωνίες ανύψωσης. Και οι δύο παράμετροι καθορίζονται σε μοίρες. Το αζιμούθιο μπορεί να πάρει τιμές από 0° έως 360° ενώ η ανύψωση από 0° έως 180°. Η τιμή του αζιμούθιου καθορίζει την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο ενώ η γωνία ανύψωσης περιγράφει την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία σε κατακόρυφο επίπεδο. Ο αισθητήρας πρέπει να ανταποκρίνεται στο μέτρο του δυνατού στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του θαλάμου των επιβατών που έχουν αντίκτυπο στην επίδραση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Χαρακτηριστικά που επηρεάζουν είναι το μέγεθος των παραθύρων, η διαπερατότητα τους στην ηλιακή ακτινοβολία, η κλίση τους και οι πτυχές του εσωτερικού χώρου. Για να εξασφαλιστεί ότι ο αισθητήρας θα είναι όσο ανεξάρτητος γίνεται από την εξωτερική σχεδίαση του περιβλήματος του, απαιτείται ένα σύστημα οπτικής καθοδήγησης. Χρησιμοποιώντας ένα μαθηματικό αλγόριθμο, -το νέο 3- μία ζώνη αισθητήρων ηλιακής ακτινοβολίας με τρεις φωτοδιόδους, επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης του ήλιου και της έντασης της ακτινοβολίας. Ο αισθητήρας στέλνει τρία αναλογικά σήματα στην 117 ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Εναλλακτικά, ένας ενεργός αισθητήρας ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να εκτελέσει την αξιολόγηση από μόνος του. 3.7.1.4 Αισθητήρας εξωτερικής θερμοκρασίας Οι αισθητήρες εξωτερικής θερμοκρασίας, εκτός από το να ενημερώνουν τους επιβάτες και τον οδηγό για την θερμοκρασία του εξωτερικού χώρου, πρέπει επίσης και να στέλνουν τις απαραίτητες πληροφορίες στην μονάδα ελέγχου του συστήματος ή της μηχανής (ECU). Ο αισθητήρας εξωτερικής θερμοκρασίας τοποθετείται στον πίσω ή στον μπροστινό προφυλακτήρα, στον καθρέπτη ή οπουδήποτε θα μπορούσε να είναι εκτεθειμένο στον εξωτερικό αέρα. Ο αισθητήρας θα πρέπει να είναι σε θέση να αντέξει την θερμότητα, τον παγετό, την υγρασία και γενικά τις εξωτερικές συνθήκες που μπορεί να συναντήσει. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας εξωτερικού χώρου είναι συνήθως ένα θερμίστορ NTC και μπορεί να προστατευτεί από τις καιρικές συνθήκες μόνο αν αποτελεί μέρος ενός πλήρως σφραγισμένου συστήματος. Γι αυτό τον λόγο προτιμάται ενσύρματη αισθητήρες με καλώδια, ώστε ο σύνδεσμος να μην βρίσκεται κοντά σε οποιαδήποτε υγρασία. Εάν όμως ο σύνδεσμος (connector) συνδέεται κατευθείαν με τον αισθητήρα, τότε πρέπει να είναι πλήρως στεγανοποιημένος. Δεν πρέπει να απορροφηθεί καθόλου υγρασία από τον αισθητήρα και γενικά η διαδικασία σχεδιασμού του αισθητήρα πρέπει να συμπεριλαμβάνει ένα σωστό σχέδιο στεγανοποίησης. 3.7.2 Αισθητήρες στάθμευσης Το σύστημα παρκαρίσματος με αισθητήρες είναι ένα καινούργιο σύστημα υποβοήθησης στο παρκάρισμα, που συμπεριλαμβάνεται στα καινούργια μοντέλα αυτοκινήτων ολοένα και περισσότερο. Οι αισθητήρες στάθμευσης στην ουσία ειδοποιούν ηχητικά τον οδηγό για την απόσταση αντικειμένων πίσω και μπροστά από το όχημα κατά την διαδικασία της στάθμευσης. Γι αυτό και το όλο σύστημα μερικές φορές αναφέρεται και ως έλεγχος απόστασης παρκαρίσματος (PDC). Γενικά οι αισθητήρες στάθμευσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: •Ηλεκτρομαγνητική αισθητήρες στάθμευσης •Αισθητήρες στάθμευσης υπερήχων 118 Στο παρόν υποκεφάλαιο θα μελετηθούν οι αισθητήρες στάθμευσης υπερήχων, καθώς είναι πιο διαδεδομένοι από τους ηλεκτρομαγνητικούς. Οι αισθητήρες υπερήχων λοιπόν, τοποθετούνται στους μπροστινούς και πίσω προφυλακτήρες, ώστε να μπορούν να μετρήσουν τις αποστάσεις κοντινών αντικειμένων σε χαμηλό επίπεδο. Οι αισθητήρες μετράνε την απόσταση, στέλνοντας ηχητικούς παλμούς. Μετρώντας τον χρόνο που κάνει ο παλμός για να γυρίσει πίσω στον δέκτη, ο αισθητήρας υπολογίζει την απόσταση. Έτσι λοιπόν, ανάλογα με την απόσταση από το εμπόδιο και την ταχύτητα του αυτοκινήτου, το σύστημα προειδοποιεί τον οδηγό με ηχητικό ή οπτικό μέσο για τον κίνδυνο της σύγκρουσης. Η πληροφορίες που στέλνονται στον οδηγό από το σύστημα, τον βοηθάνε ώστε να γνωρίζει την κατεύθυνση στην οποία βρίσκεται το εμπόδιο και την απόσταση από αυτό. Οι αισθητήρες που βρίσκονται στον μπροστινό μέρος του αυτοκινήτου ενεργοποιούνται με το πάτημα ενός κουμπιού και όχι αυτόματα. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί τυχόν προειδοποίηση σε καταστάσεις άλλες πέραν της στάθμευσης, όπως για παράδειγμα στην κίνηση. Οι αισθητήρες αυτοί απενεργοποιούνται αυτόματα μόλις το αυτοκίνητο αναπτύξει ταχύτητα μεγαλύτερη ενός συγκεκριμένου ορίου. Οι πίσω αισθητήρες, ενεργοποιούνται αυτόματα με την επιλογή της όπισθεν ταχύτητας από τον οδηγό. Η ηχητική προειδοποίηση προς τον οδηγό είναι ένα ηχητικό μπιπ, του οποίου η συχνότητα μεγαλώνει όσο πλησιάζει το αυτοκίνητο το εμπόδιο ενώ ο ήχος γίνεται συνεχής όταν το αυτοκίνητο είναι πάρα πολύ κοντά στο εμπόδιο. Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι μερικά συστήματα χρησιμοποιούν οπτικές ενδείξεις αντί ηχητικών τόνων. Σε μία οθόνη LCD αναγράφονται τα δεδομένα, όπως η απόσταση από το εμπόδιο και η θέση του. 3.7.3 Αισθητήρας αισθητήρας φωτός βροχής και Οι αισθητήρες βροχής και φώτων, είναι αισθητήρες του αυτοκινήτου που σχετίζονται με την βελτίωση των συνθηκών ορατότητας του οδηγού . Δηλαδή, όταν βρέχει, είναι απαραίτητο να γίνει η χρήση του υαλοκαθαριστήρα στα τζάμια του αυτοκινήτου, ώστε η σταγόνες της βροχής να απομακρύνονται από το τζάμι για να βλέπει ο οδηγός καλύτερα. Αντίστοιχα, όταν νυχτώσει, είναι 119 απαραίτητη η χρήση των φώτων του αυτοκινήτου, ώστε να βλέπει ο οδηγός τον δρόμο και να γίνεται αντιληπτό το όχημα του και από τους άλλους οδηγούς αλλά και τους πεζούς. Αυτές οι λειτουργίες του αυτοκινήτου, ενεργοποιούνταν μέχρι τώρα από τον οδηγό με το πάτημα κάποιων κουμπιών. Σε κάποια καινούργια μοντέλα αυτοκινήτων ωστόσο έχουν τοποθετηθεί αισθητήρες βροχής και φώτων, ώστε να ενεργοποιούνται αυτόματα αυτές οι λειτουργίες όταν οι συνθήκες το απαιτούν. Πως λειτουργούν όμως οι αισθητήρες βροχής και φώτων; Καταρχήν πρέπει να ξεκαθαριστεί ότι συνήθως η λειτουργία και των δύο αισθητήρων βασίζεται στην ίδια αρχή. Στην μεταβολή της αντανάκλασης μίας φωτεινής δέσμης. Επίσης, αυτοί οι δύο αισθητήρες πάνε μαζί σε ένα αυτοκίνητο και γι αυτό αναφέρονται παντού ως αισθητήρας βροχής και φώτων. Πιο αναλυτικά, ας ξεκινήσουμε την περιγραφή από τον αισθητήρα βροχής. Ο αισθητήρας βροχής αποτελείται από ένα LED, το οποίο εκπέμπει μία φωτεινή δέσμη προς το παρμπρίζ. Το LED είναι τοποθετημένο με ένα συγκεκριμένο τρόπο, ώστε όταν δεν υπάρχει ίχνος υγρασίας στο παρμπρίζ, η φωτεινή δέσμη να αντανακλάται πάνω σε μία φωτοδίοδο. Όταν βρέχει δεν είναι δυνατή η πλήρης ανάκλαση του φωτός από την φωτοδίοδο. Έτσι λοιπόν, τα ηλεκτρονικά αξιολόγησης αναγνωρίζουν ανάλογα με το μέγεθος της ανάκλασης τον βαθμό υγρασίας στο παρμπρίζ και στέλνουν ένα σήμα στην μονάδα ελέγχου και από εκεί ενεργοποιούνται αυτόματα οι υαλοκαθαριστήρες. Το πόσο γρήγορα θα κινούνται οι υαλοκαθαριστήρες, εξαρτάται από την ένταση της βροχής. Δηλαδή, ανάλογα με την ποσότητα του νερού που υπάρχει στο παρμπρίζ, διακυμαίνεται και η ένταση της ανάκλασης. Έτσι λοιπόν όσο πιο μικρή είναι η ένταση της ανάκλασης, τόσο πιο μεγάλη είναι η ποσότητα του νερού που υπάρχει στο παρμπρίζ, άρα θα κινούνται και οι υαλοκαθαριστήρες πιο γρήγορα. Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι σε προηγμένα συστήματα οι αισθητήρες βροχόπτωσης συνεργάζονται με την ηλιοροφή και τα ηλεκτρικά παράθυρα, ώστε αυτά να κλείνουν αυτόματα σε περίπτωση βροχόπτωσης. Ο αισθητήρας φώτων, αποτελείται από δύο φωτοδιόδους και από ένα κύκλωμα ηλεκτρονικών αξιολόγησης. Οι φωτοδιόδοι είναι τοποθετημένοι κατάλληλα, ώστε να ανιχνεύουν το φως που προσπίπτει τόσο στο εμπρόσθιο -μέρος του αισθητήρα όσο και αυτό που προσπίπτει από πάνω. Όταν υπάρχει μεταβολή του φωτισμού του περιβάλλοντος, μεταδίδεται ένα σήμα στο κέντρο ελέγχου των 120 φώτων και αυτό αποφασίζει εάν πρέπει να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τα φώτα πορείας. Εικόνα 3.24 Ο αισθητήρας βροχής 3.8 Οι υπόλοιποι αισθητήρες Σε αυτήν την ενότητα του κεφαλαίου, θα αναλυθούν αισθητήρες οι οποίοι δεν μπορούσαν να μπουν σε κάποια άλλη ενότητα από τις προηγούμενες. Συγκεκριμένα θα αναλυθούν οι αισθητήρες: πίεσης ελαστικών και στάθμης υγρού παρμπρίζ. 3.8.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας και πίεσης αέρα ελαστικών Η πίεση του αέρα των ελαστικών είναι ένα μέγεθος το οποίο είναι σημαντικό να ελέγχεται. Η σωστή πίεση του αέρα στα ελαστικά αυξάνει την ασφάλεια κατά την οδήγηση, αυξάνει την οικονομία στα καύσιμα όπως επίσης και αυξάνει και την ζωή των ελαστικών. Την επιτήρηση αυτού του μεγέθους αναλαμβάνει ο αισθητήρας θερμοκρασίας και πίεσης αέρα των ελαστικών. Ο αισθητήρας βρίσκεται στο εσωτερικό του ελαστικού και μετράει την πίεση. Ωστόσο, υπήρχε ένα πρόβλημα με την μέτρηση αυτού του μεγέθους, που είχε να κάνει με την μεταφορά της πληροφορίας από τον περιστρεφόμενο τροχό, σε σχέση με το σταθερό σασί. Το πρόβλημα όμως αυτό λύθηκε με την χρησιμοποίηση των ασύρματων συνδέσεων για την αποστολή της πληροφορίας μέσω ραδιοκυμάτων. Γενικά σήμερα υπάρχουν αρκετά διαφορετικά συστήματα ελέγχου της πίεσης των ελαστικών και από διαφορετικές εταιρίες. Για παράδειγμα, η Continental έχει αναπτύξει συστήματα ελέγχου των ελαστικών όπως: 121 •Το έξυπνο σύστημα ελαστικών ( Intelligent Tire System): Το σύστημα αυτό μετράει κατευθείαν την πίεση του ελαστικού, ενώ δεν χρειάζεται μπαταρίες. Οι πληροφορίες για τα ελαστικά, απεικονίζονται στον οδηγό μέσω μίας οθόνης. •Το σύστημα παρακολούθησης πίεσης ελαστικών ( TMPS): Το σύστημα αυτό μετράει επίσης κατευθείαν την πίεση των ελαστικών, ενώ η απεικόνιση εδώ γίνεται από ένα φωτάκι σήματος στο ταμπλό που προειδοποιεί για υπερβολική πτώση της πίεσης του αέρα των ελαστικών. •Το σύστημα ανίχνευσης απώλειας πίεσης (DDS): Αυτό το σύστημα μετράει έμμεσα την πίεση του αέρα των ελαστικών. Το σύστημα αξιολογεί τα δεδομένα από τον αισθητήρα ταχύτητας του ABS και λειτουργεί χωρίς δικό του σύστημα αισθητήρων. 3.8.2 Αισθητήρας στάθμης υγρού καθαρισμού του παρμπρίζ Ο αισθητήρας στάθμης υγρού καθαρισμού του παρμπρίζ είναι ένας αισθητήρας που εξυπηρετεί στην διαπίστωση της ελάχιστης στάθμης του υγρού καθαρισμού του παρμπρίζ στο δοχείο του υγρού. Σαν μέγεθος δεν είναι ιδιαίτερα σημαντικό και ένα αυτοκίνητο σίγουρα μπορεί να λειτουργήσει και χωρίς αυτό ωστόσο οι κατασκευαστές έχουν προνοήσει ώστε να ελέγχεται και αυτό το μέγεθος ηλεκτρονικά. Ο αισθητήρας στάθμης υγρού καθαρισμού λέγεται επίσης και διακόπτης ελέγχου στάθμης υγρού καθαρισμού. Ο αισθητήρας αποτελείται από ένα πλωτήρα που έχει ενσωματωμένο ένα μαγνήτη. Καθώς χαμηλώνει η στάθμη του υγρού ο μαγνήτης δημιουργεί την σύνδεση για επαφή μαγνητικών ελασμάτων τύπου Reed. Μέσω του κλειστού κυκλώματος ανάβει μία λυχνία που προειδοποιεί τον οδηγό για την χαμηλή στάθμη του υγρού. Όταν ο οδηγός γεμίσει το δοχείο με υγρό καθαρισμού τότε ο πλωτήρας ανυψώνεται, η επαφή ανοίγει και η λυχνία ελέγχου σβήνει. Αυτός είναι ο αισθητήρας ή διακόπτης ελέγχου στάθμης υγρού καθαρισμού. Μία απλή διάταξη σχετικά, που ωστόσο κάνει αυτό που του έχει ανατεθεί με απλότητα και αξιοπιστία. 122 Κεφάλαιο 4 Αισθητήρες και καινοτόμα ηλεκτρονικά συστήματα στα αυτοκίνητα του μέλλοντος Εικόνα 4.1 Το M400 Sky car της Moller International 123 4.1 Εισαγωγικά στοιχεία Το αυτοκίνητο όπως το γνωρίζουμε και περιγράφτηκε στο 2ο κεφάλαιο, ίσως να μην υπάρχει σε μερικά χρόνια. Η ραγδαία εξέλιξη στον τομέα της τεχνολογίας, επηρεάζει και τα αυτοκίνητα. Οι προσπάθειες που γίνονται από τους κατασκευαστές, στοχεύουν στην αξιοποίηση της τεχνολογίας προς όφελος του ανθρώπου. Πιο συγκεκριμένα η νέα τεχνολογία στα αυτοκίνητα στοχεύει στην βέλτιστη αξιοποίηση των συστημάτων, ώστε να παρέχουν στον οδηγό και τους επιβάτες απέραντη άνεση, ευκολία, ασφάλεια και οικονομία, ενώ επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι τα νέα συστήματα είναι όσο το δυνατόν πιο φιλικά προς το περιβάλλον. Ήδη στις μέρες μας, έχουν κάνει την εμφάνιση τους προηγμένα συστήματα ευφυΐας, καθώς και εξελιγμένα μοντέλα αυτοκινήτων του μέλλοντος, όπως το ιπτάμενο αυτοκίνητο της Molly International(Εικόνα 4.1) ή το ηλεκτρονικό αυτοκίνητο που μοιάζει με διαστημική κάψουλα (Εικόνα 4.2), και αναμένεται να κυκλοφορήσει το 2030 από την General Motors. Εικόνα 4.2 Το EN-V, ένα αυτοκίνητο του μέλλοντος που φιλοδοξεί να κυκλοφορήσει έως το 2030 η General Motors Οι αισθητήρες θα είναι βασικά εξαρτήματα των προηγμένων συστημάτων στα αυτοκίνητα του μέλλοντος καθώς η ανάγκη των συστημάτων για μέτρηση και έλεγχο των φυσικών μεγεθών θα είναι ακόμα μεγαλύτερη. 124 Στο κεφάλαιο αυτό φιλοδοξείτε να αναλυθούν κάποια συστήματα και κάποιες καινοτόμες ιδέες στα αυτοκίνητα, τα οποία ήδη κυκλοφορούν σε υπάρχοντα μοντέλα αυτοκινήτων και αναμένεται να πρωταγωνιστήσουν στο μέλλον. Στα περισσότερα μάλιστα από τα συστήματα, οι αισθητήρες έχουν σημαντικό ρόλο στην λειτουργία και στην αξιόπιστη εφαρμογή τους στο αυτοκίνητο. Συστήματα όπως το My Key, Αισθητήρες ελέγχου ετοιμότητας οδηγού, Οροφή με Solar Panels, Σύστημα ελέγχου τυφλού σημείου και άλλα πολλά θα αναλυθούν στα επόμενα υποκεφάλαια. 4.2 Το My Key Το My Key είναι ένα πρωτοποριακό σύστημα που έχει λανσάρει η αμερικάνικη αυτοκινητοβιομηχανία Ford. Με αυτό το σύστημα συγκεκριμένα, οι ιδιοκτήτες του αυτοκινήτου θα μπορούν να προσαρμόζουν κάποιες λειτουργίες του αυτοκινήτου τους, όπως αυτοί επιθυμούν. Έτσι λοιπόν δίνεται η δυνατότητα στους ιδιοκτήτες του αυτοκινήτου, να δίνουν το αυτοκίνητο στα παιδιά τους ή σε κάποιον άλλο, ρυθμίζοντας κατάλληλα λειτουργίες που επιθυμούν, όπως για παράδειγμα να περιορίσουν την ταχύτητα. Πιο συγκεκριμένα το My Key διαθέτει τις δυνατότητες: • Ρύθμισης της ταχύτητας σε επιθυμητά επίπεδα. Πχ ο ιδιοκτήτης μπορεί να ρυθμίσει το αυτοκίνητο του ώστε να είναι αδύνατο να υπερβεί π.χ. τα 100 Km/h. Επίσης μόλις ο οδηγός πλησιάζει το επιτρεπόμενο όριο ταχύτητας, ακούγεται μία ηχητική προειδοποίηση που τον καλεί να ελαττώσει ταχύτητα • Μπλοκάρισμα διαφόρων λειτουργιών και ηχητική προειδοποίηση, εάν οδηγός και επιβάτες δεν έχουν φορέσει ζώνη ασφαλείας • Μειωμένη ένταση ραδιοφώνου κατά 50%. Η πολύ δυνατή μουσική θεωρείται παράγοντας απόσπασης της προσοχής του οδηγού. • Αυτόματη ειδοποίηση με sms των αρμόδιων υπηρεσιών σε περίπτωση ατυχήματος • Ειδοποίηση του οδηγού να βάλει βενζίνη όταν το ρεζερβουάρ κοντεύει να αδειάσει. 125 4.3 Σύστημα ελέγχου ή επιτήρησης τυφλών σημείων (Blis) Τυφλό σημείο στην οδήγηση ονομάζεται η περιοχή εκείνη που δεν είναι ορατή στον οδηγό, είτε με απευθείας όραση, είτε από ανάκλαση μέσω των καθρεπτών. Γι αυτό το λόγο, το τυφλό σημείο είναι ένας από τους βασικότερους παράγοντες των ατυχημάτων στους αυτοκινητόδρομους. Το σύστημα ελέγχου τυφλού σημείου ήρθε για να δώσει λύση σε αυτό το πρόβλημα αλλά και γενικά για να κάνει τα ταξίδια πιο εύκολα και ασφαλή, ειδικά σε μεγάλους αυτοκινητόδρομους και στις εθνικές οδούς. Με την χρήση αισθητήρων ραντάρ, το σύστημα ανιχνεύει εάν βρίσκεται κάποιο αυτοκίνητο ή μοτοσικλέτα στο τυφλό σημείο. Όταν το σύστημα ανιχνεύσει την ύπαρξη οχήματος στο τυφλό σημείο, τότε προειδοποιεί τον οδηγό ανάβοντας μία προειδοποιητική λυχνία στον εξωτερικό καθρέπτη. Σήμερα αρκετά μοντέλα διαθέτουν αυτό το σύστημα και στο μέλλον αναμένεται να υπάρχει σε όλα τα αυτοκίνητα. Μπορεί να δει κάποιος βίντεο με την λειτουργία του συστήματος στην παρακάτω διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=cQdrALYTtzk Εικόνα 4.3. Η προειδοποιητική λυχνία του συστήματος επιτήρησης τυφλού σημείου στον καθρέπτη 126 4.4 Σύστημα υποβοήθησης εκκίνησης σε ανηφόρα Το σύστημα υποβοήθησης εκκίνησης σε ανηφόρα είναι ένα πρωτοποριακό σύστημα υποβοήθησης, το οποίο έχει αρχίσει και εφαρμόζεται σε κάποια μοντέλα αυτοκινήτων. Αυτό που κάνει το σύστημα είναι να μην επιτρέπει την ακούσια κύλιση του αυτοκινήτου προς τα πίσω όταν αυτό βρίσκεται σε δρόμο με ανηφορική κλίση και όταν ο οδηγός είναι στην διαδικασία που αφήνει το πεντάλ φρένου για να πατήσει το πεντάλ γκαζιού. Πιο συγκεκριμένα το σύστημα διατηρεί την πίεση φρένων μέχρι ο οδηγός να πατήσει γκάζι. 4.5 Οροφή με Solar panels Η οροφή με Solar Panels δεν θεωρείται κάποιο ηλεκτρονικό σύστημα στο αυτοκίνητο, ωστόσο θεωρείται ένα καινοτόμο τεχνολογικό στοιχείο που στο μέλλον αναμένεται να μονοπωλήσει την τεχνολογία των αυτοκίνητων. Μέχρι στιγμής οροφή με Solar panels υπάρχουν μόνο σε κάποια Concept Car αλλά αναμένεται να κυκλοφορήσει και το νέο Toyota Prius με οροφή Solar Panels. Το Solar Panel, το οποίο σημαίνει φωτοβολταϊκό πάνελ, συλλέγει την ηλιακή ακτινοβολία και την μετατρέπει σε ηλεκτρισμό και τάση. Η τάση αυτή χρησιμοποιείται από το αυτοκίνητο για να τροφοδοτήσει έναν ανεμιστήρα μέχρι στιγμής αλλά στο μέλλον αναμένεται να χρησιμοποιείται για να τροφοδοτεί τον κλιματισμό του αυτοκινήτου ή για να φορτίζει μπαταρίες. Άλλη μία τεχνολογία που αναμένεται να έχει λαμπρό μέλλον στο αυτοκίνητο, και πως θα μπορούσε διαφορετικά, όταν η φωτοβολταϊκή τεχνολογία γενικά παρουσιάζει τόσο μεγάλη άνθηση. 4.6 Lane Departure Warning System Το Lane Departure Warning System είναι ένα προηγμένης τεχνολογίας σύστημα, το οποίο προειδοποιεί τον οδηγό όταν το αυτοκίνητο περνάει τις διαχωριστικές γραμμές της λωρίδας του δρόμου, χωρίς να έχει ενεργοποιηθεί το φλας. Το σύστημα λειτουργεί συνήθως για ταχύτητες των 50 Km/h και άνω και αυτό που κάνει είναι να επιτηρεί την πορεία του αυτοκινήτου. Μία ψηφιακή κάμερα που 127 είναι τοποθετημένη στο αυτοκίνητο, ανιχνεύει την διαγράμμιση των λωρίδων κυκλοφορίας και την θέση του αυτοκινήτου στον δρόμο. Έτσι όταν αυτό ξεφύγει της πορείας του και δεν έχει χρησιμοποιηθεί το φλας, τότε το σύστημα προειδοποιεί τον οδηγό για την αλλαγή λωρίδας με ένα ηχητικό σήμα, με μία ελαφριά δόνηση στο τιμόνι και με μία οπτική ένδειξη στο ταμπλό των οργάνων. Βίντεο με την λειτουργία του συστήματος μπορεί να δει κάποιος στην ηλεκτρονική διεύθυνση:http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=IaF4 3IESCQo&NR=1 4.7 Lane Keeping Aid Το σύστημα υποβοήθησης διατήρησης πορείας στην λωρίδα κυκλοφορίας ή Lane Keeping Aid, είναι ένα σύστημα ενεργής βοήθειας, συμπληρωματικό του συστήματος Lane Departure Warning που μελετήθηκε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο. Ο σκοπός του συστήματος είναι να βοηθήσει τον οδηγό να παραμείνει στην λωρίδα κυκλοφορίας που κινείται, εάν το σύστημα Lane departure warning, που ενεργοποιείται πρώτο, δεν έχει αποτέλεσμα. Για να το επιτύχει αυτό, το σύστημα εφαρμόζει μία ροπή στο τιμόνι προς την κατεύθυνση που πρέπει, (ανάλογα με την περίπτωση βέβαια), ώστε να κινηθεί το αυτοκίνητο και να διατηρηθεί στη πορεία του, εντός της λωρίδας που κινείται. Με την βοήθεια εμπρόσθιας κάμερας και πλευρικών αισθητήρων, το σύστημα διατηρεί μία σταθερή πορεία εάν ακούσια ο οδηγός (π.χ. λόγω κόπωσης), παρεκκλίνει της πορείας του. Το σύστημα επίσης φροντίζει να προειδοποιεί τον οδηγό με κραδασμούς στο τιμόνι. Βίντεο με την δράση του συστήματος μπορεί να δει κάποιος στην παρακάτω ηλεκτρονική διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=CEhixcfBBeo Εικόνα 4.4 Lane Keeping Aid System 128 4.8 Σύστημα αναγνώρισης σημάτων κυκλοφορίας Το σύστημα αναγνώρισης σημάτων κυκλοφορίας είναι ένα έξυπνο καινοτόμο σύστημα, το οποίο «διαβάζει» κάποια σήματα οδικής κυκλοφορίας, όπως το σήμα ορίου ταχύτητας και το σήμα απαγόρευσης προσπέρασης και ενημερώνει τον οδηγό για την ύπαρξη τους. Επίσης ενημερώνει τον οδηγό αν οι περιορισμοί των σημάτων κυκλοφορίας ισχύουν ή όχι. Το σύστημα λειτουργεί χάρη στην χρήση μίας κάμερας που καταγράφει τα σήματα κυκλοφορίας. Στην συνέχεια οι προειδοποιήσεις εμφανίζονται σαν σύμβολα στο κέντρο του ταμπλό, για μερικά δευτερόλεπτα, ανάμεσα στα κύρια όργανα. Αξίζει να αναφερθεί επίσης ότι η Opel ήταν αυτή που πρώτη λάνσαρε το σύστημα αναγνώρισης σημάτων κυκλοφορίας, μέσω του Opel eye, ενός πιο γενικού συστήματος της Opel που διαθέτει τέσσερεις λειτουργίες, η μία από τις οποίες είναι το σύστημα που μελετάται σε αυτό το υποκεφάλαιο. Επίσης, μία από τις λειτουργίες του Opel eye είναι το σύστημα Lane departure warning, που μελετήθηκε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο. Βίντεο με την λειτουργία του συστήματος μπορεί να δει κάποιος στην ηλεκτρονική διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=RSqFduhN8f0 4.9 Σύστημα επαγρύπνησης του οδηγού-DAC (Driving Alert Control) Το σύστημα επαγρύπνησης του οδηγού DAC (Driver Alert Control) είναι ένα σύστημα που ενημερώνει τον οδηγό όταν είναι κουρασμένος ή έχει χαλαρώσει την προσοχή του και ενεργοποιείται σε ταχύτητες από 65 χλμ./ώρα και πάνω. Μία ψηφιακή κάμερα υπολογίζει την κατεύθυνση του δρόμου ώστε το σύστημα να τη συγκρίνει με την κίνηση του τιμονιού, διακρίνοντας οποιαδήποτε σπασμωδική συμπεριφορά σε σχέση με τον φυσιολογικό τρόπο οδήγησης. Το σύστημα DAC συνεργάζεται μάλιστα και με το σύστημα προειδοποίησης αλλαγής λωρίδας, LDW (Lane Departure Warning). Στην περίπτωση που το DAC ανιχνεύσει παρέκκλιση από τη λωρίδα, προειδοποιεί με ηχητικό σήμα ενώ ταυτόχρονα, εμφανίζεται στο ταμπλό ένα μήνυμα που προτείνει στον οδηγό να κάνει ένα διάλειμμα 129 για να ξεκουραστεί. Αναλυτικό βίντεο για το σύστημα μπορεί να δει κανείς στην ηλεκτρονική διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=Gb9G9vZ0Tyg 4.10 Active City Stop Το πρωτοποριακό σύστημα Active City Stop είναι ένα σύστημα ενεργητικής ασφάλειας που λάνσαρε πρώτη η Ford. Το Active City Stop είναι σχεδιασμένο να βοηθάει τους οδηγούς να αποφεύγουν τις μικροσυγκρούσεις που δημιουργούνται συνήθως στα αστικά κέντρα, όταν κάποιο προπορευόμενο όχημα σταματάει απότομα ή κινείται με πολύ χαμηλή ταχύτητα. Πιο συγκεκριμένα το σύστημα είναι ενεργό για ταχύτητες έως τον 30 Km/h και λειτουργεί ως εξής: εάν το σύστημα ανιχνεύσει απότομη στάση του προπορευόμενου αυτοκίνητου, τότε αυτόματα φρενάρει για να αποφευχθεί η σύγκρουση. Εικόνα 4.5 Το Active City Stop 4.11 Σύστημα αυτόματης αλλαγής μεγάλης σκάλας προβολέων Τα συστήματα φωτισμού στα αυτοκίνητα έχουν εξελιχθεί πάρα πολύ τα τελευταία χρόνια, με την δημιουργία συστημάτων αυτόματης αλλαγής μεγάλης σκάλας φώτων, με την χρήση φώτων Neon, Xenon, 130 Led και άλλα πολλά. Το σύστημα αυτό που μελετάται στο παρόν υποκεφάλαιο, έχει πολλές ονομασίες ανάλογα με την μάρκα του αυτοκινήτου που είναι τοποθετημένο. Στο υποκεφάλαιο αυτό θα μελετηθεί το σύστημα αυτόματης αλλαγής μεγάλης σκάλας προβολέων της Opel, το σύστημα φωτισμού Matrix. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιεί μία εμπρός κάμερα που τοποθετείται μεταξύ παρμπρίζ και εσωτερικού καθρέπτη. Όταν οι αισθητήρες της εμπρός κάμερας ανιχνεύσουν πηγές φωτός από αντίθετα ερχόμενα οχήματα ή από προπορευόμενα οχήματα, τότε αυτόματα το σύστημα μειώνει την ένταση του φωτισμού στην περιοχή εκείνη που είναι το άλλο όχημα, ενώ ο υπόλοιπος δρόμος φωτίζεται κανονικά χωρίς να μειωθεί η ένταση του φωτισμού. Αυτό συμβαίνει γιατί ο κάθε προβολέας Matrix, αποτελείται από τέσσερεις μονάδες φωτισμού και κάθε μονάδα αποτελείται από τέσσερεις ανεξάρτητες πηγές φώτων που ανάβουν και σβήνουν ταυτόχρονα, παράγοντας δεκαέξι πιθανούς συνδυασμούς ανά προβολέα. Το πλεονέκτημα αυτού του συστήματος σε σύγκριση με κάποιο άλλο ανάλογο σύστημα είναι ότι αφενός οι οδηγοί των άλλων οχημάτων δεν τυφλώνονται από το έντονο φως, αφετέρου όμως την ίδια στιγμή παρέχει και ικανοποιητικό φωτισμό στον δρόμο που κάνει ορατά τυχόν σκοτεινά εμπόδια. Μπορεί να δει κανείς βίντεο στο διαδίκτυο με την λειτουργία του Opel Matrix Light στην παρακάτω διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=znivDtjl1N4 Εικόνα 4.6 Η τεχνολογία Opel Matrix Lights 131 4.12 Το σύστημα auto start-stop Το σύστημα auto start-stop είναι ένα πρωτοποριακό σύστημα που διατίθεται ήδη σε κάποια αυτοκίνητα και φιλοδοξεί να περιορίσει την άσκοπη κατανάλωση καυσίμου, η οποία συμβαίνει σε καταστάσεις μποτιλιαρίσματος και κίνησης στην πόλη. Το σύστημα λειτουργεί ως εξής: Εάν το αυτοκίνητο είναι ακινητοποιημένο και έχει επιλεγεί η νεκρά στο κιβώτιο ταχυτήτων, τότε το σύστημα απενεργοποιεί αυτόματα τον κινητήρα. Όταν ο οδηγός πατήσει το πεντάλ του συμπλέκτη τότε ο κινητήρας τίθεται πάλι σε λειτουργία και το αυτοκίνητο είναι έτοιμο να κινηθεί. Βίντεο στο διαδίκτυο, που δείχνει την λειτουργία του συστήματος auto start-stop, μπορεί να δει κανείς στην παρακάτω ηλεκτρονική διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=_yLN4_eOURI 4.13. Νέα τεχνολογία στα αυτόματα συστήματα κλιματισμού- Το S-Flow system Το σύστημα S-Flow έχει δημιουργηθεί από την Lexus και φιλοδοξεί να εξελίξει την μέχρι πρότινος τεχνολογία των συστημάτων κλιματισμού. Το σύστημα χρησιμοποιεί αισθητήρες, οι οποίοι σκανάρουν την καμπίνα των επιβατών για να διαπιστώσουν την ύπαρξη ή όχι επιβατών, έτσι ώστε να γνωρίζει το σύστημα ποιες θέσεις είναι κατειλημμένες και ποιες όχι. Έτσι λοιπόν αν διαπιστωθεί, για παράδειγμα, άδεια η θέση του συνοδηγού, τότε το σύστημα δίνει εντολή να κλείσουν οι αεραγωγοί οι οποίοι ψύχουν ή θερμαίνουν μία θέση, ώστε να μην καταναλώνεται περιττή ενέργεια. Επίσης η εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία μετρούνται συνεχώς από το σύστημα ώστε να υπολογίζεται το καλύτερο επίπεδο κλιματισμού και να ρυθμίζεται η ποσότητα της ροής του αέρα που καταλήγει σε κάθε επιβάτη. Όταν το σύστημα ρυθμίσει την θερμοκρασία στα επιθυμητά επίπεδα, τότε συνεχίζει να δουλεύει αλλά μόνο για τις θέσεις που είναι κατειλημμένες, προσφέροντας έτσι οικονομία χωρίς να επηρεάζεται η απόδοση του κλιματισμού. 132 Ένα άλλο στοιχείο που κάνει το S-Flow πραγματικά καινοτόμο, είναι ο καθαρισμός του αέρα που εισέρχεται στην καμπίνα, χάρη στην νανοτεχνολογία. Ο καθαρισμός του αέρα επιτυγχάνεται με την απελευθέρωση νάνο-σωματιδίων, των οποίων τα ιόντα είναι αρνητικά φορτισμένα και περιτριγυρισμένα από μόρια νερού. Αυτά έχουν την ιδιότητα να προσκολλώνται στα υπόλοιπα μόρια από μυρωδιές και σκόνες με αποτέλεσμα να τις εξαλείφουν. Έτσι το σύστημα προσφέρει ένα πολύ πιο καθαρό περιβάλλον στον οδηγό και τους επιβάτες. Μία πολύ σημαντική λειτουργία, που απαλλάσσει τον οδηγό και τους επιβάτες από τον μολυσμένο αέρα των μεγαλουπόλεων. 4.14 Το HUD (Head Up Display) Το HUD (Head Up Display) είναι ένα σύστημα προβολής ενδείξεων σε ψηφιακή μορφή που απεικονίζονται στην επιφάνεια του παρμπρίζ. Η τεχνολογία αυτή υπήρχε από πολύ παλιά (1957 περίπου) στα αεροσκάφη, πριν εφαρμοστεί και στα αυτοκίνητα. Η BMW ήταν η πρώτη αυτοκινητοβιομηχανία στην Ευρώπη που εφάρμοσε το HUD σε μοντέλο της. Το HUD θεωρείται ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο όταν κάποιος οδηγάει ένα εξαιρετικά γρήγορο αυτοκίνητο. Πως λειτουργεί όμως το σύστημα HUD; Το σύστημα αποτελείται από κάτοπτρα, από μία πρόσθετη επιφάνεια απεικόνισης στο παρμπρίζ και από την μονάδα ψηφιακής προβολής. Η λειτουργία του συστήματος στηρίζεται στην διάθλαση των ενδείξεων από την μονάδα προβολής στα κάτοπτρα και από εκεί στην επιφάνεια απεικόνισης στο παρμπρίζ, το οποίο είναι μία λεπτή μεμβράνη. Βίντεο με την λειτουργία του HUD μπορεί να δεις κανείς στο διαδίκτυο και στην παρακάτω ηλεκτρονική διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=b4jpuoGP2C8 Εικόνα 4.7. Το HUD (Head Up Display) σε ένα μοντέλο της BMW. 133 4.15 Σύστημα πλήρους αυτόματης οδήγησης Η πλήρως αυτόματη οδήγηση είναι ένα όραμα και μία ιδέα που ακούγεται πολύ τα τελευταία χρόνια, σε τέτοιο βαθμό μάλιστα που ορισμένες εταιρείες έχουν δοκιμάσει πειραματικά να εφαρμόσουν αυτήν την τεχνολογία. Πιο συγκεκριμένα, η Google έχει σχεδιάσει ένα project που αφορά την πλήρως αυτόματη οδήγηση με την ονομασία Google Autonomous Driving. Το Project της Google είναι ένα πολύ φιλόδοξο σχέδιο, το οποίο είναι μάλιστα σε προχωρημένη κατάσταση και αναμένεται στα επόμενα χρόνια να φτάσει αυτή η τεχνολογία στην μαζική παραγωγή. Η λειτουργία της πλήρως αυτόματης οδήγησης στηρίζεται στην χρήση GPS και αισθητήρων όπως αισθητήρες ραντάρ και κάμερες. Οι δοκιμές που έχουν γίνει αφήνουν υποσχέσεις για το μέλλον, καθώς τα ρομπότ θεωρητικά μπορούν να αντιδράσουν πολύ καλύτερα από τον άνθρωπο. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα, εάν ο οδηγός το κρίνει απαραίτητο, με το πάτημα ενός κουμπιού, να απενεργοποιήσει το σύστημα και να αναλάβει δράση ο ίδιος. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι το αυτοκινούμενο αυτοκίνητο Toyota Prius της Google πήρε άδεια κυκλοφορίας στην Νεβάδα και θεωρείται το πρώτο του είδους του που πήρε άδεια κυκλοφορίας και κυκλοφορεί στους δρόμους με ασφάλεια. Η Google είναι σε ανοιχτή επικοινωνία με αρκετές αυτοκινητοβιομηχανίες, ώστε η τεχνολογία αυτή να βγει στην αγορά το συντομότερο. Η Cadillac φαίνεται ότι ζήλεψε την Google και έχει ξεκινήσει της δοκιμές σε ένα δικό της σχέδιο που αφορά την δημιουργία μίας τεχνολογίας ημι-αυτόματης οδήγησης με την ονομασία Super Cruise. Το σύστημα μπορεί να χειρίζεται το τιμόνι, να φρενάρει εγκαίρως και να κεντράρει το όχημα στο κέντρο της λωρίδας. Αισθητήρες υπερήχων, κάμερες, ραντάρ και GPS είναι τα εξαρτήματα που κάνουν την λειτουργία του συστήματος δυνατή. Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι στα μέσα της δεκαετίας η σχετική τεχνολογία θα κυκλοφορήσει στην αγορά. 134 4.16 Η πλήρως αυτόματη στάθμευση Η πλήρως αυτόματη στάθμευση αποτελεί την φυσική μετεξέλιξη του συστήματος υποβοήθησης στάθμευσης, που μελετήθηκε στο κεφάλαιο 3. Αναμένεται λοιπόν τα επόμενα χρόνια να εμφανιστούν επιπλέον λειτουργίες του συστήματος υποβοήθησης στάθμευσης, λειτουργίες που στηρίζονται κυρίως στην εκτεταμένη χρήση των υπερήχων. Ήδη έχουν κάνει και θα κάνουν και στο μέλλον την εμφάνιση τους σε προηγμένα συστήματα υποβοήθησης στάθμευσης λειτουργίες όπως: υποβοήθηση στάθμευσης σε ορθή γωνία και σύστημα προειδοποίησης για πλευρικές συγκρούσεις. Αυτό όμως που θα επιφέρει την επανάσταση στην συγκεκριμένη τεχνολογία θα είναι το σύστημα αυτόματης λειτουργίας στάθμευσης. Η ημιαυτόματη υποβοήθηση στάθμευσης μάλιστα βρίσκεται στο πλέον προηγμένο στάδιο της τεχνολογίας. Η λειτουργία του είναι η εξής: το σύστημα επιδρά στην μονάδα ηλεκτρικού τιμονιού και αναλαμβάνει όλους τους ελιγμούς που χρειάζονται ώστε να σταθμεύσει σωστά το όχημα. Ο οδηγός το μόνο που χρειάζεται να κάνει στη διαδικασία στάθμευσης, είναι να πατά το πεντάλ γκαζιού και το πεντάλ φρένου. Η ηλεκτρική υποβοήθηση τιμονιού απαιτείται για κάθε είδους έλεγχο διεύθυνσης στη στάθμευση. Εικόνα 4.8 Το σύστημα ημι-αυτόματης υποβοήθησης στάθμευσης 135 4.17 Το ιπτάμενο αυτοκίνητο Μία ιδέα, ή καλύτερα ένα όραμα που έχει γοητέψει πολλούς οραματιστές και εφευρέτες ανά τον κόσμο, είναι το ιπτάμενο αυτοκίνητο. Σε αυτό το υποκεφάλαιο λοιπόν, δεν θα μελετηθεί κάποιο προηγμένο ηλεκτρονικό σύστημα αλλά το ιπτάμενο αυτοκίνητο, ένα είδος οχήματος μεταξύ αυτοκινήτου και αεροπλάνου. Μέχρι στιγμής μόνο δύο εταιρείες έχουν καταφέρει να κάνουν αξιοπρεπείς προσπάθειες για κατασκευή μοντέλων ιπτάμενων αυτοκινήτων, η αμερικάνικη εταιρεία Terrafugia και η εταιρεία Moller Int. Η Terrafugia με το μοντέλο της Transition φιλοδοξεί να είναι η πρώτη εταιρεία που θα παράγει μαζικά ιπτάμενα αυτοκίνητα. Το Terrafugia μετατρέπεται σε αεροσκάφος με το πάτημα ενός μόνο κουμπιού. Πατώντας κάποιος το κουμπί, τίθενται σε λειτουργία μέσα σε 15 δεύτερα η ουρά, τα φτερά και τα υπόλοιπα πτητικά συστήματα του οχήματος. Βέβαια, σκοπός της Terrafugia είναι το Transition να μην πάρει μόνο άδεια από την FAA, ως ελαφρύ αεροσκάφος, αλλά και από την Αμερικανική Υπηρεσία Ασφάλειας Εθνικών Οδών (NHTSA), ώστε το «ιπτάμενο αυτοκίνητο» να μπορεί να κινηθεί στους δρόμους όπως και οποιοδήποτε άλλο συμβατικό Ι.Χ. Η καινοτομία του Transition άλλωστε είναι ότι τα μήκους οκτώ μέτρων φτερά του μπορούν να συμπτύσσονται στο αμάξωμα, μειώνοντας το πλάτος του στα 2,3 μέτρα. Τότε, το διθέσιο όχημα θα μπορεί να κυκλοφορεί σαν κανονικό αυτοκίνητο. Η μέγιστη ταχύτητα του οχήματος στον δρόμο φτάνει τα 110 Km/h και στον αέρα τα 200 Km/h, ενώ η αυτονομία καυσίμων φτάνει τα 900 χιλιόμετρα στον αέρα και 1400 χιλιόμετρα στον δρόμο. Η τιμή του βέβαια αναμένεται να είναι αρκετά υψηλή, της τάξης των 280 χιλιάδων δολαρίων. Επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι το Transition θα κινείται βασικά σαν ένα συμβατικό αυτοκίνητο, απλά θα έχει την δυνατότητα όταν ο ιδιοκτήτης κρίνει απαραίτητο, (π.χ. για μεγάλα ταξίδια) να απογειώνεται από το πλησιέστερο αεροδρόμιο ώστε να φτάσει στον προορισμό του (προσγείωση πάλι όμως σε αεροδρόμιο). Η Moller Int., η άλλη εταιρεία που κατασκευάζει ιπτάμενα αυτοκίνητα, έχει σχεδιάσει και κατασκευάσει δύο μοντέλα, το M400 Skycar και το M200X Neuera. Το πρώτο, μοιάζει με σπορ αυτοκίνητο, με πλαστικό θάλαμο που χωράει τέσσερα άτομα και δύο σετ από έλικες. Το άλλο μοντέλο μοιάζει πιο πολύ με ιπτάμενο δίσκο UFO. Οι 136 ταχύτητες που αναπτύσσουν τα μοντέλα της Moller Int. είναι της τάξης των 200 μιλίων, πάνω από τη στάθμη της θάλασσας και των 400 μιλίων ανά ώρα σε ύψος 25.000 ποδιών. Τα M400 Skycar και M200X Neuera, τα δύο ιπτάμενα αυτοκίνητα της Moller Int., είναι ικανά για κάθετη ανύψωση, προσγείωση και αιώρηση με τη βοήθεια δυο σημαντικών στοιχείων: τη μηχανή και την σταθερότητα του συστήματος. Το σύστημα σταθεροποίησης είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα της εταιρείας, γιατί χάρη σε αυτό μπορεί ένας οποιοδήποτε άνθρωπος να πιλοτάρει το όχημα, χωρίς να έχει άδεια πιλότου. Το σύστημα αυτό που κάνει είναι να συλλέγει πληροφορίες όπως η αλλαγή στην ταχύτητα, την επιτάχυνση και τη θέση, κάθε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα στοιχεία αυτά, τα ενοποιεί, ρυθμίζοντας ανάλογα την ταχύτητα του οχήματος. Το πλεονέκτημα που δίνουν όλα αυτά στα οχήματα του Moller είναι αδιαμφισβήτητα. Έτσι λοιπόν, τα ιπτάμενα αυτοκίνητα της εταιρείας φιλοδοξείτε ότι θα είναι διαθέσιμα στο ευρύ κοινό. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι η μηχανή των ιπτάμενων αυτοκινήτων έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με εκείνη των κοινών οχημάτων, ενώ το καύσιμο που χρησιμοποιεί είναι η αιθανόλη, που εκτός του ότι έχει πιο λίγα παράγωγα από την βενζίνη, εξασφαλίζει περισσότερη ασφάλεια. Εικόνα 4.9 Το ιπτάμενο αυτοκίνητο Transition της εταιρείας Terrafugia 137 Βιβλιογραφία Ελληνική: Peter Elgar BSc (HONS), MISTC «Αισθήτηρες μέτρησης και ελέγχου» ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ Β. Πετρίδη «Συστήματα μετρήσεων» ΕΚΔΟΣΕΙΣ UNIVERSITY STUDIO PRESS Ροβέρτος-Ε. Κινγκ «Συστήματα μετρήσεων» ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΗ Αλεξάνδρου Δημήτριος-Γιάννος Γεώργιος-Καπετανάκης Γεώργιος «Συστήματα αυτοκινήτου II» Α’ Τεύχος- ΤΕΧΝΙΚΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΗΡΙΑ ΤΟΜΕΑΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟΣ-2ος Κύκλος Ειδικότητα: Μηχανών και συστημάτων αυτοκινήτου Τεχνικά έντυπα πληροφοριών για αισθητήρες της Εταιρείας © Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt Τεχνικά έντυπα πληροφοριών για τα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοκινήτου της Εταιρείας © Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt Internet: http://wds.spaghetticoder.org http://www.autocar.gr http://www.tosynergeio.gr http://www.bep.gr http://www.tutco.com http://www.karabassis.gr 138 http://www.volkswagen.gr http://www.volkswagen.gr/gr/el/Technology/assistance_syste ms/acc.html www.autotriti.gr http://www.autotriti.gr/magazine/posleitourgei.asp http://www.autotriti.gr/data/news/preview_news/106748.asp http://el.wikipedia.org http://www.gocar.gr/news/newmodels/2885,Nea_Citroen_C4.html http://www.infoservice.com.gr/SERTEXNIKA8/144.pdf http://users.sch.gr/jabatzo/files/articles/aisthitires_autokinitwn .pdf http://www.karabassis.gr/index.php?option=com_docman&Ite mid=157&lang=el http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/Product Catalog/Sensors/TemperatureMeasurement/ApplicationNotes /01__SensorsAirConditioningAN1/PDF__SensorsAirConditioni ngAutomotive__AN1,property=Data__en.pdf;/PDF_SensorsAi rConditioningAutomotive_AN1.pdf http://www.contionline.com/generator/www/gr/gr/continental/tires/themes/ext ended_mobility/tpms-gr.html 139 http://www.ford.gr/ExperienceFord/Technology/FordPrecision Drive/CruiseControl http://www.ideea.gr/newspaper/ta/TA0018-NEWS-827.pdf http://stopper.mysch.gr/index.php/2011-04-17-16-37-24/bs/13abs http://stopper.mysch.gr/images/bdf/ESP2.pdf http://rbkwin.bosch.com/el/el/safety_comfort/drivingsafety/capscombi nedactivepassivesafety/basiscaps/long-rangeradarsensor.html http://autonewsstories.com http://www.meder.com/fileadmin/meder/pdf/en/Technical_Do cuments/Technical_WriteUps/Brake_Level_Sensor_Application.pdf http://www.techgear.gr/google-autonomous-driving-is-thenext-big-project-and-its-already-tested-10752/ http://www.techgear.gr/cadillac-tests-self-driving-car-43163/ http://rbkwin.bosch.com/el/el/automotivetechnology/overview/newssp ecial/fully-automatic-parking/index.html http://www.naftemporiki.gr/news/cstory.asp?id=2204287 http://www.tovima.gr/science/technologyplanet/article/?aid=451635 140 Οι φωτογραφίες πάρθηκαν από τα παρακάτω Internet site: www.info-synergeia.gr www.webcreationz.co.uk www.ford.gr www.engadget.com www.izalug.org www.Peugeot.com.sg www.hdabob.com www.ancomnet.gr www.findapart.gr www.nuclearpowertraining.tpub.com www.iceal.wikidot.com 141