Sistemas de InjeÇÃo - Apresentação
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Sistemas de InjeçãoMotores Ciclo Otto
Marconi LibórioVirgilio dos Santos
Guilherme RossiRafael Bonagamba
13 de Novembro de 2006
Faculdade de Engenharia Mecânica
UNICAMP
Conteúdo
1. Timeline
2. Carburador
3. Comparativo – Carburador vs. Injeção
4. Injeção Eletrônica
5. Injetores
6. Injeção para Combustíveis Alternativos
1. Timeline – Era pré-emissão
1939 Primeiro sistema de injeção de gasolina Bosch é testado em um avião alemão.
1951 Primeira montagem em veículo de um sistema de injeção Bosch.
1954 Montagem do veículo esportivo Mercedes-Benz 300 SL com sistema mecânico de injeção Bosch.
1967 São criadas as primeiras regras regulando as emissões de gases de escape. Nasce o primeiro sistema de injeção eletrônica Bosch (D-Jetronic), usado no VW 1600TL
1. Timeline – Era pós-emissão
1973 A crise mundial de energia exige economia de gasolina. A Bosch introduz o sistema L-Jetronic e K-Jetronic.
1979 Introdução do sistema combinado de injeção e ignição eletrônica Bosch Motronic.
1981 Introdução de um fio quente como medidor de massa de ar chamado LH-Jetronic.
1982 A Bosch lança uma combinação do sistema mecânico com o eletrônico, denominado KE-Jetronic.
1. Timeline – Era pós-emissão
1987 Desenvolvimento do Mono-Jetronic, sistema de injeção monoponto para veículos de até 1,8 L.
1988 Criação do Mono-Motronic, sistema monoponto de ignição e injeção eletrônica.
1997 Novos módulos de aspiração compostos de coletor de admissão, válvulas de injeção, potenciômetro da
borboleta, regulador de pressão, etc.
1999 Surgem os sistemas de injeção direta de combustível em motores à gasolina.
2. Carburador
Carburador = Tubo de Venturi
3. Carburador vs. Injeção
A relação ar/combustível do motor deve ser controlada rigorosamente sob todas as condições de operação para conseguir o desempenho de motor, as emissões, a dirigibilidade, e a economia de combustível desejados.
Os controles precisos que o sistema de injeção possui em relação ao carburador permitem:
Maior eficiência Menor emissão de poluentes
3. Carburador vs. Injeção
Outras vantagens da injeção sobre o carburador:
1. Melhor atomização do combustível2. Melhor fluxo devido à eliminação do venturi do
carburador3. Tempo de resposta reduzido às mudanças rápidas de
entrada, por exemplo, movimentos rápidos do acelerador.
4. Entrega uma massa exata e igual de combustível a cada cilindro do motor, melhorando drasticamente a distribuição de cilindro a cilindro do motor.
3. Carburador vs. Injeção
A fonte primária de emissões do motor de combustão interna é a combustão incompleta de uma fração minúscula do combustível total consumido.
Esta fração é tão pequena que era insignificante financeiramente e quanto à eficiência energética.
Os fabricantes de automóveis foram motivados pelas leis de emissão de gases a concentrar esforços nesta questão.
Para cumprir as restrições impostas pelas leis de emissão, o uso de carburadores foi praticamente abolido.
4. Injeção eletrônica
Componentes típicos
Fluxo de ar: Princípios de medição
Sistemas de Injeção Eletrônica
4. Injeção eletrônica
O sistema de injeção eletrônica baseia-se num microprocessador que faz todo o gerenciamento do motor.
4. Injeção eletrônica
Amortecedor de pressão – suaviza os "golpes" do combustível, devidos ao movimento de fechar das válvulas e fornecimento periódico de combustível.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Atuador de marcha lenta – permite que a quantidade de ar na linha de aspiração seja variável, garantindo uma marcha lenta estável.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Bobinas plásticas – têm como função gerar a alta tensão necessária para a produção das faíscas nas velas de ignição.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Bomba elétrica – fornece o combustível sobre pressão a um tubo distribuidor, onde estão fixadas os bicos injetores.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Filtro – possui um elemento de papel responsável pela filtragem do combustível. Está localizado logo após a bomba de combustível.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Medidor do fluxo de ar – tem função de informar à unidade de comando a quantidade e a temperatura do ar admitido, informações necessárias para determinar a quantidade de combustível a ser injetada.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Medidor de massa de ar – está instalado entre o filtro de ar e a borboleta de aceleração e tem a função de medir a corrente de ar aspirada.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Potenciômetro da borboleta de aceleração – informa para a unidade de comando todas as posições da borboleta de aceleração, o que fornece informações sobre o atual regime de funcionamento do motor.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Regulador de pressão – regulador com fluxo de retorno, que garante uma pressão uniforme no sistema de combustível em todos os regimes de funcionamento do motor.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Sensor de detonação – converte as vibrações do motor em sinais elétricos, que permitem que o motor funcione com o ponto de ignição o mais adiantado possível.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Sensores de pressão – medem a pressão absoluta no coletor de aspiração e informam à unidade de comando em que condições de aspiração e pressão o motor está funcionando.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Sensor de rotação – permite que a unidade de comando calcule a posição e velocidade de rotação do virabrequim.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Sonda Lambda – serve para determinar se a quantidade de combustível injetada é ou não ideal. É montada no cano de escape do motor, de modo que uma parte fica em contato com os gases de escape e outra com o ar exterior.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Unidade de comando – tem como função, com base nas informações que recebe de todos os componentes do sistema, determinar a quantidade de combustível a ser injetada.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Os sistemas monoponto possuem uma única válvula de injeção para todos os cilindros, montada na tampa da unidade central de injeção (corpo da borboleta).
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Os sistemas multiponto possuem um bico injetor para cada cilindro. Durante a pulverização, deve-se evitar perdas pelo umedecimento das paredes do coletor.
Componentes típicos
4. Injeção eletrônica
Fluxo de ar: Princípios de funcionamento
“air-mass”
“speed density”
Ângulo da borboleta X rotação do motor
Fluxo de ar
4. Injeção eletrônica
Fluxo de ar: Princípios de funcionamento
“air-mass”
• massa de ar é determinada por um medidor mássico
• extremamente preciso e robusto
4. Injeção eletrônica
Fluxo de ar: Princípios de funcionamento “speed density”
• fluxo de ar é determinado por: Rotação do motor Cilindrada densidade do ar (função da pressão
absoluta do coletor de admissão e da temperatura do ar admitido)
• Mais preciso que o “air-mass” e mais barato que os demais.
4. Injeção eletrônica
Fluxo de ar: Princípios de funcionamento
Ângulo da borboleta X rotação do motor
• tempo básico de injeção é definido em testes de bancada em função de: ângulo da borboleta de aceleração rotação do motor
• tabela de tempos básicos de injeção gravados na EPROM.
4. Injeção eletrônica
Fluxo de ar: Princípios de funcionamento
Fluxo de ar
• vazão é determinada diretamente por um medidor de fluxo
• valor tem que ser corrigido em função da variação de temperatura
• extremamente preciso, porém muito caro e muito sensível
4. Injeção eletrônica Monoponto
• Mono-Motronic Multiponto
• K-JETRONIC• KE-JETRONIC• L-JETRONIC• L3-JETRONIC• LH-JETRONIC
Motronic• ME-Motronic• MED-Motronic• Motronic Flex-Fuel
Sistemas deInjeção Eletrônica:
4. Injeção eletrônica
Monopoint Multipointvs.
4. Injeção eletrônica
1 - Tanque com bomba incorporada2 - Filtro de combustível3 - Sensor de posição de borboleta3a - Regulador de pressão3b - Válvula injetora 3c - Sensor de temperatura do ar3d - Atuador de marcha lenta4 - Sensor de temperatura do motor5 - Sensor de oxigênio6 - Unidade de comando7 - Válvula de ventilação do tanque8 - Bobina de ignição9 - Vela de ignição10 - Sensor de rotação
Monoponto
4. Injeção eletrônica
1 - Bomba de combustível2 - Filtro de combustível3 - Regulador de pressão4 - Válvula injetora5 - Medidor de vazão de ar6 - Sensor de temperatura do motor7 - Válvulas auxiliar de ar8 - Potenciômetro de borboleta9 - Unidade de comando10 - Relé de bomba de combustível11 - Vela de ignição
Multiponto
4. Injeção eletrônica
K-Jetronic
Bomba de comb. independente (elétrica)
Sensor de fluxo de ar
Metering-slit
Metering-vane
Válvula de pressão
Sonda lambda
4. Injeção eletrônica
KE-Jetronic
Versão avançada do K-Jetronic
ECU para aumento de flexibilidade
Sensor fluxo de entrada
Atuador de pressão ajuste A/C
Regulador de pressão
4. Injeção eletrônica
L-Jetronic
Similar ao K-Jetronic
Combinação da medição direta de ar com recursos da eletrônica
L3-Jetronic
Mesma funções do L-Jetronic
Tecnologia digital – ajuste de mistura
4. Injeção eletrônica
LH-Jetronic
Semelhante ao L-Jetronic
Diferença: medição fluxo de ar
• Hot-wire-air-mass
• Hot-film-air-mass
4. Injeção eletrônica
A – carcaçaB – medidor hot-film-air-mass1 – câmara de aquecimento2 – espaçador3 – controlador4 – híbrido5 – filme metálico
Medidor Hot-wire-air-mass
4. Injeção eletrônica
1 – oscilador2 – gerador vórtex3 – transmissor4 – ondas ultra-sônicas5 – correntes em redemoinho6 – receptor7 – amplificador8 – filtro de sinais 9 – formador de ondas
Medidor Kármán por vórtex
4. Injeção eletrônica
ME-Motronic1 - Canister 2 - Válvula de purga do canister 3 - Sensor de pressão 4 - Galeria de combustível / Válvula de Injeção 5 - Bobina / Vela de ignição 6 - Sensor de fases 7 - Pedal do acelerador eletrônico 8 - Medidor de massa de ar com sensor 9 - Acelerador eletrônico 10 - Válvula de recirculação de gases11 - Sensor de detonação 12 - Sensor de temperatura 13 - Sonda lambda 14 - Sensor de rotação 15 - Módulo bomba de combustível 16 - Módulo eletrônico de comando 17 - Interface para diagnose 18 - Lâmpada para diagnose 19 - Imobilizador 20 – CAN
4. Injeção eletrônica
MED-Motronic
1 - Canister 2 - Medidor de Massa de Ar com Sensor de Temp 3 - Módulo Eletrônico de Controle 4 - Interface para Diagnose 5 - Lâmpada de Diagnose 6 - Imobilizador 7 - CAN 8 - Válvula de Purga do Canister 9 - Acelerador Eletrônico 10 - Sensor de Pressão 11 - Válvula de Recirculação de Gases (EGR) 12 - Sensor de Pressão do Tanque 13 - Bomba de Alta Pressão 14 - Galeria de Combustível 15 - Válvula Reguladora de Pressão 16 - Sensor de Fase 17 - Sensor de Detonação 18 - Sensor de Rotação 19 - Válvula de Injeção20 - Bobina de Ignição 21 - Sensor de Temperatura de Água 22 - Pedal do Acelerador Eletrônico 23 - Sonda Lambda 24 - Catalisador 25 - Sonda Lambda 26 - Módulo de Pré-Bomba de Combustível
4. Injeção eletrônica
Motronic Flex-Fuel1 - Canister 2 - Válvula de Purga do Canister 3 - Sensor de Pressão / Temperatura do ar 4 - Galeria de Conbustível / Válvula de injeção 5 - Bobina / vela de ignição 6 - Sensor de fase 7 - Pedal de Acelerador Eletrônico 8 - Acelerador Eletrônico 9 - Válvula de Recirculação de Gases (EGR) 10 - Sensor de Detonação11 - Sensor de Temperatura de Água 12 - Sonda Lambda 13 - Sensor de Rotação 14 - Módulo de Bomba de Comb. em Tanque 15 - Módulo de Controle 16 – Reserv. de Gasolina para Partidas a Frio17 - Bomba Elétrica de Combustível 18 - Válvula Solenóide 19 – Relé
4. Injeção eletrônica
também chamado Motor de Carga Estratificada
Pré-requisitos para o bom funcionamento:
Injeção de combustível diretamente dentro da câmara de combustão, durante o processo de compressão (para evitar o problema da detonação ou ignição espontânea, muito comum nos motores ICE com injeção indireta’;
Inflamação do combustível com uma vela de ignição na medida que ele se combina com o ar para obter controle direto do processo de ignição;
Controle do nível de potência variando-se a quantidade de combustível injetada por ciclo (com a vazão de ar estrangulada para minimizar o trabalho de bombeamento).
GDI – Injeção Direta de Combustível
4. Injeção eletrônica
A história da injeção direta de combustível em motores do ciclo Otto é tão velha quanto o próprio motor de ignição por centelha. Dados históricos revelam que m 1884, um motor ‘Spiele” funcionou com injeção direta no cilindro de combustível leve.
A Mercedes-Benz 300SL, foi o primeiro carro movido a gasolina com injeção de combustível a utilizar a injeção direta.Os injetores de combustível da Bosch foram colocados nos orifícios da parede do cilindro usados para a fixação das velas em outros motores Mercedes-Benz de 6 cilindros (as velas foram realocadas na cabeça do cilindro).
GDI – Injeção Direta de Combustível
4. Injeção eletrônica
Vantagens
Maior economia de combustível, principalmente em cargas parciais;
Possibilidade de maior taxa de compressão devido a maior resistência a detonação;
Menor nível de emissões.
Desvantagens
Alto nível de NOx produzido, sendo que o catalisador que resolve este problema só opera com sucesso com a utilização de combustíveis de baixo nível de enxofre. 10 a 15 ppm encontrado no Japão;
Emissão de partículas de carbono em regime de plena carga.
GDI – Injeção Direta de Combustível
4. Injeção eletrônica - GDI
Motores atuais:
•Mitsubishi 4G93 – Ano do inicio da fabricação: 1996 – 400.000 unidades produzidas – não opera bem com altos níveis de enxofre
•PSA – lançado em 1999 e retirado do mercado em 2001 – não opera com altos níveis de enxofre
•Daimler Chrysler – produzido em 2000 – somente para mercados com combustível de baixo teor de enxofre
•Volkswagen/Audi – 2001 – FSI – em produção ainda, motor que equipa o Passat 2.0 vendido no Brasil
•BMW – V12 - Injetores de baixa pressão – não opera com mistura pobre
•BMW – lançado em 2006 - High Precision Injection – motor 6 cilindros em linha – maior tempo de queima pobre – maior eficiencia global
•BMW e PSA – trabalhando em conjunto para nova geração deste motor – previsão 2007
•GM – em 2004 lançou o 2.2 L Ecotec – em 2005 lançou o Opel 2.0 L VVT
•Isuzu Motors – primeiro GDI vendido em larga escala no EUA – taxa de compressão de 10.3:1 – ganho de 20 Hp de potencia em relação ao motor com injeção indireta
•Toyota – D4 – lançament0 1996 - utilização de EGR para controle do NOx – injeção feita a 12 MPa – não opera bem com combustíveis com alto níveis de enxofre
•Toyota – 2GR-FSE V6 – combinação entre injeção direta e indireta – 2 injetores por cilindro (tradicional na cabeça da válvula e o direto)
•Mazda – Mazdaspeed 6 / Mazda 6 MPS e Mazdaspeed 3
•Renault IDE –Altos índices de EGR – pressão de injeção de 100 bar
5. Injetores - EV
EVEinspritzventil
1 - O-rings
2 - Filtro
3 - Carcaça com conexão elétrica
4 - Bobina
5 - Molas
6 - Agulha com armadura solenóide
7 - Acento da agulha com disco pulverizador
5. Injetores - HDEV
HDEV
Hochdruck-Einspritzventil
1 - Filtro
2 - Conexão elétrica
3 - Molas
4 - Bobina
5 - Carcaça
6 - Agulha com armadura solenóide
7 - Acento da agulha
8 - Furos de formação do spray
5. Injetores – EV vs. HDEV
EVHDEV
até 200 bar 1 ~ 5 bar
6000 rpm
5. Injetores – HDEV
5. Injetores
Spray
Tapered spray
Dual spray
Air-shrouding
6. Injeção para Comb. Alternativos
Sistemas para Combustíveis Alternativos
Operação por Hidrogênio (por Centelha)
Operação por Álcool (por Centelha)
Sistemas GLP (Gás Liquefeito de Petróleo)
Operação com Gás Natural
Tecnologia Tricombustível