Faculdade de Tecnologia e Cincias Engenharia Mecatrnica

Rafael Fassi Lobo

Controlador para Adaptao de Injeo Eletrnica em Motores Ciclo Otto Originalmente Carburados

Salvador Junho - 2011

Rafael Fassi Lobo

Controlador para Adaptao de Injeo Eletrnica em Motores Ciclo Otto Originalmente Carburados

Trabalho de concluso de curso apresentado como requisito da disciplina Trabalho de Concluso de Curso II, para obteno do ttulo de Bacharel em Engenharia Mecatrnica pela Faculdade de Tecnologia e Cincias (FTC-Salvador) Orientador: Prof. Ccero Alexandre Brando de Paula

Salvador Junho - 2011

L796 Lobo, Rafael Fassi. Controlador para adaptao de injeo eletrnica em motores ciclo Otto originalmente carburados / Rafael Fassi Lobo. Salvador, 2011. 100f. : il. ; 30 cm.

Orientador: Ccero Alexandre Brando de Paula. Trabalho de concluso do curso (graduao) Faculdade de Tecnologia e Cincias, 2011.

1. Engenharia mecatrnica. 2. Sistemas de injeo eletrnica de combustvel em automveis. 3. ECU Eletronic Control Unit. 4. Controladores eltricos. 5. Poluentes. I. Faculdade de Tecnologia e Cincias. II. Paula, Ccero Alexandre Brando de. III. Ttulo. CDU 681.5

Ficha catalogrfica elaborada pelo Setor de Processamento Tcnico da Biblioteca da Faculdade de Tecnologia e Cincias FTC, Unidade Salvador - Bahia

Rafael Fassi Lobo

Controlador para Adaptao de Injeo Eletrnica em Motores Ciclo Otto Originalmente Carburados

Monograa aprovada como requisito parcial para obteno do ttulo de Bacharel em Engenharia Mecatrnica, da Faculdade de Tecnologia e Cincias (FTC). Salvador, de Junho de 2011

Ccero Alexandre Brando de Paula Mestrando em Engenharia Mecatrnica - UFBA Orientador: Faculdade de Tecnologia e Cincias - (FTC).

Jos Marciano Brito Carvalho Engenheiro Civil - UFBA Especialista em Gesto e Sistemas - UNEB Professor da disciplina: Faculdade de Tecnologia e Cincias - (FTC).

Dedico este trabalho a todas as pessoas que fazem sua parte para transformar este mundo em um lugar melhor.

AGRADECIMENTOSAgradeo aos meus pais por todo o incentivo e apoio que me deram durante o curso. Agradeo ao Prof. Ccero Brando, orientador deste trabalho, por todo apoio e incentivo que recebi durante sua execuo. Agradeo a todos meus amigos de turma, em especial, a Jorge Cardoso, por todos os nais de semana que passamos estudando, e as madrugadas em claro terminando projetos. Agradeo ao meu ex-coorientador e amigo, Prof. Julian Quezada, que no est mais na faculdade, mas me ajudou muito durante todo o curso.

A iniciativa o primeiro passo para o fracasso. Homer Simpson

RESUMOO presente trabalho, apresenta o desenvolvimento de um mdulo de controle ECU (do termo ingls, Eletronic Control Unit) aberto, que permita a adaptao de um sistema de injeo eletrnica em veculos originalmente carburados, baseando-se no mtodo de leitura direta da vazo mssica de ar admitida (Mass-Density), visando um aumento de desempenho, diminuio do consumo de combustvel e emisso de poluentes. Para isso, fez-se necessrio apresentar uma reviso bibliogrca sobre o funcionamento de motores quatro tempos ciclo Otto, relao ar/combustvel e avano de ignio. Tambm foram apresentadas as principais caractersticas dos sistemas de injeo eletrnica comerciais e suas principais estratgias de funcionamento. Foi proposto um sistema alternativo para bombeamento e regulagem da presso do combustvel, sem que sejam necessrias grandes modicaes no veculo original. Alm disso, foi apresentado o modelo de um motor ciclo Otto, que, a partir desse modelo foi implementado o controlador, dividindo seus recursos em mdulos funcionais, sendo denidas as estratgias de implantao e apresentao dos resultados. O mtodo utilizado para desenvolver o projeto consistiu em, analisar o problema, denir os requisitos, escolher a soluo, implementar, fazer a simulao em ambiente virtual, compreender e discutir os resultados. Palavras-chave: Injeo eletrnica, ECU, controlador, carburador, emisso de poluentes.

ABSTRACTThis work presents the development of a control module ECU (Electronic Control Unit) opened, allowing the adaptation of an electronic injection system on carbureted vehicles originally based on the method of direct read of mass air ow (Mass-Density), allowed increased performance, reduced fuel consumption and emission of pollutants. It became necessary to present a literature review on the operation of four-stroke Otto cycle engines, air/fuel ratio and spark advance. Were also presented the main characteristics of electronic injection systems and its main operating strategies. Proposed an alternative system for pumping and fuel pressure regulator without major modications being required in the original vehicle. In addition, was presented the model of an Otto cycle engine, which, from that template was implemented in the controller, dividing their resources into functional modules, being dened deployment strategies and presentation of results. The method used to develop the project was to analyse the problem, dene requirements, choose the solution you implement, making the simulation in virtual environment, understand and discuss the results. Keywords: Electronic fuel injection, ECU, controller, carburetor, emission of pollutants.

LISTA DE FIGURASFigura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Ciclo de trabalho de um MCI de quatro tempos Corte em um motor quatro tempos Razo de compresso 8:1 Vela de Ignio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

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Bobina de Ignio

Presso no cilindro em funo do avano de ignio Distribuidor de ignio

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Sistema de ignio convencional

Sistema de ignio eletrnica por induo

Figura 10 Sistema de ignio esttica

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Figura 11 Sistema de alimentao do carburador Figura 12 Sistema de marcha lenta do carburador Figura 13 Sistema de progresso do carburador Figura 14 Sistema principal do carburador

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Figura 15 Sistema de acelerao rpida do carburador Figura 16 Taxa de CO em funo do Figura 17 Taxa de NOx em funo do Figura 18 Taxa de HC em funo do

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura 19 Gases da combusto antes e depois do catalisador Figura 20 Corte de um catalisador

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 21 Diagrama bsico de um sistema de injeo Figura 22 Sistema de injeo single-point

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Figura 23 Sistema de injeo multi-point

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Figura 24 Pulso de ignio e tempo de injeo em sistemas sncronos Figura 25 Estratgia de injeo simultnea

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Figura 26 Estratgia de injeo banco a banco Figura 27 Estratgia de injeo sequencial

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura 28 Fator de enriquecimento em funo da temperatura Figura 29 Mapa base de tempo de injeo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 . . . . . . 55

Figura 30 Componentes tpicos de um sistema de injeo Mass-Density Figura 31 Ponte de Wheatstone Figura 32 Sensor MAF

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figura 33 Sensor de temperatura NTC Figura 34 Sensor de oxignio Figura 35 Fator vs tenso

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Figura 36 Princpio de um potencimetro Figura 37 Bomba de combustvel

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Figura 38 Mecanismos de bombeamento

Figura 39 Tanque de combustvel para bomba externa Figura 40 Tanque de combustvel com bomba interna Figura 41 Regulador de presso Figura 42 Injetor de combustvel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Figura 43 Diagrama bsico do sistema pretendido Figura 44 Mdulo de combustvel

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Figura 45 Tampa do mdulo de combustvel

Figura 46 Vista explodida do mdulo de combustvel Figura 47 Modelo motor ciclo otto

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Figura 48 Modelo motor ciclo otto modicado

Figura 49 Diagrama de anlise do modelo

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Figura 50 Resposta do sensor EGO ao degrau na injeo de combustvel Figura 51 Atraso no trasporte do sensor EGO Figura 52 Vericao da relao A/F do motor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Figura 53 Controlador dividido em mdulos funcionais

Figura 54 Diagrama do mdulo de controle da injeo base

Figura 55 Diagrama do mdulo de controle em malha fechada Figura 56 Filtragem do sinal do sensor EGO

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Figura 57 Grco de conceito de um integrador Figura 58 Entrada e sada do integrador

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 . . . . . . . . . . . . 78 . . . . . . . . . . . . . 79 . . . . . . . . . . . . 79 . . . . . . . . . . . . . . 80 . . . . . 81 . . . . . . . 82

Figura 59 Diagrama de sistema para abrir a malha

Figura 60 Comportamento de conservao de sada do integrador Figura 61 Diagrama do mdulo de compensao da temperatura Figura 62 Diagrama do mdulo de enriquecimento em plena carga Figura 63 Variao do ngulo da borboleta em relao ao tempo

Figura 64 Diagrama do mdulo de enriquecimento em acelerao rpida Figura 65 Diagrama do mdulo de corte de combustvel em freio motor Figura 66 Diagrama completo do controlador implementado Figura 67 Diagrama de simulao do controle de injeo base Figura 68 Grco da simulao do controle de injeo base

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 . . . . . . . . . . . . . . . . 85 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 . . . . . . . . . . . . . 86 . . . . . . . . . . 87 . . . . . . . . 88 . . . . . . . . . . 88 . . . . . . . 89

Figura 69 Diagrama de simulao do controle em malha fechada

Figura 70 Comparao de malha aberta e fechada sem perturbao Figura 71 Tempo de injeo vs sensor EGO em um sistema comercial Figura 72 Comparao de malha aberta e fechada com perturbao

Figura 73 Fechamento da malha por temperatura e tempo de operao Figura 74 Diagrama de simulao do compensador de temperatura

. . . . . . . . . . . 90

Figura 75 Sistema com compensador de temperatura e sem compensador Figura 76 Diagrama de simulao do enriquecimento em plena carga Figura 77 Simulao do sistema de enriquecimento em plena carga

. . . . 90

. . . . . . . . . 91 . . . . . . . . . . 91 . . . 92

Figura 78 Diagrama de simulao do enriquecimento em acelerao rpida Figura 79 Simulao de enriquecimento em acelerao rpida Figura 80 Diagrama de simulao de corte em freio motor Figura 81 Simulao de corte de combustvel em freio motor

. . . . . . . . . . . . . . . . 92

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

LISTA DE TABELASTabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4 ngulo de permanncia para ignio eletrnica Relao estequiomtrica dos combustveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 . . . 52

Exemplo de correo da mistura A/F em funo da temperatura. Resposta do fator ao degrau de tempo de injeo

. . . . . . . . . . . . . . . . 69

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASACT ECU EGO ESS HEGO MAF MAP MCI MP NTC PI PMI PMS PTC RPM SP TPS VE Air Change Temperature Eletronic Control Unit Exhaust Gas Oxygen Engine Speed Sensor Heated Exhaust Gas Oxygen Mass-Air Flow Manifold Absolute Pressure Motor de Combusto Interna Mult-Point Negative Temperature Coefcient Proporcional-Integral Ponto Morto Inferior Ponto Morto Superior Positive Temperature Coefcient Rotao Por Minuto Singue-Point Throttle Position Sensor Volumetric Efciency

LISTA DE SMBOLOSv m A/F C CH4 CO CO2 Fcorr Fenriq H H2 O HxCy Mo N2 NO NO2 NOx O Pd Ro SOx Tin j Vcorr ZR O2

Ecincia Volumtrica Fator Lambda Vazo Mssica Razo Ar/Combustvel Carbono Metano Monxido de Carbono Dixido de Carbono Fator de Correo Fator de Enriquecimento Hidrognio gua Hidrocarbonetos Molibdnio Nitrognio Monxido de Nitrognio Dixido de Nitrognio xido de Nitrognio Oxignio Paldio Rdio xido de Enxofre Tempo de Injeo Velocidade de Correo Dixido de Zircnio

SUMRIO

1 1.1 1.2 1.3 1.4

INTRODUO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 DELIMITAO DO TEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 HIPTESE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.4.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.2 Objetivos Especcos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5 1.6 1.7 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 MTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 MOTORES CICLO OTTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 VOLUME DO CILINDRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 RAZO DE COMPRESSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 EFICINCIA VOLUMTRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 SISTEMA DE IGNIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 AVANO DE IGNIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 IGNIO COM DISTRIBUIDOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.1 Ignio Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2.2 Ignio Eletrnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 IGNIO ESTTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 5.1

O CARBURADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 SISTEMA DE ALIMENTAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 SISTEMA DE MARCHA LENTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 SISTEMA DE PROGRESSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 SISTEMA PRINCIPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 SISTEMA DE ACELERAO RPIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 MISTURA AR/COMBUSTVEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 GASES PRODUZIDOS NA COMBUSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.1.1 Monxido de Carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.1.2 xido de Nitrognio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.1.3 Hidrocarbonetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.2 6 6.1 PROCESSO CATALTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 INJEO ELETRNICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 ESTRATGIAS DE FUNCIONAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.1.1 Mass-Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.1.2 Speed-Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.2 6.3 ESTRATGIAS DE DOSAGEM DO COMBUSTVEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 ENRIQUECIMENTO E CORTE DE COMBUSTVEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.3.1 Enriquecimento Devido a Temperatura e Partida do Motor . . . . . . . . . . . . 50 6.3.2 Enriquecimento Devido ao Regime de Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.3.3 Corte de Combustvel em Freio Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.3.4 Corte de Combustvel para Limitar a Rotao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.4 6.5 MAPAS DE CALIBRAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 COMPONENTES DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.5.1 Transdutor de Vazo Mssica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.5.2 Sensor de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.5.3 Sensor de Oxignio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.5.4 Sensor de Posio da Borboleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.5.5 Bomba de Combustvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.5.6 Regulador de Presso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.5.7 Injetor de Combustvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 7 7.1 7.2 7.3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 VISO GERAL DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 DEFINIO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE COMBUSTVEL . . . . 66 DEFINIO DO MODELO DO MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.3.1 Validao do Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7.4 IMPLEMENTAO DO CONTROLADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.4.1 Controle de Injeo Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.4.2 Controle em Malha Fechada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.4.3 Compensao de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.4.4 Enriquecimento em Plena Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.4.5 Enriquecimento em Acelerao Rpida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.4.6 Corte de Combustvel em Freio Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.5 8 8.1 CONSIDERAES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 RESULTADOS E DISCUSSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 SIMULAES EM AMBIENTE VIRTUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

8.1.1 Controle de Injeo Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 8.1.2 Controle em Malha Fechada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.1.3 Compensao de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 8.1.4 Enriquecimento em Plena Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

8.1.5 Enriquecimento em Acelerao Rpida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 8.1.6 Corte de Combustvel em Freio Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.2 9 CONSIDERAES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 CONCLUSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

REFERNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

19

1

INTRODUO

Desde o surgimento dos motores ciclo Otto existe a necessidade de se dosar a quantidade de ar e combustvel para sua alimentao. O carburador surgiu com essa nalidade, sendo inventado por Karl Benz, fundador da Mercedes-Benz R em 1885 e aperfeioado em 1883 pelos cientistas hngaros Dont Bnki e Jnos Csonka, segundo matria da Ocina-Brasil (ago. 2007). Ds de ento, o carburador foi utilizado como sistema de alimentao padro em todos os motores ciclo Otto e sofreu vrios avanos ao longo dos anos. Mas mesmo com todo avano e sosticao ele ainda era um sistema puramente mecnico e possua grandes limitaes para dosar o combustvel de forma eciente em todas as condies de trabalho de um motor, ocasionando um desperdcio de combustvel, alta emisso de poluentes na atmosfera e baixo desempenho. A busca por melhor ecincia motivou o desenvolvimento do sistema de injeo eletrnica o qual por intermdio de sensores eletrnicos consegue se adaptar a todas as condies de funcionamento do motor levando ao melhor aproveitamento do combustvel. O primeiro sistema de injeo eletrnica foi o D-Jetronic desenvolvido pela Bosch R em 1967. No incio se tratava de um sistema analgico sem muitos recursos, que controlava somente a injeo de combustvel no motor, mas com a evoluo dos microprocessadores os sistemas incorporaram mais funes, que envolvem o controle de marcha lenta, controle de avano de ignio, controle do sistema de arrefecimento, ar condicionado, imobilizador de partida e sistema de auto-diagnose de falhas. Na atualidade o sistema de injeo eletrnica gerencia todo o funcionamento do motor e seus agregados. Este trabalho tem como foco a implementao de um sistema que garanta a correta alimentao de combustvel para um motor a gasolina ciclo Otto, com o propsito de mitigar os problemas apresentados em carros equipados com sistema de carburao. Apresentando como proposta o desenvolvimento de uma ECU que possibilite melhorar o desempenho do processo de combusto, reduzindo o consumo e as emisses.

20

1.1

DELIMITAO DO TEMA

Desenvolvimento de uma ECU (Eletronic Control Unit) aberta, para gerenciar um sistema de injeo eletrnica automotivo, em motores de combusto interna ciclo Otto a gasolina, visando suprir o motor com combustvel proporcionalmente massa de ar admitida.

1.2

PROBLEMA

Como substituir em veculos automotivos, o carburador por um sistema de controle eletrnico, que gerencie a mistura de combustvel de forma mais eciente?

1.3

HIPTESE

possvel desenvolver uma ECU de controle congurvel e utilizar de sensores e atuadores, para controlar o processo de injeo de combustvel em um motor.

1.41.4.1

OBJETIVOSObjetivo Geral

Este trabalho se prope a desenvolver uma ECU que possibilite a instalao de um sistema de injeo eletrnica em veculos carburados, visando o aumento de desempenho, diminuio do consumo de combustvel e emisso de poluentes.

1.4.2

Objetivos Especcos

a) Compreender o controle da relao ar/combustvel em motores ciclo Otto; b) Identicar o modelo do processo; c) Modelar e testar o sistema em ambiente virtual.

21

1.5

JUSTIFICATIVA

H muitos anos os veculos de passeio automotivos vm equipados com um sistema de injeo eletrnica de combustvel. Esse sistema serve para substituir o antigo carburador e sistema de ignio convencional por um sistema de controle eletrnico em malha fechada que visa obter o mximo de desempenho do motor com o mnimo consumo de combustvel possvel. O principal componente da injeo eletrnica a ECU, que responsvel por ler os parmetros de funcionamento do motor, fazer os clculos e ajustes necessrios para cada condio de funcionamento possvel e assim controlar os atuadores, gerenciando o motor. Essas ECUs de controle so fabricadas por grandes empresas como Bosch R , Magneti Marelli R , Siemens R , etc. O maior problema o fato de elas serem caixas pretas, programadas pelo fabricante para um veculo especco. Isso limita muito a substituio do sistema original do veculo por outro e, principalmente a adaptao da injeo em um veculo originalmente carburado. Devido a essa diculdade, ainda existem diversos veculos nas ruas que utilizam o carburador, como sistema de alimentao de combustvel, ocasionando um grande desperdcio de combustvel e contribuindo de forma desnecessria para o aumento de poluentes na atmosfera. A criao de um sistema de injeo eletrnica aberto e alternativo, facilitar o uso desta tecnologia.

1.6

MTODOS

Este trabalho de carter explicativo e tm como base bibliogrca, publicaes realizadas por grandes empresas no ramo automotivo, livros especializados e artigos acadmicos. As tcnicas utilizadas consistem no estudo dos princpios da combusto em motores ciclo Otto, identicando suas caractersticas com relao mistura ar/combustvel. Atravs deste estudo ser levantado o modelo do processo denindo as variveis a serem monitoradas e manipuladas por meio de sensores e atuadores, que iro interagir com o meio. Aps a denio do modelo, o controlador ser desenvolvido e simulado em ambiente virtual.

22

1.7

ESTRUTURA DO TRABALHO

Aqui esto apresentados os 9 captulos abordados neste trabalho, onde so evidenciados os seus contedos: Captulo 1: apresenta uma viso geral do trabalho, descrevendo os objetivos e os resultados a serem alcanados com sua concluso; Captulo 2: introduo ao funcionamento de um motor ciclo Otto; Captulo 3: apresentao dos principais sistemas de ignio; Captulo 4: descreve o funcionamento do carburador em vrios regimes de trabalho; Captulo 5: princpios de razo ar combustvel e emisso de gases; Captulo 6: descrio do funcionamento dos principais sistemas de injeo eletrnica e seus componentes; Captulo 7: metodologia utilizada na criao do projeto e consideraes do desenvolvimento; Captulo 8: simulao e discusso dos resultados obtidos; Captulo 9: concluso do trabalho.

23

2

MOTORES CICLO OTTO

Motores so mquinas capazes de converter a energia qumica do combustvel em energia cintica no eixo de manivelas (SANTOS, 2004). Motores a exploso ciclo Otto tambm so conhecidos como motores de ignio por centelha, e podem ser de dois ou quatro tempos, segundo Santos (2004, p. 1). A maioria dos automveis utiliza motores quatro tempos. Motores dois tempos so muito utilizados em motos, motores de popa de barcos, moto-serras, etc. Por este projeto ser direcionado para automveis, ser tratado somente das caractersticas de motores quatro tempos. Em um motor de combusto interna (MCI), a potncia gerada resultado da exploso proveniente da queima do combustvel. O motor denominado de quatro tempos pois, para que o motor realize um ciclo completo, so necessrias quatro fases. Santos (2004, p. 2) descreve essas fases como: Fase de admisso: Nesta fase a vlvula de admisso se encontra aberta e a vlvula de exausto fechada. Conforme o pisto desce do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI), criado um arraste do ar atmosfrico e do combustvel para dentro do cilindro, atravs da vlvula de admisso; Fase de Compresso: A vlvula de admisso fechada e o pisto comea a subir do PMI para o PMS. Devido s vlvulas estarem fechadas, o ar dentro do cilindro ir ser comprimido causando um aumento na presso; Fase de Expanso: Com as vlvulas de admisso e exausto ainda fechadas, ocorre uma fasca proveniente da vela de ignio que, causa a queima do combustvel que est misturado com o ar comprimido. Com a queima do combustvel ocorre a expanso empurrando o pisto para baixo, gerando assim a potncia do motor. A fasca da vela ocorre antes do pisto atingir o PMS devido ao tempo de propagao da exploso; Fase de Exausto: A queima do combustvel gera resduos que devem ser expulsos do cilindro antes de recomear um novo ciclo. Para isso, a vlvula de exausto

24

aberta enquanto a de admisso continua fechada. O pisto sobe do PMI para o PMS expulsando os resduos da queima pela vlvula de exausto. A gura 1 ilustra as quatro fases de um motor 4 tempos.

Figura 1: Ciclo de trabalho de um MCI de quatro tempos Fonte: (BRAGA, 2007)

Como pode ainda ser observado na gura 1, em um ciclo completo do motor, o pisto sobe e desce duas vezes. A cada subida e posterior descida, o eixo de manivelas rotacionado em uma volta completa. Ento, para um ciclo completo do motor, o eixo de manivelas precisa rotacionar duas voltas. Para controlar a sequncia de abertura das vlvulas, normalmente se utiliza um comando de vlvulas que consiste de um eixo com ressaltos. Esse eixo conectado ao eixo de manivelas atravs de um mecanismo de transmisso de fora, que pode ser correia dentada, corrente ou varetas. O mais comum se utilizar uma correia dentada, que ca ligada ao eixo do comando atravs de uma coroa solidria a sua extremidade e um pinho solidrio ao eixo de manivelas. Devido ao eixo de manivelas girar duas voltas para cada ciclo completo do motor, a relao de coroa e pinho de 2:1, segundo Melconian (2007, p. 4). A alimentao de combustvel do motor pode ser feita atravs de um carburador, no qual, o combustvel sugado para a cmara de exploso pelo prprio arraste do ar ou por um sistema de injeo eletrnica que, injeta o combustvel diretamente em cima da vlvula de admisso. A fasca da vela controlada pelo sistema de ignio. Em veculos carburados normalmente se usa um distribuidor para o controle da sequncia e um transformador para gerar a fasca.

25

Figura 2: Corte em um motor quatro tempos Fonte: (SANTOS, 2004)

2.1

VOLUME DO CILINDRO

De acordo com Santos (2004, p. 13), o volume de ar deslocado quando o pisto se move do PMS para o PMI denido pela equao:

VD =

d 2 L 4

(2.1)

Para se obter o volume deslocado total ou a cilindrada do motor, basta multiplicar a frmula 2.1 pelo nmero de cilindros do motor. Sendo: VD = Volume deslocado (cm3 ); d = Dimetro do cilindro (cm); L = PMS - PMI (cm).

26

2.2

RAZO DE COMPRESSO

A razo de compresso (Rc) do motor ou taxa de compresso, a relao entre o volume total do cilindro quando o pisto se encontra no PMI e o volume da cmara de combusto (Vcc) quando o pisto est no PMS. Segundo Santos (2004, P. 14), a RC denida pela seguinte equao:

RC =

VD +VCC VCC

(2.2)

A gura 3 exibe uma relao de compresso 8:1.

Figura 3: Razo de compresso 8:1 Fonte: (SANTOS, 2004)

2.3

EFICINCIA VOLUMTRICA

Na fase de admisso do motor, conforme o pisto desce do PMS para o PMI, feito um arraste de ar que corresponde ao volume denido pela equao 2.1. A medida de volume no consegue denir corretamente a quantidade de ar admitida na cmara de exploso, pois a depender de fatores como temperatura e presso atmosfrica, a densidade do ar ser alterada, modicando a quantidade real de ar para um mesmo volume. Para um MCI a medida mais importante a massa de ar, que conforme Sonntag, Wylen e Borgnakke (2003), denida pela equao:

27

m = .V Onde: m = Massa de ar (kg); = Massa especca do ar (kg/m3 ); V = Volume de ar (m3 ).

(2.3)

Sonntag, Wylen e Borgnakke (2003) sugerem que o ar pode ser considerado um gs perfeito devido a possuir grande distncia mdia entre suas molculas. Para um gs perfeito a relao entre presso, volume, massa e temperatura so denidos pela equao:

p.V = m.R.T Onde: T = Temperatura (K); p = Presso (kN/m2 ); R = Constante universal dos gases = 0,287 (kN.m/kg.K). Comparando-se as equaes 2.3 e 2.4 resulta que:

(2.4)

=

p R.T

(2.5)

m=

p.V R.T

(2.6)

Para um motor em funcionamento, medida que mais interessa a vazo mssica (m) que o resultado da variao da massa em relao ao tempo, ou:

m=

dm dt

(2.7)

28

Considerando que a rotao do motor em revoluo por minuto (RPM) baseada na rotao do eixo de manivelas e, que para um ciclo completo do motor ocorrem duas revolues, pode-se concluir pela equao 2.6 que a vazo mssica ser:

m=

p.V .n.Ncil 2.R.T

(2.8)

Sendo: m = Vazo mssica (kg/min); n = Rotao do eixo de manivelas (RPM); Ncil = Nmero de cilindros do motor. A equao 2.8 representa a vazo mssica em um motor que atua como uma bomba de ar ideal. Nos motores reais, devido s perdas que variam devido a fatores construtivos, a quantidade de ar real em um motor tende a ser menor. A razo entre a massa de ar real admitida no cilindro e a ideal, calculada pela equao 2.8, chama-se ecincia volumtrica (v ), representada pela equao 2.9.

v =

ma ma .R.T = mi p.V

(2.9)

Onde: ma = Massa de ar real admitida (kg/min); mi = Massa de ar ideal (kg/min).

29

3

SISTEMA DE IGNIO

O sistema de ignio tem como funo criar uma centelha dentro da cmara de combusto para iniciar a queima do combustvel. A centelha deve ocorrer em um momento preciso para garantir o melhor aproveitamento da energia do combustvel. Para criar a centelha na cmara de exploso se utiliza um componente denominado vela de ignio, apresentada na gura 4. A vela consiste em um eletrodo normalmente de cobre revestido por material cermico, o que garante resistncia a elevadas temperaturas e possu timo isolamento eltrico. Em sua extremidade superior, se origina o pino central, no qual se conecta a um cabo condutivo que transmite corrente em alta tenso para a vela. O corpo da base chamado de castelo metlico, onde possu a rosca para xao no motor e, em sua extremidade inferior, existe a ponta lateral do eletrodo, que fecha o circuito eltrico da centelha com a ponta central do eletrodo.

Figura 4: Vela de Ignio Fonte: (NGK, 2010)

Para que a centelha ocorra, necessrio que seja aplicado na vela uma tenso elevada o suciente para vencer a barreira de potencial do ar, que segundo TECNOMOTOR (1987, p. 26), normalmente ocorre com uma tenso superior a 5KV para as

30

distncias convencionais de abertura das velas. Para gerar tal tenso utilizado um transformador conhecido como bobina de ignio, que apresentada na gura 5.

Enrolamento primrio

Enrolamento secundrio

Ncleo de ferro laminado

Figura 5: Bobina de Ignio Fonte: (ALFATEST, 1995)

Fitzgerald, Kingsley e Umans (2006, p. 69) descrevem que, em essncia, um transformador formado de dois ou mais enrolamentos acoplados atravs de um uxo magntico comum. Os transformadores mais comuns possuem dois enrolamentos sendo, um denominado de primrio e o outro de secundrio. Quando o enrolamento primrio recebe uma tenso alternada, produzido um uxo magntico alternado, cuja sua amplitude depende da tenso aplicada no primrio, frequncia da tenso e do nmero de espiras do enrolamento primrio. O uxo magntico gerado pelo primrio alcana o enrolamento secundrio induzindo no mesmo uma tenso, cuja seu valor depende do uxo magntico comum gerado pelo primrio e do nmero de espiras do secundrio. Fitzgerald, Kingsley e Umans (2006, p. 69) ainda descrevem que, se for estabelecida uma proporo adequada entre o nmero de espiras do enrolamento primrio e do secundrio, qualquer relao de tenses pode ser obtida. Para que um transformador funcione, necessrio somente haver um uxo magntico comum e varivel no tempo que enlace dois enrolamentos. Tais enrolamentos podem ser separados apenas pelo ar, dizendo assim que eles so acoplados pelo ar. Porm, Fitzgerald, Kingsley e Umans (2006, p. 69) sugerem que se os enrolamentos forem acoplados por um ncleo de ferro, ou algum outro metal ferromagntico, consegue-se uma ecincia muito maior do transformador, pois, o uxo magntico comum ca connado a um caminho de alta permeabilidade que enlaa os dois enrolamentos. Normalmente esses ncleos so de ferro laminado.

31

3.1

AVANO DE IGNIO

Para um MCI de quatro tempos, durante um ciclo completo do motor, s existe trabalho sendo transferido para o eixo de manivelas durante a fase de expanso do motor, sendo que para as outras trs fases existe somente consumo de energia. Para maximizar o processo de expanso usa-se no somente o controle da razo de ar e combustvel (A/F), mas tambm um controle do avano de ignio, visando melhor aproveitamento da energia qumica fornecida pelo combustvel. Segundo Glehn (1999, p. 17), conforme ocorre centelha da vela de ignio, existe um tempo de retardo para que o combustvel entre em combusto e libere sua energia. Devido a este fato necessrio que a centelha ocorra antes do pisto atingir o PMS, para que quando se iniciar a fase de expanso a combusto esteja com sua mxima energia. Dessa forma, tem-se um melhor aproveitamento da alta compresso que existe durante no incio da fase de expanso, segundo Denton (2004, p. 171). A diferena de posio do eixo de manivelas entre o momento que ocorre a fasca da vela e momento que o pisto atinge o PMS chamada de avano de ignio e medida em graus, considerando-se 0 quando o motor est no PMS. A gura 6 mostra o comportamento da presso em um cilindro em funo do avano de ignio.

Figura 6: Presso no cilindro em funo do avano de ignio Fonte: (BRAGA, 2007)

Durante a fase de compresso do motor, ocorre um aumento na presso interna do cilindro devido ao movimento de subida do pisto. Antes de o pisto atingir o PMS, gerada uma centelha atravs da vela que inicia a combusto, gerando uma frente de chama que se propaga em direo as paredes do cilindro, aumentando a temperatura interna e contribuindo para o aumento rpido da presso. Conforme Denton (2004, p. 171), maior pico de presso no cilindro ocorre no momento em que a frente

32

de chama atinge as paredes do cilindro. A alta presso e temperatura que ocorre no incio da fase de expanso causam uma dissociao dos componentes qumicos do combustvel, impedindo que ele seja completamente queimado nesse instante. Conforme a diminuio da presso e temperatura pelo movimento de descida do pisto, ocorre uma re-associao qumica do combustvel, liberando mais energia e prolongando a combusto, conforme Denton (2004, p. 171).

3.2

IGNIO COM DISTRIBUIDOR

Em motores com mais de um cilindro e uma nica bobina de ignio, necessrio distribuir a corrente da bobina para os cilindros corretos de forma ordenada. Para esta nalidade existe um componente denominado distribuidor de ignio. A gura 7 ilustra os componentes bsicos de um distribuidor. No centro existe um eixo que rotaciona uma volta a cada ciclo completo do motor. O componente rotor ca montado sobre o eixo e recebe a corrente da bobina em sua parte central, transmitindo essa corrente para o cabo onde sua extremidade est apontando, que por sua vez, est conectado a vela do cilindro onde deve ocorrer a exploso. A parte inferior do distribuidor responsvel por controlar a excitao da bobina de ignio e o avano. O avano controlado pelo deslocamento rotacional centrfugo do eixo central e pelo deslocamento do prato base, atravs de uma cpsula pneumtica acionada pelo vcuo do motor.

3.2.1

Ignio Convencional

A gura 8 mostra de forma enxuta um sistema de ignio convencional. Em um sistema de ignio convencional existe um componente do tipo interruptor de contato, denominado platinado, que ca junto a uma parte excntrica do eixo do distribuidor que funciona como um came. O platinado aberto quando o ressalto do eixo se aproxima de uma posio perpendicular ao mesmo, e fechado por ao de uma mola. Quando o platinado no est no ressalto, o circuito da bobina fechado, fazendo circular corrente pelo indutor da mesma. Neste instante, se diz que a bobina est em carga, pois com a circulao da corrente armazena energia em forma de campo magntico. O perodo que o platinado ca fechado fornecendo carga para a bobina denominado ngulo de permanncia, e medido em graus com relao ao eixo

33PRINCIPAIS COMPONENTES DO DISTRIBUIDORTerminal de alta tenso procedente da bobina Escova de carvo Terminais das velas

Terminal de alta tenso para as velas

TAMPA DO DISTRIBUIDOR: Um cabo proveniente da bobina e ligado a um contato central ou a uma escova de carvo, e sempre em contato com o rotor pela ao de uma mola, conduz a corrente da bobina para o distribuidor. Contato do platinado

Prato base

ROTOR: Quando o rotor gira, a corrente procendente da escova central atravessa o eletrodo metlico e salta, sob forma de fasca, para cada um dos terminais das velas. Fio de baixa tenso proveniente da bobina Parafuso de regulagem

Mecanismo de avano por vcuo

Eixo do platinado Eixo do distribuidor Eixo do comando As engrenagens helicoidais transmitem a rotao ao eixo do distribuidor CORPO DO DISTRIBUIDOR: Contm a seo de baixa tenso do distribuidor, incluindo o platinado, que comanda o momento da inamao. O platinado possu um contato mvel, acionado por um excntrico existente no eixo do distribuidor, e um contato que, estando xo ao prato do platinado no corpo do distribuidor, ca imvel, exceto para as regulagens de folga entre os referidos contatos. O condensador que protege os contatos do platinado contra as extra correntes de ruptura tambm est no distribuidor.

Figura 7: Distribuidor de ignio Fonte: (ALFATEST, 1995)

do distribuidor, conforme ALFATEST (1995, p. 30). Em um sistema de ignio convencional, o ngulo de permanncia xo e seu valor tpico de 50 (TECNOMOTOR, 1987, p. 11). Quando o platinado abre, devido ao indutor da bobina no permitir a variao brusca de corrente, surge um pico de alta tenso no primrio, que amplicado no secundrio atravs dos enrolamentos internos. Esta tenso elevada o suciente para ser transferida ao distribuidor e encaminhada para a vela que est no cilindro onde deve ocorrer exploso, gerando assim a centelha que dar incio a combusto. O problema deste sistema o desgaste do platinado devido ao chaveamento de alta corrente para a bobina, como tambm, o desgaste e folga do eixo que atua no platinado.

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Figura 8: Sistema de ignio convencional Fonte: (ALFATEST, 1995)

3.2.2

Ignio Eletrnica

O sistema de ignio eletrnica se difere da ignio convencional pelo fato de no existir o platinado. Normalmente, dentro do distribuidor existe um sensor indutivo como mostra a gura 9, ou um sensor de efeito hall. O sensor somente informa para um mdulo de ignio a posio do distribuidor e, o mdulo quem faz o chaveamento da bobina atravs de transistores de potncia. A vantagem deste sistema que pelo fato do chaveamento ser eletrnico, no existe desgaste de contatos ou eixos, sendo muito mais convel e praticamente no exige manuteno.

Figura 9: Sistema de ignio eletrnica por induo Fonte: (ALFATEST, 1995)

Em um sistema de ignio eletrnica o ngulo de permanncia varia com a rotao do motor de acordo com a tabela 1.

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Tabela 1: ngulo de permanncia para ignio eletrnica Rotao ngulo de permanncia 1500 rpm 34o a 52o 2000 rpm 43o a 55o 3000 rpm 50o a 60o Fonte: (TECNOMOTOR, 1987)

3.3

IGNIO ESTTICA

Em um sistema de ignio esttica no existe a presena de um distribuidor ou qualquer outro componente mecnico. Normalmente a referncia de rotao proveniente de um sensor indutivo, montado perpendicularmente a uma roda dentada solidria ao eixo de manivelas. Neste sistema existe uma bobina para cada cilindro ou uma bobina para cada dois cilindros, conforme ilustra a gura 10.

Figura 10: Sistema de ignio esttica Fonte: (ALFATEST, 1995)

Quando se utiliza uma bobina para cada dois cilindros sempre ocorrer uma centelha perdida, pois para fechar o circuito do indutor secundrio a corrente deve passar pelas duas velas conectadas a ele. Isso implica que sempre ir ocorrer centelha em dois cilindros ao mesmo tempo, sendo que s um estar em fase de expanso.

36

4

O CARBURADOR

Conforme j foi discutido em captulos anteriores, o carburador foi utilizado por vrios anos como o componente responsvel pela dosagem de combustvel em motores ciclo Otto. Seu princpio de funcionamento puramente mecnico e ser explicado a seguir:

4.1

SISTEMA DE ALIMENTAO

O carburador possui uma cuba interna que precisa se manter com um determinado nvel de combustvel e, para isso, se utiliza um sistema com vlvula de agulha e utuador. Quando a cuba est abaixo no nvel, a vlvula de agulha est aberta permitindo o enchimento da cuba com combustvel. Conforme o nvel da cuba aumenta, o utuador vai empurrando a agulha e assim fechando a entrada de combustvel. Assim que o nvel da cuba ca abaixo do limite, devido consumo de combustvel do motor, o utuador desce permitindo que a agulha abra e deixe novamente entrar combustvel na cuba. Com este processo a cuba tende a manter sempre um nvel constante. A gura 11 ilustra os componentes principais do sistema de alimentao.

Figura 11: Sistema de alimentao do carburador Fonte: (BROSOL, 1983, p. 6)

37

4.2

SISTEMA DE MARCHA LENTA

Quando o motor est em marcha lenta, a borboleta do acelerador est fechada. Nesta situao, o vcuo produzido abaixo da borboleta muito forte e suga o combustvel atravs de um orifcio que restringido por um parafuso com ponta cnica e um gargulante de marcha lenta. O vcuo acima da borboleta desprezvel nesta condio, no causando nenhum arraste pelo difusor secundrio. Assim, todo combustvel fornecido para o motor nesta situao proveniente do sistema de marcha lenta, conforme ilustra a gura 12.

Figura 12: Sistema de marcha lenta do carburador Fonte: (BROSOL, 1983, p. 4)

4.3

SISTEMA DE PROGRESSO

Conforme a borboleta do acelerador comea a abrir aumentando a rotao do motor, o orifcio de marcha lenta j no consegue fornecer combustvel suciente para suprir o motor. Nesta condio, o vcuo no difusor secundrio ainda pequeno para iniciar o arraste de combustvel pelo sistema principal. Para suprir o motor nesta situao, existem orifcios de progresso logo acima da borboleta em sua posio fechada. Quando a borboleta vai sendo aberta descobrindo esses orifcios, o motor comea a fazer um arraste de combustvel atravs destes. Isso proporciona uma passagem do sistema de marcha lenta para o sistema principal de forma suave, sem que exista uma condio de decincia. Alguns textos apresentam o sistema de progresso como parte do sistema de marcha lenta, devido a utilizarem os mesmos canais e o mesmo gargulante, somente mudando os orifcios de arraste para cada situao. A gura 13 ilustra o funcionamento do sistema de progresso.

38

Figura 13: Sistema de progresso do carburador Fonte: (BROSOL, 1983, p. 4)

4.4

SISTEMA PRINCIPAL

Quando a borboleta do acelerador est com uma maior abertura e a rotao do motor mais elevada, os sistemas de marcha lenta e de progresso j no conseguem suprir o motor com combustvel suciente. Nesta situao existe um grande uxo de ar que, ao passar pelo difusor primrio cria um vcuo e assim, entra em funcionamento o sistema de alimentao principal, no qual o ar ao passar pelos difusores e suga o combustvel pelo difusor principal. O combustvel sugado passa pelo gargulante principal e misturado com ar proveniente de um respiro calibrado, atravs de um tubo misturador, conforme ilustra a gura 14.

Figura 14: Sistema principal do carburador Fonte: (BROSOL, 1983, p. 5)

39

4.5

SISTEMA DE ACELERAO RPIDA

Se a borboleta do acelerador for aberta rapidamente, o sistema principal no consegue suprir instantaneamente o motor com combustvel suciente, resultando em uma decincia e demora na resposta dinmica. Para contornar esse problema, todos os carburadores so dotados de um sistema de acelerao rpida, que permite injetar uma quantidade de combustvel adicional quando a borboleta do acelerador aberta. O sistema funciona da seguinte forma: Existe uma haste ligando a borboleta do acelerador a uma bomba de diafragma com mola e esferas. Quando a borboleta se abre, a haste ligada a ela comprime um diafragma contra o combustvel que est na cmara da bomba. Nesta situao existe uma esfera que fecha a passagem de combustvel para a cuba e outra que abre a passagem para uma tubulao que conduz o combustvel at um injetor calibrado, no qual o combustvel injetado no motor. Conforme a borboleta fechada, uma mola faz o diafragma voltar para sua posio de repouso, criando uma suco que fecha a esfera da tubulao do injetor e abre a esfera que conduz a cuba, enchendo a cmara da bomba novamente com combustvel proveniente da cuba. Devido a este sistema de injeo forada de combustvel, o carburador permite que o motor passe de uma rotao de marcha lenta a uma rotao elevada, de forma rpida e sem decincia. A gura 15 ilustra o sistema de acelerao rpida de um carburador.

Figura 15: Sistema de acelerao rpida do carburador Fonte: (BROSOL, 1983, p. 6)

40

5

MISTURA AR/COMBUSTVEL

Para que o processo de combusto ocorra necessrio que existam ar e combustvel no interior do cilindro, mas a quantidade de combustvel deve ser proporcional massa de ar admitida. Segundo Glehn (1999, p. 15), a relao ar/combustvel ideal chamada de estequiomtrica e ocorre quando, o carbono (C) do combustvel reage com o oxignio (O) resultando em dixido de carbono (CO2 ), o hidrognio (H) tambm reage com o oxignio, formando vapor de gua (H2O ). O nitrognio (N2 ) admitido e expelido da mesma forma, pois no participa da reao. A tabela 2 mostra a relao estequiomtrica para os combustveis mais comuns.Tabela 2: Relao estequiomtrica dos combustveis Combustvel Gasolina lcool (etanol) Gasolina com 22% de etanol Diesel Metanol Propano Butano Metano Gs Liquefeito de Petrleo (GLP) Querosene Hidrognio ter Fonte: (GLEHN, 1999, p. 15) Relao estequiomtrica Gramas de ar para cada grama de combustvel. 14,7 / 1 kg/kg 9,0 / 1 kg/kg 13,3 / 1 kg/kg 15,2 / 1 kg/kg 6,4 / 1 kg/kg 15,6 / 1 kg/kg 15,4 / 1 kg/kg 17,2 / 1 kg/kg 15,5 / 1 kg/kg 14,5 / 1 kg/kg 34,0 / 1 kg/kg 7,7 / 1 kg/kg

A razo entre a relao ar/combustvel (A/F) real admitida no motor e a estequiomtrica denida como fator lambda ( ) de acordo com a equao 5.1.

=

(A/F)real (A/F)ideal

(5.1)

41

Sendo: (A/F)real = Relao ar/combustvel real sendo admitida no motor. (A/F)ideal = Relao ar/combustvel estequiomtrica, conforme tabela 2. A equao 5.1 indica que quando = 1 a mistura ideal ou completa, estando massa de ar proporcionalmente correta com a massa de combustvel admitida. Quando < 1 existe muito combustvel para pouco ar, sendo esta condio caracterizada como mistura rica. Outra condio possvel a mistura pobre que ocorre quando > 1 indicando muito ar para pouco combustvel.

5.1

GASES PRODUZIDOS NA COMBUSTO

Conforme j mencionado, em uma queima ideal resultaria do processo de combusto apenas CO2 , H2 O e N2 , os quais no so considerados poluentes, conforme Glehn (1999, p. 15). O problema que em um MCI a queima no perfeita, o que resulta em vrios outros gases como: monxido de carbono (CO), hidrocarbonetos (HxCy ), hidrognio (H2 ), xido de nitrognio (NOx ), metano (CH4 ) e xido de enxofre (SOx ). Destes gases, os mais prejudiciais e que seus nveis de emisso precisam ser controlados so: CO, NOx e HxCy .

5.1.1

Monxido de Carbono

De acordo com Glehn (1999, p. 15), o CO extremamente txico, devido a sua grande anidade com a hemoglobina do sangue e quando a carbohemoglobina no sangue atinge 50%, o corpo humano no consegue mais assimilar o oxignio resultando em morte por asxia. O CO formado devido a uma queima incompleta com carncia oxignio na mistura, caracterizada como mistura rica. Devido a esse fato, sua formao diretamente proporcional ao , conforme ilustra o grco da gura 16. Glehn (1999, p. 15) tambm arma que, a falta de homogeneidade na mistura tambm inuencia para formao de CO, pois iro existir reas na cmara de combusto com muita concentrao de ar e pouco combustvel. O avano de ignio inuencia pouco na formao do CO, tendo maior inuncia somente quando a mistura extremamente rica.

42

Figura 16: Taxa de CO em funo do Fonte: (GLEHN, 1999, p. 15)

5.1.2

xido de Nitrognio

O NOx no um gs txico, mas segundo Glehn (1999, p. 16), ele apresenta o inconveniente de reagir com os raios ultravioletas formando cido ntrico. Isso causa um fenmeno chamado de smogfotoqumico, o que resulta em irritao nos olhos. O principal fator para a formao de NOx a temperatura da cmara de exploso que, quanto maior for, maior ser sua concentrao, conforme arma Glehn (1999, p. 16). Devido a temperatura na cmara ter relao com a mistura ar/combustvel, o tem considervel inuencia sobre a formao de NOx , conforme apresentado na gura 17.

Figura 17: Taxa de NOx em funo do Fonte: (GLEHN, 1999, p. 15)

5.1.3

Hidrocarbonetos

O HxCy no txico, mas em alta concentrao causa uma reao qumica nociva as plantas. Para os seres humanos esta reao somente causa irritao nos olhos

43

e um odor desagradvel. O HxCy assim como o CO resultado de uma queima incompleta com carncia de oxignio, arma Glehn (1999, p. 16). A gura 18 mostra a relao de emisso do HxCy com o .

Figura 18: Taxa de HC em funo do Fonte: (GLEHN, 1999, p. 15)

5.2

PROCESSO CATALTICO

O controle do algo importante para a diminuio da emisso de gases nocivos aos seres humanos e ao meio ambiente. Mas somente o controle do no suciente para manter o nvel de emisses dentro de um limite aceitvel. Para reduzir as emisses, os gases expelidos pelo motor passam por um processo cataltico. Para tal processo existe um componente montado na tubulao de exausto do motor, denominado catalisador. Segundo Glehn (1999, p. 18), o catalisador reduz em at 70% os principais poluentes produzidos pela combusto do motor, como CO, HxCy e NOx . Por esse motivo ele tambm conhecido como conversor cataltico trivalente. Dentro de um catalisador existem duas colmias feitas de um elemento cermico que possuem tratamento externo com metais ativos, que conforme Glehn (1999, p. 18) so: paldio (Pd), molibdnio (Mo) ou rdio (Ro). Quando o CO e o HxCy passam pelo catalisador e entram em contado com o Pd ocorre um processo de oxidao, que resulta em H2 O e CO2 . O NOx ao passar pelo Mo ou o Ro, a depender do catalisador, sofre um processo de reduo que, segundo Glehn (1999, p. 19), remove o oxignio (O) do NOx , tendo como resultado o N2 e o O2 . A gura 19 ilustra os gases emitidos antes e aps o processo cataltico. Ainda pode ser observado na gura 19 que, o processo cataltico tem melhor resultado quando a mistura ar/combustvel trabalha com = 1. Por esse motivo, im-

44

Figura 19: Gases da combusto antes e depois do catalisador Fonte: (GLEHN, 1999, p. 19)

portante que os sistemas de alimentao atuais trabalhem com malha fechada, que garanta 0.95 < < 1.05. (GLEHN, 1999, p. 19) Devido s reaes de oxidao, o catalisador trabalha com temperatura prxima a 350 o C, na qual atinge sua melhor ecincia. Desta forma, o catalisador ineciente durante a fase de aquecimento, conforme arma Glehn (1999, p. 19).

Figura 20: Corte de um catalisador Fonte: (HOFFMANN, 2009)

45

6

INJEO ELETRNICA

A injeo eletrnica um sistema de alimentao que no depende da aspirao do motor para sugar o combustvel, o qual injetado no motor atravs de eletrovlvulas conhecidas como vlvulas de injeo. O sistema possui sensores que fazem leitura das condies de funcionamento do motor e as envia para a ECU que, atravs dessas informaes, faz os clculos de ajuste e controla o sistema atravs dos atuadores. A gura 21 ilustra um diagrama bsico de controle do sistema.

Figura 21: Diagrama bsico de um sistema de injeo

Segundo Aird (2001, p. 11), os sistemas de injeo podem ser SP (do termo ingls, Singue-Point) ou MP (do termo ingls, Mult-Point). No sistema SP existe uma nica vlvula de injeo e, o combustvel injetado em cima da borboleta do acelerador e levado ao motor atravs do coletor de admisso, conforme ilustra a gura 22.

Figura 22: Sistema de injeo single-point Fonte: (AIRD, 2001, p. 12)

Em um sistema de injeo MP existe uma vlvula de injeo para cada cilindro,

46

sendo o combustvel injetado diretamente no motor, acima da vlvula de admisso, conforme ilustrado na gura 23.

Figura 23: Sistema de injeo multi-point Fonte: (AIRD, 2001, p. 13)

As vlvulas injetoras so somente solenides que abrem e fecham em um tempo especco determinado pela ECU. Para que exista injeo de combustvel, necessrio que o combustvel esteja pressurizado acima das vlvulas de injeo. Para pressurizar o combustvel normalmente se utiliza uma bomba eltrica em conjunto com um regulador de presso, que tende a manter a presso na linha sempre constante.

6.1

ESTRATGIAS DE FUNCIONAMENTO

Para que a ECU possa controlar a quantidade correta de combustvel a ser injetado no motor, ela precisa saber a quantidade de ar que est sendo admitido. Devido ao ar apresentar mudanas em seu volume a depender da temperatura ambiente e da altitude, Passarini (2009, p. 5) indica que a ECU deve utilizar como base uma leitura da vazo mssica de ar admitida no motor. Segundo Passarini (2009, p. 13) existem vrias formas de a ECU calcular a vazo mssica de ar, que normalmente so classicadas em dois grupos: leitura direta da massa de ar (mass-density) e leitura indireta da massa de ar (speed-density). Estes dois grupos sero discutidos a seguir.

6.1.1

Mass-Density

Este grupo se baseia na leitura direta do ar admitido, atravs de um transdutor montado na tubulao da entrada de ar para o motor. Segundo Glehn (1999, p. 7),

47

a depender do tipo de transdutor, este pode medir o uxo de ar e, considerando a temperatura e presso ambiente, pode calcular a massa de ar conforme as equaes apresentadas no captulo 2.3. Existem transdutores que medem diretamente a vazo mssica e so conhecidos como MAF (do termo ingls, Mass-Air Flow). As vantagens de se utilizar um sistema de medio direta so: a) preciso na medida; b) fcil instalao; c) permite trabalhar em motores com condies precrias. Como desvantagens esses sistemas apresentam: a) alto custo do sensor; b) requerem manuteno.

6.1.2

Speed-Density

Em um sistema classicado como speed-density, a massa de ar calculada de forma indireta atravs de outros parmetros de funcionamento do motor, como: rotao, presso no coletor de admisso, ngulo de abertura da borboleta do acelerador, temperatura do ar, etc. A maioria dos sistemas que usam o speed-density calculam a vazo mssica atravs das informaes de presso do coletor, volume do cilindro do motor e temperatura do ar, conforme a equao 2.8 do captulo 2.3. O maior problema deste sistema a questo da ecincia volumtrica do motor que a depender de suas caractersticas construtivas e das condies operacionais, podem variar bastante, sendo muito difcil seu clculo matemtico, segundo Passarini (2009, p. 21). Devido a esse fato, a ecincia volumtrica do motor obtida de forma experimental em uma bancada dinamomtrica, criando um mapa tridimensional no qual a ecincia volumtrica est em funo da rotao do motor e da carga. (PASSARINI, 2009, p. 22) As vantagens de se utilizar um sistema de medio indireta so: a) baixo custo; b) no requer manuteno;

48

Como desvantagem este sistema apresenta: a) baixa preciso de leitura; b) no trabalham em motores com condies precrias; c) difcil instalao devido a determinao da ecincia volumtrica.

6.2

ESTRATGIAS DE DOSAGEM DO COMBUSTVEL

A injeo de combustvel em sistemas SP feita atravs de uma vlvula injetora para todos os cilindros, ou um injetor para cana cilindro em sistemas MP. A depender do sistema existem algumas estratgias possveis para o acionamento do injetor de combustvel. Em um sistema SP, o acionamento do injetor pode ser sncrono ou assncrono. No sistema sncrono, o injetor acionado atravs do mesmo pulso enviado para acionar a bobina de ignio, sendo, o nmero total de pulsos em um ciclo completo do motor, igual ao nmero de cilindros. Quando a injeo assncrona, o acionamento do injetor no acompanha o pulso de ignio. Glehn (1999) sugere que essa estratgia ocorra devido a fatores construtivos de alguns injetores, onde no conseguem operar corretamente em altas frequncias, devido a uma elevada rotao do motor e a um tempo de injeo muito baixo. A gura 24 ilustra um exemplo de acionamento sncrono de um determinado injetor.30ms 30ms 30ms

Pulso de ignio

15ms

25ms

20ms

Acionamento do injetor

Figura 24: Pulso de ignio e tempo de injeo em sistemas sncronos

Neste exemplo se considera um motor 4 cilindros funcionando a uma rotao constante de 1000 RPM. Devido a rotao ser obtida do eixo de manivelas e para cada rotao do mesmo ocorrem dois pulsos de ignio, ocorrer 2000 pulsos por minuto que convertendo para segundos, resulta em 33,33Hz. Sendo o perodo, o inverso

49

da frequncia, se obtm 0,03s ou 30ms. Observa-se que o injetor pulsa na mesma frequncia do motor, sendo que a ECU controla a injeo de combustvel atravs do tempo que o mesmo permanece energizado, denominado tempo de injeo. Em um sistema MP, o acionamento do injetor pode ser sequencial, em bancos ou simultneo. Segundo Glehn (1999), na injeo sequencial todos os injetores so acionados ao mesmo tempo, sendo acionados uma vez a cada dois pulsos de rotao. A gura 25 apresenta um diagrama de injeo em um sistema simultneo, onde cada representa um volume de combustvel injetado no coletor de admisso e () representa que o volume foi admitido no cilindro.1 compresso ign ign / inj ign ign / inj ign expanso descarga admisso () compresso Cilindros 2 3 expanso admisso () descarga admisso () compresso expanso compresso expanso descarga admisso () 4 desgarga admisso () compresso 360 a 540 expanso descarga fim do ciclo 540 a 720 inicio do ciclo 0 a 180 Condio do Ciclo Trmico inicio do ciclo 0 a 180 180 a 360 Estratgia

para cada duas ignies uma injeo ou seja 1 injeo p/ cada volta do virabrequim

Figura 25: Estratgia de injeo simultnea Fonte: (GLEHN, 1999)

O sistema de injeo em bancos adotado em sistemas que possuem somente um sensor de rotao solidrio ao eixo de manivelas, no podendo assim diferenciar o cilindro 1 do cilindro 4 ou o cilindro 3 do cilindro 2 (motor 4 cilindros). Neste tipo de sistema, dito que os cilindros 1 e 4 pertencem ao mesmo banco, como tambm o 2 e o 3 pertencem a outro banco (GLEHN, 1999). O sistema de injeo em bancos se assemelha ao sistema de injeo sequencial, exceto pelo fato de no haver injeo armazenada durante a fase de compresso. A gura 26 ilustra o diagrama de um sistema de injeo em bancos.Cilindros 1 compresso inj 2/3 inj 1/4 inj 2/3 inj 1/4 inj 2/3 expanso descarga admisso () compresso 2 expanso descarga admisso () compresso expanso 3 admisso () compresso expanso descarga admisso () 4 desgarga admisso () compresso 360 a 540 expanso descarga fim do ciclo 540 a 720 inicio do ciclo 0 a 180 2e3 Condio do Ciclo Trmico inicio do ciclo 0 a 180 180 a 360 1e4 Estratgia

injeo banco a banco

Figura 26: Estratgia de injeo banco a banco Fonte: (GLEHN, 1999)

50

Em um sistema de injeo sequencial, a injeo de combustvel feita somente no cilindro que est em admisso. Para que essa estratgia possa ser utilizada, necessrio a ECU conhecer no somente a posio da rvore de manivelas, mas tambm a posio do comando para que possa fazer o reconhecimento dos cilindros. Segundo Glehn (1999), para que a quantidade de combustvel injetada nessa estratgia seja suciente, a injeo iniciada com uma certa defasagem, antes da vlvula de admisso ser aberta. A gura 27 sugere como teoricamente acontece a injeo sequencial.Cilindros 1 compresso inj 3 expanso inj 4 descarga inj 2 inj 1 inj 3 admisso () compresso admisso () compresso expanso expanso descarga admisso () descarga 2 expanso 3 admisso () compresso 4 desgarga admisso () compresso 360 a 540 expanso descarga fim do ciclo 540 a 720 inicio do ciclo 0 a 180 Condio do Ciclo Trmico inicio do ciclo 0 a 180 180 a 360 injeo sequencial Estratgia

Figura 27: Estratgia de injeo sequencial Fonte: (GLEHN, 1999)

6.3

ENRIQUECIMENTO E CORTE DE COMBUSTVEL

Em determinados regimes de funcionamento do motor existe a necessidade de um enriquecimento da mistura ar/combustvel acima da relao estequiomtrica. Esses regimes esto relacionados com a temperatura de operao, situao de partida, mudana de regime e funcionamento em plena carga. Existem tambm condies de funcionamento no qual o motor no precisa de injeo de combustvel, podendo o mesmo ser cortado, ou a injeo pode ser cortada para proteo do motor. A seguir, ser detalhado a condio de enriquecimento em cada regime a e condio de corte do combustvel.

6.3.1

Enriquecimento Devido a Temperatura e Partida do Motor

Quando o motor est com uma temperatura de operao muito baixa, o combustvel possu baixa capacidade de atomizao, tornando a mistura no uniforme e causando tambm uma condensao no coletor de admisso, devido a diculdade de evaporao (BRAGA, 2007, p. 21). Em veculos MP, devido ao combustvel ser injetado diretamente em cima da vlvula a condensao muito menor, mas ainda

51

existe. A falta de homogeneidade na mistura e a condensao fazem com que parte do combustvel injetado no participe do processo de combusto, ou no seja aproveitado de forma eciente. Segundo Camara (2006, p. 108), para um motor funcionar corretamente durante a fase de aquecimento, se faz necessrio um enriquecimento da mistura, assim, injetando mais combustvel. Conforme o motor vai aquecendo e se aproximando de sua temperatura operacional, que normalmente acima de 80 C, o enriquecimento adicional vai sendo reduzido. A gura 28 ilustra um fator de enriquecimento da mistura em funo da temperatura do motor.Fator de correo 2.0

1.0 -30 0 +50 +100 Temperatura do motor C

Figura 28: Fator de enriquecimento em funo da temperatura Fonte: (CAMARA, 2006)

Ao se dar partida no motor, a ECU faz um enriquecimento da mistura para permitir uma partida rpida e eciente. Mesmo quando o motor j est aquecido, o enriquecimento necessrio para facilitar o processo de partida (GLEHN, 1999, p. 83).

6.3.2

Enriquecimento Devido ao Regime de Trabalho

Quando um motor est em condio de marcha lenta (borboleta de acelerao fechada) e a borboleta abre rapidamente, exigindo uma mudana rpida no regime de trabalho, existe a necessidade de se injetar uma quantidade adicional de combustvel para permitir uma rpida passagem entre os dois regimes, sem que exista decincia, causando uma descontinuidade na acelerao (GLEHN, 1999). Essa caracterstica se assemelha ao sistema de acelerao rpida do carburado, visto em 4.5. Outra condio que exige o enriquecimento da mistura a situao de plena carga, onde a borboleta de acelerao se encontra completamente aberta, exigindo a mxima capacidade do motor. Segundo (GLEHN, 1999, p. 83), a mistura enriquecida para fornecer um pouco mais de potncia ao motor e evitar uma possvel mistura pobre, a qual geraria um aquecimento que nessas condies poderia causar danos ao motor.

52

6.3.3

Corte de Combustvel em Freio Motor

Quando a rotao do motor est elevada e a borboleta de acelerao fechada, caracterizado um estado de freio motor, pois o condutor liberou o acelerador, querendo assim reduzir sua rotao para marcha lenda ou desacelerar o veculo atravs do motor. Nessa condio, no necessria a injeo de combustvel, fazendo o sistema entrar em uma condio de corte. Esta condio permite economizar combustvel e reduzir emisses desnecessrias (GLEHN, 1999, p. 83).

6.3.4

Corte de Combustvel para Limitar a Rotao

Quando um motor projetado, se leva em considerao seu balanceamento, poder de lubricao e outros fatores que denem sua rotao mxima de segurana (CAMARA, 2006, p. 113). Em veculos com sistema de gerenciamento eletrnico, normalmente a ECU protege a integridade do motor desligando seu sistema de alimentao se a rotao exceder certo limite. A alimentao volta a ser fornecida, conforme a rotao baixe em um determinado limite estabelecido. Como exemplo, um motor pode cortar a alimentao de combustvel, quando o motor chegar a uma rotao de 6500 rpm e retomar a alimentao, quando a rotao for inferior a 6200 rpm.

6.4

MAPAS DE CALIBRAO

Os sistemas de injeo eletrnica comerciais trabalham com tabelas de calibrao, que so mapas de consulta conhecidos como look-up table (PUJATTI, 2007). Esses mapas so compostos por matrizes com dimenso MxN e possuem valores pr-denidos para controlar as variveis do sistema. Segundo Pujatti (2007, p. 66), essas tabelas so formadas por um conjunto de pontos dependentes de uma varivel, denida como tabela de calibrao ou por at duas variveis independentes, denida como mapa de calibrao. A tabela 3 apresenta uma tabela de calibrao, que serve para fazer a correo do tempo base de injeo a depender da temperatura do motor.Tabela 3: Exemplo de correo da mistura A/F em funo da temperatura.Temperatura do motor (C) -30 Fator de enriquecimento 2 Fonte: (PUJATTI, 2007, p. 66) -10 1,33 0 1,25 10 1,20 20 1,15 30 1,12 50 1,08 60 1,06 70 1,04 80 1,00

53

Em determinados processos controlados pela ECU, o controle de sada correspondente est em funo de duas variveis independentes. Um exemplo desse tipo de de mapa o tempo de injeo base. Conforme explicado no captulo 2, a injeo de combustvel dependente da massa de ar admitida no motor, mas devido ecincia volumtrica especca para cada tipo de motor, a massa de ar calculada atravs da equao 2.6 no pode ser aplicada. Em sistemas que trabalham com medio dio direta da massa de ar (Mass-Density), o tempo base de injeo pode ser denido atravs de uma nica varivel, que seria a massa de ar admitida. Mas em sistemas que trabalham com medio indireta da massa de ar (Speed-Density), se faz necessrio o uso de outra varivel, pois a ecincia volumtrica varia tanto com a carga de ar imposta ao motor, como tambm com sua rotao. A gura 29 ilustra um grco em trs dimenses com o tempo base de injeo, em funo da carga e da rotao do motor.

Figura 29: Mapa base de tempo de injeo Fonte: (PUJATTI, 2007, p. 66)

O uso de tabelas e mapas de calibrao, permite que a ECU dispensar o uso de modelos matemticos complexos para fazer o controle do sistema, assim, reduzindo o alto processamento que seria exigido para processar sucessivas operaes de multiplicao e diviso. O principal processamento feito pela ECU, so as interpolaes lineares, feitas nas tabelas de calibragem. Para tabelas de uma varivel, a interpolao pode ser feita atravs da equao 6.1 (PASSARINI, 2009, p. 26).

f (x)

f (x0 ) +

f .(x x0 ) x

(6.1)

54

Sendo: f = y1 y0 ; x = x1 x0 . Para mapas com duas variveis, a equao 6.2, pode ser usada (PASSARINI, 2009, p. 26).

f (x, y) Sendo:

f (x0 , y0 ) +

fy=y0 fx=x0 .(x x0 ) + .(y y0 ) x y

(6.2)

fy=y0 = y1 y0 ; fx=x0 = x1 x0 . Pujatti (2007, p. 24) indica que a vantagem desse sistema o fato que, ao se trabalhar com tabelas, se reduz o tempo de computao, evita riscos de overow e preciso devido a no linearidade dos processos. Por outro lado, esses sistemas exigem muita memria para armazenar os dados das tabelas de calibragem e tambm, exigem ensaios em bancada dinamomtrica para obteno das tabelas de calibragem.

6.5

COMPONENTES DO SISTEMA

Para gerenciar o sistema de injeo eletrnica, a ECU depende de componentes denominados de sensores e atuadores. Os sensores fazem leitura das variveis do sistema e os atuadores atuam diretamente sobre o sistema. A gura 30 ilustra os principais componentes, de um sistema MP de injeo eletrnica em malha fechada que usa a estratgia de funcionamento Mass-Density. O combustvel presente no tanque bombeado em alta presso pela linha principal, passando pelo ltro, at a auta distribuidora. A auta distribu o combustvel para os injetores de combustvel, que o pulveriza acima das vlvulas de admisso, sendo eles controlados pela ECU. Ainda na auta, tambm est presente o regulador de presso, que regula a presso na linha principal de combustvel, utilizando para isso a linha de retorno. A posio do motor informada para a ECU atravs do distribuidor de ignio. O controle da vazo de ar para o motor feita por uma vlvula do tipo borboleta, ligada ao pedal do acelerador do veculo por intermdio de um cabo

55

1

4

2

3

7 9 6 5 11 12 13 14 8 15 18 10

16

17

1 2 3 4 5 6

-

Tanque de combustvel Bomba eltrica de combustvel Filtro de combustvel ECU Injetor de Combustvel Flauta distribuidora

7 - Regulador de presso do combustvel 8 - Coletor de admisso 9 - Sensor de Posio da Borboleta 10 - Transdutor de vazo mssica 11 - Sensor sonda lambda 12 - Sensor de temperatura do motor

13 14 15 16 17 18

-

Distribuidor de ignio Atuador de marcha lenta By-pass de ar Bateria Chave de ignio e rels Borboleta de acelerao

Figura 30: Componentes tpicos de um sistema de injeo Mass-Density Fonte: (AIRD, 2001, p. 52)

de ao. Paralelo a borboleta de acelerao existe o atuador de marcha lenta, o qual permite a central controlar a vazo de ar para o motor quando a vlvula borboleta et fechada, controlando assim a rotao de marcha lenta. Para informar a ECU a posio da borboleta do acelerador, existe um sensor tipo potencimetro linear, montado solidrio a borboleta. A massa de ar real admitida pelo motor informada a ECU, atravs de um transdutor de vazo mssica. A ECU tambm precisa saber a temperatura do motor, para que possa corrigir corretamente a injeo de combustvel. Para tal nalidade existe um sensor de temperatura, normalmente do tipo NTC (do termo ingls, Negative Temperature Coefcient), montado no bloco do motor e em contato com a gua de refrigerao. Como resultado da injeo de combustvel gerenciada pela ECU, existem os gases gerados na combusto. Atravs de um sensor chamado

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Sonda Lambda, a ECU monitora o resultado da queima do combustvel, fechando a malha do sistema.

6.5.1

Transdutor de Vazo Mssica

Um tipo de transdutor de vazo mssica muito utilizado o MAF, que tem como princpio de funcionamento uma ponte de resistores. O elemento resistor ca aquecido a 100o C acima da temperatura ambiente (GLEHN, 1999, p. 40). Conforme o ar passa pelo elemento, existe uma troca de calor entre o ar e o resistor e quanto maior a vazo mssica maior ser a troca de calor. Devido ao elemento resistor variar sua resistncia em funo da temperatura, existe uma relao direta entre a massa de ar e a resistncia conforme indica. O resistor em questo faz parte de uma ponte de Wheatstone apresentada na gura 31.

Figura 31: Ponte de Wheatstone Fonte: (GLEHN, 1999, p. 40)

Em uma ponte de Wheatstone a tenso entre os pontos C e D ser igual a zero quando:

VCD = 0 R1.R3 = R2.R4

(6.3)

Conforme o ar passa pelo elemento resistor tende a desestabilizar a ponte de Wheatstone surgindo uma teno VCD . A gura 32 ilustra um sensor MAF no qual um dos resistores da ponte de Wheatstone um elemento de o quente. O transdutor MAF, tambm possui um sensor de temperatura utilizado como referncia para manter o elemento foi quente 100 C acima da temperatura ambiente.

57Elemendo de Fio Quente Sensor de Temperatura do Ar

Fluxo de Ar

Figura 32: Sensor MAF Fonte: (GLEHN, 1999, p. 40)

6.5.2

Sensor de Temperatura

Para medir a temperatura de motores de combusto interna, normalmente utilizado um sensor de temperatura do tipo termistor. Esse sensor pode ser do tipo PTC (Positive Temperature Coefcient) ou NTC (Negative Temperature Coefcient) segundo Mendes (2008). Na grande maioria das aplicaes automotivas, se utilizam sensores do tipo NTC, no qual a resistncia diminu com o aumento da temperatura, conforme a equao 6.4 apresentada por Mendes (2008, p. 77).

R = R0 .e Sendo:

1 1 .( T T ) 0

(6.4)

R = Resistncia na temperatura T (); T = Temperatura (K); T0 = Temperatura de referncia (K); R0 = Resistncia medida na temperatura de referncia T0 (); e = Base dos algoritmos neperianos; = Constante do material, vlida para uma determinada faixa de temperatura. A gura 32 apresenta um sensor de temperatura tpico, usado em sistemas de injeo eletrnica para medir a temperatura do motor.

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Conexo Eltrica

Corpo metlico

Resirtor NTC

Figura 33: Sensor de temperatura NTC Fonte: (AIRD, 2001)

6.5.3

Sensor de Oxignio

No captulo 5 foi apresentado o fator lambda, denido pelo smbolo , no qual, a mistura ar/combustvel ideal (estequiomtrica) alcanada quando = 1. Quando < 1 a mistura denominada rica (muito combustvel para pouco oxignio) e > 1 indica mistura pobre (muito oxignio para pouco combustvel). Para a ECU controlar a injeo de combustvel em malha fechada, ela usa a informao de um sensor de oxignio montado na tubulao de descarga, para assim vericar se a mistura est ideal e aplicar as devidas correes (DENTON, 2004, p. 43). Esse tipo de sensor denominado sensor EGO (Exhaust Gas Oxygen) e tambm conhecido como sonda lambda, que segundo Glehn (1999), pode ser classicado em funo do material o qual constitudo, como: sonda de dixido de zircnio (ZrO2) e sonda de dixido de titnio (TiO2). Porm, conforme Denton (2004, p. 44), na maioria das aplicaes automotivas, so utilizadas sondas de dixido de zircnio.

a - Ar atmosfrico b - Gases de descarga

1 - Sensor cermico 2 - Proteo metlica

3 - Corpo do sensor 4 - Aquecedor

Figura 34: Sensor de oxignio Fonte: (GLEHN, 1999)

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A sonda, consiste em uma superfcie porosa de cermica permevel a gs, e com eletrodos de platina conectados em seus dois lados, sendo, um lado exposto ar atmosfrico (referncia) e o outro aos gases dentro da tubulao de descarga (DENTON, 2004, p. 44). Quando o sensor aquecido acima de 300 C , o dixido de zircnio presente na cermica, torna-se condutor de ons de oxignio. A depender da diferena de concentrao de oxignio dos dois lados da cermica, gerada uma diferena de potencial eltrico entre os eletrodos, que para = 1 ser de aproximadamente 400mV segundo Denton (2004, p. 44). A gura 35, ilustra a tenso gerada pelo sensor lambda em funo do fator .

Figura 35: Fator vs tenso Fonte: (AIRD, 2001)

Segundo Denton (2004, p. 44), devido sonda trabalhar acima de 300 C, em muitos casos necessrio um aquecedor eltrico interno para que seja atingida essa temperatura, sendo esse sensor denominado HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen). Normalmente, quando a sonda ca instalada prxima a sada de exausto no motor, no necessrio aquecimento, pois a alta temperatura de sada dos gases de escape, consegue manter a sonda em temperatura operacional. O sensor de oxignio possu um atraso em seu resposta, devido ao processo de combusto e consequentemente a velocidade dos gases. (RIBBENS, 1998) arma que a velocidade de resposta do sensor, inversamente proporcional a rotao do motor.

60

6.5.4

Sensor de Posio da Borboleta

O sensor de posio da borboleta serve para informar a ECU, a posio do acelerador. Atravs dessa informao, a ECU pode determinar uma condio de marcha lenta (borboleta fechada), plena carga (borboleta totalmente aberta), como tambm detectar uma condio de mudana rpida no regime, atravs da variao de posio angular com relao ao tempo. O sensor consiste em um potencimetro linear montado de forma solidria a borboleta de acelerao. Um potencimetro uma resistncia varivel que possu um eixo rotativo.

Vs

V0

Figura 36: Princpio de um potencimetro

O potencimetro recebe uma tenso de alimentao e a depender da posio do eixo, fornece uma teno de sada. Denton (2004, p. 40) apresenta a equao 6.5 como uma relao entre a teno e posio do potencimetro.

V0 = Vs . Sendo:

i t

(6.5)

Vs = Tenso de alimentao; V0 = Tenso sada; i = Angulo do potencimetro; t = Angulo mximo do potencimetro.

6.5.5

Bomba de Combustvel

A bomba de combustvel, serve para bombear em alta presso o combustvel do tanque pela linha principal, at os injetores. Ela formada de um motor eltrico de corrente contnua, no qual, seu eixo conectado a um mecanismo de bombeamento. A bomba tambm possu uma vlvula de segurana, para o caso da presso se elevar

61

acima de um determinado limite, e uma vlvula de reteno, a qual tem um sentido nico de uxo para manter a presso na linha de combustvel, mesmo aps a bomba ser desligada (AIRD, 2001, p. 44).

1 2 3 4 5 6

-

Entrada de Combustvel Vlvula de segurana Mecanismo de bombeamento Motor eltrico Vlvula de reteno Sada do combustvel

Figura 37: Bomba de combustvel Fonte: (AIRD, 2001)

Segundo Bosch (2007), as bombas eltricas de combustvel so classicadas segundo seu mecanismo de bombeamento. As bombas eltricas para bombeamento de combustvel normalmente encontradas em sistemas de injeo eletrnica, podem ser: Bomba de rolete, bomba de engrenagem interna, bomba perifrica e bomba de canal lateral, conforme ilustrado na gura 42.A C

B

D

A - Bomba de rolete B - Bomba de engrenagem interna C - Bomba perifrica D - Bomba de canal lateral

Figura 38: Mecanismos de bombeamento Fonte: (BOSCH, 2007)

Em veculos injetados, dentro do tanque de combustvel existe um copo para evitar que a bomba de combustvel puxe ar, quando o tanque estiver com nvel baixo e o veculo inclinado, gerando assim bolhas de ar no sistema. O canal de sada do combustvel ca dentro desse copo, onde o mesmo possu uma vlvula que permite

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somente a entrada do combustvel e tambm alimentado pela linha de retorno.

Figura 39: Tanque de combustvel para bomba externa

Na grande maioria dos veculos injetados, a bomba de combustvel interna ao tanque, cando dentro do copo, e muitos tambm possuem o regulador de presso embutido dentro do tanque, conforme ilustrado na gura 40.

1 - Copo 2 - Bomba de combustvel 3 - Vlvula de entrada

4 - Regulador de presso 5 - Sensor de nvel 6 - Filtro de tela

Figura 40: Tanque de combustvel com bomba interna Fonte: (BOSCH, 2007)

6.5.6

Regulador de Presso

O regulador de presso o componente responsvel pela regulagem de presso na linha principal de combustvel. No interior do regulador existem duas cmaras isoladas entre si por um diafragma, sendo que uma ca em contato com o combustvel e a outra em contato com a presso do coletor ou aberta a atmosfera. A regulagem de presso feita por ao de uma mola calibrada que, conforme a fora exercida na mola atravs da presso do sistema no diafragma ultrapassa a fora da mola, o canal de retorno aberto, permitindo assim manter a presso no sistema constante. Quando a cmara de ar do regulador ligada a presso do coletor, a presso do sistema tende a variar conforme a carga do motor. Quando a carga do motor

63Presso do coletor Cmara de ar Mola Diafragma

Linha principal

Cmara de combustvel

Linha de retorno

Figura 41: Regulador de presso Fonte: (DENTON, 2004)

baixa, tendo assim uma baixa presso no coletor, se forma um vcuo na cmara de ar do regulador que tende a comprimir a mola, baixando a presso no sistema de combustvel. Conforme a carga do motor aumenta, a presso na cmara tambm aumenta, causando um aumento proporcional na presso da linha de combustvel.

6.5.7

Injetor de Combustvel

atravs do injetor de combustvel que a ECU controla a quantidade de combustvel injetada no motor. O injetor consiste em uma vlvula solenoide, que abre a passagem de combustvel atravs de um gargulante calibrado. Quando o enrolamento do solenoide energizado, se forma um campo magntico que puxa o pisto de ferro, abrindo a passagem do combustvel atravs do gargulante. Assim que o solenoide desenergizado, uma mola empurra o pisto, fechando a passagem de combustvel. O injetor trabalha pulsando na frequncia do motor e a ECU controla a quantidade de combustvel injetada atravs do tempo que o injetor permanece energizado em cada pulso, denominado tempo de injeo. Denton (2004, p. 47) apresenta uma relao entre algumas variveis atravs da equao 6.6.

i=

V (1 eRt/l ) R

(6.6)

Sendo: i = Corrente instantnea na bobina (A); V = Tenso de alimentao do injetor (V ); R = Resistncia total da bobina ();

64

L = Indutncia da bobina (H); t = Tempo de injeo (s);Entrada de combustvel

Mola

Enrolamento

Pisto

Gargulante

Figura 42: Injetor de combustvel Fonte: (DENTON, 2004)

(BRAGA, 2007, p. 22) descreve uma relao entre a vazo mssica do combustvel e o tempo de injeo conforme a equao 6.7.

Tin j =

mcomb n. mbico .60

(6.7)

Sendo: Tin j = Tempo de injeo (s); mcomb = Vazo mssica de combustvel injetada no motor (Kg/s); mbico = Vazo mssica de combustvel fornecida pelo injetor, a qual dependente da presso do sistema, dimetro do gargulante e da densidade do combustvel (Kg/s); n = Rotao do motor (rpm);

65

7

METODOLOGIA

Este trabalho foi iniciado apresentando uma reviso sobre motores a combusto interna, sistemas de alimentao de combustvel e ignio, apresentando conceitos bsicos e descrevendo seus princpios de funcionamento. Este captulo ir mostrar a metodologia empregada no desenvolvimento do sistema, descrevendo as possveis solues, materiais e sua implementao.

7.1

VISO GERAL DO SISTEMA

Por ser um sistema para ser adaptado em veculos originalmente carburados, no ser necessrio implementar um sistema de ignio