Gerenciamento de Sistema de Inje

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Gerenciamento de Sistema de Injeção Eletrônica em
Motores de Ignição por Centelha
Por Cláudio M. Engler Pinto Data 18 de abril de
2005
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Apresentação

• Motivo do aparecimento da Injeção Eletrônica

• Funcionamento e Calibração do Sistema de Injeção
  Eletrônica

• Sistemas controlados por TORQUE

• Sistemas Flexíveis Multi-combustível gasolina -
  álcool

• Novas Tendências

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Gases de Escape
Por que a Injeção Eletrônica?
Combustível

Motor
Ar
TORQUE
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Por que a Injeção Eletrônica?

• 1) Necessidade de um controle mais preciso do
  processo de combustão (mistura ar-combustível e
  avanço de ignição) em toda a faixa de operação do
  motor, visando
• - atender aos requisitos legais de emissões de
  poluentes cada vez mais rigorosos
• - tornar a operação do motor mais eficiente, com
  redução de consumo de combustível e com melhor
  desempenho, através da maximização do torque útil

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Por que a Injeção Eletrônica?
2) Melhoria da dirigibilidade do veículo, através
da adequação da mistura A/C e do avanço de
ignição às condições limites para o carburador
convencional como, por exemplo, com a variação da
temperatura do ar de admissão, da temperatura do
líquido de arrefecimento e da altitude 3)
Controle do torque disponível no eixo de saída do
motor para integração com outros módulos
eletrônicos do veículo - ABS - controle de
tração - transmissão automática - controle
eletrônico de estabilidade - ar condicionado,
válv. de aceleração sem cabo (drive by wire),
cruise control, etc
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Histórico / Evolução
Controle de mistura A/C
Controle do Avanço de Ignição e Distribuição
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Carburador capacidade (limitada) para ajustar a
quantidade de combustível requerida nas diversas
condições de operação do motor. Dispositivos
auxiliares - controle de marcha-lenta (gicleur
de mistura), - partida a frio e aquecimento
(warm-up, afogador), - orifícios de progressão, -
válvula de aceleração (pistão a vácuo, haste
mecânica, mola-diafragma).
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Controle do Avanço de Igniçao Convencional
capacidade (limitada) para ajustar o ângulo da
centelha em função de 2 fatores - carga
Atuador por vácuo-diafragma-alavanca do
distribuidor (cuíca) , aumentando o avanço para
as menores cargas maior vácuo (misturas mais
rarefeitas, gt a duração da combustão). -
rotação avanço centrífugo sistema massa-molas
para girar o came do distribuidor, adiantando o
momento da centelha com o aumento da
rotação. Obs A combinação destes 2 métodos de
controle de avanço não permite o avanço ótimo
para todas as condições de operação do motor
RPM, carga, temperatura da água, do ar de
admissão e da pressão barométrica.
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Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica
Sensores - Posição da borboleta - Posição do
virabrequim (rotação) - Temperatura do ar de
admissão - Pressão do ar do coletor de admissão -
Temperatura da água - Sensor(es) de oxigênio -
Sensor de detonação - Sensor do comando de
válvulas - Tensão da bateria Extras - sensor de
velocidade do veículo - pressão do ar
condicionado - pressão de óleo - pedal do
acelerador - quantidade de álcool na gasolina
Atuadores - Bico injetor - bobina de ignição -
válvula de controle de marcha-lenta - válvula de
purga de vapor de combustível - aquecimento do
sensor de oxigênio - embreagem do compressor do
A/C - ventilador do radiador - válvula de
recirculação dos gases de exaustão - lâmpada de
diagnóstico no painel de instrumentos - válvula
de aceleração - válvula de alívio de pressão
(motores turbo)
Módulo de Controle (ECU)
Diagrama de um sistema de injeção eletrônica
DELPHI
Esquema de um sistema de injeção eletrônica BOSCH
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Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica

• A unidade de controle eletrônico (ECU) contém um
  software com diversas sub-rotinas específicas
  para cada módulo de calibração.
• A partir da interpretação dos sinais enviados
  pelos sensores e identificação da condição de
  operação do motor, o software envia comandos para
  os drivers dos atuadores como, por exemplo tempo
  de abertura da válvula de injeção e avanço de
  ignição.

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Funcionamento do Software da Unidade de Controle
Output
Input
Interface de leitura dos sinais de entrada
Processamento dos sinais em diversas sub-rotinas
Interface de comando dos drivers
Comunicação com outros módulos
Variáveis indexadas por valores derivados dos
sinais de entrada
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No que consiste a calibração do sistema de
injeção eletrônica do motor?
No preenchimento das variáveis de cada módulo do
software com valores adequados para que o
conjunto motor-veículo responda conforme o
esperado / requerido para atendimento
dos objetivos de dirigibilidade,
desempenho, consumo e emissões.
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Exemplos de Módulos do Software da ECU

• Especificações técnicas e curvas características
  dos sensores e atuadores
• Eficiência volumétrica (enchimento dos
  cilindros) e correções
• Quantidade de combustível
• - partida do motor e warm-up
• - regime permanente e transiente
• - controle de emissões e eficiência do
  catalisador (closed loop)
• Mapas básico de avanço e correções
• Calibração do sensor de detonação e do retardo
  de avanço necessário
• Abertura da válvula de aceleração (drive by
  wire)
• Purga de vapor de combustível do canister
• Acoplamento do compressor do ar condicionado
• Acoplamento do ventilador do radiador
• Atuador da marcha-lenta
• Válvula de recirculação dos gases de exaustão
  (para controle de NOx)
• Diagnósticos dos sensores a atuadores
• Proteçao de temperatura do catalisador

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Programa Genérico para Desenvolvimento da
Calibração de um Motor Novo
3 meses
18 meses
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• Calibração Básica em Dinamômetro de Motor
• Mapeamento do motor para determinação da
  quantidade de combustível e avanço ótimo para
  cada ponto de operação, para o melhor compromisso
  entre consumo, torque e emissões
• Utiliza-se um dinamômetro elétrico como
  gerador/motor para submeter o motor em teste a
  todas as condições de operação
• A quantidade de combustível é definida para
  atender ao regime estequiométrico de queima
  (lambda 1) em cargas parciais e ao regime de
  máxima potência em carga plena (lambda 0,92)
• Gasolina nacional (com 25 de álcool anidro)
• - queima estequiométrica (cargas parciais) A/F
  13,3
• - queima rica (plena carga) A/F 12,2

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• Calibração Básica em Dinamômetro de Motor
• A quantidade de combustível é especificada em
  tempo de abertura do injetor (ms) e, para dado
  valor de lambda, deve ser proporcional ao fluxo
  mássico de ar admitido nos cilindros
• Para avaliação do fluxo de ar admitido, 2
  métodos são utilizados
• - Speed density medição indireta pela
  temperatura e pressão do ar no coletor de
  admissão
• - Medição direta do fluxo de ar por deflexão de
  palheta ou por sensor de fluxo de ar por filme
  quente.

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Curva característica do bico injetor
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Curva característica do bico injetor

• O bico injetor deve ser especificado de forma
  que sua faixa linear de operação atenda às
  demandas de
• - fluxo mínimo de ar (cargas baixas, elevadas
  altitudes)
• - fluxo máximo de ar (plena carga, na rotação de
  máxima eficiência volumétrica rotação de torque
  máximo)

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Cálculo do pulso de injeção BPW base pulse
width (ms)
correções...
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Calibração Básica definição do pulso do bico
injetor
O valor da quantidade de combustível em cada
célula da matriz carga x RPM é por fim
determinado com a utilização de um sensor de
oxigênio (sensor lambda) nos gases de escape para
verificação da qualidade da mistura.
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Calibração Básica determinação do avanço de
ignição
Para cada condição de operação do motor, o
momento da centelha é variado para identificação
dos pontos de avanços de ignição - MBT (Maximum
Brake Torque timing) - BL (Knock Borderline
timing limite de detonação)
Obs a) O ponto de avanço de ignição exerce um
forte efeito sobre o torque do motor. b) A
variação do ponto de ignição provoca rápida
alteração no torque disponível e, por este
motivo, constitui-se numa importante variável no
controle da variação de operação do motor.
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Calibração Básica determinação do avanço de
ignição
Fonte J. B. Heywood
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Calibração Básica determinação do avanço de
ignição
Fonte J. B. Heywood
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Calibração Básica determinação do avanço de
ignição
Fonte J. B. Heywood
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Exemplo de detonação
Rotação 1200 RPM, Pressão no coletor de
admissão 95 kPa
Motor sem detonação
Variação do Avanço na faixa entre 8 e 18 APMS
APMS
detonação forte
sem detonação
18
8
t
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Calibração Básica determinação do avanço de
ignição
O avanço de ignição é decisivo para a emissão de
NOx e custo do catalisador
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
Os sistemas iniciais de injeção eletrônica
implementados no Brasil atendiam à legislação de
poluentes operando em open-loop (sem feed-back do
sensor de O2) e sem a necessidade do catalisador.
A mistura ar-combustível devia ser calibrada
próxima da estequiométrica (lambda 1).
Fonte J. B. Heywood
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões

• Os veículos atuais devem utilizar
  obrigatoriamente a calibração closed-loop e o
  catalisador de 3 vias para a redução dos 3 gases
  poluentes controlado pela legislação em vigor
  HC, CO e NOx.
• A eficiência de conversão do catalisador é ótima
  para uma janela estreita de mistura
  ar-combustível ao redor da proporção
  estequiométrica

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
Sensor de Oxigênio
Esquema básico célula dielétrica
Cerâmico ZrO2, Y2O3
Ar referência
Escapamento
Metal (platina)
metal
pO2
eletrodo
eletrólito
pO2
Sensor de O2

• Ions de oxigênio são transportados através da
  célula, gerando uma tensão proporcional à razão
  entre as pressões parciais do oxigênio na
  atmosfera e nos gases de escapamento.

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
Sensor de Oxigênio
Fonte J. B. Heywood
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
Sensor de Oxigênio
Fonte J. B. Heywood
32
Catalisador
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
Catalisador
Reações de
oxidação
redução
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
Catalisador
Fonte J. B. Heywood
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões

• A experiência demonstra que a eficiência do
  conversor aumenta, assim como a janela de máxima
  eficiência é ampliada, para uma pequena flutuação
  da mistura (lt 10) ao redor do valor
  estequiométrico.
• A calibração closed-loop efetua a oscilação de
  mistura rico-pobre através de parâmetros que
  definem a amplitude e frequência da variação do
  pulso de injeção.

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões
O valor do pulso de injeção é corrigido na
calibração closed-loop por 2 varíaveis (Var1 e
Var2) BPWi (BPW Var1) Var2
Var1 soma da correção INTEGRAL (correção a
curto prazo para manter o sensor de O2 próximo
do estequiométrico) PROPORCIONAL (para manter
o sensor oscilando entre rico e pobre). Var2
Fator multiplicativo que busca manter o Var1 0
(correção a longo prazo).
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Teste de Emissões

• Teste de desaceleração (Coast-down) em pista com
  o veículo não tracionado, no plano, para
  determinação da potência resistiva. Definição dos
  coeficientes de
• - Força de rolamento (Fr)
• - Força aerodinâmica (Fa).
• Reprodução dos tempos de desaceleração no
  dinamômetro de chassis, para simulação da inércia
  e potência resistiva do veículo em pista.

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Teste de Emissões Dinamômetro de chassis
Emissões Gasosas e Evaporativas
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Teste de Emissões Dinamômetro de chassis
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Teste padrão de Emissões
EPA 75 - 23 ciclos, simulando trânsito urbano,
totalizando 18 km. - 3 fases fria, quente, e
após 9 min. com motor desligado.
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Sistemas Estruturados por Torque

• Software da ECM mais inteligente para controle
  da operação do motor.
• Software desenvolvido com o modelamento dos
  fenômenos físicos que afetam o rendimento do
  motor e, portanto, o torque disponível na saída.
• O TORQUE passa a ser a variável de comunicação
  interna do software, sendo que seu controle é
  exercido pela atuação em
• - quantidade de combustível
• - avanço de ignição
• - fluxo de ar (Drive by Wire, Electronic
  Throttle Control)

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Sistemas Estruturados por Torque
A posição do pedal do acelerador não representa
mais apenas o ângulo de abertura da válvula de
aceleração, mas traduz o desejo de torque do
motorista. A forma de como este torque será
gerado depende de uma combinação dos 3 parâmetros
de controle, os quais devem ser otimizados
conforme a condição específica de operação do
motor e da solicitação do torque.
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Momento de Força, Conjugado no eixo ou Torque
Ft força total do gás sobre o pistão Fb
força transmitida pela biela Ftan força
tangencial na árvore de manivelas
(virabrequim), responsável pelo torque. Torque
T Ftan . r w velocidade angular ??/?t
2? n/60 W trabalho de Ftan para uma volta do
motor 2? r . Ftan 2 ?T Ne potência
de eixo do motor 2? r . Ftan . n/60 2 ?T
. n/60
Ft P . Ac
Fb
Ftan
?
r
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Algumas Equações
Rendimento Térmico Pressão média
x 2 p/ motor 4T
PCI poder calorífico inferior do combustível
kJ/kg IMEP indicated mean effective pressure
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Sistemas Estruturados por Torque
O torque desejado pelo motorista corresponde ao
torque no volante do motor (Te torque
efetivo). A atuação da injeção eletrônica causa
efeito direto sobre a combustão e, portanto,
sobre a curva de pressão do cilindro e do torque
indicado do motor, Ti.
O torque indicado é dado por (ignição em MBT)
Fluxo ideal de comb. calculado,
, valor calibrável
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Sistemas Estruturados por Torque Fluxograma
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Sistemas Estruturados por Torque Fluxograma
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Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool

• Para aproveitar todo o benefício do álcool e da
  gasolina como combustíveis num único motor, o
  ideal seria desenvolver um motor com taxa de
  compressão variável.
• Custos elevados deste sistema inviabilizam esta
  opção.
• Alternativa taxa de compressão intermediária,
  com software robusto para adaptação do sistema de
  injeção eletrônica.

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Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool
Desenvolvimento necessário

• Nova bomba e linha de combustível
• Sensor de oxigênio aquecido
• Bicos injetores com maior vazão
• Sistema de reconhecimento de combustível no
  tanque
• Sistema de partida a frio
• Novos materiais e tratamento térmico de
  componentes do motor básico para resistir às
  características do álcool
• Novos software e calibração do sistema de
  injeção eletrônica

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Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool

• A adaptação do sistema de injeção requer a
  correta identificação do percentual de álcool no
  tanque de combustível.
• Há 2 métodos de detecção possíveis
• - via sensor capacitivo na linha de combustível
  freqüência de um sinal digital varia com a
  proporção de etanol.
• - via software estratégia diferenciada de
  closed-loop após reabastecimento.

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Aprendizagem do Combustível
Nível do Tanque
Correção do combustível
Correção do avanço de ignição
Estima Etanol
Estratégia de Partida a frio
Sensor de Oxigênio
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Aprendizagem do Combustível

• O reconhecimento de combustível ( de álcool)
  presente no tanque é habilitado pela lógica de
  closed-loop do sensor de oxigênio. O valor de
  adaptação de mistura (relação A/C) que assegura
  lambda 1 indica a de álcool, que pode variar
  entre 8,3 e 13,3.
• Ex A/C 13,3 álcool 25
• A/C 8,3 álcool 100
• Um modo de aprendizagem rápido é habilitado
  sempre que ocorre um reabastecimento.
• Um modo de aprendizagem lento é habilitado para
  ajuste mais preciso da mistura.

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Propulsão veicular - novas tendências e
perspectivas

• Motores mais eficientes menor potência de
  atrito, maior taxa de compressão
• Down-sizing, motores de menor cilindrada
• Combustíveis renováveis (álcool, biodiesel)
• Sistemas bi-combustível FLEX
• GNV
• Injeção Direta na câmara de combustão
• Veículos híbridos motores de combustão e
  elétrico
• Célula de combustível a hidrogênio

55
Obrigado !!
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• Referências Bibliográficas
• J. B. Heywood, Internal Combustion Engines
  Fundamental, New York McGraw-Hill, 1988
• Catálogo eletrônico de peças Chevrolet 2002
• Manual eletrônico da BOSCH Sistema de Injeção
  ME7 Motronic
• Princípios da Injeçao Eletrônica Manuais
  técnicos internos da GM-Powertrain, Delphi e
  BOSCH
• site http//www.howstuffworks.com