Gerenciamento de Sistema de Injeção Eletrônica em Motores de Ignição por Centelha

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

2. 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

3. Gases de Escape Por que a Injeção Eletrônica? Combustível + Motor Ar TORQUE

4. 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;

5. 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

6. Carburador Carburador Eletrônico Injeção Eletrônica Central Injeção Eletrônica Multi-ponto Sistema de Injeção Direta Convencional (platinado e distribuidor) Transistorizada / por Tiristor Mapeada Eletronicamente Histórico / Evolução: Controle do Avanço de Ignição e Distribuição Controle de mistura A/C

7. 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).

8. 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, > 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.

9. 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

10. 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.

11. 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

12. 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.

13. 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

14. Programa Genérico para Desenvolvimento da Calibração de um Motor Novo: 3 meses 18 meses

15. 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

16. 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.

17. Curva característica do bico injetor:

18. 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)

19. Cálculo do pulso de injeção: BPW = base pulse width (ms) + correções...

20. 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.

21. 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 Borderlinetiming = 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.

22. Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Fonte: J. B. Heywood

23. Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Fonte: J. B. Heywood

24. Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Fonte: J. B. Heywood

25. 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

26. Motor 1.8L 4 cil.: 3200 RPM, 80 kPa 220 3500 210 3000 200 2500 190 180 2000 Torque Torque 170 SFC (g/ CV.h) NOx (ppm) 1500 160 150 1000 MBT 140 500 130 120 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 ° SpK APMS Calibração Básica: determinação do avanço de ignição O avanço de ignição é decisivo para a emissão de NOx e custo do catalisador

27. 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

28. 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

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

30. Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio Fonte: J. B. Heywood

31. Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio Fonte: J. B. Heywood

32. Catalisador:

33. Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador Reações de: oxidação redução

34. Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador Fonte: J. B. Heywood

35. 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 (< 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.

36. Desenvolvimento de Calibração para Emissões:

37. 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).

38. 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.

39. Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis Emissões Gasosas e Evaporativas

40. Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis

41. 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.

42. 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)

43. 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.

44. 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

45. Algumas Equações: Rendimento Térmico: Pressão média: x = 2 p/ motor 4T PCI = poder calorífico inferior do combustível [kJ/kg] IMEP = indicated mean effective pressure

46. 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

47. Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma

48. Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma

49. 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.

50. 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