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Controle Integrado do Motor Sistemas de Injeção/Ignição Eletrónica Humberto José Manavella Engenheiro Eletrónico Universidade de Buenos Aires Obra registrada na Fundação Biblioteca Nacional com o número 271.511 Éproibida a reprodução total ouparcialpor quaisquer meios sem autorização escrita do autor Impresso no Brasil Printed in Brazil Of«na Brasil MTE-THOMSON CHM Para contatos:Rua Dr. Flaquer, 115 - conj. 33B - Paraíso CEP 04006-010 São Paulo SP tone: (0xx11) 3884 -0183 'Autofronico humberto@hmautotron.eng.br www.hmautotron.eng.br Prólogo É com muita satisfação que apresento esta obra, fruto de mais de 8 anos de pesquisa e elaboração na área de eletrónica embarcada. Ainda que o foCo principal seja o estudo e análise dos sistemas de injeção e ignição eletrónicas, o leitor poderá encontrar subsjídios conceituais que lhe permitirão abordar e compreender o funcionamento dos outros sistemas de eletrónica embarcada que equipam o automóvel moderno. Esta é uma otjra de caráter conceituai, que tem por objetivo servir de referência não somente ao técnico da reparação autcjmotiva (até há pouco, conhecido como "mecânico") no seu constante aprimoramento profissional, mas também, àqueles estudantes da disciplina autotrônica, ministrada nos cursos de tecnologia automobilística de nível médio|(técnico) e superior (engenharia). Agradecimentos •Aos amigos Mareio Portella e Domingos Veiga Neto, pelas sugestões na escolha do título e formato final da obra. •Ao amigo Moácyr Mendes Morais, pelo encorajamento e incentivo, fatores estes, de vital importância na conclusão e publicação da obra. •Aos amigos Antônio Gaspar de Oliveira e Luiz Carlos Fortini, do Sindirepa-SP, pelo significativo apoio na divulgação. •Aos amigos Denilson Vasconcelos e Marco Aurélio Fróes, do jornal Notícias da Oficina, pela especial atenção na avaliação ê divulgação da obra através dessa prestigiosa publicação. •Ao amigo JoSé Carlos dos Santos da Stafftec, pela caixa postal de correio eletrónico gentilmente cedida. •Aos amigos Gassio Hervé, do jornal Oficina Brasil, pela grande oportunidade de divulgação da obra através dessa destacada publicação. •A MTE Thomson, na pessoa do Eng. Alfredo Bastos Jr., pela colaboração na divulgação. Finalmente, urh agradecimento muito especial à minha família, Elba, Cecília e Ignácio, pelo incentivo e apoio ao longo destes 8 anos, assim como pelas idéias que contribuíram a dar o formato final à obra, que a eles dedico. À Cecília, em particular, pela preciosa ajuda na revisão final do texto. Humberto José Manavella São Paulo, Dezembro de 2003 Obras do mesmo autor •EletroEletrônica Automotiva - Aplicações Avançadas Este livrocobre em, aproximadamente 140páginas, uma ampla gama de temas de eletroeletrônica automotiva. Desde conceitos de energia, potência e resistência elétricas, até a análise do funcionamento do diodo semicondutor e do transistor, e a sua aplicação na retificação de sinais, regulagem de tensão e proteção de circuitos de èletrônica embarcada. •Emissões Automotivas - Sistemas de Controle/Diagnóstico O livro Emissões Automotivas, de aproximadamente, 190 páginas aborda de forma conceituai, tanto as emissões dós motores ciclo Otto como as dos motores ciclo Diesel. Inicialmente, são apresentados conceitos básicosnecessários ao entendimento dos sistemas de controle de emissões atualmente utilizados: simbologia química, conceitos de torque, potência, eficiência energética, processo de combustão e as emissões resultantes. A seguir, são apresentados os sistemas e métodos de controle mais relevantes entre as quais: injeção direta de combustíi/elem motores ciclo Otto, indução forçada, sistemas EGR, sistemas “common rail”, comando de válvulas variável, ciclos alternativos (Atkinson e Miller); composição e funcionamento dos diversos tipos de catalisadores e filtros de materialparticulado utilizados nos sistemas de pós-tratamento. •Diagnóstico Automotivo Avançado -Injeção/lgnição Eletrónica Consta de aproximadamente, 200páginas sendo o seu foco o diagnóstico dos sistemas de controle domotor de ciclo Ottd No entanto, muitos dos conceitos apresentados tais como o uso dos transdutores depressão/ vácuo e de corrente, análise das funções OBDII, aplicação do osciloscópio automotivo e multímetro gráfico, podemseraplicadosno diagnóstico diesel. Osprincipais temas abordados incluem: o “scanner”automotivo e as funções de diagnóstico das unidades de controle; diagnóstico baseado na análise dos parâmetros de ajuste de combustível; uso do osciloscópio automotivo (DSO) e do multímetro gráfico; conceitos de pressão e vácuo e a sua aplicação nos testes de compressão relativa, estática e dinâmica, aplicados a motores de ciclo OttoeDiesel;diagnóstico de falhas de combustão utilizando o osciloscópioemultímetro gráfico, associados ao transdutor de vácuo;apresentação da especificação OBDII, abrangendo todas as características dopadrão e a sua aplicação no diagnóstico do motor. Controle Integrado do Motor - Rei. 5.0 Sumário Capítulo1- Combustão Processo de Combustão Motores de Combustão Interna Relação Ar/Combustível Relação Estequiométrica Tipos de Misturas Fator Lambda 1 1 2 2 2 3... 3 Capítulo 2-Emissões Automotivas - Ciclo Otto Fonte das Emissões Automotivas Combustão e Emissões Métodos de Controle das Emissões . Emissões nos Gases de Escape . Emissões Evaporativas Pós-Tratamento dos Gases de Escape . Tipos de Catalisadores Catalisador de 3 Vias Eficiência do Catalisador de 3 Vias Catalisador de Armazenamento/Redução de NOx . 5 5 5 6 7 8 8 8 9 9 10 Capítulo3- Alimentação de Combustível Métodos de Dosagem de Combustível Funções Básicas do Sistema de Injeção. Histórico Injeção Mecânica e Eletrónica . Evolução e Integração dos Sistemas de Injeção Eletrónica Tipos de Sistemas de Injeção Eletrónica Noções de Controle Eletrónico 12 12 14 14 14 15 16 17 Capítulo 4- Gerenciamento de Sistemas de Eletrónica Embarcada Noções de Controle Eletrónico Sistemas de Controle Eletrónico Sensores e Atuadores Unidades de Comando Eletrónico Memória Mapeamento nos Sistemas de Eletrónica Embarcada 17 17 18 19 20 21 21 Capítulo5- Gerenciamento Eletrónico do Motor - Ciclo Otto Requerimentos dos Sistemas de Injeção Eletrónica Aplicação a um Sistema de Injeção/lgnição Sensores Atuadores Unidade de Comando Subsistemas Auxiliares Processo de Injeção em Sistemas Eletrónicos Fases de Funcionamento do Motor 23 23 23 24 25 26 26 27 27 Capítulo 6- Métodos de Medição da Massa de Ar - Ciclo Otto Métodos de Medição do Ar Admitido Método de Medição do Volume do Fluxo de Ar Método de Medição "Velocidade/Densidade" Método do Fio Aquecido 29 29 30 30 31 I Capítulo 7- Dosagem de Combustível nos Sistemas de Injeção - Ciclo Otto Injeção Eletrónica Tempo de Injeção Taxa de Recirculação do Combustível Pressão dò Combustível Correção por Tensão de bateria 32 32 32 33 33 33 Capítulo 8- Métodos de Controle em Malha Fechada Controle da Mistura (relação ar/combustível) Controle da Rotação de Marcha Lenta Controle do Avanço da Ignição 37 38 39 41 Capítulo 9- Subsistema de Combustível - Ciclo Otto Sistemas de Injeção Indireta Sistemas de Injeção Direta - GDi Capítulo10 - Verificações no Subsistema de Combustível Sistemas de Injeção Indireta Verificação da Pressão de Combustível Medição da Vazão de Combustível Verificação do Regulador de Pressão Medições em Sistemas sem Linha de Retorno (“returnless”) Sistemas de Injeção Direta 42 42 47 50 50 50 52 52 53 53 Capítulo11- Subsistema de Ar - Ciclo Otto Componentes Aplicações Capítulo12- Subsistema de Controle Eletrónico - Ciclo Otto Componentes Dispositivos e Sinais Auxiliares Sistema de Ignição Capítulo13- Sistema de Ignição Sistemas de Ignição para Motores de Ciclo Otto Ignição Convencional com Platinado Ignição Transistorizada Mecanismos de Avanço da Ignição Ajuste do Ângulo de Permanência Bobina de Ignição, Velas 55 55 56 59 .. 59 60 62 65 65 67 68 69 69 69 Capítulo14- Ignição Eletrónica Dispositivos de Disparo para Ignição Eletrónica Sistemas de IgniçãoEletrónica - Exemplos Ignição Eletrónica Mapeada Sistemas de Ignição Mapeada - Exemplos Métodos de Controle da Bobina de Ignição 70 70 71 72 73 74 Capítulo15- Ignição Estática - Detonação Ignição Estática de Faísca Perdida Ignição Estática COP (“coil-on-plug”) com Monobobina Combustão Anormal Sensor de Detonação Verificações no Circuito do Sensor de Detonação Capítulo16- Módulo de Ignição Configurações 76 76 77 77 79 80 81 81 II Capítulo17- Verificações nos Sistemas de Controle Integrado do Motor Analisador de Motores - Componentes Verificações no Sistema de Ignição Análise de Sinais do Sistema de Ignição Verificação do Estado Geral do Motor 84 84 84 85 86 Capítulo18- Subsistemas Auxiliares - EVAP - AIR Controle das Emissões Evaporativas - EVAP Acionamento da Válvula de Purga Estanqueidade do Sistema EVAP Injeção de Ar Secundário - AIR 89 89 90 91 92 Capítulo19- Subsistemas Auxiliares - EGR não Mapeado Controle das Emissões de NOx Recirculação dos Gases de Escapamento - EGR Sistemas EGR Pneumáticos 94 94 94 95 Capítulo 20- Subsistemas Auxiliares - EGR Mapeado Sistemas EGR Pneumáticos Dispositivos de Controle Dispositivos de Sensoriamento Sistemas EGR Eletrónicos 98 98 98 99 101 Capítulo 21- Subsistema de Diagnóstico Requisitos Básicos para o Diagnóstico de Defeitos .. Diagnóstico de Falhas em Sistemas Eletrónicos Subsistema de Diagnóstico Diagnóstico em sistemas OBD II OBDI e OBDII - Comparativo Sistema de Controle de Emissões OBDII - Ciclo Otto 103 103 103 104 106 108 109 Capítulo 22- Verificação de Circuitos e Componentes Tipos de Verificações Verificações na Cablagem Verificações em Circuitos de Sensores e Atuadores 110 110 112 113 Capítulo 23- Sensores de Temperatura Termistor Verificações Sensores Resistivos Verificações 114 114 116 117 117 Capítulo 24- Sensores de Posição - Potenciométricos - Sem Contato Sensor de Posição Potenciométrico Sensor de Posição sem Contato - HALL Verificações nos Circuitos dos Sensores de Posição 119 119 122 122 Capítulo 25- Sensores de Pressão Sensor de Pressão Absoluta - MAP Tipos de Sensores de Pressão Absoluta Verificações nos Sensores de Pressão Absoluta 124 125 127 128 Capítulo 26- Sensores de Rotação Sensor de Relutância Magnética Variável Sensor de Relutância Variável Diferencial Sensor Magneto-resistivo Sensor Ótico (fotoelétrico) Sensor Hall Verificações 130 130 132 133 134 135 136 Capítulo 27- Sensores de Quantidade de Ar Admitido Medidores de Volume de Ar Medidores de Massa de Ar Verificações nos Circuitos dos Sensores de Ar Admitido 140 140 142 145 Capítulo 28- Sensores de Oxigénio Tipos de Sensores de Oxigénio Sensor de Oxigénio de Zircônio Sensores de Oxigénio Aquecidos Controle do Aquecedor nos Sensores de Oxigénio Interface com a Unidade de Comando - Sensor de Zircônio Sensor de Oxigénio de Titânio Interface com a Unidade de Comando - Sensor de Titânio... Verificação do Sensor de Oxigénio Sensor de Relação Ar/Combustível (sonda universal) 148 148 149 150 151 152 153 153 154 157 Capítulo 29- Válvulas de Injeção Injeção Indireta Tipos de Irijetores . Métodos dp Acionamento . Métodos de Controle dos Injetores Exemplos de Sinais de Acionamento Verificaçõés nos Circuitos de Válvulas Injetoras Injeção Direta Capítulo 30- Bomba de Combustível Tipos L Componentes Principais Verificaçõés 161 161 161 162 163 164 165 166 169 169 169 171 Capítulo 31- Atuadores para Ajuste da Marcha Lenta Motor de Passo Válvula Solenoide Válvula Rotativa Motor de Corrente Contínua Acelerador Eletrónico Verificações no Circuito de Controle da Marcha Lenta 172 172 173 174 175 177 177 Capítulo 32- Válvulas Solenoide Eletroválvulas (válvulas solenoide) Válvula Solenoide de 3 Vias Acionamento de Válvulas Solenoide Verificações em Circuitos de Válvulas Solenoide 180 180 180 181 181 Capítulo33 - Reguladores de Pressão Regulador de Pressão - Mecânico Regulador de Pressão Diferencial Sistemas sem Linha de Retorno Regulador de Pressão - Elétrico 182 182 183 184 185 IV 1Combustão É através do processo de combustão que a energia contida no combustível, é liberada e transformada em trabalho mecânico ou potência. Este processo no entanto, deve ocorrer de forma controlada afim de que a energia disponível não seja desperdiçada. Contudo, nem com a utilização dos modernos métodos eletrónicos de controle, é possível transformar toda a energia contida no combustível, em trabalho ou potência útil. Verifica-se que uma certa porcentagem é desperdiçada. Isto porque os motores que equipam os veículos de transporte têm uma eficiência inferior a 100%. Na prática, verifica-se que o rendimento está entre 25% e 35%. Ou seja, 65% a 75% da energia disponível no combustível antes da combustão, é desperdiçada na forma de calor, no líquido de arrefecimento e nos gases de escape. Estes últimos, além de energia nãolaproveitada, contém alguns agentes poluentes. Assim, os modernos métodos de controle eletrónico são de vital importância, tanto para o aumento da eficiên¬ cia como para a diminuição das emissões resultantes do processo de combustão. Neste capítulo serão apresentados os princípios básicos do processo de combustão. No próximo;, serão anali¬ sadas, de forma sucinta, as emissões resultantes do mesmo. Processo de Combustão •Combustível •Oxigénio ou comburente (oxigénio contido no ar) •Calor A ocorrência da combustão só é possível na presença de três elementos: Nos motores de combustão interna, a combustão ou queima do combustível, acontece num recinto fechado denominado câmara de combustão. Nesses motores, a combustão da mistura se dá de forma violenta e rápida. Este processo é na realidade, uma explosão. Desta forma, a combustão provoca um aumento considerável da pressão dentro do cilindro. Isto, por sua vez, gera a força que impulsiona o pistão no sentido de fazer girar o virabrequim, produzindo trabalho mecânico e gerando a potência necessária. Como resultante do processo de combustão o mo¬ tor libera: Motor Ciclo Otto Ar Gases de escape (C0; + H:0 + N2 + CO + HC + NOx) a) Trabalhomecânicooupotência, que movimen¬ ta o veículo b) Gases de escape, compostos basicamente de H20(água), C02 (dióxido de carbono), A/ (ni¬ trogénio), CO (monóxido de carbono), HC (hidrocarbonetos ou combustível sem quei¬ mar), NOx (óxidos de nitrogénio). Os três últi¬ mos são gases poluentes. c) Calor (energia não aproveitada), retirado pelo líquido arrefecedor. Dos três itens mencionados, o único que produz o efeito desejado é o primeiro, o item a). Os itens b) e c) podem ser associados a energia desperdiçada ou desaproveitada. --- Pior ainda, os gases de escape além de transportarem calor, que representa energia não aproveitáda, são fonte de poluição já que alguns dos seus componentes agridem intensamente o meio ambiente. (02+N2) d Combustível(• (HC) Calor Potência É possível portanto, enunciar de forma bastante ampla as necessidades básicas impostas aos motores moder¬ nos, as quais são: Obter a máximapotência com o menor consumo de combustível e menor nível de emissão depoluentes, compatível com talpotência ou Máxima eficiência com Mínimo de emissões 1Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 1- Processo de Combustão --Motores de Combustão Interna- Entre os motores de combustão interna mais difundidos atualmente podemos mencionar dois tipos, os quais serão de interesse para a análise do processo de combustão. São eles: •Motor de Ciclo Diesel Neles, na câmara de combustão é admitida uma mis- Na câmara de combustão é admitido somente ar, tura de ar ê combustível. Esta é comprimida pelo pis- o qual é comprimido intensamente. Isto provoca o tão e no mbmento apropriado, próximo do fim do ciclo aumento da sua temperatura em um nível tal que, de compressão, é fornecido o calor necessário à com- quando o combustível é injetado, em um instante bustão através da centelha na vela. próximo do fim do ciclo de compressão, ocorre a combustão. •Motor de Ciclo Otto Ciclo DieselCiclo Otto CombustívelCombustível Gases de EscapeGases de Escape CalorAr Calor Calor.ArK) Calorm) Potêncja Potência --Relação Ar/Combustível-- A relação ar/combustível representa a proporção das quantidades de massa de ar e combustível que com¬ põem a mistura que é admitida nos cilindros. Portanto, tal relação de massas é definida como: Massa de Ar AdmitidaRelação Ar/Combustível= Massa de CombustívelAdmitida Relação Estequiométrica Quando na mistura admitida existe excesso de combustível, assim como quando existe excesso de ar além de um certo nível, a combustão não é possível. Verifica-se, pprtanto, que existe uma relação ar/combustívelpara a qual a combustão é perfeita ou, pelo me¬ nos, a melhor possível. A mistura que produz tal combustão é denominada mistura ideal ou mistura estequiométrica. Pode ser definida a mistura ideal ou estequiométrica como aquela na qual existe a quantidade suficiente de oxigénio (02)jpara queimar todo o combustível presente. Acombustãojda mistura ideal produz no escapamento (teoricamente): •Dióxido de carbono (C02): resultante do processo de combustão •Água (H20): resultante do processo de combustão •Nitrogénio (N2): já presente no ar da mistura admitida Estes gases não são poluentes. Outros gases presentes no ar, ao igual que o nitrogénio, devem passar inalterados pelo processo de combustão. 2 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 1- Processo de Combustão Esta definição é só teórica já que na realidade verifica-se por exemplo, que o nitrogénio é oxidado, formando NOx (óxidos de nitrogénio). Isto é devido às altas temperaturas presentes na câmara de combustão. Por sua vez, o processo de combustão nunca é perfeito pelo que sempre haverá nos gases de escape, elemen¬ tos poluentes como CO (monóxido de carbono) e HC (hidrocarbonetos ou combustívelnão queimado), resul¬ tantes da combustão incompleta. Outros componentes do combustível (enxofre, por exemplo), por sua vez, darão origem a gases nocivos à saúde e ao meio ambiente. O valor da relação estequiométrica depende do tipo de combustível considerado. Assim: •Relação estequiométricapara gasolina: 14,7:1 •Relação estequiométricapara gasolina com 20% de álcool: 12,5:1 •Relação estequiométricapara álcool: 8,5:1 Estes valores representam relações de massas. Assim por exemplo, no caso do motor a gasolina, são neces¬ sárias 14,7 partes (em peso) de ar para cada parte (em peso) de gasolina, para formar uma mistura estequiométrica. A análise a seguir, abordando os diversos tipos de misturas, será feita com base nos motores de ciclo Otto. -Tipos de Misturas- Nos motores de ciclo Otto, a mistura de ar e combustível admitida nos cilindros deve possuir iquantidades desses elementos em proporções bastante bem definidas, para que a centelha da vela possa provocar a sua ignição. Ainda mais, para funcionar corretamente, o motor precisa receber a dosagem de ar e combustível mais conve¬ niente a cada regime de operação. Somente desta forma é possível obter o máximo de rendimento com o mínimo de emissões. MISTURA ESTEQUIOMéTRICA OU IDEAL Este tipo demistura é a quepossuia relação de ar e combustível, mais adequada aobom funcionamen¬ to do motor. Essa relação ideal é definida, teoricamente, como aquela da mistura que possui uma quantidade de ar capaz de queimar todo o combustívelpresente na mesma. Essa relação ar/combustível idealé denominada mistura estequiométrica ou ideal. MISTURA RICA Quandoa mistura admitida nos cilindrospossuimenos ar que o correspondente à mistura ideal (exces¬ so de combustível), uma parte do combustívelnão é queimada, e a combustão torna-se incompleta. Como resultado, aumenta o nívelde emissão depoluentes. Verifica-se, também, que se talexcesso de combustívelultrapassa um certopatamar, a combustãonão mais épossível, e o motor não funciona (motor afogado). As misturas com excesso de combustível denominam-se misturas ricas. MISTURA POBRE No caso oposto, ouseja, quando a misturapossuimenos combustívelque o correspondente à mistura ideal (excesso de ar), parte do oxigénio não é utilizado. No entanto, a combustão também torna-se ineficiente, e verifica-se um aumento do nível de emissões. Quando tal excesso de ar ultrapassa um determinadopatamar, a combustão não mais épossível. As misturas com excesso de ar denominam-se misturas pobres. Fator Lambda Para facilitar a análise do processo de combustão e as emissões no escapamento, é definido um número denominado Fator Lambda. O Fator Lâmbda auxilia no raciocínio e é definido como uma relação de relações: realação ar /combustível real relação ar / combustível ideal fator Lambda |NOTAJ A relaçãorealé aquela correspondente à mistura realmente admitida nos cilindros. A relação idealé aestequiométrica do combustível considerado. 3Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 1- Processo de Combustão O fator Lambda mede portanto, o desvio da mistura realmente admitida nos cilindros em relação à mistura ideal ou estequiométrica. Desta forma, pode ser utilizado para caracterizar os diferentes tipos de misturas, indepen¬ dentemente do combustível utilizado. Assim: Lambda = 1 caracteriza à mistura estequiométrica ou ideal Lâmbda > 1 (lambda maior que 1) caracteriza às misturaspobres (excesso de ar) Lambda < 1 (lambda menor que 1) caracteriza às misturas ricas (excesso de combustível) Para motores de ciclo Otto, a condição de máximo rendimento, com mínimo consumo e emissão de poluentes, acontece parja mistura estequiométrica ou próximo dela; ou seja, para Lambda = 7. Osmotores de ciclo OTTO (igniçãoporcentelha) utilizamcombustíveismais voláteis que aque¬ les utilizados nos motores de cicio DIESEL (igniçãopor compressão). Além disso, dispõem de terrípos maiores para a formação da mistura se comparados com o tempo disponível nos motores DIESEL. Como consequência desses fatores, a mistura resulta mais homogénea nos motores de cicio OTTO. Por tais razões, os motores Diesel devem trabalhar com misturas pobres. Neles o tempo para a formação da mistura é menor, pelo que, para assegurar uma combustão completa, deve existir excesso de ar. A faita deste excessoprovoca a emissão de fuligem, monóxido de carbono (CO) ehidrocarbonetos (HC), devido à combustão incompleta. Nos motoresjde ciclo Otto e tomando como referência o fator Lambda, podem ser caracterizadas as seguintes misturas: |NOTA| •Lâmbda = 1 Em teoria é a mistura ideal que produz a queima total do combustível e fornece a melhor marcha lenta. •Lâmbda = 1.05 à 1.3 Mistura pobre que resulta em consumo reduzido e potência reduzida. •Lâmbda = 0.95 à 0.85 Mistura rica que resulta em máxima potência. •Lâmbda > 1.30 Mistura muito pobre com a qual a ignição não mais é possível. •Lâmbda = 0.85 à 0.75 Mistura muito rica que permite obter boas transições de carga. Ou seja, boa aceleração. •Lâmbda = 0.95 a 1 Condição ótima para a ignição da mistura. Praticamente, as misturas com Lâmbda = 0.9 a 1 são as que permitem obter os melhores resultados. Os motores que funcionam sob o princípio de ‘‘queima de mistura pobre” trabalham com misturas na faixa de Lambda 1,2 a 1, 7. Isto resulta numa economia de até 25% nas cargas parçiais, redução na emissão de C02 e drástica diminuição nas emissões de CO e NOx. A emissão de C02não é consideradapoluentemas, responsávelpelo efeito "estufa"queprovoca o aquecimento anormalda atmosfera. |NOTA| 'Autotrônica 4 Humberto José Manavella - HMAutotrônica 2Emissões Automotivos•Ciclo Otto Fonte das Emissões Automotivas Nos veículos automotivos, as emissões de poluentes podem ter sua origem: Nos gasespresentes no escapamento São as emissões resultantes do processo de combustão, o qual nunca é perfeito. Seja devido a defici¬ ências de projeto ou desregulagem do motor, os gases de escape possuem sempre, uma proporção de componentes poluentes. Na evaporação do combustível do reservatório e da cuba do carburador São as provocadas pela temperatura ambiente elevada. São denominadas Emissões Evaporativas. O método utilizado para seu controle será abordado no capítulo 18, "Subsistemas Auxiliares".: Nos vapores de combustívelacumu¬ ladosno cárter. O sistema de Ventilação Positiva do Cárter (PCV) recircula esses vapores e os integra à mistura através do filtro de ar, ou logo antes do corpo da borboleta. Anteriormente, até os anos 60, os vapo¬ res acumulados no cárter eram mais uma fonte de poluição já que os mes¬ mos eram despejados na atmosfera. Os vapores de combustível não queima¬ do, acumulados no cárter, resultam do vazamento de mistura através da folga existente entre os anéis e as paredes dos _ cilindros. Este vazamento acontece du- POTêNCIAÿJ rante o ciclo de compressão. C02 efeito estufa N2 H2O co aldeídos (álcool) ozônio =-*-"smog" luz solai COMBUSTÍVEL (HÇ) |l>:SA“S II ESCAPE NOx HC CALOR VAPORES do CARTER (HC) -Combustão e Emissões-- A combustão completa produz teoricamente, vapor d’água (H20) e dióxido de carbono (C02) no escape. O nitrogénio e outros gases contidos no ar deveriam passar inalterados pelo processo de combustão. Assim, uma combustão incompleta produz entre outros: Monóxido de carbono (CO) Resultante da combustão incompleta de mistura rica. A respiração de ar, em ambiente fechado com 0.3% de CO (em volume), podeprovocar a morte em 30 minutos. Hidrocarbonetos (HC) É combustívelnão queimado que resulta da admissão de misturas ricas ou de falhas de com¬ bustão. Este tipo de emissão é um fator importante na formação de ozônio na baixa atmosfera Óxidos de Nitrogénio (NOx) O nitrogénio, que deveria passar inalteradopelo processo de combustão, sejunta ao oxigénio por causa das altas temperaturaspresentes na câmara de combustão, formando os óxidos de nitrogénio. Os NOx são também, componentes importantes na formação do ozônio. |NOTA| O ozônio formado na baixa atmosfera (até 1000metros de altitude) é oprincipalcomponentedo "smog" ou névoa seca. 5Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 2- Emissões Automotivas - Ciclo Otto Para avaliar ò comportamento de alguns parâmetros de funcionamento do motor, assimjcomo o nível de emissão de poluentes no escape, será utili¬ zado o gráfico da figura ao lado. Nela estão graficados, em função do fator Lambda e de forma qualitativa (sem apresentação de valores), alguns parâmetros significativos como: Curva de consumo específico[C] Curva de torque[T] Curvas deconcentrações depoluentesnosgases[HC][CO][NOx] Da figura surge que: O máximo: torque é obtido com Lâmbda próximo de 0.9 pelo que, a mis¬ tura deve Ser ajustada nesse valor durante as acelerações e no funcio¬ namento ém plena carga. No entanto, nesse caso, o consumo é prejudicado assim como as emis¬ sões de HC e CO O consumo ótimo é obtido com Lâmbda próximo de 1,05. Em cargas parciais a mistura deve estar em torno de Lâmbda=1. Isto, para obter!máxima economia e mínimo nível de emissões. Como verfios, para obter o melhor desempenho global com o mínimo de emissões, a mistura deve ser ajustada continuamente e com a me¬ lhor precis|ão possível. Como será mostrado, a injeção de combustível é um mecanismo adequado para o controle preciso da mistura. Cbm relação as emissões, resulta que a operação com mistura em torno de Lambda = 7 é a que oferece oS melhores resultados. Com misturas muito ricas, o motor emite altos níveis de CO devido à queima incompleta do combustível. Na medidá em que diminui o excesso de combustível, o mesmo acontece com nível de CO. O mínimo está em teimo de Lambda = 1. A partir desse ponto, o nível permanece praticamente constante devido a que o excésso de ar (próprio das misturas pobres) propicia a queima quase total do combustível.A peque¬ na porcentagem de emissão de CO deve-se às imperfeições do coletor de admissão e da câmara de combustão, entre outras causas. As emissões de hidrocarbonetos (HC) seguem praticamente a curva de consumo. Com misturas muito ricas (excésso de combustível) o nível de HCé elevado devido à queima incompleta do combustível. Com misturas muitopobres (excesso de ar) o nível de HC é elevado como resultado da instabilidade no funcionamento do motor. Isto é devido a que em alguns ciclos não se produz a queima da mistura, ou seja, verifica-se! falha de combustão. O mínimo de consumo é obtido para misturas levemente pobres devido a que na prática, sempre é necessário compensar as deficiências da câmara de combustão, entre outras, fornecendo um excesso de ar que assegure o aproveitamento ou queima total do combustível. Do gráfico; surge também, que o máximo das emissões de NOx acontece quando o motor funciona mais eficientemènte, admitindo mistura levemente pobre. Isto é devido a que, nesse ponto, a câmara de com¬ bustão atiijige a maior temperatura, o que favorece a formação de NOx. Portanto, ó controle da mistura em torno de Lâmbda = 1 não é o método mais adequado para diminuir as emissões de NOx. Surge assim, a necessidade do uso de outros métodos, como será visto no próximo item. -—--—— Métodos de Controle das Emissões- Como foi mencionado, existem três fontes geradoras de emissões no veículo: T C HC CO NOx 08 Fai_I 1. Os gases de escape 2. A evaporação de combustívelarmazenado no tanque e na cuba do carburador e que constituem as emissões evaporativas. 3. Os vapores de combustívelnão queimado acumulados no carter Nos itens a seguir serão apresentados os diversos procedimentos utilizados no controle e diminuição de tais emissões. 6 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 2 - Emissões Automotivas - Ciclo Otto Bomb|de Injeção Válvula EGR gases de escape recirculados entrada de art Válvula de Purga do Canister «5=6 A figura apresenta o conjunto dos sistemas e dispositivos mais significativos, utilizados atualmente, no controle das emissões de gases em moto¬ res de ciclo Otto. vapores de combustível Filtro n Canister Sensor de- Oxigénio* Injetor vapores do i, i cártel PCV l ® 1 Catalisador.............—— Emissões nos Gases de Escape----—-— Com relação à emissão de poluentes, a composição dos gases de escape é influenciada de várias formas. A seguir são apresentados os mecanismos mais relevantes utilizados atualmente no controle daslemissões de poluentes presentes nos gases de escape. •Controlando a composição da mistura Como foi mencionado, o controle preciso da composição da mistura, em torno da mistura ideal, ou seja, Lambda = 1, resulta num processo de combustão que, em teoria, produz o mínimo nível de èmissões. Para assegurar a injeção da quantidade correta de combustível, que resultará no fator Lâmbda deseja¬ do, é utilizada a informação proveniente do dispositivo denominado sonda Lâmbda. •Projeto otimizado do motor (motor “limpo”) Durante a fase de projeto do motor podem ser adotadas soluções que contribuam à diminuição das emissões. Por exemplo, desenvolvendo câmaras de combustão, coletores de admissão, sistemas de ignição, etc., mais eficientes. •Pós-tratamento dos gases de escape Ainda com as providências mencionadas nos itens anteriores, existe uma certa porcentagem de com¬ ponentes poluentes nos gases de escape. O pós-tratamento dos mesmos, através do uso do catalisador por exemplo, contribui ainda mais, na redução do nível de emissões. •EGR - Recirculação dos gases de escape O sistema EGR (do inglês, "exhaustgas recirculation") promove a recirculação de uma parte dos gases de escape (até 20%-30%), integrando-os à mistura admitida nos cilindros. A recirculação do gases de escape mostrou-se uma medida eficiente na redução do nível de Nox. •Controle do avanço doponto de ignição A determinação precisa do momento de geração da centelha tem provado ser outra forma eficiente de diminuição das emissões geradas no processo de combustão. Valores incorretos de avanço podem provocar o aparecimento do fenômeno de detonação e com isto, o aumento exagerado da temperatura da câmara de combustão. Como resultado, haverá um aumento no nível de emissão de NOx. •Pré-aquecimento do ar admitido A utilização deste método faz que com motor frio, o ar admitido nos cilindros passe através da parte externa do coletor de escape, sendo assim pré-aquecido. Com o motor quente, o ar é admitido através do duto principal, sem aquecimentoprévio. O pré-aqueci- mento promove uma melhor dirigibilidade e uma diminuição das emissões durante a fase fria jde aque¬ cimento). Este mecanismo é identificado também, com outras denominações como por exemplo, sistema Thermae (Ford) ou EEE(GM). (EFE; do inglês, "early fuelevaporation") •Injeção de ar secundário (sistema Thermactor, ou sistema AIR) Com este recurso, ar limpo é injetado, de forma controlada, no coletor de escape ou no próprio catalisador. Este procedimento tem por objetivo a queima do combustível residual presente nos gases d;e escape. Na fase de aquecimento, a injeção de ar, produz a queima do excesso de combustível resultante da admissão de mistura rica durante esta fase. Desta forma também, o catalisador alcança suã tempera¬ tura de trabalho mais rapidamente. A injeção de ar secundário no catalisador (opção utilizada no início dos anos '90) exige que este seja especialmente projetado para essa função. Ver adiante, neste capítulo, o item Tipos de Catalisadores. 7Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 2- Emissões Automotivas - Ciclo Otto —--- Emissões Evaporativas- As emissõesjevaporativas são aquelas provocadas pela evaporação do combustível contido no resevatório e pelos vaporés acumulados no carter do motor. A seguir são fcomentados os métodos atualmente utilizados para seu controle. •Filtro de Carvão Ativado (canister) - Sistema EVAP Os vapores de combustível gerados no reservatório e na cuba do carburador, são temporariamente retidos Hum filtro de carvão ativado ou canister para, posteriormente, no momento apropriado, serem integrados ("purgados") à mistura admitida e queimados. A purga jpode ser feita através de uma eletroválvula ou de uma válvula acionada por vácuo. Com a válvula áberta, o vácuo do coletor de admissão suga os vapores retidos no canister, promovendo a sua intergraçjão à mistura. Para o correto funcionamento deste sistema é necessário que o reservatório de combustível seja sela¬ do. Em òutras palavras, que os vapores gerados internamente não possam vazar através da tampa. •Ventilação Positiva do Carter - Sistema PCV (do inglês, "positive crankcase ventilation”) Através deste procedimento os vapores de combustível acumulados no carter são integrados à mistura admitida! para serem queimados. -Pós-Tratamento dos Gases de Escape-- O pós-tratamento permite obter uma diminuição ainda maior das emissões no escape, complementando a ação das outjras medidas de controlejá citadas. Atualmente, o elemento característico de pós-tratamento é o catalisador. Dependendo dos elementos catalíticos utilizados, pode diminuir as emissões de CO e HC e também as de NOx. Basicamente, o catalisador é composto de: Um substrato ou corpo, que serve de suporte ao revestimento cataliticamente ativo Uma carcaça metálica Um elemento (lã de vidro) para isolar o substrato das vibrações Os componentes básicos são similares para todos os tipos de catalisadores utilizados até o momento, isto desde sua introdução em meados da década de 70. O que tem variado é a composição do substrato ou corpo e com isto, o número de poluentes tratados. TIPOS DE CATALISADORES Existem vários tipos de catalisadores dos quais analisaremos alguns dos mais relevantes. O catalisador de três vias e o catalisador dearmazenamento/redução de NOxserão abordados com maior detalhe em função de ser os utilizados jatualmente no pós-tratamento das emissões de motores de ciclo Otto. CATALISADOR OXIDANTE Foi o primeiro tipo de catalisador desenvolvido e aplicado em me¬ ados da décáda de 70. É de corpo Cínico e sua função é provocar a oxidação (queima) dos hidrocaifbonetos (HC) não queimados e a oxidação do monóxido de]carbono (CO), transformando-os em dióxido de car¬ bono (C02) é água (H20). Para que ocórra a oxidação é necessário que exista excesso de ar dentro dojcatalisador. Tal excesso é conseguido injetando ar devidamenté filtrado, antes do catalisador. A injeção de] ar é feita utilizando uma bomba auxiliar, acionada pelo próprio motor ou eletricamente. Este é o caso dos motores que possuem sistemas de injeção de ar secundário. DE CORPO DUPLO É formado pór dois catalisadores ligados em série. Um requisito deste tipo de conversor catalítico é que os gases processados sejam o resultado da queima de mistura rica (Lambda < 1). No primeiro corpo são tratados os óxidos de nitrogénio (NOx) que são transformados em oxigénio (02) e nitrogénio (Nj) livres. No segundo corpo são oxidados: o monóxido de carbono (CO) e os hidrocarbónetos (HC). Para facilitar ia reação de oxidação no segundo corpo é injetado ar, através de uma tomada existente entre o primeiro e o segun¬ do corpo. Uma desvantagem deste tipo de catalisador é o au¬ mento de coihsumo devido ao uso de misturas ricas. \Catalisador Oxidante - Corpo Único\ 0 co-*co2HC->CO2+H2O 1 Catalisador Oxidante/Redutor - Duplo Corpo \ injeção de ar secundário f)|NOx -*02 + N2\ ()\co -*CO2 HC -¥C02+H20 8 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 2 - Emissões Automotivas - Ciclo Otto CATALISADOR DE TRêS VIAS (corpo único) Tem a vantagem de eliminar ou reduzir os três componentes nocivos (CO, HC, NOx) simultaneamente e com elevada efi¬ ciência, próxima de 90%. No interior do catalisador é possfvel verificar dois tipos de re¬ ações químicas: Redução ouseparação do NOx, que é convertido em O2 e N2 livres. Oxidação do CO e do HC, os quais são converti¬ dos em C02 e H20. CATALISADOR DE ARMAZENAMENTO/REDUçãO DE NOX O objetivo deste catalisador é o de "reduzir1' o NOx a seus componentes básicos: 02 (oxigénio livre) e N2 (nitrogénio livre). Encontra aplicação tanto em motores de ciclo Otto com "combustão de mistura pobre" (motores de injeção direta GDI) como em motores diesel os que normalmente trabalham pobrês. -Catalisador de 3 Vias-- O catalisador está instalado no escapamento, logo após o coletor de escape. A figura mostra os componentes de um catalisador de 3 vias, o mais utilizado atualmente. Neste caso, os 3 poluentes são convertidos num único corpo. •Substrato ou Corpo O corpo do catalisadorconstitui o suporte do revestimen¬ to catalítico ativo. Os tipos mais difundidos são: De esferas metálicas: pouco utilizado. Monolítico cerâmico: é o mais utilizado atualmente; é particularmente frágil. Monolítico metálico: de custo elevado, é utilizado nos pré-catalisadores ou catalisadores de arranque. Estes estão instalados antes do catalisador principal e devido a que atingem a temperatura de trabalho mais rapidamente, são utilizados para diminuir as emissões durante a fase de aquecimento do motor. •Revestimento O revestimento cataliticamente ativo é formado por metais nobres: platina, ródio, cério. O ródiòfavorece a redução do NOx, tranformando-o em 0?e A/ÿ livres, enquanto que a platina contribui para a oxidação do HC (queima do combustível residual) presente nos gases de escape e a oxidação do CO. O CO é transformado em CO? e o HC em COÿe A/?0 (vapor de água). Nos catalisadores corri corpo de esferas metálicas, estas podem estar diretamente recobertas com os elementos catalisadores. Já nos catalisadores com corpo monolítico cerâmico, o substrato recebe previamente, uma camada de óxido de alumínio {“wash coat’) que promove o aumento da superfície ativa do catalisador emjcerca de 7000 vezes. Sobre esta camada são depositados os elementos catalíticos. O revestimento não é o mesmo para todos os tipos de catalisadores utilizados até o momento. Tem variado de acordo com a evolução tecnológica. Ver o item a seguir. FUNCIONAMENTO A ação catalítica sobre os gases de escape se inicia quando o catalisador atinge uma temperatura de aproxima- damente, 250 a 300 graus. Neste ponto, a eficiência do catalisador é de 50% e é denominada de temperatura de "light off" (do inglês: acendimento) A temperatura ideal de funcionamento situa-se entre os 400 e 800 graus. Nessa faixa de temperatura; o catalisador atinge uma eficiência entre 90% a 95%. Temperaturas superiores a 1000 graus aceleram o envelhecimento do catalisador, principalmenté naqueles de corpo monolítico cerâmico.Corresponde portanto, localizar o catalisador em uma posição adequada, perto do coletor de escâpe de modo que funcione dentro da faixa ideal de temperatura, mas sem superar o limite máximo. B EFICIêNCIA DO CATALISADOR DE 3 VIAS Para obter máxima eficiência de conversão como a apontada acima, o catalisador deve processar gases que sejam o resultado da queima de misturas próximas da estequiométrica (ideal). Isto impõe a utilização de métodos de formação e controle de mistura que trabalhem em circuito fechado. Disto resulta a necessidade do uso de sonda Lambda. I Catalisador de 3 Vias - Corpo Único \ sonda Lambida CO-+CO, HC-¥C02+H20 NOX-+Q2 + N2 \Catalisador de 3 Vias] NOx *£sÿocom HC componentes não poluentes CO N,isolante w* amortecedor H20 C02 9Humberto José Manaveiia - HMAutotrônica Capítulo 2 - Emissões Automotivas - Ciclo Otto Outro requisito é que o sistema de ignição deverá funcionar corretamenté. Não deverão jexistir falhas decombustão ou de centelhamento, ou seja, falhãs na ignição da mistura. Todo ciclo de ignição que não produz a faisca com a suficien¬ te energia, provoca aumento do nível de HCno escape e com isto, a possibilidade de degradação térmica acelerada do catalisador. | Na figura ao |ado estão graficadas as curvas de eficiência ou rendimento de conversão para os diversos componentes dos gases de esóape, em função do fator Lambda da mistura uti¬ lizada. O gráfico salienta a faixa de desvio de 1% do Lambda, a qual constitui a janela de máxima eficiência. Notar que um desvio relativamente pequeno no ajuste da mis¬ tura, influi significativamente na eficiência de conversão que, como mostrá o gráfico, pode diminuir até 50%. Isto é devido a que: Quandoamistura épobre ocatalisadorsóconsegue con¬ verter CO e HCresiduais com máxima eficiência. Quando a mistura érica o catalisador só consegue redu¬ zir o NOx commáxima eficiência. Eficiência de Conversão janela de máxima efi- ciência de conversão NOx k / K' .8 2 co HC"c hSo / § V HCO \ * co £NOx <Ô> T T 0.9 0.95 1.0 1.05 1.1 Fator LambdafX.) — nível de emissões após catalisador. nível de emissões antes do catalisador CUIDADOS COM o CATALISADOR DE 3 VIAS Os maiores cuidados devem ser com relação aos catalisadores com substrato monolítico cerâmico. Uma con¬ dição indispensável para uma duração aceitável é o perfeito funcionamneto do motor. Ou seja, sem queima exagerada de óleo, sem falhas de combustão. Em casos ex|tremos, o mau funcionamento de um sistema de alarme instalado de forma incorreta ou defeitos no sistema die ignição, podem provocar o acúmulo de combustível não queimado dentro do catalisador. Quando atingida a temperatura de funcionamento, o combustível acumulado pode entrar em combustão e provocar um(aumento exagerado da temperatura interna, acima de 800 graus. Estas falhas podem provocar, até, a elevação da temperatura interna do catalisador por cima dos 1400 graus o que provocará a fusão do substrato cerâmico. O resultado é o entupimento do catalisador o que poderá impedir até, o funcionamento do motor. Outra condição importante para o correto funcionamento, é a utilização de combustível sem chumbo. Compos¬ tos a base dejchumbo se depositam sobre a superfície ativa, eliminando sua ação. Este é um processo irreversível. Assim também, resíduos de óleo provenientes de vazamentos, conseguem diminuir ou até cancelar a ação do catalisador j No entanto, éste processo tem demonstrado ser de caráter reversível. Ou seja, uma vez eliminada a causa da queima exagerada de óleo, o catalisador se recupera após algumas horas de uso. -r Catalisador de Armazenamento/Redução de NOx—-- O objetivo déste catalisador extra é o de “reduzir1’ o NOx a seus componentes básicos: 02 (oxigénio puro) e N2 (nitrogénio ppro). Como será visto a seguir, também, funciona como catalisador oxidante do CO e HC. O catalisador de armazenamento/redução de NOx é constituído, de forma similar ao de 3 vias, por um substrato cerâmico pofoso sobre 0 qual são depositados os elementos catalíticos: Platina:Elemento catalisador oxidante do excesso de HC e CO e redutor de NOx. Compostos (nitratos) de bário (Ba) e Titânio (Ti), entre outros, que funcionam como agentes de armazenamento de NOx. |NOTA| Este catalisador é conhecido também, pelas seguintes denominações: Catalisador Adsorvente deNOX ou Catalisador Acumulador de NOx. Em alguns casos, talvez erroneamente, recebe a denominação de catalisador de absorção de NOx. 10 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 2 - Emissões Automotivas - Ciclo Otto Este catalisador é utilizado em veículos equipados com motores com “combustão demisturapobre", que operam com relações ar/combustível de até 22:1, para evitar os altos índices de formação de NOx durante a operação com mistura pobre. Geralmente, está instalado após o catalisador de 3 vias. Este último, por sua vez, se encontra logo após o coletor de escape com o objetivo de reduzir o tempo de entrada em funcionamento, ou seja, o tempo para atingir a temperatura de “light off” ou de 50% de eficiência de conversão. iCatalisador de NOx xFUNCIONAMENTOA figura ao lado apresenta um gráfico com a variação de concentração dos gases na saída do catalisador de 3 vias em função do Lambda da mistura admitida. Observar o aumento considerável na concentração do 02 e do NOx para misturas pobres. Por outro lado, para misturas ricas, reparar no excesso de HC e CO. Estas considerações são úteis na análise de funcionamento do catalisador de NOx. : / E3 BP i i* Mj S3 V /•o í \ yjtz X,*—*-pobrerica Mistura Pobre - ,c°2 KT" Figura [a]: Durante o funcionamento com mistura pobre, osgases, após o catalisador de 3 vias, contém um altoporcentagemde NOx e 02. Ao entrar no catalisador de NOxie pela ação catalítica da platina, reagem formando dióxido de nitrogénio (NO2), 0 qual é “armazenado” na camada de nitrato de bário. CO* tiO* [a]02 Mistura Rica Figura [bj: Quando a unidade de controle do motor, através da informação recebida do sensor de NOx, determina que a camada de nitrato de bário está saturada, inicia 0 processo de regeneração do catalisador, enriquecendo temporariamente, a mistura. Com este enriquecimento, na saída do catalisador de 3 vias diminui a quantidade de O2 e NOx e se eleva a concentração de FIC e CO. No catalisador de armazenamento/redução, a ação catalítica da platina promove a reação química do FIC e CO com o NOx armazenado 0 que resulta na formação de CO2 (dióxido de carbono), FI2O (água) e N2 (nitrogénio). - \ C°2fjO* tá j t*c [b] CHMÃutotrônica 11Humberto José Manavella - HMÃutotrônica 3Alimentação de Combustível•Ciclo Otto A função do sistema de dosagem de combustível nos motores de ciclo Otto, é formar e controlar a mistura ar/ combustívelgue deve estar presente no cilindro antes de se iniciar o ciclo de compressão. Além disso, para funcionar corretamente, tal mistura deverá conter as proporções de ar e combustível convenientes a cada regime de fuhcionamento do motor. Lembrar que; nos motores de ciclo Otto a quantidade admitida de ar é controlada pela abertura da válvula de aceleração (borboleta). Portanto, parja obter a correta dosagem de combustível, deverá existir um dispositivo ou mecanismo, capaz de avaliar ou mèdir a quantidade de ar admitida nos cilindros. A partir desse dado, deverá ser adicionada a quantidade de combustível necessária para manter o Lambda da mistura no vglor mais conveniente àquele regime de funcionamento do motor. Resumindo: j Nos motores de ciclo Otto o sistema ou elemento de dosagem de combustívelmede a quantidade de ar admitida e controla a quantidade de combustíveladicionada ao ar •Nas acelerações e no regime de plena carga, a mistura deverá ser enriquecida, permitindo que uma maior quantidade de combustível se junte ao ar, afim de obter a potência necessária. Nesse caso, o motor admite mistura rica. •Em cargas parciais e na marcha lenta o combustível adicionado poderá ser em uma proporção menor, para obter economia e baixo nível de emissões. Nesse caso, o motor admite mistura estequiométricaou levementé pobre. •Nas desacelerações, a quantidade de combustível pode ser reduzida ainda mais, resultando na admis¬ são de urna mistura pobre. Geralmente, nos sistemas de injeção o combustível é cortado totalmente durante as desacelerações. Nesse caso, só haverá injeção de combustível de forma espaçada, para manter aquecida a câmara de combustão. O primeiro dispositivo utilizado nos motores de ciclo Otto para a dosagem de combustível, foi o carburador. A partir de meados dos anos 50 começou a ser utilizada a injeção de combustível como mecanismo de formação e controle da| mistura admitida, isto em veículos de alto desempenho. Métodos de Dosagem de Combustível Os métodos de alimentação ou dosagem de combustível e de formação da mistura que serão analisados neste capítulo, são!aqueles aplicados aos motores de ciclo Otto. Os dois métqdos utilizados são: ! Sucção do combustível (carburador) \ Injeção do combustível Carburação fluxo-* — de ar CARBURADOR Nos motores! carburados o combustível é trazido do reservató¬ rio, pela bomba de combustível, para a cuba do carburador. Nesta, o combustível se encontra submetido à pressão atmosférica. O venturiê uijna diminuição no diâmetro do carburador e ao pas¬ sar por ele, 6 ar sofre um aumento de velocidade, que por sua vez provoca uma depressão. O combustível na cuba, submetido à força da pressão atmosfé¬ rica, é "sugado” pela depressão no venturi, através de um furo calibrado denominado gargulante ou gigleur. Na zona de dêpressão do venturi o combustível se integra ao ar, formando a mistura. O furo calibrádo é dimensionado para que ao longo da faixa de rotação do motor, a mistura formada seja o mais próxima da mistura ested|uiométrica. Carburador rÿÿBomba Combustível (mecanica ou elétrica) O e S 12 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 3 - Alimentação de Combustível - Ciclo Otto No entanto, a mistura não pode permanecer constante ao longo de toda a faixa de rota¬ ção. Deve ser variável para oforgar condi¬ ções de dirigibilidade ao veículp. Esta última premissa só é atendida quando ao carburador elementar, cujo funcionamento acabamos de apresentar, lhe sÿo incorpora¬ dos, entre outros, os seguintes!sistemas su¬ plementares: Bomba de aceleração \ Válvula de máxima Estes dispositivos auxiliares sjão utilizados para o enriquecimento da misfura nas ace¬ lerações, por exemplo, e contribuem ao au¬ mento da complexidade do disjpositivo. No caso do carburador, o sistema de alimen¬ tação e dosagem de combustível é do tipo aberto e não pressurizado jà que a cuba está em contato com a atmosfera. O nível do combustível na cuba, assim como o seu nivelamento (horizontalidlade), são fa¬ tores muito importantes no desempenho do motor. Carburador Elementar borboleta do afogado ifluxo de ar admitido—: T-\CO/po do carburador fluxo de mistura respiro da cuba <Z>pressão atmosférica100kPa (pressão atmosférica) venturi 1 — entrada do - „ comoustive •y-T—- (do tanque)Ig ooo * /50 a 70kPa t~ iâ cuba com combustível c orifício calibrado '(gigleur;gargulante) zona de depressão válvula de aceleração (borboleta)Lri INJEçãO Nos sistemas injetados o combustível é trazido do reservatório pela bomba, a uma pressão mai¬ or que a atmosférica, bem maior que a pressão utilizada nos sistemas carburados. Com tal so- bre-pressão o combustível é injetado em algum ponto da corrente de ar que se dirige aos cilin¬ dros, formando assim a mistura. A injeção se efetua através de um dispositivo denominado válvula de injeção ou injetor. Lembrar que a sobre-pressão é uma condição necessária para que o combustível seja injeta¬ do, na forma de finas gotículas. Este fato favo¬ rece a formação da mistura apropriada. No caso da injeção, o sistema de alimentação e dosagem de combustível é do tipo fechado e pressurizado. O regulador de pressão é responsável pela manutenção da sobre-pressão na linha. Para cumprir sua função, o sistema de injeção deve conhecer, a todo instante, a massa de ar qiie é admitida nos cilindros. Deve existir, portanto, algum dispositivo ou mecanismo de medição que avalie e mèça tal massa de ar. A partir do dado da massa de ar admitida, o sistema calcula e injeta a massa de combustível neqessária, para obter a mistura mais apropriada às condições de funcionamento do motor. Nos sistemas de injeção de combustível e como resultado da eliminação do carburador, a borboleta de acele¬ ração fica alojada em um dispositivo mecânico denominado corpo da borboleta. Lembrar que nos motores de ciclo Otto a borboleta de aceleração é o elemento utilizado para conjtrolar a carga do mesmo. No caso dos motores carburados, a borboleta está alojada no carburador, mas, hão faz parte funcional do mesmo. DIFERENçAS No caso do carburador, o combustível é "sugado" da cuba pela corrente de ar. A pequena diferença de pressão que provoca a sucção do combustível torna o processo de formação e controle da mistura, pouco preciso. Já no caso da injeção, o combustível, que está sob pressão na linha, é forçado a se integrar à cèrrente de ar. Isto resulta num processo mais preciso de formação e controle da mistura. Injeção de Combustível Regulador de Pressão Linha deCombustível (sob pressão) Linha deS Retorno fluxo de ar Injetor is, O Corpo Borboleta /*!> & Bomba Combustível (elétrica) 13Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 3 - Alimentação de Combustível - Ciclo Otto -1-Funções Básicas do Sistema de Injeção- O requerimento essencial de todo sistema de injeção de combustível é controlar a relação ar/combustívelda mistura que é admitida nos cilindros, de forma que a mesma seja sempre a mais conveniente às condições de funcionamento do motor. Para cumprirjcom tal objetivo, o sistema de dosagem deverá conhecer, a todo momento, a massa de ar admi¬ tida nos cilindros, assim como o estado de funcionamento do motor no que diz respeito a: Rotação Temperatura Posição da borboleta, etc Portanto, é necessária a presença de algum mecanismo ou dispositivo que informe à unidade de comando da injeção, a mdssa de ar admitida. A partir dessa informação pode ser calculada a massa de combustível a ser injetada. O sistema poderá corrigir a massa de cpmbustível calculada, aumentando-a (enriquecendo a mistura) ou diminuindo-a (empobrecendo a mistura), para adaptar-se às diversas condições de funcionamento do motor, com o objetivo de atender aos requerimentos de economia e dirigibilidade. Como exemplo dessa adequação aos diferentes regimes de funcionamento, verifica-se que, durante as fases de partida, aquecimento, aceleração e desaceleraçâo, o teor da mistura se afasta da relação estequiométrica para atender; às necessidades de dirigibilidade do veículo. Este afastamento, no entanto, é controlado pelo sistema com a suficiente precisão, com o objetivo de manter os níveis de economia e emissões. No próximo capítulo serão abordados conceitos básicos de sistemas de controle. Tais conceitos servirão de base para urna posterior análise dos sistemas de injeção. -Histórico- As primeiras! tentativas de aplicação da injeção de combustível aos motores de ciclo Otto, remontam-se à década de 30. Nessa época, a Mercedes introduziu em seus motores para aviões, um sistema de injeção direta preparado erh colaboração com a Bosch. Em 1949 foi aplicada a injeção indireta em motores Offenhauser de quatro cilindros, utilizados na corrida de Indianapolis. O primeiro veículo de série com injeção de combustível foi o Mercedes 300SL de 1955, que como os carros de competição da mesma marca, usava injeção direta Bosch. Seguiram outros modelos como o 200SE e 300SE, equipados com injeção indireta Bosch. Em 1957 a GJVI ofereceu como opcional para os modelos Corvette, Chevrolet e Pontiac, um sistema de injeção desenvolvidcj pela divisão Rochester. O sistema, dènominado Ramjet, era uma injeção mecânica, indireta, contínua, multipoint. Nas linhas Chevrolet e Pontiac subsistiu até o ano 1959; no Corvette, até 1965. A aplicação da injeção de combustível continuou a crescer nos anos 60 e 70, sobretudo nos carroseuropeus mais sofisticados e com o objetivo de aumento da potência espeçifica (desempenho). Só com a necessidade de atender à rígida legislação ambiental nos Estados Unidos e Japão, inicialmente, e na Europa posteriormente, é que a injeção de combustível adquiriu ampla difusão nos anos 80, tornando-se prati- camente a única alternativa possível. Assim, a injeção de combustível passou de "opção" a "necessidade", num período de aproximadamente 10 anos. O seu uso não mais era o de uma opção para obter um maior desempenho, mas uma forma de alcançar um melhor desempenho com maior economia e um menor nível de emissão de poluentes. —-Injeção Mecânica e Eletrónica-- Em todo sistéma de injeção de combustível existe um elemento de controle ou unidade de comando, que mede a quantidade;de ar admitida e injeta a quantidade de combustível necessária. Em função do tipo de controlador utilizado, os sistema de injeção podem ser do tipo: O controle é feito através de um conjunto de dispositivos mecânicos os que, em função da quantidade de ar admitida, adicionam o combustível necessário._ Mecânico Uma unidade de comando eletrónica controla o sistema (comanda os atuadores) a partir das informações recebidas dos sensores. Eletrónico 14 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 3 - Alimentação de Combustível - Ciclo Otto SISTEMAS MECâNICOS Nestes sistemas, a injeção do combustível se pro¬ cessa de forma contínua. Em outras palavras, a massa de ar que se dirige aos cilindros recebe constantemente, enquanto o motor funciona, combustível vaporizado. A quantidade injetada depende da quantidade de ar admitido, o qual, ao passar pelo Medidor de Volume de Ar, movimenta a placa A. O movimento desta placa se transmite ao Regulador de Pressão Variável. Com o aumento do fluxo de ar (aumento de rotação/ carga do motor) há um aumento da pressão na linha e consequentemente, um aumento da quantidade de combustível injetada. Regulador de Pressão Variável Injeção Mecânica ACorpo da Borboleta Admissão de Ar Medidor de Volume de Ar /*0 Bomba de Combustível Injeção EletrónicaSISTEMAS ELETRóNICOS A injeção do combustível se processa de forma intermitente. Nestes sistemas a unidade de comando eletrónico aciona (abre) o(s) injetor(es) durante alguns milissegundos, a intervalos regulares. O momento de ativação dos injetores está sincronizado com os ciclos de ignição. A quantidade injetada depende do tempo que os injetores permane¬ cem abertos. Este tempo é denominado tempo de injeção o qual é calculado pela unidade de comando em função do estado de carga do motor. Basica¬ mente, depende da massa de ar admitida e da rotação do motor. B £E JetronicE g II 1 Uai /© Unidade de Comando Para seu funcionamento o motor de eido Otto precisa de um sistema de ignição. Nos sistemas de injeçãomecânica o controle da ignição é feito sempreporummódulo específico, separado da injeção. Nos modernos sistemas eletrónicos o controle da ignição e da injeção de combustívelé realizado de forma integrada, por um único módulo, denominado unidade de comando, UC, ECM, PCM, ECU ou centralina. Uma abordagem detalhada dos sistemas de ignição será feita em capítuloppsterior. NOTA -Evolução e Integração dos Sistemas de Injeção Eletrónica- Os sistema de injeção eletrónica de combustível tem sofrido uma evolução constante desdei os primeiros sistemas "analógicos"até os atuais sistemas "digitais"ou "mapeados". | Sistema Analógico} Os sistema analógicospoderiam ser denominados mais apropriadamente de sistemas sem "microcomputador. Estes estão representados no Brasil pelo sistema LE JETRONIC da Bosch. Antes que os sistemas de injeção, os sistemas de ignição evoluíram no sentido de suas funções serem implementadas com circuitos eletrónicos. O aumento de confiabilidade e custos decrescentes dos dispositivos ele¬ trónicos e a sua inerente flexibilidade (se comparados com as soluções mecânicas) fizeram que as soluções encontradas pelos fabricantes con¬ vergissem definitivamente para os sistemas digitais ou sistemas integra¬ dos de injeção/ignição. unidade da injeção O JetroiicTa © (2 nan jp s a idade da ignição /un 15Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 3 - Alimentação de Combustível - Ciclo Otto |Sistema Digital \ Nos sistemas digitais o mesmo controlador ou unidade de comando gerencia simultaneamente a injeção de combustível e o sistema de , ignição, cálculando o momento de geração da centelha. Os sistema digitais representam uma evolução dos sistemas unidade de analógicos e incorporam, todos eles, um microcomputador que con- (efeTroníca) traia as funções de injeção e de ignição de forma integrada. 05 sistemas digitais são denominados também de sistemas mapeados. õJ Isto porque que os valores do tempo deinjeção (tempo de abertura do injetor) e do avanço da ignição são obtidos de "mapas!' ou tabelas a existentes na memória da unidade de comando. *1C •IV0 : ...- _ --Tipos de Sistemas de Injeção Eletrónica- Os sistemas de injeção para motores de ciclo Otto podem ser classificados de diversas maneiras. Uma delas é em função do local onde o combustível se junta ao ar para formar a mistura. Outra forma é em função do número de válvulas de injeção utilizadas (ou pontos) onde se realiza a injeção de combustível. SEGUNDO d LOCAL ONDE SE EFETUA A INJEçãO Iniecão Indireta - Multioonto \ injetor!§> injetor (©) Injeção direta O combustívelé injetado di¬ retamente dentro da câmara de combustão, durante o ci¬ clo de admissão ' ) vInjeção indireta O combustível é injetado fora da câmara de com¬ bustão SEGUNDO O NúMERO DE PONTOS DE INJEçãO Iniecão Monoponto ji (indireta) regulador /injetor. Iniecão Multiponto (indireta) |rampa a-a regulador \ injetor •Injeção monoponto ou single-point, ou TBI Nestes sistjemas existe um único ponto de inje¬ ção, logo aòima da válvula de aceleração ou bor¬ boleta. A injeção pode ser feita através de um único injetor ou em alguns casos (motores V6 ou V8), utilizan¬ do dois injqtores. Os sistema|s monoponto são todos do tipo indire¬ to e o injeto;r está montado no corpo da borboleta. •injeção multiponto ou multi-point ou multi-port Nestes sistemas existe um ponto de injeção para cada cilindro, logo acima da válvula de admissão, no caso da injeção indireta, ou dentro da câmara de combustão, no caso da injeção direta. Portanto, nos sistemas multi-ponto há um injetor para cada cilindro. Os injetores estão montados em um elemento de¬ nominado rampa ou tubo distribuidorque recebe o combustível do reservatório e os abastece. wutotrônica 16 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Gerencicimento cie Sistemas de Cletrônica embarcada 4 -Noções de Controle Eletrónico-- Os conceitos apresentados a seguir são gerais e portanto, podem ser aplicados a qualquer sistema de eletró¬ nica embarcada, seja ele de injeção/ignição, ABS, transmissão automática eletrónica. Os sistemas de controle são utilizados para comandar ou gerenciar a operação de um outro sistema, este último denominado sistema controlado. Aplicando este conceito aos sistemas de injeção de combustível podemos dizer que o motor!é o sistema controlado e a unidade de comando, o controlador. O objetivo do projetista do controlador é melhorar o desempenho do sistema controlado, o motor neste caso, controlando os parâmetros de entrada com o objetivo de obter os resultados desejados. No caso do motor, a unidade de comando controla a mistura ar/combustível para obter o melhor desempenho com o mínimo de emissões. Todo dispositivo controlador deve atender aos seguintes requisitos básicos: a) Cumprir sua função com adequada precisão b) Compensar rapidamente asperturbações que afetam o bom funcionamento do sistema c) Ser estável;não oscilar d) Ser imune a entradas inválidas ouperturbações e) Ser confiávelao longo da sua vida útil a) A precisão do controlador determina se o funcionamento do sistema controlado corresponde com aquele especificado ou projetado. Assim, no caso do motor, a precisão do controlador da injeção determina, por exemplo, seo nível de emissões será atendido convenientemente. b) A velocidade de resposta determina de que forma, rápida ou lenta, o controlador consegue res¬ ponder às solicitações de entrada. No caso do motor, a unidade de comando deve responder rapidamente nas acelerações pàra com¬ pensar as variações de carga do motor, evitando que o desempenho ou a dirigibilidade sejam afeta¬ dos por falta de potência ou hesitação. c) Esta propriedade, estabilidade, descreve como se comporta o sistema quando algumaIvariação brusca é aplicada na entrada. No caso do motor, durante as acelerações ou desacelerações. Os câmbios bruscos de carga não devem provocar oscilações na rotação do motor. Rotaçjão instᬠvel após aceleração brusca, por exemplo. As acelerações devem ser progressivas, sem trancos. d) Esta característica diz respeito a imunidade do controlador a perturbações estranhas. Nó caso do sistema de injeção, por exemplo, o funcionamento do controlador não deve ser afetado peias vibra¬ ções causadas pelo próprio veículo na sua movimentação. Nem deve ser afetado pela interferência da alta tensão gerada pelo sistema de ignição ou por outras fontes de perturbação eletromagnética. Por exemplo, nos primórdios da injeção eletrónica eram frequentes as falhas de funcionamento do motor (até parar, em alguns casos) ao transitar o veículo por ruas ou estradas próximas a linhas de transmissão de alta tensão. e) Esta característica, confiabilidade, indica que o controlador deve ter o mesmo desempenho duran¬ te toda sua vida útil. 17Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 4- Gerenciamento de Sistemas de Eletrónica Embarcada Sistemas de Controle Eletrónico Todo sistema de controle possui um conjunto de elementos controlados - o sistema controlado - e uma unidade de comando denominada unidade de controle ou simplesmente controlador. Nos sistemas de con¬ trole eletrónico, em particular, a unidade de comando é um controlador eletrónico. Neste capitulo osistema de injeção/ignição domotor ciclo Otto será utilizado como único objetivo de apresentar as características fundamentais dos sistemas de controle eletrónico. No entanto, os conceitos apresentados podem ser aplicados a outros sistemas eletrónicos automotivos como: antiiravamento/controle de tração (ABS/TC), ar condicionado (A/C), transmissão automática, etc. NOTA Este livro aboirda principalmente, o estudo dos sistemas de injeção/ignição eletrónica utilizados nos motores de ciclo Otto, osjquais são casos particulares dos sistemas de controle eletrónico. Assim, nos sistemas de injeção eletrónica: O motor é o sistema controlado A unidadéide comando da injeção é o controlador eletrónico Nos modernos sistemas digitais a unidade de comando (UC) é, em essênciaj um computador adaptado ao controle das funções do motor. E para desempenhar corretamente a sua função de controle, a unidade de comando deve conhecer a todo instante o estado de funcionamento do motor. A operação do motor e o nível de emissões dependem em grande medida, do controle preciso da mistura e do ponto de ignição. A função da unidade de comando é prover a relação ar/combustí¬ vel ótima e o avanço mais apropriado, com o objetivo de obter o melhor desempenho sob todas as condições de rotação e carga do motor. Para isso, a unidade de comando deve conhecer: •As condições de funcionamento do motor: Temperatura do líquido de arrefecimento, Posição da borboleta de aceleração, Pressão absoluta do coletor, Rotação do motor. •A massa de ar admitida ouum conjunto de informações quepermitam calcular talmassa. Os principais;elementos e funções controlados pela unidade de comando são: Injeção de combustível Rotação da marcha lenta Avanço doponto de ignição Dispoàitivos auxiliares de controle de emissões: válvula EGR, válvula depurga do canister e outros. Podemos dizêr que as únicas diferenças entre os motores carburados e os modernos motores com injeção eletrónica, sãb aquelas necessárias ao controle adequado dos dispositivos e funções acima mencionados. São os “sensores", os elementos que medem os valores necessários e os enviam à unidade de comando. Esta, porsuajvez, processa as informações recebidas e atuasobre os dispositivos que determinam o funciona¬ mento do motor. Basicamentei a unidade de comando controla: Válvulas de injeção:para dosar a quantidade de combustível Circuito de ignição:para gerar a alta tensão queproduz a centelha no momento apropriado Dispositivos de ajuste da rotação de marcha lenta Dispositivos auxiliares de controle de emissões Esta ação se dá através de elementos denominados “atuadores". Estes são dispositivos elétricos ou eletromecâniços capazes de transformar os comandos recebidos do controlador nas ações desejadas. EletroválvulaS, motores elétricos, relés, bobina de ignição, são exemplos de atuadores. Unidade de Controle (controlador) 5 18 23 : e if Motor (sistema controlado) 18 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 4 - Gerenciamento de Sistemas de Eletrónica Embarcada Sensores e Atuadores A figura ao lado representa a configuração básica de todo sistema eletrónico de controle. O exemplo corresponde a um sistema de injeção/ignição. Esta configuração básica contendo sensores, uni¬ dade de comando e atuadores pode ser aplicada a qualquer sistema de eletrónica embarcada, seja ele de injeção/ignição, de controle da transmissão auto¬ mática, ABS. O que muda, de acordo com o sistema analisado, são os sensores e atuadores utilizados assim como o programa de controle da unidade de comando. A figura mostra que: Os sensores enviam informação para a unida¬ de de comando, na forma de sinais elétricos A unidade de comandoprocessa esta informa¬ ção egera comandos, na forma de sinais elétri¬ cospara os atuadores Os atuadores executam os comandos recebi¬ dos; transformam os sinais elétricos de coman¬ do nas ações desejadas. TC,ATIJADORESSENSORES _ Temperatura do Ar * . MTemperaturado Motor Rotação do Motor I ZF t Pressão do Coletor de Admissão Massa de Ar Pela própria natureza das unidades de controle, que trabalham com sinais elétricos, faz-se necessário que os sensores utilizados transformem os valores por eles medidos em sinais elétricos. Da mesma forma, os atuadores utilizados deverão ser capazes de transformar os comandos ge|rados na unidade de controle na forma de sinais elétricos, nas ações requeridas. Por exemplo, abrir uma válvula, energizar um motor elétrico, movimentar algum dispositivo mecânico. SENSORES Em toda aplicação de eletrónica embarcada é sempre necessário, medir quantidades físicas tais como tempe¬ ratura, pressão, velocidade de rotação, concentração de gases, etc. Estas informações ou sinais|são as deno¬ minadas variáveis de entrada. São os sensores os encarregados de medir tais variáveis e enviar seus valores à unidade de corjnando. No caso de sistemas de injeção eletrónica, o objetivo a ser atingido é o de máxima eficiência de Conversão do combustível em potência com o mínimo de emissões. Para isso, a relação ar/combustível da mistura admitida é um parâmetro importante a ser controlado. As variáveis a serem consideradas para o correto controle da mistura são: Massa de ar admitida Pressão absoluta no coletor de admissão Velocidade derotação (rpm) Temperatura do líquido de arrefecimento Temperatura do ar admitido Pressão atmosférica Posição da árvore de manivelas Posição da borboleta de aceleração Relação ar/combustível (fator Lãmbda) a ser aplicada Existem outras variáveis as quais seria desejável medir, mas para as que ainda não existem serisores econo¬ micamente viáveis. Entre elas: Medição direta do torque do motor Pressão e temperatura dentro dos cilindros Massa de ar admitida em cada cilindro 19Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 4 - Gerenciamento de Sistemas de Eletrónica Embarcada Tipos de Sensores Em geral, osisensores utilizados nos sistemas de eletrónica embarcada pertencem a alguma das seguintes categorias: •Termistpres ouResistores NTC Sãoresistores cuja resistência semodificasensivelmente coma variação de temperatura. São utiliza¬ dosparã medir temperaturas: do ar admitido, do motor, do ambiente. # Potencipmetros São resistores de três terminais, um dos quais é móvel (cursor). Os outros dois terminais são para alimentação e massa do sensor. Ospotenciômetros são utilizadospara determinar aposição angular oulinear de dispositivos mecânicos. Por exemplo, aposição da borboleta de aceleração. •Interruptores São sensores que sópodem assumir o estado de ligados ou desligados. São utilizadospara sinalizar eventos simples como: ar condicionado ligado/desligado ou direção hidráulica sendo acionada. •Geradores de Sinal São serisores quegeram seupróprio sinalelétricopara informar determinadas condições. São utiliza¬ dos como sensores de rotação, de oxigénio, depressão doA/C, de massa de ar admitido. ATUADORES A unidade debomando de um sistema de eletrónica embarcada deve possuir algum meio de modificar o estado de funcionarrjento do sistema controlado. Assim, nos sistemas de injeção, as informações dos sensores são processadas jpela unidade de comando e o resultado desse processamento deve provocar alguma ação sobre o motor Está ação é realizada através de dispositivos de acionamento denominados “atuadores”. Entre os diversos tipos de atuadores presentes nos sistemas de eletrónica embarcada podemos mencionar: •Válvulas Solenoide Utilizadaspara controlar a injeção de combustível, controlar linhas de vácuopara o acionamento de portinholas em sistemas de A/C, controlar o fluxo de vapores de combustível. •Relês Utilizadòspara acionar dispositivos depotência como bombas, aquecedores elétricos. Estespodem ser do tipo tradicional (eletromecânico) ou de estado sólido (eletrónico). •Motores Utilizadòspara controlara rotação de marcha lenta, o sistema de travamento deportas, entre outros. Geralménte, os motores utilizados nos sistemas de eletrónica embarcada são acionadospor relês. -—-Unidades de Comando Eletrónico--- São as responsáveis pelo controle dos elementos atuadores nos sistemas de eletrónica embarcada, a partir das informações recebidas dos sensores. Nelas são executados os programas (software) de controle. Estes programas réalizam os cálculos necessários ao correto funcionamento dos sistemas. CONFIGURAçãO DAS UNIDADES DE COMANDO A configuração básica das unidades de comando digital, presentes errj todos os sistemas de eletrónica embarcada, é a da figura.! Na sua essência, a unidade de comando é um microcomputador. O microprocessador é o "cérebro" do sistema. É ele quem executa as instruções contidas no programa rebidente na memória. O circuito de Ientrada/saída é encarregado de adaptar os sinais enviados pelos sensores, para serem interpretados corretamenté pelo microprocessador. Também, transfor¬ ma os comandos de baixa potência, gerados na unidade de comando,!em sinais elétricos de maior potência capa¬ zes de acionar os atuadores. No circuito dé entrada/saída residem os componentes ele¬ trónicos utilizados na comunicação com o equipamento de teste. Este último, jligado à unidade de comando através do conector de diagnóstico, é um elemento fundamental no diagnóstico de defeitos. Conector de Diagnóstico T aos Sensores êAtuadoresÉ f |C/rcu/fo de Entrada/Saída\ t [Microprocessador] Informações de Caiibração>c *ROM 1 EEPROM| I EPROM r \EEPROM\(° / | RAM /ÿ Memória Cálculos Temporários Falhas Parâmetros Adaptativos Programa de Controle 20 Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 4 - Gerenciamento de Sistemas de Eletrónica Embarcada --Memória-- As memórias encontradas nas unidades de comando podem ser de três tipos diferentes: 9 Memória ROM Contém o programa que gerencia o sistema controlado: motor, A/C, ABS. O seu conteúdo não se apaga ao desligar a alimentação. Somente pode ser lida e o microprocessador não consegue gravár informa¬ ções nela. Além do programa principal, nesta memória reside o programa que constitui o sistema de diagnóstico. O programa de diagnóstico é uma função presente em todos os sistemas digitais de eletrónica embarcada. Possibilita a realização de verificações nos elementos e funções do sistema e controla a comunicação com o equipamento de teste através do conector de diagnóstico. Nos sistemas atuais esta memória foi substituída por aquela do tipo “flash'. 9 Memória EPROM Contém valores da ajuste específicos ao modelo de veículo no qual se aplica. O seu conteúdo não se apaga ao desligar a alimentação. Somente pode ser lida e o microprocessador não consegue gravar nela. No caso de sistemas de injeção/ignição, nesta memória estão gravados dados particulares corrio: peso do veículo, tipo de combustível, tipo de transmissão, curva de avanço. Esta memória constitui o denominado “chip”; que é o elemento geralmente modificado por terceiros, para obter uma melhora no desempenho. Isto não é sempre eficaz ou de acordo com o esperado. Lembrar que tais modificações podem alterar o nível de emissões e afetar a economia de combustível. ® Memória RAM Contém dados temporários utilizados pelo microprocessador como: Cálculos realizados a cada eido de injeção, Falhas detectadas, Parâmetros variáveis de funcionamento domotor (parâmetros autoadaptativos) O microprocessador consegue ler e escrever nela. O seu conteúdo é perdido quando é retirada a alimen¬ tação. Por isso, a parte da memória RAM onde são gravadas as falhas, recebe alimentação permanente de bateria. 9 Memória EEPROM- Memória “Flash” As unidades de comando dos sistemas de eletrónica embarcada atuais utilizam memórias do tipo EEPROM - e uma variação delas denominadas memórias “flash' - cuja característica mais significativa é que o microprocessador pode ler e escrever nela, mas o seu conteúdo não se perde ao retirar a alimentação elétrica: desconexão da bateria ou da unidade de comando. É utilizada como memória RAM para armazenar as falhas e os valores dos parâmetros auto-adaptativos (valores de aprendizado). Quando a memória RAM é constituída de uma EEPROM não é possível apagar as falhas armazenadas desligando a bateria, como é o caso das unidades que utilizam memória RAM convencional. As falhas só poderão ser apagadas através do uso de equipamento de teste adequado. Quando utilizada como memória ROM, para armazenar o programa principal, permite a modificação ou atualização do programa através do uso do equipamento de teste ligado ao conector de djiagnóstico. Desta forma, o programa da unidade de comando pode ser atualizado com uma nova versão sem a necessidade da troca da ROM, como era o caso em sistemas eletrónicos de geração anterior. ——Mapeamento nos Sistemas de ESetrônica Embarcada —— Para introduzir o conceito será utilizado como exemplo, a aplicação do mapeamentonos sistemas de controle integrado do motor. No entanto, o exemplo pode ser estendido a qualquer sistema de eletrónica embarcada. O mapeamento da injeção e da ignição é um mecanismo pelo qual, a unidade de comando, com base nos valores medidos pelos sensores, obtém o tempo de abertura do injetor e o avanço da ignição de tabelas residentes na sua memória. Estas tabelas ou “mapas”contém os valores a serem aplicados parâ cada condi¬ ção de funcionamento do motor. Tais tabelas são geradas durante o processo de desenvolvimento do sistema e contém os valores do tempo de injeção e do avanço a serem aplicados. Tais tabelas possuem valores para cada condição ou estado significa¬ tivo de rotação e carga do motor. O estado de funcionamento do motor é definido pelo conjunto de valores das variáveis de entrada, que são as informações recebidas dos sensores: pressão, temperatura, posição de borboleta, etc. Não todas as possíveis combinações de valores das variáveis de entrada são armazenadas nas tabelas. So¬ mente é considerado um número limitado de conjuntos de variáveis de entrada ou estados significativos do sistema. 21Humberto José Manavella - HMAutotrônica Capítulo 4 - Gerenciamento de Sistemas de Eletrónica Embarcada Assim, cada; conjunto de variáveis de entrada armazenado na memória, reflete condições características
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