Injeção Eletrônica Estratificada em Motores Otto

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INJEÇÃO ELETRÔNICA
AUTOMOTIVA
AULA 6
 
 
 
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Prof. Anderson Gabardo
CONVERSA INICIAL
Nesta aula, estudaremos o revolucionário sistema de injeção estratificada,
que tantos benefícios tem trazido aos veículos atuais.
O sistema de injeção estratificada traz uma nova forma de entendermos a
injeção de combustível, em que a massa do combustível não passará mais pelo
coletor e pelas válvulas de admissão. Nesse sistema, o combustível será enviado
diretamente à câmara de combustão por um sistema de alta pressão.
Esses sistemas possuem algumas definições. As principais são GDI (Gasoline
Direct Injection), FSI (Fuel Stratified Injection) ou, ainda, TSI (Turbo Stratified
Injection).
A estratégia de alimentar os cilindros com o combustível pulverizado
melhora significativamente a homogeneização da mistura de ar combustível,
otimizando a combustão, elevando a eficiência energética do veículo e baixando
os impactos ambientais causados pelo motor a combustão.
Vejamos, agora, como funciona esse sistema.
TEMA 1 – SISTEMA DE INJEÇÃO ESTRATIFICADA
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Antes de iniciarmos nossa caminhada nos sistemas de injeção eletrônica de
combustível estratificado, precisamos entender as inovações em relação aos
sistemas de injeção eletrônica convencionais.
Vejamos como é o princípio de funcionamento do sistema de injeção direta
de combustível em motores do ciclo Otto.
1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
A injeção eletrônica estratificada utilizada em motores do ciclo Otto possui
algumas características já presentes em sistemas de motores do ciclo Diesel
gerenciados eletronicamente.
Figura 1 – Funcionamento da injeção eletrônica
Crédito: Elias Aleixo.
Diferente dos sistemas de injeção eletrônica convencional, em que o
combustível era injetado no coletor de admissão antes das válvulas, nos sistemas
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de injeção direta o combustível (gasolina ou etanol) será lançado diretamente na
câmara de combustão, após as válvulas de admissão.
A construção do motor também sofreu modificações para comportar o novo
sistema. Nesses veículos, a câmara de combustão foi redesenhada e os pistões
possuem uma câmara especial construída para facilitar o turbilhonamento do ar,
melhorando a pulverização do combustível e consequentemente a queima da
mistura.
O sistema de admissão de ar possui ângulos mais favoráveis e que já
condicionam o ar a esse turbilhonamento.
Figura 2 – Injeção indireta e direta
Crédito: Jefferson Schnaider.
Claro que nessa situação uma parte do eletroinjetor precisa estar dentro da
câmara de combustão e suportar toda a pressão das fases do motor ciclo Otto,
principalmente da fase de ignição e expansão. Também receberão uma pressão
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muito maior do que os eletroinjetores dos sistemas de injeção indireta. Por isso,
os eletroinjetores são construídos em material especial de alta resistência.
Figura 3 – Eletroinjetor
Créditos: Stason4ik/Shutterstock.
Outra condição importante é a elevação da pressão do combustível. Por isso,
neste sistema, teremos duas fases de pressurização de combustível: a fase de
baixa pressão, comandada por uma bomba elétrica semelhante à que já
conhecemos e localizada no tanque de combustível, mas agora com um
gerenciamento eletrônico em seu acionamento.
A fase que chamaremos de alta pressão é executada por uma bomba
mecânica ligada ao comando de válvulas do motor, que subirá substancialmente
a pressão do combustível.
O combustível sob pressão é direcionado da bomba de alta para o tubo
distribuidor, que suporta e alimenta de combustível os eletroinjetores.
É no tubo distribuidor também que se encontra o sensor de pressão de
combustível.
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Figura 4 – Tubo distribuidor
Créditos: Aleksandr Kondratov/Shutterstock.
1.1.1 BENEFÍCIOS DO SISTEMA DE INJEÇÃO ESTRATIFICADA
Como já utilizado nos motores do ciclo diesel, o combustível de alta pressão
possui um poder de queima mais homogêneo.
Um grande benefício dos sistemas de injeção direta é a otimização da
queima da massa do combustível, que aumenta significativamente o
desempenho dos motores e diminui a emissão de poluentes principalmente CO2.
A pulverização do combustível em conjunto com o desenho da câmara de
combustão e cilindro permitem uma melhor mistura na formação do gás e o
fluxo ordenado da mistura na direção da vela de ignição.
Algumas montadoras utilizam uma combinação em conjunto com os dois
sistemas (injeção direta e injeção indireta), em regimes de torque mais baixo do
que a injeção indireta e quando se exige mais potência do motor entra em cena
o sistema de injeção estratificada.
O maior número de componentes e os custos mais elevados desses
componentes também são fatores limitantes ao novo sistema e muito se
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comenta sobre sua relação custo-benefício. Tudo que é novo pode trazer
objeções, que certamente serão superadas com os ganhos de escala de
produção e o aprendizado.
Comparando os sistemas de injeção direta e indireta, encontraremos
vantagens muito significativas no funcionamento dos sistemas de injeção direta.
Porém, esse sistema possui um custo muito maior em ralação ao sistema de
injeção indireta e requer alguns cuidados especiais na utilização do veículo,
principalmente no que diz respeito às manutenções preventivas.
Logo, nos sistemas de injeção direta, precisamos ter atenção redobrada
quanto à qualidade do combustível e do lubrificante que usaremos. O Quadro 1
mostra o funcionamento do sistema e o porquê dos pontos de especial atenção.
Quadro 1 – Funcionamento do sistema
1.2 EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS
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Para facilitar nosso entendimento, vamos entender como o sistema de
injeção direta evoluiu do sistema de injeção indireta.
1.2.1 ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL
Como vimos, o combustível nos sistemas de injeção indireta é enviado por
uma bomba elétrica ao tubo distribuidor, que pressuriza os eletroinjetores com
uma pressão que varia de 2 a 6 bar (dependendo o modelo do veículo).
Já no sistema de injeção direta, a bomba elétrica continua existindo, porém
agora somente para alimentar uma bomba mecânica que chamaremos de
Bomba de Alta Pressão, que vai alimentar os eletroinjetores com uma pressão
entre 40 e 250 bar.
O tubo distribuidor e o tubo de alimentação também precisaram ser
reforçados para suportar a maior pressão gerada pela bomba de alta pressão.
Figura 5 – Alimentação de combustível (1)
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Créditos: Aleksandr Kondratov/Shutterstock.
A bomba elétrica, que agora chamaremos de bomba de baixa pressão, teve
modificações em seu acionamento. Nos veículos com injeção indireta, a bomba
era alimentada por relés com alimentação constante, enquanto o motor a
combustão estivesse em funcionamento. Nos sistemas com injeção direta de
combustível a bomba, será acionada por um modulo auxiliar, que é comandado
pela central de gerenciamento do motor.
Figura 6 – Alimentação de combustível (2)
Créditos: Bachtub Dmitrii/Shutterstock.
Figura 7 – Alimentação de combustível (3)
Créditos: Vizun/Shutterstock.
Figura 8 – Alimentação de combustível (4)
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Créditos: Ilmarinfoto/Shutterstock.
Figura 9 – Alimentação de combustível (5)
Crédito: Anderson Gabardo.
1.2.2 ALIMENTAÇÃO DE AR
Como uma boa parte dos sistemas de injeção direta possui
turbocompressor, os componentes do sistemade ar também sofreram visíveis
alterações.
No sistema de injeção indireta, a massa de ar admitida era medida pelo
MAF. Nos sistemas de injeção direta com turbocompressor, mede-se a pressão
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do coletor entre o filtro de ar e a turbina. Após a passagem do ar pela turbina, o
sensor de pressão mede a pressão e a temperatura do ar que será admitido pelo
motor.
O sensor de pressão e temperatura do turbo envia essas informações à
central de gerenciamento do motor, que calcula a massa de combustível a ser
injetada no motor. Não somente pela regulagem do tempo de injeção; também
agirá sobre a pressão do combustível gerada pela bomba de alta pressão.
Figura 10 – Alimentação de ar
Créditos: Lek Changply/Shutterstock.
Após a pressurização do ar pela turbina, ocorre um aumento natural na
temperatura do ar, que expande sua massa e consequentemente é fator que
piora a queima. Para baixar essa temperatura, é utilizado um radiador trocador
de calor, o Intercooler.
Alguns sistemas contam com uma bomba d’agua elétrica, comandada pela
central para refrigeração do ar no Intercooler e na turbina. A essa estratégia,
podemos chamar de sistema de arrefecimento do Intercooler. A água do
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reservatório de expansão circula por um radiador trocador de calor próprio
(separado do radiador do sistema de arrefecimento).
A bomba d’agua do Intercooler recebe um sinal PWM da central e pressuriza
o líquido de arrefecimento pela turbina e pelo radiador do Intercooler.
O sistema de arrefecimento do motor também evoluiu. Como a temperatura
de trabalho do cabeçote e do bloco do motor são diferentes, o sistema de
arrefecimento também trabalha de maneira independente para estes dois
componentes. Na injeção eletrônica, o que percebemos é a existência de dois
sensores de temperatura, um que mede a temperatura do líquido de
arrefecimento no bloco do motor e outro no cabeçote.
Figura 11 – Bomba d’água elétrica
Crédito: Anderson Gabardo.
TEMA 2 – SISTEMAS DE COMBUSTÍVEL
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Para nosso entendimento do sistema de injeção estratificada, é essencial
entendermos o funcionamento do sistema de combustível. Nesses veículos,
vamos dividir o sistema de combustível em duas partes: sistema de baixa pressão
e sistema de alta pressão.
Vamos entender o funcionamento do sistema de baixa pressão e suas
características de acionamento, bem como o novo sistema de alta pressão, seus
componentes e seu funcionamento.
2.1 SISTEMA DE BAIXA PRESSÃO
Veremos agora o funcionamento e a estratégia do sistema de baixa pressão
e quais componentes foram agregados ao sistema que já conhecemos.
Assim como no sistema de injeção indireta, no novo sistema também
teremos uma bomba elétrica de combustível no interior do tanque, que
conduzirá o combustível, agora alimentando a bomba de alta pressão.
2.1.1 ACIONAMENTO DA BOMBA ELÉTRICA DE COMBUSTÍVEL
No sistema de injeção estratificada, a bomba elétrica de combustível do
interior do tanque tem a função de manter a bomba de alta pressão alimentada
de combustível. A maior diferença entre o sistema de injeção indireta e o sistema
de injeção estratificada é o acionamento dessa bomba elétrica.
Nos sistemas de injeção indireta, o relé é responsável por acionar a bomba
elétrica sempre que o motor estivesse em funcionamento. Essa alimentação, com
tensão da bateria do momento, ou seja, a bomba elétrica de combustível, recebia
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a tensão com todas as variações de tensão ocorridas pelo sistema de carga do
veículo, alterando assim sua rotação e, consequentemente, sua pressão. Essas
variações de pressão são compensadas mecanicamente pela válvula reguladora
de pressão.
No sistema de injeção indireta, a bomba de elétrica de combustível envia
pressão de combustível sem considerar maior ou menor demanda de
combustível pelo veículo.
Já nos sistemas de injeção estratificada, contaremos com um módulo de
controle para a bomba elétrica de combustível.
Figura 12 – Bomba elétrica de combustível
Uma pequena central é instalada sobre a estrutura do copo da bomba
elétrica de combustível e acessível para testes e substituições sem necessidade
de retirada do conjunto da bomba de combustível do interior do tanque.
Figura 13 – Central instalada na bomba elétrica
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Crédito: Anderson Gabardo.
O módulo de acionamento da bomba de baixa pressão enviará sinal de
alimentação em sinais do tipo PWM (Pulse Width Modulation). O sinal PWM, ou
modulação da largura do pulso, é uma estratégia de controle de tensão enviada
a equipamentos elétricos, principalmente em sistemas de intensidade de
iluminação e motores elétricos. Também é utilizado na codificação de sinais
através da medição da largura de seus pulsos.
Figura 14 – Controlador
Créditos: Maikon Lucian Lenz/Shutterstock.
O sinal PWM consiste em modular o ciclo ativo de uma onda quadrada
(Duty Cycle). O controlador – no nosso caso, o módulo de controle da bomba –
envia uma série de pulsos gerados em intervalos, que podem ser de mesma
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duração ou não. Quanto mais largo o pulso, maior o envio de tensão e corrente,
e maior o tempo de alimentação da bomba de baixa pressão.
Figura 15 – Sinal PWM
Créditos: Maikon Lucian Lenz/Shutterstock.
O sinal PWM gerado pelo microcontrolador do módulo de controle da
bomba é a estratégia para regular a tensão e a corrente elétrica enviadas à
bomba de baixa pressão de combustível, regulando assim sua rotação e a
pressão de combustível que será enviado à bomba de alta pressão.
2.2 SISTEMAS DE ALTA PRESSÃO
Os sistemas de injeção estratificada têm por princípio elevar a pressão do
combustível de maneira segura para que o combustível possa ser injetado
diretamente na câmara de combustão.
Veremos agora os componentes e suas estratégias de funcionamento.
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2.2.1 BOMBA DE ALTA PRESSÃO
Para a elevação da pressão do combustível o sistema conta com uma
bomba mecânica que chamaremos de bomba de alta pressão.
Figura 16 – Bomba de alta pressão
Créditos: Orlov Alexsandr/Shutterstock.
Essa bomba terá acionamento mecânico e em geral será comandada por um
dos comandos de válvulas, que por um came especifico acionará o mecanismo
da bomba que comprimirá o combustível.
Essa bomba mecânica tem a responsabilidade de aumentar a pressão do
combustível da linha de baixa pressão, que varia entre 2 e 6 bar, para pressão de
trabalho do sistema, que varia entre 40 e 250 bar, dependendo o regime de
carga e modelos de veículos.
Figura 17 – Motor automotivo
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Créditos: Vixit/Shutterstock.
2.2.2 ELETROVÁLVULA DE CONTROLE DA PRESSÃO DE
COMBUSTÍVEL
No sistema de injeção estratificada, precisamos elevar a pressão de
combustível. Como vimos, o componente que pressuriza o combustível é a
bomba de alta pressão, que é um componente mecânico acionado pela rotação
do motor a combustão graças ao comando de válvulas.
Figura 18 – Eletroválvula
Créditos: Notsuperstar/Shutterstock.
Essa pressão então precisa ser controlada, pois deve variar conforme as
necessidades de utilização do motor. Para isso, teremos a válvula de controle de
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pressão de combustível. Essa eletroválvula é comandada pela central de
gerenciamento do motor, que limitará ou não a pressão do combustível enviada
ao tubo distribuidor de combustível e ao conjunto de eletroinjetores. A
eletroválvula recebe sinal PWM diretamente da central de gerenciamento do
motor, comandando assim seu avançoou retrocesso.
A central de gerenciamento do motor calcula a pressão necessária à
condição de funcionamento do motor, considerando informações dos sensores
de rotação e PMS, sensor de temperatura, sensor de pressão do turbo, tipo de
combustível utilizado (etanol, gasolina ou a combinação de etanol e gasolina) e
também do sensor de pressão de combustível localizado na linha entre a bomba
de combustível e os eletroinjetores. Normalmente, esse sensor está localizado no
próprio tubo distribuidor.
Figura 19 – Motor
Créditos: Vixit/Shutterstock.
2.2.3 A BOMBA DE ALTA PRESSÃO DE COMBUSTÍVEL
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Vamos acompanhar agora os componentes internos da bomba de alta
pressão. A bomba a seguir equipa o automóvel Peugeot 3008 com sistema Bosch
MED 17.4.
Como vemos, essa bomba possui algumas válvulas internas que permitem a
passagem do combustível em um sentido e o bloqueio no sentido inverso.
Também vemos os êmbolos e a eletroválvula reguladora de pressão.
2.2.4 FUNCIONAMENTO DA BOMBA DE ALTA PRESSÃO DE
COMBUSTÍVEL
Vamos acompanhar agora o funcionamento interno da bomba de alta
pressão de combustível em seu funcionamento normal, em que a pressão de alta
estará entre 50 e 120 bar.
O combustível vindo da bomba de baixa pressão entra pelo duto B e já
encontra a eletroválvula reguladora de pressão parcialmente aberta, permitindo
a passagem do combustível até as válvulas anteriores aos êmbolos. Nessa
condição, somente a carga de uma das válvulas é aberta, permitindo a passagem
do combustível para o primeiro êmbolo. O êmbolo pressuriza o combustível, que
segue sob pressão pela saída A até o tubo distribuidor.
A bomba utilizará essa estratégia na condição demandada pela central de
gerenciamento do motor para a pressão de saída do combustível de 50 até 120
bar. Veremos o funcionamento interno da bomba de alta pressão de combustível
em regime.
Figura 20 – Funcionamento da bomba de alta pressão de combustível
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Quadro 2 – Funcionamento da bomba de alta pressão de combustível
2.2.5 BOMBA DE ALTA PRESSÃO A PLENA CARGA
Agora, veremos o funcionamento interno da bomba de alta pressão de
combustível em regimes de trabalho que demandam pressões superiores a 120
bar. O combustível vindo da bomba de baixa pressão entra pelo duto B e já
encontra a eletroválvula reguladora de pressão totalmente aberta, permitindo a
passagem do combustível até as válvulas anteriores aos êmbolos. Nessa
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condição, a pressão do combustível vence a carga das duas válvulas, permitindo
a passagem do combustível para os dois êmbolos.
Nessa condição, os êmbolos pressurizam o combustível que segue sob
pressão pela saída A até o tubo distribuidor com pressão superior a 120 bar. A
bomba utilizará essa estratégia em condição estabelecida pela central de
gerenciamento do motor quando houver necessidade de alta pressão do
combustível normalmente em exigências de plena carga do motor.
Figura 21 – Bomba de alta pressão a plena carga
2.2.6 REGULAGEM E QUEDA DE PRESSÃO COM MOTOR EM
REPOUSO
Agora, veremos o comportamento da bomba de alta pressão nas situações
de motor em repouso.
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Sabemos que, para uma partida mais rápida, é importante a manutenção da
pressão de combustível mesmo com o veículo parado por algum tempo. Para
isso, a bomba de alta pressão possui uma estratégia de funcionamento também
comandada pela central de gerenciamento do motor.
Figura 22 – Regulagem e queda de pressão com motor em repouso
O combustível vindo da bomba de baixa pressão entra pelo duto B e já
encontra a eletroválvula reguladora de pressão totalmente fechada, bloqueando
a passagem do combustível para as válvulas anteriores aos êmbolos.
Fazendo assim, a pressão da válvula reguladora de combustível da bomba
de baixa manter a pressão residual do sistema.
TEMA 3 – SISTEMA DE AR
O sistema de ar também possui algumas novidades que auxiliam no melhor
desempenho desse sistema. Alguns veículos agora são equipados com
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turbocompressores, também gerenciados pela central, o que aumenta a
eficiência das turbinas e aumenta a durabilidade do conjunto.
As informações quanto à pressão do coletor e temperatura do ar admitido
também foram aprimoradas, assim o controle da central de gerenciamento do
motor reconhece e amplia a gama de possibilidades de ajustes para melhor
estequiometria.
3.1 TURBOCOMPRESSOR
O turbocompressor já é largamente utilizado em veículos do ciclo diesel e
de competição. Com a injeção estratificada e o avanço no gerenciamento
eletrônico dos motores, ele também vem sendo muito utilizado em sistemas de
menor cilindrada, aumentando o desempenho e a eficiência energética destes
veículos.
Figura 23 – Turbocompressor
Créditos: Lek Changply/Shutterstock.
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A turbina possui funcionamento bem conhecido: os gases do sistema de
exaustão movimentam o eixo que pressuriza o ar vindo do meio ambiente e o
enviam sob pressão ao sistema de admissão.
Sob pressão, mais moléculas de ar podem entrar na mesma área existente
nos dutos de admissão e câmara de combustão, levando à necessidade de maior
massa de combustível injetada para se ter a mistura ideal. Por consequência,
maior pressão do ar aumentará sua temperatura, o que também aumenta seu
volume. Para melhorar o desempenho de veículos com turbocompressor, é
instalado um radiador trocador de calor, que chamaremos de Intercooler. O
Intercooler receberá o ar sob alta pressão e temperatura vindo da turbina o
resfriará, e o ar sob pressão e resfriado será admitido pelo motor a combustão.
A maior parte dos sistemas refrigera o Intercooler somente com o ar do
ambiente que entra para o cofre do motor. No entanto, outros sistemas utilizam
um circuito de água para refrigerar o Intercooler, que baixará a temperatura do
ar vindo da turbina.
Figura 24 – Intercooler
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Créditos: Bachtub Dmitrii/Shutterstock.
3.1.1 MONITORAMENTO DA PRESSÃO DO AR
Sistemas de adaptação ou mais antigos tinham grande dificuldade em
mensurar a massa de ar admitida pelo motor, pois em geral só possuíam
variáveis mecânicas. Portanto, a correta definição da massa de combustível
demandada por motor turbo era praticamente executada por componentes
mecânicos que não consideravam variações que a utilização do veículo nos traz.
A consequência disso era a relativa baixa de confiança no sistema.
O gerenciamento eletrônico mais eficiente das novas centrais de
gerenciamento do motor possibilita calcular maior número de informações.
Sendo assim, é possível mensurar desde a pressão do coletor de admissão antes
da turbina, como a pressão e a temperatura do ar após a atuação do compressor
e em algumas situações eletronicamente proteger o sistema.
Para melhorar ainda mais a confiabilidade dos sistemas com
turbocompressor, existem também eletroválvulas de proteção gerenciadas pela
central que aumentam a confiabilidade e segurança do sistema.
Figura 25 – Eletroválvula de proteção
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Créditos: Orlov Alexsandr/Shutterstock.
3.1.2 SENSORES DE PRESSÃO E TEMPERATURA DO AR
Alguns sensores são fundamentais para o melhor funcionamento dos
sistemas de injeção estratificada com turbocompressor. Seguindo o circuito, o ar
é admitido, passa pelo filtro purificador de ar e já tem sua medição feita pelo
sensor de pressão do coletor (antes da turbina).
É do tipo piezo-resistivo, alimentado pela central com 5 volts, e devolve
tensão proporcional à pressão medida.
Figura 26 – Sensor de pressão e temperatura do ar (1)Créditos: John Vlahidis/Shutterstock.
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A central utiliza essa informação como base de cálculo da massa de ar
admitida pelo motor. O sensor de pressão e temperatura do ar da turbina é
instalado após a saída do turbocompressor e envia essas informações à central
de gerenciamento do motor.
Combina os sensores de temperatura do ar de admissão e pressão do ar de
admissão após o turbo em um único sensor. Também do tipo piezo-resistivo, é
alimentado com 5 volts pela central e devolve tensão proporcional à pressão
medida do tipo piezo- resistivo. Alimentado pela central com 5 volts, devolve
tensão proporcional a pressão medida.
Outra proteção que encontraremos nesse sistema é a eletroválvula que
regula a pressão de turbo (waste gate), que tem seu controle totalmente elétrico
comandado pela central de gerenciamento do motor. Essa eletroválvula permite
o desvio de parte dos gases de escape que movimentam a turbina para controlar
sua rotação e, por consequência, o nível de pressão produzido.
Figura 27 – Sensores de pressão e temperatura do ar (2)
Créditos: Orlov Alexsandr/Shutterstock.
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Alguns sistemas contam ainda com uma eletroválvula de descarga da
turbina (Dump Valve). Ela é comandada pela central de gerenciamento do motor,
que baixa rapidamente a pressão da turbina quando se diminui a aceleração
rapidamente protegendo o sistema.
Figura 28 – Sensores de pressão e temperatura do ar (3)
Créditos: John Vlahidis/Shutterstock.
3.2 GERENCIAMENTO DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO
Alguns sistemas têm a característica de gerenciar eletronicamente também o
sistema de arrefecimento. Nos sistemas da Volkswagen, por exemplo,
encontraremos o circuito de arrefecimento com duas válvulas termostáticas: uma
que controla a temperatura do líquido de arrefecimento que circula no cabeçote;
e outra que controla a temperatura do líquido de arrefecimento no bloco do
motor.
Figura 29 – Sistema de arrefecimento
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Créditos: Orlov Alexsandr/Shutterstock.
Por característica, o bloco necessita de uma temperatura de trabalho
relativamente alta, e o cabeçote exige uma temperatura de trabalho menor. Com
as duas válvulas termostáticas comandadas pelo gerenciamento eletrônico, é
possível manter a temperatura de cada uma das partes do motor em seu regime
ideal de temperatura.
O gerenciamento eletrônico do sistema de arrefecimento aproveita todo o
calor gerado pelo motor. A turbina também tem sua temperatura controlada
pelo líquido de arrefecimento, que conta com uma bomba elétrica auxiliar, que
auxilia na circulação do líquido de arrefecimento.
TEMA 4 – CONTROLE DE EMISSÕES
Veremos agora como se dá o gerenciamento para o controle de emissões de
gases poluentes. Nos sistemas de injeção estratificada, a leitura dos gases
resultantes da combustão serão analisados por uma sonda, que chamaremos de
sonda lambda de banda larga, que está localizada no sistema de exaustão antes
do conversor catalítico e outra sonda após o catalisador.
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Outro componente muito importante na estratégia do sistema de injeção
estratificada é o sensor de proporção de etanol no combustível.
Veremos agora a estratégia inovadora da sonda de banda larga e do sensor
de proporção de etanol.
4.1 SONDA LAMBDA BANDA LARGA
O sistema de geração de eletricidade pela diferença na concentração de
oxigênio em duas partes do sensor de zircônia já é nosso conhecido. Veremos
agora como a incorporação da célula de bombeamento de ar incorporada à
célula Nernst otimizou ainda mais a leitura dos gases de escapamento.
Figura 30 – Sonda banda larga
Créditos: Anderson Gabardo.
4.1.1 CARACTERÍSTICAS DA SONDA LAMBDA BANDA LARGA
A sonda do tipo banda larga foi desenvolvida para aumentar a precisão de
leitura dos gases de escapamento e, consequentemente, melhorar o controle do
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tempo de injeção, otimizando a mistura e buscando sempre a melhor eficiência
energética.
Figura 31 – Sonda lambda banda larga
Créditos: Askhat Gilyakhov/Shutterstock.
O sensor de oxigênio convencional possui sua resposta de trabalho em uma
faixa estreita da relação estequiométrica, indicando à central se a mistura está
rica ou pobre, gerando uma tensão entre 50 e 900 milivolts. Em 50 milivolts, a
mistura está pobre; em 900 milivolts, a mistura está rica; e em 450 milivolts, a
mistura é estequiométrica.
Figura 32 – Sensor de oxigênio
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Créditos: Kankawee Chotima/Shutterstock.
 Já o sensor de banda larga possui um range bem maior de resposta, o que
possibilita à central de gerenciamento saber o quão rica ou pobre está a mistura.
Esse sensor também é desenvolvido para ter uma vida útil bem superior à das
sondas convencionais ou planar.
Externamente, a sonda banda larga (wideband) é muito parecida com a
sonda planar ou finger. A principal diferença é na quantidade de fios. As sondas
do tipo planar ou finger possuem quatro fios; já as sondas do tipo banda larga
possuem cinco fios saindo do sensor e seis fios no chicote do veículo. O sexto fio
do chicote do veículo alimenta um resistor de calibração para alimentação do
sensor. O sistema elétrico envia sinal ao chicote da sonda que passa por esse
resistor, para depois alimentar o elemento da sonda.
4.1.2 FUNCIONAMENTO DA SONDA LAMBDA BANDA LARGA
Figura 33 – Funcionamento da sonda lambda banda larga (1)
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A sonda de banda larga é composta por dois elementos de medição: uma
célula Nernst e uma célula de bombeamento de oxigênio. A célula Nernst é do
mesmo tipo já utilizado nos sensores de oxigênio que já conhecemos.
Figura 34 – Funcionamento da sonda lambda banda larga (2)
A célula de bombeamento de oxigênio é o diferencial da sonda de banda
larga (wideband). A sonda de banda larga busca sempre controlar a mistura
estequiométrica em seu interior, ou seja, lambda = 1 (mistura ideal). Sendo
assim, o objetivo da célula de Nernst (sensor lambda) da sonda é então manter a
tensão de saída para a central de gerenciamento do motor em 450 milivolts.
A célula de Nernst receberá os gases do escapamento e fará a comparação
com o ar atmosférico de referência. Para que o sinal enviado à central seja o de
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mistura ideal (450 milivolts), é necessário injetar ou retirar oxigênio na célula de
bombeamento.
Nos momentos em que a mistura estiver rica, a central por eletroquímica
envia oxigênio para a câmara de bombeamento e retira oxigênio da célula de
bombeamento quando a mistura estiver pobre.
Figura 35 – Funcionamento da sonda lambda banda larga (3)
Crédito: Jefferson Schnaider.
Esse processo é feito via comando da central de gerenciamento do motor,
que, ao aplicar corrente positiva no eletrodo da célula, injeta oxigênio na câmara.
Quando a central envia corrente negativa à célula de bombeamento, esta retira
oxigênio da célula.
Medindo a intensidade dessa corrente injetada, a central sabe exatamente o
nível estequiométrico da mistura e promove as alterações no tempo de injeção.
Em resumo, o sinal da célula de Nernst (sensor lambda) informa para a
central o quanto de corrente a própria central deve injetar na câmara de
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bombeamento de ar e a central realiza internamente a leitura dessa corrente.
A medida da corrente enviada pela central é a informação da estequiometria
do veículo.
Interpretando esse sinal, a central agora possui inúmeras possibilidades de
relações estequiométricas, possibilitando assim agir sobre o sistemade injeção
em parâmetros intermediários e mantendo a mistura ideal, compensando as
variações estequiométricas que ocorrem a cada momento de funcionamento do
motor.
Como na sonda finger ou planar, a sonda wideband também só produz os
sinais quando aquecida. Porém, o resistor de aquecimento da sonda wideband é
mais eficiente e eleva a temperatura de trabalho da sonda para cerca de 750°C.
Os testes das sondas de banda larga devem ser feitos apenas via scanner,
pois nem mesmo com osciloscópio conseguiremos parâmetros capazes de
diagnose.
4.1.3 SONDA LAMBDA PÓS-CATALISADOR
A sonda instalada após a passagem dos gases pelo conversor catalítico tem
por finalidade medir a todo o instante a qualidade e a capacidade do catalisador,
enviando sempre a informação para a central de gerenciamento do motor. Essa
sonda pode ser planar ou banda larga. Dependendo da construção de cada
veículo, existem montadoras que utilizam sonda pré-catalisador do tipo banda
larga e pós-catalisador do tipo planar e montadoras que utilizam as duas sondas
do tipo banda larga.
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4.2 SENSOR DE CONCENTRAÇÃO DE ETANOL
A concentração de etanol no combustível agora é medida por um sensor
específico, e não mais somente pela informação da sonda lambda.
Instalado na linha de baixa pressão entre a bomba elétrica e a bomba de
alta pressão, o sensor de concentração de etanol tem duas funções básicas:
medir a proporção de etanol na composição do combustível e também a
temperatura do combustível.
Figura 36 – Sensor de concentração de etanol (1)
Créditos: Kudrin Ilia/Shutterstock.
Esse sensor tem capacidade de leitura de aproximadamente 400 litros por
minuto. O sensor informa à central de gerenciamento do motor os sinais de
concentração de etanol e temperatura de combustível através de um único sinal.
O sensor recebe alimentação da central e devolve um sinal de 5 volts. A
central, por sua vez, identifica a concentração de etanol no combustível pela
frequência dos pulsos do sensor, que variam de 50Hz para 0% de etanol e 150Hz
para 100% de etanol. Obviamente que no Brasil não encontraremos a frequência
de 50Hz, pois nossa gasolina já conta com partes de etanol.
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A temperatura do combustível é medida pela largura dos pulsos e varia de 1
milissegundo para -40 °C e 5 milissegundos para 125 °C.
Figura 37 – Sensor de concentração de etanol (2)
Crédito: Jefferson Schnaider.
TEMA 5 – DIAGRAMA ELÉTRICO
Agora, estudaremos o diagrama elétrico do automóvel Up Tsi 12V com
sistema Bosch. Vamos entender as estratégias de funcionamento e os novos
componentes desse sistema turbo de injeção estratificada.
Figura 38 – Up Tsi 12V
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Créditos: Deni Williams/Shutterstock.
5.1 LEITURA E INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA ELÉTRICO
Sabemos que o diagrama elétrico é uma importante ferramenta de
diagnóstico. No entanto, é preciso saber interpretar os diagramas a fim de
entender o funcionamento do sistema e buscar seus possíveis pontos falhos.
Em um diagrama elétrico, toda informação deve ser considerada, pois a
simbologia utilizada pode determinar o tipo do componente aplicado e também
indicar possíveis falhas do sistema.
Devemos nos atentar também para os números dos bornes de ligação, pois
esses números nos trarão as posições do chicote na central que viabilizará
nossos testes.
Figura 39 – Diagrama elétrico
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5.1.1 ALIMENTAÇÃO DA CENTRAL
Nosso primeiro ponto de avaliação será sempre a alimentação elétrica da
central. Serão os pontos de aterramento (linha 31) e de alimentação do positivo
da bateria (linha 30) e positivos pós-ignição (linha 15).
Outros pontos de atenção são os fusíveis que protegem as ligações elétricas.
Devemos nos atentar para a sua capacidade de corrente e suas posições.
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Também devemos ficar atentos aos relés, pois em geral os diagramas já nos
trarão sua estrutura interna, sua localização e seus bornes de ligação.
Figura 40 – Alimentação da central
5.1.2 SENSORES DE ROTAÇÃO E FASE
Nesse Up, já observamos nosso sensor de rotação e PMS enviando
informações sobre a árvore de manivelas, mas se destacam os dois sensores de
fase. Vemos um sensor para informar a fase o comando de válvulas de admissão
e outro para informar a fase o comando de válvulas de escapamento, já nos
indicando que esse veículo possui variador de comando tanto para o comando
de admissão como do comando das válvulas de escapamento.
Figura 41 – Sensores de rotação e fase
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5.1.3 SENSORES DE PRESSÃO DE AR
Nessa parte do diagrama, vemos os sensores de pressão e temperatura do
ar, tanto de admissão como o sensor de pressão do turbo.
5.1.4 SENSORES DE TEMPERATURA
Como vimos, o sistema de arrefecimento agora também é gerenciado pela
central. Como nesse veículo temos um sistema direcionado ao arrefecimento do
cabeçote e outro voltado ao arrefecimento do bloco, necessitamos dessas duas
informações, teremos dois sensores de temperatura.
Figura 42 – Sensores de temperatura
5.1.5 SENSORES DO COMBUSTÍVEL
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Como vimos, são as ligações dos sensores de alta pressão de combustível e
também do sensor de concentração de etanol e temperatura do combustível.
5.1.6 SENSORES DO ACELERADOR
Agora, veremos as ligações elétricas do sensor do pedal do acelerador e da
borboleta motorizada.
Figura 43 – Sensores do acelerador
5.1.7 SENSORES DE OXIGÊNIO
Nesse Up, percebemos as ligações elétricas das sondas pré e pós-
catalisador. Pela quantidade de fios, podemos perceber que a montadora utilizou
uma sonda de banda larga (wideband) na sonda pré-catalisador (principal) e uma
sonda do tipo planar pós-catalisador.
Figura 44 – Sensores de oxigênio
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5.1.8 SENSORES DE DETONAÇÃO E PEDAIS
Nessa parte do diagrama, vemos as ligações elétricas do sensor de
detonação e o sensor do pedal de freio e interruptor do pedal de embreagem.
Figura 45 – Sensores de detonação e pedais (1)
Figura 46 – Sensores de detonação e pedais (2)
Figura 47 – Sensores de detonação e pedais (3)
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5.2 ATUADORES
Agora que vimos os principais sensores, estudaremos os atuadores desse
sistema de injeção estratificada.
Lembrando que os atuadores recebem sinal elétrico da central e realizam
algum trabalho no sistema. Iniciaremos nosso estudo nas interconexões entre o
sistema de gerenciamento do motor ao sistema de ar condicionado.
A integração desses sistemas se dá pela central de gerenciamento do motor
precisar corrigir tanto regime de marcha lenta como de tempo de injeção
sempre que o sistema de ar condicionado é acionado.
5.2.1 ATUADORES DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO
Como vimos, a central também gerencia o sistema de arrefecimento, e seus
atuadores são a bomba elétrica d’água e o eletro ventilador do radiador.
5.2.2 ALTERNADOR CONTROLE DA PRESSÃO E TOMADA DE
DIAGNOSE
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Como já vimos, os sistemas mais modernos de carga têm sua comunicação
com a central de gerenciamento do motor. Nesse caso, a comunicação se dá por
um fio, em que a central comanda o set point do alternador e também envia
informação para a luz-espia do painel de instrumentos. Nessa parte do diagrama,
também temos o sistema de controle de pressão e a tomada de diagnose.
5.2.3 ATUADORES DO SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
Agora, analisaremos o diagrama elétrico da bomba de baixa pressão e o
atuador que age como regulador da bomba de alta pressão.
Comovimos, a bomba de baixa pressão agora é comandada por uma
unidade de controle. Essa unidade recebe informações da central de
gerenciamento do motor e comanda a bomba elétrica de localizada no tanque
de combustível.
Seguindo nosso diagrama, veremos que no modulo da bomba também se
encontra o sensor de nível de combustível, que envia o sinal do nível de
combustível para o painel de instrumentos. Também é no painel que está
localizada a central do imobilizador eletrônico do veículo.
Na sequência, encontramos o solenoide regulador de alta pressão, que é
alimentado de positivo protegido pelo fusível 43. Seu sinal negativo vem
diretamente do pino B34 da central de gerenciamento do motor.
Figura 48 – Atuadores do sistema de combustível (1)
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Figura 49 – Atuadores do sistema de combustível (2)
5.2.4 VARIADORES DE FASE DOS COMANDOS CÂNISTER
Nessa parte do diagrama, temos os variadores de fase dos comandos de
válvulas. Nesse sistema, temos um variador de fase para cada comando de
válvulas. Na sequência, a eletroválvula de purga do cânister. Nesse veículo, a
alimentação de positivo desses atuadores é protegida pelo mesmo fusível, o 40.
5.2.5 SISTEMA DE IGNIÇÃO
Agora, vamos entender o diagrama elétrico do sistema de ignição desse Up.
Sabemos que esse veículo utiliza um motor em linha de 3 cilindros e seu sistema
de ignição é estático com bobinas individuais.
Observando o diagrama elétrico da bobina de ignição, percebemos que
internamente elas possuem um circuito eletrônico, que nos indica que existe um
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módulo de ignição incorporado a cada bobina de ignição. Esse módulo amplifica
o sinal recebido da central de gerenciamento do motor e alimenta com pulso
negativo o enrolamento primário da bobina de ignição.
A alimentação positiva do circuito primário vem de um positivo pós-ignição
protegido pelo fusível 45. Podemos ver também que o enrolamento secundário
da bobina tem uma das suas pontas ligadas ao aterramento (– da bateria) e a
outra ligada diretamente à vela de ignição. Significa que após o pulso de alta
tensão saltar pelos eletrodos da vela de ignição, os elétrons buscarão o equilíbrio
via massa do veículo.
Nesses motores, também é importante ressaltar que as roscas do cabeçote,
onde são instaladas as velas de ignição, só têm uma posição inicial. Isso para que
os eletrodos da vela de ignição fiquem posicionados de maneira correta após o
torque na instalação da vela.
Figura 50 – Sistema de ignição (1)
Figura 51 – Sistema de ignição (2)
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5.2.6 ELETROINJETORES
A alimentação dos eletroinjetores também se diferencia nesse sistema. Nos
sistemas de injeção indireta em geral, a alimentação do positivo era feita por
uma linha 15 e somente o pulso negativo vinha da central.
Figura 52 – Eletroinjetores (1)
Nos sistemas de injeção direta, a alimentação dos eletroinjetores é feita
exclusivamente pela central, tanto o positivo quanto o negativo.
Essa estratégia é necessária, pois os eletroinjetores utilizados nos sistema de
injeção direta têm potência bem maior do que os eletroinjetores utilizados nos
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sistemas de injeção eletrônica convencional.
Figura 53 – Eletroinjetores (2)
FINALIZANDO
Nesta aula, vimos as estratégias de funcionamento dos sistemas de injeção
estratificada, entendendo seus diferenciais e principais componentes.
Por fim, estudamos o diagrama elétrico e todo o auxílio que ele pode nos
dar no processo de manutenção e diagnose dos sistemas de injeção direta.
REFERÊNCIAS
BOSCH, R. Manual de tecnologia automotiva. 25. ed. São Paulo: Edgard
Blucher, 2005.
CICLO engenharia Up! Move 1.0 12V TSI CYTA Totalflex 3 Cilindros 4P 2017-
2018 diagrama elétrico. Disponível em: <diagweb.com.br>. Acesso em 22 ago.
2021.
MTE-THOMSON. Disponível em: <https://www.mte-thomson.com.br>.
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https://univirtus.uninter.com/ava/web/roa/ 51/51
O MECÂNICO. Disponível em: <https://omecanico.com.br>.
OFICINA CONECTADA: Disponível em: <https://oficinaconectada.com.br/>.
SISTEMA de injeção eletrônica dos motores Ford. São Paulo: Senai SP, 2017.