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PROJETO DE CONVERSÃO DOS SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E IGNIÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE CICLO OTTO. Jair Mendes Neto Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto. Rio de Janeiro Setembro de 2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ PROJETO DE CONVERSÃO DOS SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E IGNIÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE CICLO OTTO Jair Mendes Neto PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: ________________________________________________ Prof. Fernando A. N. Castro Pinto, Dr.Ing. ________________________________________________ Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc. ________________________________________________ Prof. Flávio de Marco Filho, DSc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 2016 Mendes Neto, Jair Projeto de Conversão dos Sistemas de Injeção e Ignição de um Motor de Combustão Interna de Ciclo Otto / Jair Mendes Neto. - Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2016. XI, 59 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Projeto de Graduação – Universidade Federal do Rio de Janeiro, DEM, 2016. Referências Bibliográficas: p. 51. 1. Ciclo Otto. 2. Motor de Combustão Interna. 3. Sistema de Alimentação. 4. Sistema de Ignição. I. Castro Pinto, Fernando Augusto de Noronha. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Projeto de Conversão dos Sistemas de Alimentação e Ignição de um Motor de Combustão Interna de Ciclo Otto. xi AGRADECIMENTOS A todos os professores do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ e aos demais professores do ensino médio, técnico e primário, que contribuíram para minha formação profissional e pessoal. Agradecimento especial ao Prof. Fernando Castro Pinto, pelo tempo dedicado à orientação deste projeto e também durante minha participação na Equipe Ícarus, experiência ao qual considero muito importante na minha vida acadêmica e profissional. Aos técnicos do Laboratório de Tecnologia Mecânica da UFRJ, Fernando e Paulo, que sempre estiveram dispostos a auxiliar na fabricação de peças necessárias para a execução do projeto. A todos os integrantes da Equipe Ícarus que permitiram e auxiliaram o desenvolvimento deste projeto, contribuindo com a infraestrutura do laboratório e os custos de algumas peças que foram aplicadas. Aos antigos membros da equipe, aos quais tive o prazer de dividir momentos de aprendizagem, seja de conhecimento técnico ou relação interpessoal, nas diversas horas aplicadas no projeto e construção do protótipo durante minha participação na equipe. Aos amigos de faculdade, que tornaram mais fácil toda a jornada de aulas, pelo auxílio nas vésperas das provas e pelo bate-papo no corredor. Aos demais amigos, que compreenderam cada momento de ausência e se mantiveram presentes nos momentos possíveis. À minha família, em especial a minha mãe Iraneide, que sempre me apoiou e incentivou em todos os momentos. À minha namorada, Sara, por toda paciência e pelas boas palavras de incentivo e confiança nos momentos de dificuldade. xi Resumo do projeto final apresentado à DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. PROJETO DE CONVERSÃO DOS SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E IGNIÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE CICLO OTTO. Jair Mendes Neto Setembro de 2016 Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Departamento: Engenharia Mecânica Este projeto tem como objetivo a conversão dos sistemas de alimentação e ignição de um motor de combustão interna, modelo Honda CB500 ano de fabricação 2001, utilizado no protótipo de competição da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE. O sistema de alimentação por carburador foi substituído pelo sistema de injeção eletrônica, enquanto o sistema de ignição por disparo eletrônico foi substituído pelo sistema de ignição mapeada. O objetivo das modificações foi permitir maior controle e precisão no funcionamento desses sistemas, proporcionando maior desempenho e menor consumo de combustível do protótipo nas provas que compõem a competição Formula SAE Brasil. Tem-se em vista também a utilização deste projeto por entusiastas que desejam realizar a conversão dos sistemas de alimentação e ignição em veículos comerciais, seja com o objetivo de melhoria de desempenho, economia de combustível ou redução de emissão de gases poluentes. Todos os componentes necessários e suas respectivas funções foram detalhados, assim como a parametrização dos sistemas de alimentação e ignição, através da entrada dos dados na central eletrônica. Por fim, uma estimativa de custo foi realizada através de pesquisa de mercado. Palavras-chave: Ciclo Otto, Motor de Combustão Interna, Sistema de Alimentação, Sistema de Ignição. xi Abstract of the graduation project presented to DEM/UFRJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer. CONVERSION PROJECT OF FUEL AND IGNITION SYSTEMS OF AN OTTO CYCLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE Jair Mendes Neto September, 2016 Advisor: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Department: Mechanical Engineering This Project aims the conversion of the fuel and ignition systems of an internal combustion engine, type Honda CB 500 manufactured in 2001, applied at Ícarus UFRJ Formula SAE Team’s competition prototype. The original carburetor was replaced for an electronic fuel injection system, while the ignition system was converted from the electronic activated to the programmed ignition system. These conversions looks to permit a better control and precision on the systems functioning, rising the prototype’s performance and reducing the fuel consumption during the endurance on Formula SAE Brazil competition. This project also aims to be a reference to automotive enthusiasts that would like to perform the conversion in their vehicles, to improve the performance, to reduce the fuel consumption or reduce the gases emissions. All components necessary as their functions were detailed and the parameters imputed on the control unit. Furthermore, a cost estimate was done through price survey. Keywords: Otto Cycle, Internal Combustion Engine, Fuel System, Ignition System. xi ÍNDICE Pág. 1. INTRODUÇÃO 1 1.1 Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna por Centelha 1 1.2 Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE 2 1.3 Motivação 3 1.4 Objetivo 3 2. REVISÃO TEÓRICA 4 2.1 Motores Ciclo Otto 4 2.1.1 Ciclo Otto de Quatro Tempos 4 2.2 Ciclo Padrão a Ar Otto 5 2.2.1 Detonação, Octanagem e Relação de Compressão 7 2.3 Sistema de Alimentação 8 2.3.1 Sistema de Alimentação por Carburador 8 2.3.2 Sistema de Alimentação por Injeção Eletrônica 12 2.4 Mistura Ar-Combustível 14 2.5 Sistema de Ignição 16 2.5.1 Sistema de Ignição por Disparo Eletrônico 17 2.5.2 Sistema de Ignição Mapeada 18 3. CONVERSÃO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO 21 3.1 Seleção de Componentes 24 3.1.1 Módulo de injeção 26 3.1.2- Sensores de Temperatura e Pressão do Ar no Coletor de Admissão 27 3.1.3- Válvula Injetora 283.1.4- Corpo de Borboleta 29 3.1.5- Sensor de Posição do Corpo de Borboleta 31 3.1.6- Sensor de Temperatura da Água 31 3.1.7- Bomba de Combustível 31 3.1.8- Regulador de Pressão do Combustível 32 3.1.9- Sensor Sonda Lambda 33 3.2 Investimento para conversão do sistema de alimentação. 34 4. CONVERSÃO DO SISTEMA DE IGNIÇÃO 35 4.1- Seleção dos Componentes 35 4.1.1- Módulo de Ignição 36 4.1.2- Bobina de Ignição 36 4.1.3- Vela de Ignição 37 4.2- Investimento para conversão do sistema de ignição. 37 5. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO 38 5.1- Configuração do Controlador FuelTech 39 5.2- Ajuste do Mapa de Injeção 41 5.3- Correção da Injeção por Temperatura do Motor 43 xi 5.4- Correção da Injeção por Temperatura do Ar da Admissão 44 5.5- Correção da Injeção por MAP 45 5.6- Correção da Injeção por Tensão da Bateria 45 6. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE IGNIÇÃO 47 6.1- Configuração da Ignição no Controlador FuelTech 47 6.2- Ajuste Rápido de Ignição 48 7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES 50 Referências Bibliográficas 51 Lista de Anexos 54 ANEXO I 55 ANEXO II 57 xi Índice de Figuras: Figura 1 Motor apresentado por Otto na Feira Internacional de Paris. Pág. 2 Figura 2.1 Ciclo Otto a 4 Tempos. Pág. 5 Figura 2.2 Diagramas P-v e T-s. Pág. 6 Figura 2.3 Carburador utilizado nos VW Fuscas produzidos no ano de 1970. Pág. 9 Figura 2.4 Diagrama de um carburador de corpo simples. Pág. 10 Figura 2.5 Sistema de marcha lenta. Pág. 10 Figura 2.6 Sistema de marcha acelerada. Pág. 11 Figura 2.7 Esquema ilustrativo dos componentes do sistema de injeção eletrônica. Pág. 14 Figura 2.8 Sistema de ignição convencional. Pág. 16 Figura 2.9 Sistema de ignição eletrônica – CDI. Pág. 18 Figura 2.10 Circuito inversor do sistema de ignição eletrônica CDI. Pág. 18 Figura 2.11 Sistema de ignição eletrônica mapeada. Pág. 19 Figura 2.12 Sistema de ignição mapeada com centelha perdida. Pág. 20 Figura 3.1 Esquema típico de injeção monoponto. Pág. 22 Figura 3.2 Esquema típico de injeção multiponto. Pág. 23 Figura 3.3 Esquema típico de injeção direta. Pág.23 Figura 3.4 Exemplo de tubo distribuidor para motor de 4 clindros. Pág. 24 Figura 3.5 Controlador RacePRO 1Fi. Pág. 27 Figura 3.6 Sensor de temperatura do ar. Pág. 28 Figura 3.7 Válvula injetora. Pág. 29 Figura 3.8 Corpo de borboleta. Pág. 30 Figura 3.9 Sensor de temperatura de água. Pág. 31 Figura 3.10 Bomba de combustível. Pág. 32 Figura 3.11 Regulador de pressão LP 47375/255R. Pág. 32 Figura 3.12 Medidor FuelTech WB-O2. Pág. 33 Figura 3.13 Sonda Lambda Bosch LSU 4.2. Pág. 33 Figura 4.1 Bobina BOSCH F000ZS0105. Pág. 36 Figura 4.2 Vela de ignição NGK CR8EH-9. Pág. 37 xi Figura 5.1 Relação potência x lambda. Pág. 42 Figura 5.2 Valores de injeção para maior geração de potência. Pág. 43 Figura 5.3 Valores registrados pela sonda lambda. Pág. 43 Figura 5.4 Correção da injeção por temperatura do motor. Pág. 44 Figura 5.5 Correção da injeção por temperatura do ar de admissão. Pág. 45 Figura 6.1 Diagrama de blocos para configuração da ignição no RacePRO 1 Fi. Pág. 47 Figura 6.2 Avanço de ignição original Honda CB500. Pág. 48 Figura 6.3 Ajuste Rápido de Ignição. Pág. 49 Anexos Figura II.1 Configuração da Injeção. Pág. 58 Figura II.2 Ajuste dos Mapas de Injeção. Pág. 59 Figura II.3 Ajuste dos Mapas de Ignição. Pág. 59 Figura II.4 Partida do Motor. Pág. 59 xi Índice de Tabelas: Tabela 3.1 Comparativo dos controladores de injeção e ignição. Pág. 25 Tabela 3.2 Análise de investimento para conversão do sistema de alimentação. Pág. 34 Tabela 4.1 Análise de investimento para conversão do sistema de ignição. Pág. 37 Anexos Tabela I.1 Parâmetros Utilizados Pág. 56 1 Capítulo 1 Introdução Desde o invento dos motores de combustão interna até os dias atuais, pouco foi modificado no seu funcionamento em relação aos seus ciclos termodinâmicos. A evolução dos motores se deu em grande parte pela aplicação de novos materiais e o desenvolvimento de seus periféricos, como os sistemas de alimentação, ignição e arrefecimento. Dessa forma, esse projeto visa aperfeiçoar os sistemas de alimentação e ignição de um motor modelo Honda CB 500, ano de fabricação 2001, utilizado no protótipo de competição da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE, buscando um melhor desempenho do mesmo. 1.1- Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna por Centelha Os motores de combustão interna surgiram no século XIX, trazendo maior versatilidade que os motores de combustão externa utilizados até então, como a máquina a vapor. Suas principais vantagens em relação aos motores de combustão externa são a relação entre volume e potência, caracterizada pela maior geração de potência com um motor de menor tamanho, e a maior facilidade de adaptação a outras máquinas. O primeiro motor de combustão interna foi construído por Jean Etienne Lenoir (1852), a partir dos estudos desenvolvidos por W. Cecil (1821), cujo princípio de funcionamento se baseava na queima da mistura de ar e hidrogênio. A partir do motor de Lenoir, Otto e Langen construíram um motor que comprimia uma mistura de ar e gás de iluminação, com a ignição provocada por centelha elétrica. Após estudos e aprimoramento, Otto finalmente apresentou seu motor, figura 1, na Feira Internacional de Paris, em 1878. 2 Figura 1: Motor apresentado por Otto na Feira Internacional de Paris. Fonte [9]. O experimento apresentado por Otto na Feira Internacional baseava-se nos seguintes passos: 1° Passo: Movimentar manualmente o pistão para comprimir a mistura de ar e combustível; 2° Passo: Acionar uma centelha elétrica. Após a centelha elétrica, observou-se uma explosão seguida de rápidas rotações do volante do motor. Dessa forma, pôde-se concluir que o funcionamento do motor baseava-se em um ciclo de 4 tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão. 1.2- Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE A Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE é uma equipe de competição, formada por alunos de diversos cursos de graduação da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que tem por objetivo elaborar o projeto e a construção de um protótipo veicular do tipo fórmula para participação em competição universitária. A motivação para a competição é propiciar a difusão, aplicação e desenvolvimento de técnicas e conhecimentos de engenharia entre os estudantes e futuros profissionais da engenharia. A competição é organizada pela SAE BRASIL, membro da SAE International (Society of Automotive Engineering), onde as equipes são avaliadas tanto pelo projeto, com apresentação de custos, design e ergonomia, assim como pelo desempenho do veículo, com provas que testam a capacidade de aceleração, contorno de curvas e regularidade do protótipo. 3 Os juízes que compõem a banca de avaliadores da competição são, em geral, engenheiros do setor da engenharia da mobilidade, o que proporciona aos estudantes também uma boa oportunidade de contato com profissionais do ramo em que futuramente estarão se candidatando a vagas de trabalho. 1.3- Motivação A principal motivação desse projeto foi, através de modificações nos sistemas periféricos do motor, possibilitar ajustes que proporcionem melhores resultados de desempenho e economia de combustível para o protótipo nas diferentes provas que compõem a Competição Universitária Formula SAE BRASIL. A segunda motivação é que este projeto sirva como um guia para entusiastas que desejem modificar os sistemas de alimentação e ignição de seu carro ou motocicleta. Nesse caso, será proporcionada maior facilidade de, em veículos antigos, atender as normas de emissão de poluentes exigidas pelos Departamentos deTrânsito, além, claro, de elevar o desempenho que normalmente é o objetivo deste tipo de conversão. 1.4- Objetivo Este projeto tem como objetivo a conversão dos sistemas de alimentação e ignição do motor modelo Honda CB 500, utilizado no protótipo de competição da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE. O sistema de alimentação foi convertido de carburador para injeção eletrônica, enquanto o sistema de ignição foi convertido de ignição com disparo eletrônico para ignição eletrônica mapeada. 4 Capítulo 2 Revisão Teórica 2.1- Motores Ciclo Otto Os motores de ciclo Otto possuem ignição provocada por centelha e normalmente utilizam como combustível a gasolina, o álcool, o gás natural ou o gás liquefeito do petróleo. Apesar de receber o nome do alemão Nikolaus August Otto (1832-1891), o ciclo teórico que previa o funcionamento de motores de combustão interna de 4 tempos com êmbolos foi idealizado por Beau de Rochás, porém o mesmo nunca obteve sucesso na aplicação de suas teorias, fato que foi alcançado por Otto. O ciclo Otto consiste, então, de um ciclo padrão a ar, que inicialmente foi apresentado tendo seu funcionamento baseado em ciclo de quatro tempos, porém esses motores também podem funcionar com ciclo de dois tempos. O ciclo de quatro tempos é o mais usual, aplicado na maioria dos automóveis e máquinas, enquanto o de dois tempos se aplica em algumas motocicletas, cortadores de grama e motosserras. Adicionalmente, podem-se dividir os motores de ciclo Otto de acordo com a forma de alimentação, classificando-os em injeção indireta ou injeção direta. Os motores de injeção indireta realizam a mistura ar-combustível fora da câmara de combustão, no carburador, em motores carburados, ou no duto de alimentação, em motores com injeção eletrônica. Os motores com injeção direta têm o combustível injetado diretamente na câmara de combustão, através de um sistema de alta pressão. 2.1.1- Ciclo Otto de Quatro Tempos O motor ciclo de Otto de quatro tempos apresenta funcionamento mais suave e menor emissão de poluentes que o ciclo de dois tempos, uma vez que estes possuem elevada queima de óleo lubrificante que é misturado ao combustível. Os quatro tempos são: Admissão – Nesse momento a válvula de admissão se abre e o pistão se desloca do ponto morto superior para o ponto morto inferior, aspirando a mistura de ar e combustível. Compressão – A válvula de admissão se fecha e o pistão se desloca do ponto morto inferior para o ponto morto superior, comprimindo a mistura aspirada na etapa anterior. 5 Combustão ou expansão – Ambas as válvulas permanecem fechadas, a mistura ar-combustível está comprimida e com temperatura elevada, porém insuficiente para a autoignição. Uma centelha elétrica é disparada através do eletrodo da vela de ignição, que inflama a mistura e a expansão rápida da mistura desloca o pistão do ponto morto superior para o ponto morto inferior. É o único momento em que o trabalho é positivo, ou seja, é quando o motor realiza trabalho. Exaustão ou escape – A válvula de exaustão é aberta e o pistão se desloca do ponto morto inferior para o ponto morto superior, expulsando os gases resultantes da combustão. A figura 2.1 indica as etapas de funcionamento do ciclo Otto de um motor 4 tempos, apresentadas anteriormente. Figura 2.1: Ciclo Otto a 4 Tempos. Fonte [10] 2.2- Ciclo Padrão a Ar Otto O ciclo padrão a ar Otto é, segundo BORGNAKKE e SONNTAG (2010), um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha. No ciclo padrão os 4 tempos de funcionamento do motor são idealizados por transformações termodinâmicas, explicados através de diagramas P-v (Pressão x volume) e T-s (Temperatura x entropia), figura 2.2. 6 Figura 2.2: Diagramas P-v e T-s. Fonte [11] No ciclo padrão, o processo de compressão da mistura é idealizado como uma compressão isoentrópica do ar (processo 1-2). O tempo de combustão é idealizado por um processo de transferência de calor a volume constante, ou seja, considera-se que o pistão permanece em repouso no ponto morto superior (processo 2-3). O processo 3-4 representa uma expansão isentrópica, enquanto o último processo 4-1, uma rejeição de calor do ar a volume constante, idealizando o tempo de descarga como se esse fosse realizado com o pistão em repouso no ponto morto inferior. Ainda segundo BORGNAKKE e SONNTAG (2010), admitindo que o calor específico do ar seja constante, pode-se definir o rendimento do ciclo termodinâmico de Otto pelas equações [1], [2], [3] e [5]: 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑄𝐻−𝑄𝐿 𝑄𝐻 = 1 − 𝑄𝐿 𝑄𝐻 = 1 − 𝑚𝐶𝑣(𝑇4−𝑇1) 𝑚𝐶𝑣(𝑇3−𝑇2) = 1 − 𝑇1 𝑇2 ( 𝑇4 𝑇1 −1) ( 𝑇3 𝑇2 −1) [1] Lembra-se também que: 𝑇2 𝑇1 = ( 𝑉1 𝑉2 ) 𝑘−1 = ( 𝑉4 𝑉3 ) 𝑘−1 = 𝑇3 𝑇4 [2] Logo, 𝑇3 𝑇2 = 𝑇4 𝑇1 [3] e 7 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 1 − 𝑇1 𝑇2 = 1 − (𝑟𝑣) 1−𝑘 = 1 − 1 (𝑟𝑣)𝑘−1 [4] Onde: 𝑟𝑣 = 𝑟𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 𝑉1 𝑉2 = 𝑉4 𝑉3 [5] De acordo com as equações, é possível concluir que quanto maior a relação de compressão maior é o rendimento térmico do ciclo de Otto. Para um motor real o rendimento também é função da relação de compressão, no entanto esta última é limitada pelo fenômeno da detonação, definido adiante. 2.2.1- Detonação, Octanagem e Relação de Compressão A detonação, ou autoignição, consiste na ignição espontânea do combustível no interior da câmara de combustão. Esse fenômeno é causado pela alta temperatura da mistura no momento da compressão, gerando uma queima rápida e provocando ondas de choque contra uma segunda frente de chama oriunda da centelha da vela de ignição. Essas ondas de choque são comumente denominadas “batidas”. Conclui-se, desse modo, que a máxima relação de compressão utilizada é aquela em que o combustível não apresenta autoignição. A capacidade de um combustível não apresentar autoignição é medida de acordo com sua octanagem. Segundo CARVALHO (2011), em motores de combustão interna de ignição por centelha, o número de octanagem depende fortemente do tipo de hidrocarboneto presente no combustível utilizado. Dessa forma, quanto maior a octanagem de um combustível, mais resistente à autoignição este combustível será. A gasolina comum comercializada no Brasil, tipo C, tem octanagem 87 enquanto o etanol apresenta valor de octanagem igual a 110, permitindo relações de compressão maiores. Os valores usuais de relação de compressão variam de acordo com o combustível utilizado, ficando em torno de 10:1 para motores a gasolina até 12:1 em motores movidos a etanol. Como a grande maioria dos veículos comercializados no Brasil são projetados para funcionar com etanol ou gasolina, escolhe-se uma relação de compressão intermediária em que ambos os combustíveis possam ser utilizados, seja somente gasolina, somente etanol ou uma mistura de qualquer proporção de ambos os combustíveis. 8 Em motores bicombustíveis, a relação de compressão é um valor intermediário entre os valores das relações de compressão da gasolina e do etanol. A adoção desse tipo de motor se fez necessária a fim de se obter maior flexibilidade no abastecimento da frota de veículos durante entressafras da cana-de-açúcar, matéria-prima para o etanol brasileiro, ou em períodos de preço elevado dos combustíveis de origem fóssil, como ocorreu nos anos 70 durante a chamada Crise do Petróleo. No entanto, apesar da vantagem da flexibilidadena hora da escolha do combustível, a adoção de uma relação de compressão intermediária faz com que os motores sejam menos eficientes. Isso acontece porque, para cada combustível utilizado, o motor deve buscar um avanço de ignição que evite a detonação e consequentes ondas de choque no interior da câmara, o que pode ser altamente prejudicial à durabilidade do motor. 2.3.- Sistema de Alimentação O motor de combustão interna possui sistemas periféricos, como os sistemas de alimentação, ignição e arrefecimento, que auxiliam seu funcionamento. Esses sistemas, ao longo dos anos, sofreram modificações que possibilitaram o aumento de eficiência, permitiram o monitoramento do motor durante seu funcionamento e a capacidade de adaptação a diferentes condições de trabalho. O sistema de alimentação dos motores é responsável por enviar o combustível até a câmara de combustão. Os sistemas de alimentação nos motores se dividem em alimentação por carburador ou alimentação por injeção eletrônica, apresentados a seguir. 2.3.1- Sistema de Alimentação por Carburador O sistema de alimentação por carburador teve em seu início um funcionamento puramente mecânico, o qual foi recebendo atualizações com a implementação de componentes eletrônicos até ser totalmente substituído pelo sistema de injeção eletrônica, presente na quase totalidade dos veículos comercializados atualmente. No entanto, o sistema de alimentação por carburador ainda é utilizado em motocicletas e alguns veículos de competição, com alto desempenho. 9 Figura 2.3: Carburador utilizado nos VW Fuscas produzidos no ano de 1970. Fonte [12] O carburador, figura 2.3, componente principal do sistema de alimentação por carburador, tem a função de realizar a mistura do ar e do combustível, controlando a dosagem de combustível que é enviada ao motor, de acordo com seu nível de carga. A mistura do ar e do combustível é realizada no tubo de Venturi, onde o ar admitido é acelerado e arrasta o combustível contido em uma cuba. Uma borboleta de aceleração controla a quantidade de ar e combustível que é admitida no motor, aumentando ou diminuindo sua rotação e potência. A variação da seção transversal em um tubo é responsável pelas características de escoamento em seu interior. No tubo de Venturi utilizado nos carburadores, a diminuição da área de seção transversal em sua porção intermediária tem como objetivo acelerar a velocidade de escoamento e diminuir a pressão, provocando maior arraste do combustível. Em seguida a área de seção transversal é novamente ampliada, buscando diminuir a velocidade de escoamento e regenerar a pressão. Essa regeneração é importante, pois afeta diretamente a massa de ar aspirado pelo motor, uma vez que a maior pressão eleva a densidade do ar. A densidade do ar e a massa de ar admitido estão relacionadas pela equação de eficiência volumétrica, equação [6], definida por HEYWOOD (1988) como a razão entre a massa de ar admitida (mar), a rotação do motor (N) e o volume deslocado pelo pistão (Vd). 𝜂𝑣 = 2· 𝑚𝑎𝑟 𝜌𝑎·𝑉𝑑·𝑁 [6] 10 A figura 2.4 apresenta o diagrama de um carburador de corpo simples, indicando seus principais componentes. Figura 2.4: Diagrama de um carburador de corpo simples. Fonte [13] Os carburadores mais simples são, em geral, divididos em dois sistemas básicos: o sistema de marcha lenta e o sistema de marcha acelerada. No sistema de marcha lenta, figura 2.5, a borboleta de aceleração permanece quase totalmente fechada, permitindo apenas a passagem de ar para funcionamento do motor na menor rotação possível. Figura 2.5: Sistema de marcha lenta. Fonte [14] 11 Nesse caso, em carburadores de fluxo descendente, o combustível é injetado abaixo da borboleta de aceleração em pequenas quantidades devido à baixa depressão causada pelo ar, que não possui alta velocidade. A pequena quantidade de ar arrastado implica em uma mistura pobre em combustível. A quantidade de combustível injetado é regulada, além da depressão causada no tubo de Venturi, pelo orifício do parafuso de regulagem, denominado gicleur. O sistema de marcha acelerada, figura 2.6, atua quando a borboleta de aceleração é acionada, buscando maior potência no motor. Nesse momento, devido à geometria do tubo de Venturi, o ar admitido é acelerado e consequentemente a pressão no escoamento é reduzida. Figura 2.6: Sistema de marcha acelerada. Fonte [15]. Nesse sistema, em carburadores de fluxo descendente, o combustível é injetado acima da borboleta de aceleração. A forte depressão do escoamento de ar provoca maior arrastamento de combustível, tornando a mistura mais rica e elevando a rotação do motor. Assim, como no sistema de marcha lenta, há também um parafuso de regulagem para o sistema de marcha acelerada. Os dimensionamentos adequados do tubo de Venturi e do parafuso de regulagem são de fundamental importância para o controle da mistura ar-combustível. 12 2.3.2- Sistema de Alimentação por Injeção Eletrônica O sistema de alimentação por injeção eletrônica foi desenvolvido para substituir o sistema por carburador por apresentar melhor controle da dosagem de ar e combustível, alcançando maior economia de combustível e principalmente menores índices de emissão de poluentes. A produção de veículos dotados de injeção eletrônica de combustível, no Brasil, se intensificou no início dos anos 90 devido às normas de emissão de poluentes que se tornaram mais rigorosas naquela época. Nesse período, passou-se também a adotar catalisador no sistema de escapamento. Para o melhor controle do motor, o sistema de alimentação por injeção eletrônica utiliza uma série de sensores e atuadores, controlados por uma central eletrônica que processa a informação oriunda dos sensores e comanda os atuadores de forma a obter a melhor mistura ar-combustível. O principal parâmetro analisado para o controle da mistura ar-combustível é a quantidade de oxigênio nos gases de descarga. Esse parâmetro é detectado pelo sensor de oxigênio, também chamado de sonda-lambda. O nome sonda-lambda é originado pelo fato da resposta do sensor ser o fator lambda, razão entre as relações de massa ar/combustível real e estequiométrica. A formação da mistura será mais bem explicada na próxima seção. Além do sensor de oxigênio, os sensores e atuadores, assim como suas respectivas funções, utilizados pelo sistema de injeção eletrônica são: ECU (Engine Control Unit) – É o principal componente do sistema de injeção eletrônica. Consiste em um circuito eletrônico programável, com microprocessador, que recebe os inputs através dos sensores a ele conectados e envia comandos aos atuadores, de forma a manter o funcionamento do motor da maneira previamente programada, para cada faixa de carga e rotação, através do controle do tempo de abertura do bico injetor; Sensores de temperatura e pressão do ar no coletor de admissão - Têm a função de medir a temperatura e a pressão absoluta do ar admitido (MAP – Manifold Absolute Pressure). A partir desses dados, a ECU é capaz de calcular a massa de ar admitida e consequentemente a quantidade de combustível que deve ser injetada. Válvula injetora – Também conhecida como bico injetor, é uma válvula do tipo solenoide que recebe um sinal digital do tipo PWM (Pulse-Width Modulation) – 13 Modulação por Largura de Pulso – para comandar sua abertura e fechamento. Quanto maior a largura do pulso do sinal PWM mais tempo o injetor permanece aberto e, portanto, mais combustível é injetado. Corpo de borboleta – Localizado no coletor de admissão, tem a função de direcionar e controlar a entrada de ar no motor, sendo comandado diretamente pelo usuário através do pedal doacelerador, no caso de carros. Quanto maior for sua abertura, maior será a carga requerida do motor. Sensor de posição do corpo de borboleta – Localizado no corpo de borboletas, é um sensor resistivo do tipo potenciômetro, que mede o quanto a borboleta de aceleração foi aberta. Sensor de temperatura da água – Localizado no sistema de arrefecimento, logo após a saída do motor, tem a função de verificar a temperatura da água de resfriamento, indicando o momento de acionamento da ventoinha do radiador. Atuador de marcha lenta – Também localizado no corpo de borboleta, tem a função de controlar a entrada de ar através de um servo-motor, mantendo o fluxo de ar necessário para o regime de marcha lenta, ou seja, quando a borboleta de aceleração está completamente fechada. Bomba de combustível – Comandada pela ECU, é uma bomba geralmente do tipo diafragma, que tem a função de pressurizar a linha de combustível. Filtro de combustível – Faz a filtragem do combustível para evitar que impurezas cheguem às válvulas injetoras; Regulador de pressão do combustível – Tem a função de manter a pressão de trabalho ideal para o funcionamento dos injetores na linha de combustível. Caso a pressão da linha se eleve acima do valor de trabalho, o regulador se abre e o combustível é enviado de volta ao tanque. A figura 2.7 apresenta um esquema do sistema de injeção eletrônica com os componentes descritos anteriormente. 14 Figura 2.7: Esquema ilustrativo dos componentes do sistema de injeção eletrônica. Fonte [16] 2.4- Mistura Ar-Combustível A motivação para uso do sistema de injeção eletrônica é a capacidade do mesmo, através dos seus sensores e atuadores, manter o funcionamento do motor de forma eficiente, ou seja, controlar a mistura ar-combustível que chega a câmara de combustão para qualquer faixa de carga e rotação. A mistura ar-combustível pode ser classificada de três formas distintas: mistura pobre em combustível, mistura estequiométrica e mistura rica em combustível. A classificação da mistura se dá de acordo com a razão ar-combustível (AC), que é a razão entre as massas de ar e de combustível contidas na mistura. Para melhor entendimento deve-se considerar inicialmente a mistura estequiométrica. A mistura estequiométrica é aquela que possui, na reação química, a quantidade de ar teórico exata para que ocorra combustão completa da mistura no interior do motor. 15 Entende-se por combustão completa aquela em que o produto da reação seja formado apenas por dióxido de carbono, água e nitrogênio. Será considerado como exemplo, de acordo com SANTOS (2009), a combustão completa de um mol do iso-octano, componente principal da gasolina, combustível utilizado no projeto. Será considerada também a composição do ar atmosférico como 21% de O2 e 79% de N2. Dessa forma, de acordo com equação [7], tem-se: 𝐶8𝐻18 + 12,5 ∗ (𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 47𝑁2 [7] Dado que as massas molares do O2, N2 e C e H são, respectivamente, iguais a 32, 28, 12 e 1 kg/kmol, temos: Massa de ar = 12,5 × (32 + 3,76 × 28) = 1716 Kg Kmol de ar [8] Massa de combustível = 8 × 12 + 18 × 1 = 114 Kg Kmol de combustível [9] Assim, empregando os valores obtidos em [8] e [9], tem-se que a razão ar combustível para a mistura estequiométrica é dada por [10]: AC = 1716 114 = 15 kg de ar kg de comb. [10] Conclui-se, dessa forma, que para ocorrer a combustão completa de um quilograma de combustível são necessários 15 kg de ar. A partir do conceito de mistura estequiométrica podem ser definidas as outras duas classificações de mistura citadas: Mistura rica em combustível é aquela em que existe uma quantidade de ar atmosférico menor que 15 kg para cada quilograma de combustível, enquanto mistura pobre em combustível é aquela com mais de 15 kg de ar atmosférico para cada quilograma de combustível. O fator lambda, equação [11], resposta do sensor de oxigênio instalado no escapamento para avaliar os gases de descarga, consiste na comparação entre a razão ar- combustível real (ACr) e a razão ar-combustível estequiométrica (ACe). 𝜆 = 𝐴𝐶𝑟 𝐴𝐶𝑒 [11] Dessa forma, define-se que: 𝜆 = 1 – Mistura estequiométrica; 16 𝜆 < 1 – Mistura rica em combustível; 𝜆 > 1 – Mistura pobre em combustível. 2.5- Sistema de Ignição O sistema de ignição, em conjunto com o sistema de injeção, a fim de controlar o funcionamento do motor, tem a função de emitir a centelha que inflama a mistura ar- combustível. Figura 2.8: Sistema de ignição convencional. Fonte [17]. O sistema de ignição convencional, figura 2.8, entrou em desuso nos anos 80, quando a indústria automotiva passou a buscar maior precisão e eficiência desse sistema. No entanto, conhecer o sistema convencional auxiliará o entendimento da ignição eletrônica, sistema utilizado nos veículos em produção atualmente. Os componentes do sistema de ignição convencional são: Bateria – fonte de energia para o sistema; Bobina de ignição – Alimentada pela bateria, transforma a baixa tensão em alta tensão capaz de emitir a centelha através da vela de ignição; Distribuidor de ignição – Distribui o sinal elétrico emitido pela bobina de ignição para os diferentes cilindros do motor; Cabos de vela – Condutores do sinal elétrico; 17 Platinado – Atua como uma espécie de chave, ligando e desligando o sinal da bobina de ignição. É comandado por came, cuja quantidade de arestas é igual ao número de cilindros no motor; Condensador – Trabalha em conjunto com o platinado. Tem a função de armazenar a corrente de auto-indução gerada no platinado, prolongando sua vida útil. Velas de ignição – Eletrodos instalados nas câmaras de combustão do motor, que recebem o sinal de alta tensão da bobina de ignição, através do distribuidor e cabos de velas, e produzem a centelha elétrica inflamando a mistura ar- combustível. A precisão do momento da centelha, denominado avanço de ignição, é de fundamental importância para o rendimento e confiabilidade do motor, uma vez que a ignição demasiadamente adiantada ou atrasada pode provocar avarias no motor. O aumento da exigência por motores mais eficientes e com menor emissão de poluentes fez com que os sistemas de ignição convencional fossem substituídos pelos sistemas de ignição eletrônica, que permitem maior controle e ajuste do avanço de ignição, se adaptando aos diversos regimes de funcionamento dos motores, em baixa ou alta carga e rotação. Os sistemas de ignição eletrônica podem ser de dois tipos, ignição por disparo eletrônico ou ignição mapeada. As particularidades de cada sistema serão explicadas abaixo. 2.5.1- Sistema de Ignição por Disparo Eletrônico Nos sistemas de ignição eletrônica, um circuito eletrônico passa a substituir o platinado e o condensador na função de controlar o momento da ignição. Um exemplo de sistema de ignição por disparo eletrônico é o CDI (Ignição por Descarga Capacitiva), do inglês Capacitive Discharge Ignition, figura 2.9, onde um inversor recebe o sinal da bateria e através de transistores de potência elevam a sua tensão de 12V em uma tensão contínua da faixa de 200 a 600V, dependendo do circuito e da aplicação, para ser armazenada em um capacitor. Um sensor, geralmente de efeito Hall, identifica o momento que a centelha deve ser ativada. O sinal do sensor Hall é tratado por um condicionador, que está ligado ao comutador, cuja função é controlar o momento da descarga do capacitor. A partir desse 18 momento, o sistema de ignição eletrônica funciona semelhante àignição convencional, com cabos de vela, distribuidor e vela de ignição. Figura 2.9: Sistema de ignição eletrônica – CDI. Fonte [18] A figura 2.10 apresenta o circuito inversor utilizado no sistema de ignição por descarga capacitiva. Figura 2.10: Circuito inversor do sistema de ignição eletrônica CDI. Fonte [19]. 2.5.2- Sistema de Ignição Mapeada No sistema de ignição mapeada é utilizado um controlador que atua através de sensores para calcular o momento que deve ser realizada a ignição. O dispositivo eletrônico de disparo é substituído por um sensor de rotação, que identifica a posição do virabrequim e a velocidade do motor e informa a central eletrônica. O momento da centelha não é determinado pelo sensor de rotação, mas pelo módulo de ignição que, 19 através dos sensores, calcula o avanço de ignição necessário antes de enviar o sinal de ignição até as velas. O sistema de ignição mapeada, figura 2.11, consiste basicamente de um módulo de controle e processamento, sensores e um circuito de potência para acionamento da bobina de ignição. Os sensores utilizados para avaliar as condições de funcionamento do motor e calcular o avanço são: sensor de temperatura do ar admitido, sensor de temperatura do motor, sonda lambda e sensor de detonação. Figura 2.11: Sistema de ignição eletrônica mapeada. Fonte [20]. Diferente do sistema de ignição com disparo eletrônico, que determinava o avanço de ignição apenas de acordo com a rotação do motor, o sistema de ignição eletrônica mapeada armazena possui um mapa principal em função da rotação, porém possui também a capacidade de realizar correções desse mapa principal através das informações passadas por cada sensor citado, que monitoram as reais condições de operação do motor e determinam o valor final do avanço de ignição. Em sequência, o módulo de controle envia o sinal de ignição ao circuito de potência, que aciona a bobina de ignição. Por fim, as velas de ignição, emitem a centelha. Nesse sistema não há distribuidor, em geral há uma bobina para cada cilindro ou para cada dois cilindros. No caso em que uma bobina é utilizada para dois cilindros, a centelha será emitida em ambos os cilindros, o que estiver no tempo de compressão terá a mistura ar- combustível inflamada, enquanto o outro, no tempo de descarga, não será influenciado 20 pela centelha. Esse tipo de sistema é denominado centelha perdida ou Wasted Spark, figura 2.12. Figura 2.12: Sistema de ignição mapeada com centelha perdida. Fonte [21]. 21 Capítulo 3 Conversão do Sistema de Alimentação Para realizar a conversão do sistema de alimentação, inicialmente deve se considerar o funcionamento da injeção eletrônica para a seleção dos componentes. A injeção eletrônica atua através de uma linha pressurizada de combustível, onde uma ou mais eletroválvulas, também chamadas de injetores, conectadas a essa linha pressurizada, fazem a pulverização do combustível na entrada do motor, próximo à válvula de admissão. Para manter a linha de combustível pressurizada utiliza-se uma bomba elétrica. A pressão de funcionamento é controlada através de um regulador de pressão. O regulador de pressão recebe a vazão de combustível proveniente da bomba e através de uma mola calibrada faz o controle da pressão, permitindo o retorno de combustível ao tanque quando a pressão de combustível vence a pressão exercida pela mola. O controle da pressão na linha de combustível é de fundamental importância para a injeção de combustível, uma vez que a quantidade de combustível injetada é controlada através do tempo em que a eletroválvula permanecerá aberta durante cada ciclo. A quantidade de combustível injetada será então diretamente proporcional à pressão na linha de combustível e ao tempo em que o injetor permanecerá aberto. Uma pressão mais baixa que a especificada acarretará em pouco combustível injetado, enquanto uma pressão excessiva causará excesso de combustível injetado. A duração da abertura do injetor, assim como o momento da abertura, é controlada através de uma central eletrônica. Essa central faz uso dos sensores explicados na seção 2.3.2 para o controle da duração da abertura do injetor. Os sensores e atuadores utilizados foram selecionados de acordo com as faixas de operação necessárias. Além dos componentes citados na seção 3.1, deve-se levar em consideração que uma conversão deste tipo apresenta suas particularidades de acordo com o motor em que será aplicada. A quantidade de cilindros, assim como a disposição geométrica, em linha ou em “V”, é um dos principais fatores para a definição do sistema de injeção eletrônica. Em motores com mais de um cilindro pode ser utilizado um coletor de admissão para alojar os injetores e direcionar o ar, que passa através de uma única borboleta, para cada 22 cilindro do motor. Pode-se ainda adotar um único injetor, chamado de injeção monoponto, ou um injetor para cada cilindro, chamado de injeção multiponto. A figura 3.1 apresenta a configuração típica de uma injeção monoponto para um motor de 4 cilindros. Nesse caso, um injetor pulveriza o combustível antes da borboleta de aceleração e a mistura do ar e combustível é canalizada para os diferentes cilindros do motor, através do coletor de admissão. 1 – Entrada de combustível 2 – Entrada de ar 3 – Borboleta de aceleração 4 – Coletor de admissão 5 – Injetor 6 – Motor Figura 3.1: Esquema típico de injeção monoponto. Fonte [22]. Na injeção multiponto, conforme figura 3.2, apenas o ar passa pela borboleta de aceleração e há um injetor para cada cilindro, dispostos próximo à entrada do motor. Há ainda a injeção direta, onde o injetor pulveriza o combustível diretamente na câmara de combustão, conforme figura 3.3. Este último tipo não será tratado, pois o cabeçote do motor precisa ser projetado para esse tipo de injeção, tornando-se inviável a conversão de um motor com carburador para injeção direta. 23 1 – Entrada de combustível 2 – Entrada de ar 3 – Borboleta de aceleração 4 – Coletor de admissão 5 – Injetor 6 – Motor Figura 3.2: Esquema típico de injeção multiponto. Fonte [23]. 1 – Entrada de combustível 2 – Entrada de ar 3 – Borboleta de aceleração 4 – Coletor de admissão 5 – Injetor 6 – Motor Figura 3.3: Esquema típico de injeção direta. Fonte [24]. Nos motores com injeção monoponto, a passagem do combustível pelo coletor de admissão provoca condensação do combustível devido à baixa temperatura nas paredes do coletor. A injeção na entrada do motor, no caso da injeção multiponto, elimina a condensação do combustível e proporciona melhor mistura com o ar, 24 consequentemente gerando uma queima mais eficiente, com maior geração de potência, e menor emissão de gases. Os primeiros veículos dotados de injeção eletrônica, no Brasil, em sua maioria possuíam sistemas monoponto, por serem mais baratos que o sistema multiponto. No entanto, devido a maior eficiência dos sistemas multiponto, os sistemas monoponto se tornaram obsoleto e hoje não são mais oferecidos em veículos comerciais. Nos motores de injeção multiponto, se faz necessário ainda que a linha de combustível pressurizada seja comum aos injetores, a fim de garantir que todos os injetores trabalharão sob mesma pressão, produzindo uma injeção uniforme em todos os cilindros. À esse componente responsável pela chegada do combustível pressurizado aos injetores, dá-se o nome de tubo distribuidor ou flauta de combustível. A figura 3.4 apresenta um modelo de tubo distribuidor para um motor de quatro cilindros, com o regulador de pressão em sua extremidade. Figura 3.4: Exemplo de tubo distribuidor para motor de 4 cilindros. Fonte [25]. Na conversão do sistema de alimentação por carburador para a injeção eletrônica, o coletorde admissão e o tubo distribuidor são os componentes que necessitam de maior atenção por parte do realizador do projeto, uma vez que nem sempre é possível encontrar um modelo pronto que seja satisfatório para o motor em questão. Na concepção do protótipo da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE, o coletor de admissão e o tubo distribuidor foram projetados e fabricados por membros da equipe. 25 3.1- Seleção de Componentes Definido o tipo de injeção eletrônica, multiponto ou monoponto, a ser utilizado, o coletor de admissão e tubo distribuidor, inicia-se a seleção dos demais componentes. O principal deles é a ECU, uma vez que este exerce influência nos demais componentes a serem utilizados, como sensores e atuadores. Foi realizado um comparativo entre os principais modelos de ECU disponíveis no mercado brasileiro, conforme tabela 3.1. Todos os dados foram retirados dos manuais de instalação de cada ECU avaliada. Tabela 3.1: Comparativo dos controladores de injeção e ignição. Os parâmetros analisados no comparativo entre os controladores disponíveis no mercado brasileiro apontam bastante similaridade entre os modelos. As correções para injeção e ignição são quase as mesmas em todos os três modelos analisados, o que faz com que tenham praticamente a mesma eficiência no gerenciamento do motor. Os modelos InjePro e Pandoo apresentam intervalo para ajuste de 200 rpm, o que os torna ligeiramente mais precisos que a Fueltech, com intervalo de ajuste a cada 500 rpm. Dentre os três analisados, observa-se que a Fueltech FT250 é única que não possui correção da injeção por lambda, um recurso bastante útil principalmente em motores que serão utilizados em veículos urbanos. O terceiro fator a ser destacado neste comparativo é a saída de ignição. O controlador Fueltech possui apenas uma saída configurável, para ser utilizada com Comparativo Fueltech FT250 Injepro EFI-PRO V2 Pandoo Fuel Inject Preço R$1320,50 R$2000,00 R$1750,00 Módulo de ignição adicional (4 canais) R$650,00 (SparkPro 4) R$570,00 (Injepro ISD 4) R$530,00 (PowerSpark 4) Garantia 3 anos 5 anos 1 ano Atualização de software gratuita Sim Sim Sim Rotação máxima 16.000 RPM 20.000 RPM 16.000 RPM Edição dos Mapas Computador de bordo ou PC Computador de bordo ou PC Computador de bordo ou PC Quantidade de mapas 5 5 5 Intervalo de rotação para ajuste 500 RPM 200 RPM 200 RPM Cilindros disponíveis 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 e 12 1 até 12 1, 4, 6 e 8 Correções da injeção Rotação, TPS, MAP, Temp. do Motor, Temp. do Ar, Tensão da Bateria MAP, TPS, Temp. do Ar, Temp. do Motor, Sonda Lambda, Tensão da Bateria Rotação, MAP, TPS, Temp. do Ar, Temp. do Motor, Sonda Lambda, Tensão da Bateria Saídas de ignição 1 (necessita de módulo auxiliar para controle através de roda fônica) 8 6 Correções da ignição TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp. do Motor TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp. do Motor TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp. do Motor Leitura de rotação por distribuidor ou roda fônica Sim Sim Sim Controle eletrônico do ventilador por temperatura 1 estágio 2 estágios 1 estágio Sensor MAP Integrado Integrado Integrado Leitura e Correção por sonda lambda Apenas leitura Sim Sim Controle do motor de passo Sim Sim Sim Datalogger Sim Sim Sim 26 distribuidor de ignição. Para a utilização sem distribuidor é necessário um módulo adicional, o SparkPro. Os demais controladores, Pandoo e Injepro, podem acionar de forma direta 6 ou 8 bobinas, respectivamente, desde que as mesmas possuam driver de ignição integrado. Para bobinas sem driver de ignição também se faz necessário a utilização de um módulo de ignição. Foram incluídos no comparativo os preços dos módulos de ignição indicados para cada controlador. Todos os módulos indicados possuem 4 canais de saída, o que permite a utilização de modo sequencial em motores de até 4 cilindros, com uma bobina por cilindro, ou no modo Wasted Spark em motores de até 8 cilindros, com uma bobina para cada 2 cilindros. O último ponto importante a se destacar é a assistência técnica e garantia. Todos os fabricantes disponibilizam através dos sites um canal de assistência técnica remota e opção de atualização do software gratuitamente. O prazo de garantia de cinco anos é um diferencial positivo para a Injepro, enquanto a Pandoo oferece apenas um ano e a Fueltech dá a seus clientes três anos de garantia. Além disso, a Fueltech é a marca que apresenta em seu site grande rede de oficinas credenciadas para instalação e manutenção do produto, que não foi visto nos demais fabricantes. A escolha do controlador deve ser feita de acordo com a aplicação a que se destina e os resultados esperados. Para utilização em um motor com distribuidor de ignição e onde a opção de correção por lambda não seja considerada necessária, a Fueltech pode ser uma boa opção devido seu menor preço. Entre os modelos Pandoo e Injepro, a similaridade das funções e dos preços garantem à Injepro certa vantagem devido à garantia de cinco anos. Na execução deste projeto foi utilizado o modelo Fueltech RacePro 1 Fi, uma vez que a Equipe Ícarus já possuía tanto o controlador quanto o módulo de ignição SparkPro. A funcionalidade deste controlador é semelhante à do modelo FT250, no entanto por se tratar de um produto antigo deixou de ser oferecido pela Fueltech. Os sensores e atuadores que compõem todo o projeto, após o devido dimensionamento, foram selecionados a partir de produtos aplicados em veículos comerciais, pela facilidade de reposição e diminuição de custos pela grande oferta dos mesmos. Deve-se atentar também que estes devem ser compatíveis com o controlador de injeção eletrônica utilizado. 27 3.1.1- Módulo de injeção O controlador da injeção eletrônica utilizado para este projeto foi o FuelTech RacePRo 1Fi, figura 3.5. Este módulo de injeção é totalmente programável e não necessita de um computador para sua configuração, todos os ajustes são feitos diretamente no módulo e podem ser em tempo real, durante o funcionamento do motor. O mesmo módulo funciona também como computador de bordo, exibindo as leituras da maioria dos sensores presentes no sistema, assim como os valores máximos alcançados durante o funcionamento do motor. Possibilita a configuração de três distintos mapas, que podem até mesmo ser de motores diferentes. Figura 3.5: Controlador RacePRO 1Fi. Fonte [26] 3.1.2- Sensores de Temperatura e Pressão do Ar no Coletor de Admissão Instalado no coletor de admissão, o sensor de temperatura do ar tem a função de monitorar a temperatura do ar admitido, possibilitando à ECU realizar as correções nos mapas de injeção e ignição, necessárias para o melhor funcionamento do motor. Ele deve ser capaz de medir toda a faixa de temperaturas de ar de admissão possível. A ECU utilizada neste projeto pode realizar correções de acordo com a temperatura do ar na faixa de -20 até 180ºC. Foi utilizado foi o sensor padrão Delphi/NTK (3,3kΏ a 20ºC), figura 3.6, que é automaticamente detectado pelo controlador FuelTech e atende a faixa de trabalho desejada. Sensor selecionado: Marca Iguaçu – Código 202.0901. 28 Figura 3.6: Sensor de temperatura do ar. Fonte [27]. O sensor que mede a pressão do ar no coletor de admissão (MAP) é integrado ao controlador FuelTech. Tem capacidade de medir pressões de -1bar (vácuo) até 6 bar, o que possibilita também a medição de motores com turbocompressor. 3.1.3- Válvula Injetora Para a seleção da válvula injetora, deve ser dimensionada a vazão necessária de combustível que atenda a demanda de projeto. Devem ser consideradas a potência, o consumo específico do motor por rotação (BSFC), o combustível utilizado, a quantidade de injetores e o aproveitamento do bico injetor, de acordo com a equação [12]: 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑥 𝐵𝑆𝐹𝐶 𝑥 𝐶𝑜𝑚𝑏. 𝑁º 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑗𝑒𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑥 𝐴𝑝𝑟𝑜𝑣. = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑗𝑒𝑡𝑜𝑟 (𝑙𝑏/ℎ𝑟) [12] Onde: Potência = potência máxima desejada, 60cv; Consumo específico por rotação (BSFC) = 0,5 para motores aspirados e 0,6 para turbos; Combustível = 1 para gasolina, 1,4 para etanol e 2,1 para metanol; Número de injetores = 2; Aproveitamento do bico injetor = recomenda-se utilizar o padrão de 80% da capacidade dos injetores. Assim, considerando que o motor aspirado utiliza gasolina como combustível, conclui-se que os injetores a serem utilizados devem possuir vazão de 18,75 lb/hr, ou 196,88 cc/min. Dessa forma, foi selecionado o injetor da Magneti Marelli modelo IWP 29 041, figura 3.7, aplicado no veículo VW Gol 1.0, que apresenta vazão de 220 cc/min e é facilmente encontrado no mercado. Figura 3.7: Válvula injetora. Fonte [28]. 3.1.4- Corpo de Borboleta O Corpo de Borboletas é o componente responsável por controlar a indução de ar nos motores de Ciclo Otto. Em sua maioria são atuados diretamente pelo usuário através de um cabo conectado ao pedal do acelerador, no caso de carros, ou no punho do guidão, em motocicletas. Nos veículos mais modernos o cabo de acelerador tem sido substituído por um sistema eletrônico onde um sensor é instalado no pedal do acelerador e um atuador faz a abertura ou fechamento da borboleta de acordo com o sinal registrado pelo sensor do pedal, esse sistema recebe o nome de drive-by-wire. O dimensionamento do corpo de borboleta é importante uma vez que um modelo superdimensionado implica na carga plena do motor sem sua total abertura, causando maior sensibilidade ao acelerador, enquanto um modelo subdimensionado pode se tornar uma restrição para a passagem de ar, impedindo o máximo enchimento da câmara de combustão. Para o correto dimensionamento do corpo de borboletas a ser aplicado, faz-se necessária a medição do fluxo e perda de carga do ar escoando através de todo o sistema de entrada de ar. De acordo com Heywood (1988), o filtro de ar, corpo de borboleta, coletor de admissão e válvula de admissão restringem a quantidade de ar que um motor de um dado deslocamento pode aspirar. O parâmetro utilizado para medir o quanto de ar é efetivamente aspirado pelo motor é a eficiência volumétrica. 30 Por simplificação, recomenda-se a utilização de um corpo de borboletas aplicado em um motor de deslocamento volumétrico próximo ao motor em que se faz a conversão do sistema, a fim de minimizar os efeitos acima citados. A rotação de trabalho no motor também deve ser levada em consideração uma vez que quanto maior a rotação maior a demanda de ar necessária. Devido a maior facilidade de acesso e menor custo, foi aplicado no projeto o corpo de borboleta utilizado no veículo Fiat Palio Fire 1.0, figura 3.8. Apesar de o motor utilizado neste projeto apresentar deslocamento volumétrico de 500 cm³, deve-se ressaltar que este trabalha com rotação máxima de 9000rpm, enquanto o motor Fiat é limitado em 6500rpm, o que minimiza o efeito de superdimensionamento do corpo de borboleta. Valores típicos de máxima eficiência volumétrica para motores naturalmente aspirados estão na faixa de 80 a 90 por cento (HEYWOOD, 1988). Considerando uma eficiência volumétrica de 80%, um motor de 1000cm³, trabalhando a 6000rpm apresenta vazão de ar igual a 6m³/min, enquanto um motor de 500cm³ a 9000rpm apresenta vazão de 4,5m³/min, uma diferença de 25% na vazão de ar. Modelo selecionado: Marca Magneti Marelli – Código STD34SXFE4. Figura 3.8: Corpo de borboleta. Fonte [29]. 31 3.1.5- Sensor de Posição do Corpo de Borboleta Sensor resistivo que é integrado ao corpo de borboleta. Sua calibração deve ser realizada no controlador, na posição fechada e na posição de máxima abertura. Os demais pontos intermediários são automaticamente interpolados pelo controlador. 3.1.6- Sensor de Temperatura da Água Tem a função de monitorar a temperatura da água de resfriamento do motor. A ECU pode utilizar a temperatura da água para realizar correções nos mapas de injeção e ignição, assim como também acionar o eletro ventilador do sistema de arrefecimento do motor. Este sensor deve ser instalado na saída de água de resfriamento, próximo ao cabeçote do motor. A ECU aplicada neste projeto pode fazer correções nos mapas de acordo com a temperatura da água na faixa de -20 a 180ºC. Foi utilizado o sensor padrão Delphi/NTK (3,3kΏ a 20ºC), figura 3.9, que é automaticamente detectado pelo controlador FuelTech e atende a faixa de trabalho desejada. Sensor selecionado: Marca Iguaçu – Código 201.0802. Figura 3.9: Sensor de temperatura de água. Fonte [30]. 3.1.7- Bomba de Combustível A bomba elétrica de combustível, em conjunto com o regulador de pressão, deve atuar mantendo a pressão de combustível constante nas válvulas injetoras. A pressão ideal de combustível para motores com injeção indireta, na entrada do cabeçote, é na faixa de 2,5 a 4bar. A pressão especificada para este projeto foi de 3bar. 32 A bomba foi instalada externamente ao tanque de combustível, facilitando adaptação e manutenção. O modelo selecionado, figura 3.10, atende à faixa de trabalho desejada e é aplicada no veículo GM Kadett EFI. Bomba selecionada: Marca Delphi – Código BCD00101. Figura 3.10: Bomba de combustível. Fonte [31]. 3.1.8- Regulador de Pressão do Combustível A pressão de funcionamento escolhida para o projeto foi de 3 bar. Dessa forma, foi selecionado um regulador de pressão ajustável, na faixa de 2 a 4,5 bar, figura 3.11. A pressão é regulada comprimindo a mola através do parafuso de ajuste na parte superior da válvula. Um manômetro foi instalado na linha de combustível para indicar a pressão de trabalho. Regulador selecionado: Marca LP – Código 47375/255R. Figura 3.11: Regulador de pressão LP 47375/255R. Fonte [32]. 33 3.1.9- Sensor Sonda Lambda Para leitura do fator lambda foi utilizado o medidor FuelTech WB-O2 Meter, figura 3.12, que é capaz de medir o valor lambda da faixa de 0,65𝜆 a 4,00𝜆. O sensor lambda instalado, figura 3,13, deve ser compatível com o medidor WB-O2, e nesse caso foi utilizado o modelo aplicado nos veículos VW e Audi 1.8T. Figura 3.12: Medidor FuelTech WB-O2. Fonte [33]. Deve-se lembrar que a instalação do sensor na tubulação de exaustão do motor deve obedecer as posições recomendadas no manual do medidor, que englobam uma faixa de 10 a 90º da linha axial do sensor com a horizontal, ou seja, sempre com a ponta apontando para baixo. Sensor selecionado: Sensor Lambda Wide Band Bosch LSU 4.2 – Código VW 021-906-262-B. Figura 3.13: Sonda Lambda Bosch LSU 4.2. Fonte [34]. 34 3.2- Investimento para Conversão do Sistema de Alimentação. Adicionalmente, foi realizado um levantamento de custos dos componentes principais para estimar o investimento feito na conversão do sistema de alimentação, apresentados na Tabela 3.2. O coletor de admissão e tubo distribuidor não foram cotados pois variam de acordo com o motor em que serão aplicados. Tabela 3.2: Análise de investimento para conversão do sistema de alimentação. Os valores apontados na Tabela 3.2 foram obtidos através de pesquisa de preços de produtos novos de acordo com as características e modelos selecionados no projeto. Apenas o módulo de injeção foi cotado pelo modelo FuelTech FT250, uma vez que o utilizado no projeto, FuelTech RacePRO 1Fi, é uma versão antiga já descontinuada pelo fabricante. Componente Valor unitário Quantidade Sub-total FuelTech FT250* R$ 1,320.50 1 R$ 1,320.50 Sensor de temperatura do ar R$ 44.79 1 R$ 44.79 Sensor de temperatura da agua R$ 27.00 1 R$ 27.00 Sonda lambda R$ 1,199.00 1 R$ 1,199.00 Injetores R$ 60.00 2 R$ 120.00 Corpo de borboleta R$ 650.00 1 R$ 650.00 Bomba de combustível Delphi R$ 179.00 1 R$ 179.00Regulador de pressão R$ 110.00 1 R$ 110.00 total R$ 3,650.29 35 Capítulo 4 Conversão do Sistema de Ignição A conversão do sistema de ignição por disparo eletrônico em um sistema de ignição mapeada proporciona maior controle do momento em que a centelha é disparada pela vela de ignição. No sistema de ignição por disparo eletrônico, um sensor identifica a posição do motor e emite o sinal para a bobina de ignição, iniciando o comando da centelha. Nesse sistema, geralmente apenas a rotação do motor pode ser utilizada como parâmetro para o avanço ou atraso do ponto de ignição. O sistema de ignição mapeada utiliza uma série de sensores, como temperatura do ar, temperatura do motor, pressão no coletor de admissão e posição da borboleta de aceleração, além da rotação do motor, para determinar a real condição de funcionamento do motor. Com isso, é possível que o ponto de ignição seja ajustado de forma mais eficiente que no sistema por disparo eletrônico, proporcionando vantagens em relação a consumo de combustível e emissão de poluentes. A ignição mapeada consiste em um mapa base de Ignição versus Rotação, que pode sofrer correções, avanço ou retardo, de acordo com a informação de cada sensor descrito acima. Contudo, o motor Honda CB500, ao qual foi utilizado para a realização do projeto, não possui sensor de detonação que pudesse ser utilizado como orientação nos ajustes mais avançados. Dessa forma, os benefícios da utilização do sistema de ignição eletrônica mapeada, nesse trabalho, ficaram limitados à maior precisão do ponto de ignição e diminuição do ruído eletromagnético para os demais componentes eletrônicos do veículo. 4.1- Seleção dos Componentes Todas as ECUs avaliadas na conversão do sistema de alimentação são também capazes de controlar um sistema de ignição mapeada, com a mesma quantidade e parâmetros de correções do ponto de ignição. 36 Por isso, foi utilizado neste projeto o mesmo controlador utilizado no sistema de alimentação, o Fueltech RacePRO 1Fi. Como esse controlador não possibilita o controle de ignição em um sistema com roda fônica sem o auxílio de um módulo de ignição auxiliar, foi aplicado o módulo de Ignição FuelTech SparkPRO para o acionamento das bobinas. Uma vez que a utilização de um módulo de ignição se fez necessária, foi possível a utilização de bobinas sem driver de ignição integrados, que em geral são mais baratas que bobinas com driver de ignição integrados. 4.1.1- Módulo de Ignição Como o controle da ignição é realizado através da RacePro 1Fi, foi apenas selecionado o módulo de potência para acionamento das bobinas. Por ser compatível com o controlador, foi utilizado o módulo Fueltech SparkPRO 4, capaz de controlar 4 bobinas, podendo ser utilizado em motores de 8 cilindros, no caso da utilização de bobina dupla, ou 4 cilindros, com uma bobina para cada cilindro. 4.1.2- Bobina de Ignição Para a ignição mapeada sem distribuidor foi utilizada uma bobina por cilindro, modelo BOSCH F000ZS0105, aplicada no VW Gol Mi. Essa bobina se caracteriza por ser um modelo sem ignição interna, sendo acionada pelo módulo de ignição SparkPRO. Figura 4.1: Bobina BOSCH F000ZS0105. Fonte [35]. 37 4.1.3- Vela de Ignição Foi utilizada a vela de ignição original do motor, recomendada pelo fabricante, Marca NGK modelo CR8EH-9. Figura 4.2: Vela de ignição NGK CR8EH-9. Fonte [36]. 4.2- Investimento para Conversão do Sistema de Ignição. Assim como no sistema de alimentação, foi realizada uma pesquisa de preços para o investimento necessário na conversão do sistema de ignição. A vela de ignição não foi cotada uma vez que a mesma vela é utilizada para o sistema de ignição mapeada, sendo considerados apenas os componentes adicionados. A Tabela 4.1 apresenta os valores médios para cada produto pesquisado. Tabela 4.1: Análise de investimento para conversão do sistema de ignição. Componente Valor unitário Quantidade Sub-total SparkPRO 4 R$ 650.00 1 R$ 650.00 Bobina de ignição R$ 110.00 2 R$ 220.00 Jogo de cabos de vela R$ 120.00 1 R$ 120.00 total R$ 990.00 38 Capítulo 5 Calibração do Sistema de Alimentação Finalizada a seleção dos componentes e montagem do chicote elétrico que liga todo o sistema de injeção e ignição, foi iniciada a configuração do módulo de injeção eletrônica com a entrada dos dados característicos do motor, como número de cilindros, volume deslocado, rotação máxima, etc. Esses dados permitem ao módulo de injeção criar um mapa base que possibilite o funcionamento do motor, de forma ainda precária, para posterior ajuste pelo usuário. O sistema de alimentação pode ser calibrado por distintas formas: através somente do TPS (Throttle Position Sensor - Sensor de Posição da Borboleta), somente do MAP (Manifold Absolute Pressure - Pressão Absoluta no Coletor de admissão) ou de uma combinação do TPS e do MAP. Após a partida do motor, através do mapa base gerado pela central eletrônica, iniciou-se o processo de ajuste do mapa principal de injeção. Para maior simplicidade foi escolhido o ajuste por TPS, onde deve ser programado um valor de pulso de injeção para cada valor de TPS, variando de 0 a 100% em intervalos de 10%. Para valores intermediários de TPS entre cada ponto o controlador realiza a interpolação do pulso de injeção. TPS em 0% significa borboleta totalmente fechada, regime de marcha lenta, enquanto TPS em 100% significa borboleta totalmente aberta, carga plena no motor. Com a utilização do mapa base de Injeção x TPS é possível ainda programar um ajuste de aceleração rápida, que se encarrega de aumentar a quantidade de combustível injetado durante variações rápidas no acelerador. Algumas limitações devem ser impostas tanto para mistura rica quanto para mistura pobre. Uma mistura excessivamente rica provoca carbonização da câmara de combustão, com depósitos de carbono alojados principalmente nas válvulas, pistão e próximo ao eletrodo da vela de ignição. Esses depósitos se tornam pontos quentes, que podem causar a ignição do combustível em momento indesejado, conhecido como pré- ignição. Já uma mistura pobre em excesso pode provocar alta temperatura na câmara de combustão. Esse fato ocorre, pois o combustível injetado no estado líquido precisa, para ser queimado, sofre vaporização. Essa mudança de fase do combustível é responsável por absorver parte do calor gerado na combustão. Dessa forma, uma mistura pobre, que 39 tem menos combustível para mudar de fase, apresentará uma temperatura maior. A alta temperatura na câmara de combustão também facilita a ocorrência de detonação. Ambos os fenômenos da detonação e da pré-ignição apresentam sintomas semelhantes, diferenciando-se apenas na origem da causa. Enquanto a detonação está relacionada com a octanagem do combustível e as pressões e temperaturas na câmara, a pré-ignição está relacionada com pontos quentes no interior da câmara de combustão. Nos motores mais modernos, um sensor de vibração é instalado no bloco para identificação dessa vibração anormal causada pela detonação ou pela pré-ignição, enviando sinal para a central eletrônica que pode atuar no avanço de ignição para minimizar esse acontecimento. Todos os dados inseridos na calibração dos sistemas de alimentação e ignição para uma mistura rica em combustível encontram-se registrados no Anexo I. 5.1- Configuração do Controlador FuelTech O ajuste da injeção eletrônica no controlador FuelTech RacePRO-1Fi é realizado através do computador de bordo que possui teclas direcionais para navegação no menu e um display de duas linhas, onde são exibidas as informações. Um fluxograma com a ordem dos dados a serem inseridos no controlador pode ser encontrado no Anexo II. A seguir, será detalhado cada ajuste realizado assim como a justificativa para tal. Recomenda-se que, para melhoraproveitamento, a leitura seja acompanhada do fluxograma mencionado. A entrada de dados se inicia pela definição da rotação máxima do motor, limitada em 9000 RPM, assim como no projeto original com carburador. Em seguida, seleciona-se o tipo de motor, aspirado ou turbo, e qual o parâmetro utilizado para calibração da injeção: Aspirado por TPS – Nesse caso o mapa principal de injeção é configurado através dos valores de TPS, desde 0% (marcha lenta) até 100% (aceleração total). Aspirado por TPS/MAP – Nessa configuração o mapa principal também é configurado através do TPS, porém com correção de acordo com os valores de MAP. Aspirado por MAP – Neste modo o mapa principal de injeção é configurado através do MAP. Esse parâmetro representa melhor a carga no motor, sendo mais preciso que o TPS. 40 Turbo por MAP – Devido à pressão positiva gerada pelo turbo compressor, o mapa principal de injeção é configurado através dos valores de MAP, variando de -0,9 bar (0,1 bar absoluto) até a pressão máxima configurada. Apesar do parâmetro de MAP indicar melhor a carga no motor, em condições de MAP instável este tipo de configuração pode apresentar falhas no funcionamento. Por isso, nos ajustes de injeção por MAP, é possível realizar o ajuste de marcha lenta por TPS, onde o controlador assume valor de marcha lenta quando TPS igual à zero, desconsiderando as leituras de MAP. Conforme explicado anteriormente, em um corpo de borboleta superdimensionado, pequenas variações do TPS acarretam em grandes variações do MAP, fazendo assim um mapa de injeção muito sensível a pequenas acelerações. Visto que o corpo de borboletas utilizado apresenta superdimensionamento, e o motor em questão não é dotado de turbocompressor, a escolha da configuração “Aspirado por TPS” possibilita o ajuste mais adequado. Em sequência, deve ser definido o tipo de injeção rápida, que também pode ser por TPS ou MAP. A injeção rápida significa o incremento da quantidade de combustível quando o controlador detecta variação rápida do TPS ou do MAP, dependendo do setup escolhido. Esse recurso é de fundamental importância quando se deseja elevar rapidamente a rotação do motor. Nesse caso, foi escolhida a injeção rápida por TPS porque apresenta resposta mais rápida, uma vez que o MAP somente é alterado após a variação do TPS. Quando há utilização de mais de uma bancada de injetores, é ainda possível definir as bancadas como simultâneas ou independentes. No primeiro caso, ambas as bancadas terão os injetores pulsando juntos, enquanto, no segundo, cada bancada tem seu ajuste próprio, podendo uma bancada ser acionada apenas sob uma condição anteriormente prevista, como uma rotação mínima ou determinado valor de MAP, por exemplo. O próximo passo é a definição do número de cilindros. Um detalhe que deve ser ressaltado é que apesar de o motor aplicado no projeto possuir apenas dois cilindros, tendo uma bobina para cada, para o correto funcionamento do sistema com ignição eletrônica Wasted Spark, foi necessário configurar a RacePRO como se o motor tivesse quatro cilindros. 41 Há ainda, na configuração da injeção, a opção do Modo de Injeção, que é a forma em que o controlador realizará o acionamento dos injetores. O Modo de Injeção é dividido em Normal, Alternado, Wasted Spark, e Sincronizado. No modo Normal, os pulsos de injeção serão acionados juntos com os pulsos de ignição, enquanto no modo Alternado um pulso de injeção é realizado a cada dois pulsos de ignição. A opção Wasted Spark é utilizada quando a ignição é também configurada para o modo Wasted Spark. Caso os módulos de ignição FirePRO ou Fire4S sejam conectados ao chicote elétrico, estes são identificados pela RacePRO e o Modo de Injeção é automaticamente travado em Wasted Spark. O módulo de ignição utilizado no projeto é o FirePRO, portanto o Modo de Injeção foi automaticamente configurado como Wasted Spark. Por último, na Configuração da Injeção, deve ser indicado o Deadtime dos injetores. Deadtime significa o tempo de atraso para abertura do bico injetor devido sua inércia de funcionamento. De acordo com o Manual RacePRO 1Fi, os injetores possuem, em sua maioria, Deadtime igual a 0,60ms. Caso na configuração do Mapa de Injeção seja apontado um período de injeção menor que o configurado para o Deadtime, a RacePRO identificará como nula a abertura do injetor. 5.2- Ajuste do Mapa de Injeção Conforme explicitado, anteriormente, foi selecionado o mapa base Injeção versus TPS para configuração do Mapa de Injeção principal. Nessa configuração são inseridos os valores de injeção, em milissegundos, para cada valor de TPS de 0 até 100%, variando a cada 10%. Esses valores correspondem ao tempo de abertura do bico injetor, de acordo com o sinal PWM (Modulação por Largura de Pulso) enviado pelo controlador. Na calibração do Mapa de Injeção, a abertura da borboleta foi fixada para cada ponto na escala de 0 a 100%. A resposta da sonda lambda para cada abertura foi analisada a fim de verificar se o valor de lambda desejado era alcançado. Utilizou-se o processo de malha aberta, com as respostas da sonda lambda apenas para leitura e ajuste por intermédio do usuário, pois a central eletrônica utilizada não possui a opção de correção da injeção por lambda. A proposta do projeto considera o maior desempenho do motor, ou seja, o motor deve trabalhar no regime de máxima geração de potência. Dessa forma, de acordo com 42 SANTOS (2009), a maior potência é gerada quando o valor de lambda está próximo de 0,86. Essa informação também pode ser obervada conforme a figura 5.1. Figura 5.1: Relação potência x lambda. Fonte [37] Assim, o Mapa de Injeção principal, para o motor Honda CB 500, na configuração de maior potência, teve os valores de injeção registrados buscando como resposta um lambda aproximado de 0,86. Com o motor em funcionamento e TPS estático em cada ponto da faixa de 0 a 100%, o Mapa Principal de injeção teve seus valores ajustados de acordo com a leitura da sonda lambda, sempre buscando um valor próximo a 0,86. O resultado desse ajuste está explicitado na figura 5.2, que apresenta o Tempo de injeção versus TPS calibrados. Adicionalmente, foram registrados também os valores de lambda de acordo com a rotação do motor, a cada 1000rpm, desde a marcha lenta até o limite de velocidade do motor, a 9000rpm. Para isso o motor foi acelerado até cada valor de rotação descrito na figura 5.3 e registrada a leitura do sensor de oxigênio 43 Figura 5.2: Valores de injeção para maior geração de potência. Figura 5.3: Valores registrados pela sonda lambda. Outros ajustem podem ser realizados para melhoria do sistema. Esses ajustes são correções realizadas no Mapa de Injeção principal com relação a outros fatores como temperatura do motor, temperatura do ar de admissão, MAP e tensão da bateria. Cada um desses ajustes e suas respectivas funções serão explicadas em seguida. 5.3- Correção da Injeção por Temperatura do Motor A Correção da Injeção por Temperatura do Motor é de fundamental importância nos motores movidos a etanol, mas também tem sua contribuição nos motores a gasolina. Os motores a gasolina são projetados para ter sua temperatura de funcionamento por volta de 90ºC, temperatura essa que é medida na saída de água 44 próximo ao cabeçote. No entanto, logo após a partida do motor a temperatura da água apresenta valores muito abaixo daquele para qual o motor foi projetado para funcionar. Como a combustão da mistura ar-combustível apresenta eficiência diferente de acordo com a temperatura na câmara de combustão, a correção da injeção de acordo com a temperatura do motor pode ser realizada nesse estágio inicial. A correção da injeção de acordo com a temperatura do motor é um incremento no tempo de abertura do injetor. Na ECU Fueltech, esse incrementose dá em um valor percentual relativo àquele previamente aplicado no Mapa Principal. A figura 5.4 apresenta os valores configurados para o motor Honda CB500. O incremento utilizado nas temperaturas abaixo de 70ºC tem como objetivo manter o motor estável durante a fase fria, uma vez que foi observado durante o ajuste que a mistura pobre em combustível provocava funcionamento irregular nessa condição. Já em temperaturas acima de 90ºC, o enriquecimento da mistura teve como objetivo diminuir a temperatura na câmara de combustão, transferindo calor para a mudança de fase do combustível em excesso, conforme anteriormente explicado. Não foram observados efeitos práticos desse ajuste durante os testes do motor. Figura 5.4: Correção da injeção por temperatura do motor. 5.4- Correção da Injeção por Temperatura do Ar da Admissão O ajuste de acordo com a temperatura do ar de admissão está diretamente relacionado com o cálculo que a central eletrônica faz para a massa de ar admitida, através dos sensores de temperatura do ar e pressão absoluta, o sensor MAP. Quanto 45 menor a temperatura do ar admitido, maior será sua massa específica e consequentemente maior a massa de ar que chega a câmara de combustão. Assim, uma maior massa de ar possibilita a injeção de mais combustível, cuja quantidade deve ser corrigida através dessa ferramenta. A figura 5.5 apresenta os valores utilizados no Motor Honda CB500. Figura 5.5: Correção da injeção por temperatura do ar de admissão. 5.5- Correção da Injeção por MAP Essa correção somente é possível quando o Mapa de Injeção Principal é configurado através do TPS. Os dados do MAP podem, nesse caso, proporcionar melhor avaliação da carga no motor, principalmente em momentos de aceleração e desaceleração. A correção por MAP também pode ser útil quando um motor ajustado em uma cidade ao nível do mar passa a funcionar em outro local de grande altitude ou vice- versa. A diferença na pressão atmosférica influencia na massa de ar admitida, uma vez que o ar mais rarefeito possui menor massa específica. Esse tipo de correção não foi programado para este projeto. 5.6- Correção da Injeção por Tensão da Bateria Essa correção é aplicada em casos onde a tensão da bateria varia demasiadamente durante o funcionamento do motor. A bateria com menor carga implica em deficiência na abertura do injetor, diminuindo sua vazão. A fim de compensar essa 46 deficiência, aumenta-se o tempo de abertura do injetor para manter o mesmo volume de combustível programado. Este tipo de correção não foi programado para este projeto uma vez que não se observou grandes variações da tensão da bateria durante o funcionamento do motor. 47 Capítulo 6 Calibração do Sistema de Ignição O motor utilizado no projeto não possui um sensor de detonação para ser utilizado como resposta a calibração do sistema de ignição. Por esse motivo, o sistema de descarga capacitiva com disparo eletrônico (CDI) foi substituído pelo sistema com ignição mapeada, porém os valores de avanço de ignição originais foram mantidos, gerando maior simplicidade no ajuste do motor e maior confiabilidade. No manual do motor Honda CB500 encontra-se como referência o avanço de ignição fixo em 14º antes do ponto morto superior (APMS) para rotação até 2000rpm, onde se inicia o avanço até 34º APMS, que deve terminar em 3500rpm, mantendo-se constante após essa rotação. 6.1- Configuração da Ignição no Controlador FuelTech A programação do mapa de ignição através do computador de bordo FuelTech RacePRO 1Fi é realizado através do menu Ajuste dos Mapas de Ignição, onde é encontrada a opção “Mapa de Ignição por Rotação”. A figura 6.1, retirada do manual RacePRO 1 Fi, ilustra o diagrama de blocos para configuração da ignição. Figura 6.1: Diagrama de blocos para configuração da ignição no RacePRO 1 Fi. Fonte [38]. 48 O “Mapa de Ignição por Rotação” permite a inserção dos valores de avanço de ignição em relação à velocidade do motor, partindo de 500rpm até o limite de rotação configurado, no caso deste projeto 9000rpm, em intervalos de 500rpm. Para melhor ilustração, os valores inseridos para avanço de ignição foram traçados no gráfico da figura 6.2. Figura 6.2: Avanço de ignição original Honda CB500. A figura 6.1 permite ainda observar que existem outras configurações para a ignição além da ferramenta “Mapa de Ignição por Rotação”. Essas funcionalidades são similares ao caso do Mapa de Injeção, em que algumas correções são realizadas no mapa principal conforme explicado anteriormente, porém, neste caso, as correções são aplicadas no Mapa de Ignição por Rotação. 6.2- Ajuste Rápido de Ignição É utilizado para corrigir de uma só vez todo o Mapa de Ignição por Rotação, avançando ou atrasando este em todos os pontos pelo determinado número de graus aplicado, conforme demonstrado na figura 6.3. 49 Figura 6.3: Ajuste Rápido de Ignição. Fonte [39]. Todos os demais ajustes são correções realizadas em função de algum outro parâmetro que não a velocidade do motor. O objetivo principal destes ajustes é prevenir a ocorrência de detonação ou pré-ignição do combustível de acordo com as variações das condições de funcionamento do motor, como MAP ou TPS, temperatura do motor ou temperatura do ar de admissão. Conforme anteriormente explicado, devido à ausência de um sensor de detonação, essas correções não foram aplicadas uma vez que não seria possível medir sua verdadeira eficácia contra os fenômenos de detonação e pré-ignição. 50 Capítulo 7 Conclusões e Sugestões O objetivo do projeto, de ser utilizado como guia para a conversão dos sistemas de alimentação e ignição pela Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE, foi alcançado. Todos os ajustes necessários foram detalhados nos Capítulos 3, 4, 5 e 6, com suas devidas justificativas. O levantamento de custos apresentados nas seções 3.2 e 4.2 indicam um investimento de R$4.640,29. Apesar de o valor parecer ser inicialmente alto, deve-se levar em consideração os ganhos e os objetivos de uma conversão deste tipo. A utilização da injeção eletrônica proporciona melhor controle do funcionamento do motor em qualquer faixa de funcionamento e condições externas, como temperatura e pressão do ar. A aplicação para a qual se destina o motor utilizado no protótipo é uma competição, onde a potência deve ser privilegiada, porém sem deixar de lado o consumo de combustível, que também faz parte das avaliações durante a competição. Para a aplicação em um veículo urbano, a possibilidade de programação de distintos mapas permite ainda que seja configurado um ajuste visando somente à economia de combustível, para o dia a dia, e outro para a maior potência, no caso de utilização do veículo em track-days. Não foi possível a realização de testes para a validação da conversão, como a medição de gases poluentes como CO, CO2 e NOx. Essa medição fica como recomendação para trabalhos futuros, e pode ainda ser realizada fazendo-se o ajuste de injeção para diferentes objetivos, como a geração de potência, com uma mistura rica em combustível, e para economia de combustível, em uma mistura pobre. Por fim, com a configuração de injeção objetivando a maior geração de potência, podem ser realizados testes em um dinamômetro para verificar a potência real entregue pelo motor após a conversão dos sistemas de alimentação e ignição. Esses resultados podem ser comparados com os obtidos utilizando os sistemas originais do motor. 51 Referências Bibliográficas: [1] BORGNAKKE, C., SONNTAG, R. E., 2010, Fundamentos da Termodinâmica. Série VAN WYLEN. Tradução da 7. ed. Americana. São Paulo, Edgard Blücher Ltda. [2] CARVALHO, M. A. S.,2011, Avaliação de um Motor de Combustão Interna Ciclo Otto Utilizando Diferentes Tipos de Combustíveis. Tese deMestrado em Engenharia Industrial, ESCOLA POLITÉCNICA/UFBA, Salvador, BA, Brasil. 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[39] Manual de Instalação e Operação RACEPRO – 1Fi (2013), versão 3.0, p.59. 54 Lista de Anexos: Anexo I: Dados de Entrada Utilizados na Calibração dos Sistemas Anexo II: Processos de Parametrização 55 Anexo I Dados de Entrada Utilizados na Calibração dos Sistemas Tabela I.1: Parâmetros Utilizados. 56 Anexo I Nesse anexo são apresentados os parâmetros inseridos na calibração dos sistemas de alimentação e ignição para uma mistura rica em combustível. Tabela I.1: Parâmetros Utilizados. TPS lenta 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Injeção 1.44 2 2.5 2.9 3.2 3.4 3.6 3.7 3.8 3.9 4 0% -20ºC 0ºC 20ºC 40ºC 60ºC 70ºC 80ºC 90ºC 100ºC 130ºC 20 15 10 10 5 0 0 0 5 10 -20ºC 0ºC 20ºC 40ºC 60ºC 70ºC 80ºC 90ºC 100ºC 130ºC 180ºC 10 6 3 -5 -10 0 0 0 0 0 0 Rotação 500 rpm 1000 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm 3500 rpm 4000 rpm 4500 rpm Ponto (º) 14 14 14 14.75 18 29 33 33 33 Rotação 5000 rpm 5500 rpm 6000 rpm 6500 rpm 7000 rpm 7500 rpm 8000 rpm 8500 rpm 9000 rpm Ponto (º) 33 33 33 33 33 33 33 33 33 Desligar abaixo de: 81 ºCAcionar acima de: 87 ºC Injeção rápida Mapa de Injeção (correção %) por Temperatura do motor (ºC) Pulso máximo (ms) Rot. Máxima para rápida (rpm) Enriq. Rápida Motor Frio (%) Ponto de Ignição Injeção Frio Injeção Quente Temperatura Quente 4 6000 Limitador de Rotação 120 Ajuste Principal Corte na desaceleração Corte para TPS=0 Além de 4000 rpm Atraso do Corte para TPS=0: 1.5 s Tipo de corte ( )Desativado ( X )Ignição ( )Injeção ( )Injeção e ignição Rotação do limitador (rpm) 9000 Ajustes complementares Acionamento do eletroventilador Aspirado por TPS - Mapa Principal - Injeção (ms) por posição da borboleta (TPS) Ajuste rápido Mapa de Injeção (correção %) por Temperatura do Ar (ºC) Mapa de ignição Ponto de Ignição (ºAPMS) por Rotação (rpm) Partida do Motor 14 2.5 ms 2 60ºC 57 Anexo II Processos de Parametrização Figura II.1: Configuração da Injeção. Figura II.2: Ajuste dos Mapas de Injeção. Figura II.3: Ajuste dos Mapas de Ignição. Figura II.4: Partida do Motor. 58 Anexo II Nesse anexo encontram-se as figuras ilustrativas dos processos de parametrização dos sistemas de injeção e ignição do controlador RacePro 1Fi, explicados nos Capítulos 5 e 6. Figura II.1: Configuração da Injeção. 59 Figura II.2: Ajuste dos Mapas de Injeção. FiguraII.3: Ajuste dos Mapas de Ignição. Figura II.4: Partida do Motor.