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GM POWERTRAIN

Gerenciamento de Sistema de Injeção Eletrônicaem

Motores de Ignição por Centelha

Por: Cláudio M. Engler PintoData: 18 de abril de 2005

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Apresentação

• Motivo do aparecimento da Injeção Eletrônica

• Funcionamento e Calibração do Sistema de Injeção Eletrônica

• Sistemas controlados por “TORQUE”

• Sistemas Flexíveis Multi-combustível gasolina - álcool

• Novas Tendências

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Por que a Injeção Eletrônica?

+

Ar

Motor

TORQUE

Gases de Escape

Combustível

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1) Necessidade de um controle mais preciso do processo de combustão (mistura ar-combustível e avanço de ignição) em toda a faixa de operação do motor, visando:

- atender aos requisitos legais de emissões de poluentes cada vez mais rigorosos;

- tornar a operação do motor mais eficiente, com redução de consumo de combustível e com melhor desempenho, através da maximização do torque útil;

Apresentação do Microsoft PowerPoint

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2) Melhoria da dirigibilidade do veículo, através da adequação da mistura A/C e do avanço de ignição às condições limites para o carburador convencional como, por exemplo, com a variação da temperatura do ar de admissão, da temperatura do líquido de arrefecimento e da altitude;

3) Controle do torque disponível no eixo de saída do motor para integração com outros módulos eletrônicos do veículo:

- ABS- controle de tração- transmissão automática- controle eletrônico de estabilidade- ar condicionado, válv. de aceleração sem cabo (drive by wire), cruise control, etc

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Histórico / Evolução:

Controle de mistura A/C

Carburador

Carburador Eletrônico

Injeção Eletrônica Central

Injeção Eletrônica Multi-ponto

Sistema de Injeção Direta

Controle do Avanço de Igniçãoe Distribuição

Convencional (platinado e distribuidor)

Transistorizada / por Tiristor

Mapeada EletronicamenteApresentação do

Microsoft PowerPoint


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Carburador: capacidade (limitada) para ajustar a quantidade de combustível requerida nas diversas condições de operação do motor.

Dispositivos auxiliares:- controle de marcha-lenta (gicleur de mistura),- partida a frio e aquecimento (warm-up, afogador),- orifícios de progressão,- válvula de aceleração (pistão a vácuo, haste mecânica, mola-diafragma).

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Controle do Avanço de Igniçao Convencional: capacidade (limitada) para ajustar o ângulo da centelha em função de 2 fatores:

- carga: Atuador por vácuo-diafragma-alavanca do distribuidor (“cuíca”) , aumentando o avanço para as menores cargas = maior vácuo (misturas mais rarefeitas, > a duração da combustão).

- rotação: avanço centrífugo; sistema massa-molas para girar o came do distribuidor, adiantando o momento da centelha com o aumento da rotação.

Obs: A combinação destes 2 métodos de controle de avanço não permite o “avanço ótimo” para todas as condições de operação do motor: RPM, carga, temperatura da água, do ar de admissão e da pressão barométrica.

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Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica:

Sensores:

- Posição da borboleta- Posição do virabrequim(rotação)- Temperatura do ar de admissão- Pressão do ar do coletor de admissão- Temperatura da água- Sensor(es) de oxigênio- Sensor de detonação- Sensor do comando de válvulas- Tensão da bateria

Extras:- sensor de velocidade do veículo- pressão do ar condicionado- pressão de óleo- pedal do acelerador- quantidade de álcool na gasolina

Atuadores:

- Bico injetor- bobina de ignição- válvula de controle de marcha-lenta- válvula de purga de vapor de combustível- aquecimento do sensor de oxigênio- embreagem do compressor do A/C- ventilador do radiador- válvula de recirculação dos gases de exaustão- lâmpada de diagnóstico no painel de instrumentos- válvula de aceleração- válvula de alívio de pressão (motores turbo)

Módulo deControle (ECU)

Diagrama de um sistema de injeção eletrônica DELPHIEsquema de um sistema de injeção eletrônica BOSCH



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Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica:

• A unidade de controle eletrônico (ECU) contém um software com diversas sub-rotinas específicas para cada módulo de calibração.

• A partir da interpretação dos sinais enviados pelos sensores e identificação da condição de operação do motor, o software envia comandos para os drivers dos atuadores como, por exemplo: tempo de abertura da válvula de injeção e avanço de ignição.

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Funcionamento do Software da Unidade de Controle:

Input Interface de leitura dos sinais de entrada

Processamento dos sinais em diversas sub-rotinas

Interface de comando dos drivers

Output

Comunicação com outros módulos

Variáveis indexadas por valores

derivados dos sinais de entrada

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No que consiste a calibração do sistema de injeção eletrônica do motor?

No preenchimento das variáveis de cada módulo do software com valores adequados para que o conjunto motor-veículo responda conforme o esperado / requerido para atendimento dosobjetivos de:

dirigibilidade, desempenho, consumo e emissões.

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Exemplos de Módulos do Software da ECU:• Especificações técnicas e curvas características dos sensores e atuadores• Eficiência volumétrica (enchimento dos cilindros) e correções• Quantidade de combustível:

- partida do motor e warm-up- regime permanente e transiente- controle de emissões e eficiência do catalisador (closed loop)

• Mapas básico de avanço e correções• Calibração do sensor de detonação e do retardo de avanço necessário• Abertura da válvula de aceleração (drive by wire)• Purga de vapor de combustível do canister• Acoplamento do compressor do ar condicionado• Acoplamento do ventilador do radiador• Atuador da marcha-lenta• Válvula de recirculação dos gases de exaustão (para controle de NOx)• Diagnósticos dos sensores a atuadores• Proteçao de temperatura do catalisador

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Programa Genérico para Desenvolvimento da Calibração de um Motor Novo:

2005Atividades J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F MDefinição de HardwareCalibração Básica em DinamômetroCalibração Básica em VeículoSensor de detonaçãoTransiente de combustível e avançoEstabilidade de marcha lentaPartida a frio e aquecimento do motor (-20°C a 92°C)Desenvolvimento de EmissõesCertificação Legal de EmissõesPartida a quente (92°C < cool < 120°C)Correção barométrica: nível do marCorreção barométrica: elevada altitudeDiagnóstico dos sensores e atuadoresDirigibilidade fine tuningLiberação da calibração finalProdução do Veículo

2003 2004

Cal Release

3 meses18 meses

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Calibração Básica em Dinamômetro de Motor:

• Mapeamento do motor para determinação da quantidade de combustível e avanço ótimo para cada ponto de operação, para o melhor compromisso entre consumo, torque e emissões

• Utiliza-se um dinamômetro elétrico como gerador/motor para submeter o motor em teste a todas as condições de operação

• A quantidade de combustível é definida para atender ao regime estequiométrico de queima (lambda = 1) em cargas parciais e ao regime de máxima potência em carga plena (lambda ~ 0,92)

• Gasolina nacional (com 25% de álcool anidro)- queima estequiométrica (cargas parciais): A/F = 13,3- queima “rica” (plena carga): A/F = 12,2



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Calibração Básica em Dinamômetro de Motor:

• A quantidade de combustível é especificada em tempo de abertura do injetor (ms) e, para dado valor de lambda, deve ser proporcional ao fluxo mássico de ar admitido nos cilindros

• Para avaliação do fluxo de ar admitido, 2 métodos são utilizados:

- Speed densitySpeed density: medição indireta pela temperatura e pressão : medição indireta pela temperatura e pressão do ar no coletor de admissãodo ar no coletor de admissão

- Medição direta do fluxo de ar por deflexão de palheta ou por sensor de fluxo de ar por filme quente.

voladm

ciladmAR TR

VPm ..

2/.


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Curva característica do bico injetor:

Injector Linearity flow

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Injector opening (ms)

Inje

cted

Fue

l (m

g)Static Flow = 2.58 g/s

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Curva característica do bico injetor:

• O bico injetor deve ser especificado de forma que sua faixa linear de operação atenda às demandas de:

- fluxo mínimo de ar (cargas baixas, elevadas altitudes)

- fluxo máximo de ar (plena carga, na rotação de máxima eficiência volumétrica ~ rotação de torque máximo)

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Cálculo do pulso de injeção: BPW = base pulse width (ms)

voladminj

ciladm

injAR

fuel

TRKFAVPBPW

KBPWFA

mm

...)./(2/.

.)/(

BPW Calculation

Manifold Air Pressure

Base Pulse Constant

Temperature

Volumetric Efficiency

Battery Voltage Correction

Closed Loop correction

A/F Ratio

BPW

Transient Fueling

+ correções...

2020

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Calibração Básica: definição do pulso do bico injetor

O valor da quantidade de combustível em cada “célula” da matriz carga x RPM é por fim determinado com a utilização de um sensor de oxigênio (sensor lambda) nos gases de escape para verificação da qualidade da mistura.

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Calibração Básica: determinação do avanço de ignição

Para cada condição de operação do motor, o momento da centelha é variado para identificação dos pontos de avanços de ignição:

- MBT (Maximum Brake Torque timing)- BL (Knock Borderline timing = limite de detonação)

Obs: a) O ponto de avanço de ignição exerce um forte efeito sobre o torque do motor.b) A variação do ponto de ignição provoca rápida alteração no torque disponível e, por este motivo, constitui-se numa importante variável no controle da variação de operação do motor.

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Fonte: J. B. Heywood

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Exemplo de detonação: Rotação = 1200 RPM,Pressão no coletor de admissão = 95 kPa

Variação do Avanço na faixa entre 8° e 18° APMS

t

°APMS

18

8

Motor sem detonação:

detonação forte sem detonação

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Motor 1.8L 4 cil.: 3200 RPM, 80 kPa

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

° SpK APMS

Torq

ue

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

TorqueSFC (g/ CV.h)NOx (ppm)

MBT

O avanço de ignição é decisivo para aemissão de NOx e custo do catalisador

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões:

Os sistemas iniciais de injeção eletrônica implementados no Brasil atendiam à legislação de poluentes operando em open-loop (sem feed-back do sensor de O2) e sem a necessidade do catalisador.

A mistura ar-combustível devia ser calibrada próxima da estequiométrica (lambda = 1).


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• Os veículos atuais devem utilizar obrigatoriamente a calibração closed-loop e o catalisador de 3 vias para a redução dos 3 gases poluentes controlado pela legislação em vigor: HC, CO e NOx.

• A eficiência de conversão do catalisador é ótima para uma janela estreita de mistura ar-combustível ao redor da proporção estequiométrica

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio

Esquema básico: célula dielétrica

Escapamento Metal(platina)

CerâmicoZrO2, Y2O3

metal Arreferência

Sensor de O2

p’O2p’’O2

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

eletrodo eletrólito

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Catalisador:

3333

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador

Reações de:

oxidação

redução

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Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador


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• A experiência demonstra que a eficiência do conversor aumenta, assim como a janela de máxima eficiência é ampliada, para uma pequena flutuação da mistura (< 10%) ao redor do valor estequiométrico.

• A calibração closed-loop efetua a oscilação de mistura rico-pobre através de parâmetros que definem a amplitude e frequência da variação do pulso de injeção.

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O valor do pulso de injeção é corrigido na calibração closed-loop por2 varíaveis (Var1 e Var2):

BPWi = (BPW + Var1) * Var2

Var1 = soma da correção INTEGRAL (correção a curto prazo para manter o sensor de O2 próximo do estequiométrico) + PROPORCIONAL (para manter o sensor oscilando entre rico e pobre).

Var2 = Fator multiplicativo que busca manter o Var1 = 0 (correção a longo prazo).

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Teste de Emissões:

• Teste de desaceleração (Coast-down) em pista com o veículo não tracionado, no plano, para determinação da potência resistiva. Definição dos coeficientes de:

- Força de rolamento (Fr);- Força aerodinâmica (Fa).

• Reprodução dos tempos de desaceleração no dinamômetro de chassis, para simulação da inércia e potência resistiva do veículo em pista.

VelAAFFF crarT .

VelFP Tres .

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Emissões Gasosas e Evaporativas

Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis

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Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis

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Teste padrão de Emissões:EPA 75:- 23 ciclos, simulando trânsito urbano, totalizando ~ 18 km.- 3 fases: fria, quente, e após 9 min. com motor desligado.

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Sistemas Estruturados por Torque:

• Software da ECM “mais inteligente” para controle da operação do motor.

• Software desenvolvido com o modelamento dos fenômenos físicos que afetam o rendimento do motor e, portanto, o torque disponível na saída.

• O TORQUE passa a ser a variável de comunicação interna do software, sendo que seu controle é exercido pela atuação em:

- quantidade de combustível- avanço de ignição- fluxo de ar (Drive by Wire, Electronic Throttle Control)

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A posição do pedal do acelerador não representa mais apenas o ângulo de abertura da válvula de aceleração, mas traduz o “desejo de torque do motorista”.

A forma de como este torque será gerado depende de uma combinação dos 3 parâmetros de controle, os quais devem ser otimizados conforme a condição específica de operação do motor e da solicitação do torque.


4444

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Momento de Força, Conjugado no eixo ou Torque:

Ft = P . Ac

Fb

Ftan

r

Ft = força total do gás sobre o pistão

Fb = força transmitida pela biela

Ftan = força tangencial na árvore de manivelas (virabrequim), responsável pelo torque.

Torque = T = Ftan . r w = velocidade angular = /t = 2 n/60

W = trabalho de Ftan para uma volta do motor = 2 r . Ftan = 2 T

Ne = potência de eixo do motor = 2 r . Ftan . n/60 = 2 T . n/60

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Algumas Equações:

Rendimento Térmico:

Pressão média:

PCImxT

PCImW

gastaenergiamotortrabalho

c

i

ci .

2._

_

VcxT

VcW

SS

AFIMEP i2

x = 2 p/ motor 4T

PCI = poder calorífico inferior do combustível [kJ/kg]IMEP = indicated mean effective pressure

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O torque desejado pelo motorista corresponde ao torque no volante do motor (Te = torque efetivo).

A atuação da injeção eletrônica causa efeito direto sobre a combustão e, portanto, sobre a curva de pressão do cilindro e do torque indicado do motor, Ti.

O torque indicado é dado por (ignição em MBT):

xPCImTi c

t

2

, valor calibrável),( nft

Fluxo ideal de comb. calculado, cim

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Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma

Torque indicado

+ Trabalho deAcessórios

+ Trabalho debombeamento

Torque efetivo total

Torque desejado=

Torque efetivo

+ Trabalho deAtrito

Pedal do acelerador

Relação Pedal x Torque

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Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma

- Fluxo de Ar RealFluxo de combustívelideal

RPM, lambda) Efic. Torque ( avanço)MBT x avanço real

-

lambda

Torque indicado(MBT)

- Abertura do acelerador eletrônico

Curva característica daválvula de aceleração

- Fluxo de combustível Real,- Avanço Real

Gráfico do Microsoft Office Excel

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Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool

Propriedade Gasolina bras. Álcool hidratado Regulagem do sistemaPCI (kJ/kg) 37000 23500dens. (kg/m3) 740 790% Álcool anidro 25 95A/C esteq. 13.3 8.3Temp. ebulição (°C) 25 - 215 78Octanagem RON 93 106

prop. corrosivas, detergenteslubrificantes,...

mistura ar-combustível e

avanço de ignição

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

5050

GM POWERTRAIN


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

Desenvolvimento necessário:

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GM POWERTRAIN


• A adaptação do sistema de injeção requer a correta identificação do percentual de álcool no tanque de combustível.

Há 2 métodos de detecção possíveis:

- via sensor capacitivo na linha de combustível: freqüência de um sinal digital varia com a proporção de etanol.

- via software: estratégia diferenciada de closed-loop após reabastecimento.

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Estima % Etanol

Nível do Tanque

Sensor de Oxigênio

Correção do combustível

Estratégia de Partida a frio

Aprendizagem do Combustível

Correção do avanço de ignição

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Aprendizagem do Combustível

• O reconhecimento de combustível (% de álcool) presente no tanque é habilitado pela lógica de closed-loop do sensor de oxigênio. O valor de adaptação de mistura (relação A/C) que assegura lambda = 1 indica a % de álcool, que pode variar entre 8,3 e 13,3.

Ex: A/C = 13,3 % álcool = 25A/C = 8,3 % álcool = 100

• Um modo de aprendizagem rápido é habilitado sempre que ocorre um reabastecimento.• Um modo de aprendizagem lento é habilitado para ajuste mais preciso da mistura.

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Propulsão veicular - novas tendências e perspectivas:

• Motores mais eficientes: menor potência de atrito, maior taxa de compressão

•“Down-sizing”, motores de menor cilindrada

• Combustíveis renováveis (álcool, biodiesel)

• Sistemas bi-combustível ”FLEX”

• GNV

• Injeção Direta na câmara de combustão

• Veículos híbridos: motores de combustão e elétrico

• Célula de combustível a hidrogênio

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GM POWERTRAIN

Obrigado !!

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Referências Bibliográficas

• J. B. Heywood, “Internal Combustion Engines Fundamental”, New York: McGraw-Hill, 1988

• Catálogo eletrônico de peças Chevrolet 2002

• Manual eletrônico da BOSCH: Sistema de Injeção ME7 Motronic

• Princípios da Injeçao Eletrônica: Manuais técnicos internos da GM-Powertrain, Delphi e BOSCH

• site http://www.howstuffworks.com

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