O SOFTWARE de funcionamento dos Módulos de InjeçãoEletrônica

Jornal Oficina Brasil ­ Out/2000Por Marcos Zillner (Napro Eletrônica Industrial Ltda)

O funcionamento do programa (Software) dos módulos de controle da Injeção eletrônica é um assunto poucoconhecido. Poucas pessoas no Brasil detém o conhecimento do código fonte dos módulos (programa antes deser compilado e gravado na Eprom ou memória flash). A falta de conhecimento nesta área acarreta na criação deconceitos de funcionamento nem sempre corretos. Por outro lado conhecer essa matéria poderia auxiliar nodiagnóstico dos defeitos e inclusive tirar alguns mitos que foram criados com o tempo. Também os técnicosreparadores que trabalham com a repotenciação de chips tem dificuldades pois trabalham de uma certa forma noescuro, quase sempre na tentativa e erro. A caixa do módulo passa então a ser uma "caixa preta" onde não sesabe ao certo o que se encontra lá dentro e como a lógica de controle do motor funciona. O que vemos é umprocedimento de troca de módulos sem uma análise mais criteriosa, causando um desperdício desnecessário.

Um módulo com valores auto­adaptativos (aprendizado) em alguns casos funciona de maneira a enganar otécnico reparador. Este pensa que o módulo está defeituoso e chega a trocar o mesmo. Explico: Se um defeitode sensores anteriormente apresentado é consertado e o módulo leva um certo tempo para reaprender, ao setrocar por um modulo novo, onde este defeito não havia se manifestado, vai funcionar na primeira. Acontece queo módulo antigo também aprenderia com o tempo a se adaptar as novas condições porem a urgência e odesconhecimento fizeram com que fosse sucateado. Ruim para o cliente dono do veiculo, ruim para o técnicoreparador, ruim para todos.

O módulo é controlado por um micro controlador que passaremos a chamar de processador, nome mais popularpara o pequeno computador interno capaz de realizar cálculos com valores (previamente gravados em tabelas)que chamamos de dados e seguir uma seqüência de comandos que chamamos de programa ou algoritmo. Oprograma não funciona sozinho necessita dos dados (tabelas) normalmente levantados em dinamômetro demotores e depois refinados em dinamômetros de chassi e campo de prova.

O dinamometrista depois de amaciar o motor no próprio dinamômetro, começa então a levantar a curva de torquedo motor, Potência e Consumo Específico, montando tabelas de carga X rotação X angulo de avanço, carga XRotação X Tempo de Injeção etc. Os engenheiros montam então as tabelas que serão gravadas na Eprom. Odinamômetro de chassi ajuda a refinar na hora da verificação de emissões. Na realidade hoje em dia os ajustessão feitos com prioridade em emissões. Onde são feitos testes de emissões com ciclo urbano e ciclo estradaconforme norma brasileira. O veículo é colocado sobre um dinamômetro de chassi, as curva de freio e inérciassão ajustadas no dinamômetro e o motorista acelera e freia de acordo com um gráfico gerado por computador.Ajustes nas tabelas do módulo são feitos para diminuir as emissões. A dirigibilidade é refinada e a eprom comos dados fica pronta para avaliação de campo. Quilômetros e quilômetros são rodados. Tudo isto é destruídodepois pelo pessoal que faz a repotenciação fora da montadora onde o resultado final são alguns cavalos a maispara o cliente desejoso de potencia no motor. Lógico em detrimento das emissões e muitas vezes do consumo edurabilidade do motor.

Nesta matéria vamos abordar o funcionamento do programa ainda de uma maneira superficial. Se fossemosabordar o assunto com profundidade, certamente daria para escrever um livro. O ideal seria escrevermos sobre oHardware e o Software. Estas duas coisas estão intrinsecamente ligadas. Porem como o Hardware é muito maisprevisível ficamos somente no assunto do Software que é menos conhecido.

Várias tabelas são previamente levantadas em laboratório. Os valores que vamos exemplificar aqui podem variarde fabricante para fabricante pois cada um tem um tipo conversor Analógico/Digital (A/D) diferente internamente,os sensores diferem, então vamos dar exemplos genéricos para o tema.

 

 

2­ Tabela de Enriquecimento de aceleração

Esta tabela simula a função que a velha bomba injetora no carburador ao darmos uma acelerada. Injetando umaquantidade à mais de combustível, enriquecendo abruptamente a mistura. Seus valores são refinados pelosengenheiros com o veiculo em rodagem, acertando­se a dirigibilidade. Para uma maior precisão ela é dividida emfunção da temperatura do motor. Assim com um motor frio pode­se enriquecer mais para um atendimento rápidodo acelerador. Uma tabela mal dimensionada provoca afogamentos. Esta tabela num dos eixos entra comoíndice o delta de carga que foi solicitado dependendo do sistema pode ser medido o delta de depressão nocoletor ou a velocidade com que variou a tensão no caso de um sensor de posição de borboleta. No final fazema mesma função, estimar a carga solicitada no motor.

O delta é calculado fazendo a subtração do valor de carga anterior menos o atual ou no caso de posição deborboleta, tensão anterior menos tensão atual. A unidade de injeção esta representada em milisegundos.

Se o delta é positivo, houve uma aceleração se o delta é negativo o usuário tirou o pé do acelerador veremosmais tarde que a tabela não é consultada. Observe que resumimos a tabela ilustrando somente até 50% devariação de carga, na realidade existem mais linhas.

 

3­ Tabela de enriquecimento de partida a frio

Ao se dar a partida, o motor deve pegar. Nesta fase nenhum engenheiro esta preocupado com emissões. Omotor tem de levantar o giro rapidamente pois a rotação do motor de partida é baixa e o consumo de corrente éalto. Os valores são críticos pois um enriquecimento exagerado gera um afogamento do motor. Uma misturapobre demais também atrasa o arranque do motor e descarrega a bateria. Esta tabela normalmente é levantadaem uma enorme câmara climática, onde o motor, ar, combustível é submetido a diferentes temperaturasiniciando em –36 graus Celsius. Ao dar a partida se o motor pegar o valor colocado na tabela esta ok, se não sedeve esperar mais 24 horas para que a temperatura se estabilize novamente. Ao acertar o valor de partida paraaquela determinada temperatura, ajusta­se a temperatura da câmara climática para a próxima temperatura quepode ser –26 graus e assim por diante. Para cada linha o tempo de repouso do motor e estabilização datemperatura é obedecido. A temperatura da câmara vai subir até os 70 graus. Vários motores são ensaiados ecom diferentes tipos de Óleo do motor etc... É um trabalho exaustivo que exige além de paciência o uso até deroupas especiais para adentrar na câmara.

Note­se que os motores são calibrados para condições que são encontradas no frio do Alaska e no calor dosdesertos na África. Não importa se você vai levar seu veículo lá. A montadora quer assegurar que o motorfuncionará bem em qualquer uma dessas condições. Obs: A temperatura do motor é lida pela temperatura daágua de arrefecimento.

Propositalmente colocamos nesta tabela um exemplo completo. Somente as duas colunas da esquerda sãousadas e na realidade somente os valores hexadecimais são gravados na EPROM do módulo. Colocamos aolado os numeros em decimais somente para exemplificar. Vamos a um exemplo usando a linha de 10o C

Observe que o valor final de injeção no caso de 10o Celcius é de 1,88 milisegundos, porem seria muito tempoperdido para o processador, ler 1,88 e calcular quantas unidades de injeção ou Interrupts deveriam ser gastospara se passar um tempo de 1,88 milisegundos. Devido a falta de tempo de processamento, a trasformação denúmeros em Ponto Flutuante é evitada gravando­se um numero equivalente ao quantidade de UI’s (unidade deInjeção). A unidade de Injeção neste exemplo é de 28,6 microsegundos, ou seja, 66 (decimal) vezes UI (28,6)igual 1887 microsegundos igual à 1,88 milisegundos.

Para economizar tempo de processamento, a quantidade de unidades de tempo é gravado diretamente, ou seja42H. O valor hexadecimal nunca excede FF ou seja 255 em decimal para uma Eprom com um Byte de 8 bits.

Observe no gráfico que quanto maior é a temperatura do motor, menor quantidade de combustível é necessáriapara o motor funcionar.

 

4­ TABELA de ENRIQUECIMENTO PÓS ­ PARTIDA

Esta tabela entra em funcionamento em alguns milissegundos depois do motor "pegar".

Note que também é dependente da temp. do motor.

Para uma melhor precisão no processo de levantamento da rotação depois do arranque esta tabela entra emcena após algumas voltas do motor. O processo de levantamento de dados é muito parecido com o anterior,uma vez que estão intimamente ligadas e em seqüência.

 

5­ TABELA de FATOR DE CORREÇÃO DA TEMPERATURA DO AR

Porque se mede a temperatura do ar?

É uma questão que poucos sabem responder.

A necessidade de se conhecer a temperatura do ar se dá por uma questão de massa.

A combustão é uma reação química onde comburente (ar com oxigênio) + combustível (gasolina, álcool, gásricos em cadeias de hidrocarbonetos) resulta com liberação de calor, em gases que são HC (cadeias deHidrocarbonetos) + CO (monóxido de Carbono) + CO2 (Dióxido de Carbono) + O2 (oxigênio, resultante de umaqueima pobre) + Vapor de água (H2O) (no álcool tem bastante) + outros gases em quantidade insignificante.Como podemos observar são moléculas de ar que são queimadas junto com o combustível.

 

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Os medidores de volume do sistema de injeção não medem massa, mas volume como o próprio nome já diz.Porem a combustão é feita com a massa do ar + combustível. É necessário então corrigir isto pois a densidadedo ar varia de acordo com a temperatura e pressão. Quando se tem um sensor MAP pode­se compensar apressão, porem a temperatura ainda precisa ser compensada. Note que os valores de compensação são baixose não refletem numa alteração muito grande do valor final de injeção, porem para uma combustão aprimorada ebaixos valores de consumo esta tabela é útil.

 

 

6 ­ MAPA DE INJEÇÃO – TABELA DE TEMPO DE INJEÇÃO

Finalmente chegamos a tabela principal do sistema onde se tem o tempo de injeção em função da rotação e dacarga do motor. Esta tabela é Bidimencional, gerando não uma curva mas uma superfície muito bonita.

Como ela é extensa, vamos exemplificar somente um pedacinho da tabela que gera este mapa.

Neste exemplo a rotação varia de 460 até 1280 RPM a carga varia de 0 até 30 % da abertura da borboleta, noteque para cada motor é uma tabela e valores de limites diferentes.

Veja o gráfico gerado com todos os pontos de uma tabela normal. Porem aqui vamos apenas representar algunspontos.

Abaixo de 460 RPM o motor esta em regime de arranque. Note que estes dados são levantados emdinamômetro de motor sempre procurando uma relação de melhor torque menor consumo e melhor Lambda.

Com base nas curvas levantadas em dinamômetro os engenheiros acertam os mapas de acordo com aestratégia adotada para o motor. O tempo de injeção e o avanço vão obedecer ao que os engenheirosentenderem ser melhor para aquele motor. No caso do avanço, se trabalha com um angulo onde se obtém ummáximo torque sem que haja pré­detonação. Uma margem de segurança é colocada para evitar isso.

Exemplo o Lambda deve se aproximar de 1 para que o catalisador seja eficaz. No caso Lambda 1 equivale auma relação ar combustível de 14,6 partes de ar para uma parte de combustível se for gasolina pura, se forgasolina com 22% de adição de álcool a proporção muda para 12,8

A curva de torque não é gravada na eprom, somente o mapa. Exemplificamos aqui somente para uma idéia dotrabalho que dá fazer o mapeamento de um motor.

Como estes dados são gravados numa Eprom? Um mapa de injeção é tridimensional formando uma superfície.Não existe forma de gravar estes dados a não ser um após o outro numa maneira linear como é à disposição daEprom. Como exemplo, coloquei aqui a seqüência da tabela do mapa.

0, 1, 3, 5, 7, 8, 9, 0, 3, 7, 8, 9, 10, 11, 0, 10, 15, 17, 20, 25, 27, 0, 10, 16, 22, 25, 27, 34, 0, 11, 20, 25, 30, 37,44, 0, 15, 29, 35, 38, 43, 55 e assim por diante. Esta disposição dos dados faz com que pareçam "ondas"quando vistos por um programa de remapeamento.

 

7­ ROTINAS

Existem inúmeras rotinas básicas no programa que dependem muito do tipo de hardware (circuito eletrônico) queesta sendo usado no módulo. Vamos citar algumas principais. ROTINA DE LEITURA DOS SENSORES (conversão A/D) A conversão analógica que é o sinal de saída de muitos sensores ex: Temp. da água é transformada para digitalpor um circuito integrado especializado ou em alguns casos internamente ao micro controlador. Não vamosentrar aqui em detalhes do circuito eletrônico. Esta rotina é responsável por endereçar o sinal que vai ser lido(sensor) e a cada passagem fazer a leitura de um sensor diferente. Por quê? O tempo é muito escasso noprocessamento de tantas informações, alguns sensores não precisam ser lidos a cada 180 graus do volante domotor. Se fizermos uma simulação, numa primeira passada a rotina se preocupa em ler o sensor de Carga eTemp. da Água e termina. Na Segunda passagem, lê novamente os sensores de importância estratégica para osistema como a Carga e a Temp. do Ar. Na terceira passagem lê Carga e tensão da Bateria. Nota­se então que

a temperatura da água só é lida a cada 4 voltas do volante. Isto é válido pois a temperatura da Água, Ar evoltagem da bateria não se alteram em período de tempo tão pequeno. Em alguns casos, quando existe umnumero maior de sensores, este ciclo demora proporcionalmente mais para ser completado. Todos os valoreslidos são guardados em área de RAM (Randon acess memory), ou seja, variáveis do sistema, que podem seracessadas por outras rotinas como a de pesquisa do mapa de injeção etc... Os valores guardados são embinário.

ROTINA DE MEDIÇÃO DO RPM O RPM não é medido pelo circuito A/D seria desnecessário já que RPM pode ser lido em período. O RPMapesar de ser estratégico é lido por um circuito de interrupção/temporizador (timer / interrupt) normalmente jáprojetado para ser usado na porta de interrupção do processador. A rotina de leitura do RPM é a transformaçãodo contador do timer. Como a leitura é de um período não de freqüência, o valor é sempre 1/RPM, o contadorverifica quantas interrupções o sistema sofreu para que o sensor de RPM (da roda fônica, por exemplo)recebesse um sinal. Este período de interrupção dá a precisão de leitura da RPM. Quanto maior a freqüência doCristal oscilador do processador, mais precisa é a leitura do RPM. Este procedimento é usado para se alterar aleitura de RPM. Exemplo: se com um cristal de 4.198 megahertz a freqüência máxima é de 5600 RPMs com5.038 megahertz esta rpm pode subir para 6500 RPMs. Aqui vem a explicação do porque em tabelas que sereferenciam ao RPM Ter valores quebrados. Como na tabela do mapa de injeção, valores como 480, 610, 718etc...

ROTINA DE LEITURA DE ESTADOS Alguns sensores fornecem não sinais analógicos mais um estado. On/Off (ligado/Desligado). Por exemplo, achave de plena carga em alguns sistemas, chave de Marcha Lenta no corpo da borboleta. Situação da chave deAr condicionado, sinal do sensor Knock (que apesar da saída ser um sinal analógico é transformado por umcircuito de filtro e um detetor de janela em sinal digital). Dependendo do sistema de injeção o sinal da sondaLambda entra nesta rotina. Da mesma forma que o Knock o sinal analógico da sonda Lambda é amplificado,filtrado e convertido em on/off, ou seja, está rico ou pobre ou em alguns sistemas que são mais precisos podemfornecer ao processador 3 ou 4 estados. Neste exemplo: com circuitos comparadores de nível, 3 estados podemser detectados na Sonda Lambda, acima de 0,6 V = mistura rica, entre 0,5V e 0,6V lambda= 1 e abaixo de 0,5mistura pobre.

ROTINA BÁSICA DE LEITURA DAS TABELAS Cada tabela é relacionada por um índice. Em alguns casos a Temp. da água outra do Ar e Tensão da bateria. A rotina de leitura é a mesma, porem o endereço base de pesquisa da tabela na Eprom é dada por um ponteiro,soma­se ao ponteiro o valor do índice, verifica se a soma não excedeu o tamanho limite em bytes da tabela,pelo ponteiro lê­se o valor correspondente e grava­se numa variável da memória. Ao se chamar esta rotina,alguns parâmetros são passados como Endereço base da tabela, índice, endereço de destino do valor lido. Umfato que merece ser observado aqui e o leitor pode perguntar. O que acontece se na tabela de temp. da água,houver um valor que esta entre 60o e 40o que só existem dois valores, ou seja, 50o? Simples, esta rotina faz ainterpolação linear dos valores existentes para o intermediário. Para isso usa­se um algoritmo matemático.

ROTINA DO BLM de O2 e BLM do motor de passos Existe muita confusão em torno destes parâmetros. Os reparadores que desconhecem estes parâmetros podemchegar a condenar módulos bons ao lixo e trocá­los sem necessidade. Os programas mais modernos têm uma capacidade de aprendizado (não confundir com inteligência) que faz comque pequenas variações na qualidade do combustível sejam compensadas, melhorando o desempenho e adirigibilidade. Lembro­me quando há muitos anos atrás trabalhava na programação de módulos e depois de todoo trabalho para levantarmos os parâmetros e tabelas, o governo brasileiro com a grande crise do petróleoresolveu adicionar álcool na gasolina. Perdemos muito trabalho terminado. Os módulos daquela época nãoaprendiam nada ainda. De qualquer forma esta era uma variação considerável do combustível. Voltando ao I eBLM que do inglês significa BLOCK LEARN MEMORY, ou seja, Bloco de Memória de Aprendizado (parâmetrosadaptativos). Tanto para o I como para o BLM o valor normal é por volta de 128, ou seja, 80 em Hexa ou 10000000 em binário. Esclarecimento: o valor 128 é o centro da escala, ou seja, o zero. Veja no binário, este é umtruque em programação para se testar o bit mais significativo. Em alguns processadores existe um comando“Pula se o Bit7 estiver ligado” e mostra se deve subtrair ou somar. Abaixo de 128 (7FH) temos em binário 01111111, ou seja, o bit 7 mais significativo esta desligado. Obs.: a contagem dos bits começa do zero assim sendotemos de 0 a 7. Se o valor esta acima de 128 isto significa que a ECU esta enriquecendo a mistura pois a basede calculo do tempo de injeção não é o suficiente e a mistura esta pobre demais. Um valor abaixo de 128 indicaque a ECU esta empobrecendo a mistura pois a base do tempo de injeção esta alta e a mistura rica demais. NoScanner da NAPRO, você pode facilmente ver este parâmetro nas injeções que dispõem deste sistema. Tanto o integrador I como o BLM são parâmetros cujo valor é resultado de uma integração. No caso do I é umaintegração de curto prazo, ou seja, varia e faz a correção rapidamente a um estímulo. No caso do BLM é delongo prazo, variando muito lentamente a um estímulo qualquer. Um estímulo pode ser a colocação de umcombustível de baixa qualidade. O usuário vai demorar a perceber falhas e uma marcha lenta diferente. Omesmo acontece quando se coloca um combustível bom novamente. Infelizmente estes módulos foramprogramados para países onde o combustível mantém um certo padrão de qualidade e os donos de postos vãopra cadeia se adulterarem o combustível. Outro estímulo pode ser o Ar Condicionado ligado/desligado. E assimvai. A integração pode ser exemplificada da seguinte maneira, usando uma formula onde os pesos fazem a

média. Exemplo para Integrador de curto prazo Valor atual I = ( Lambda + 5 X valor I anterior) / 6 O valor resultante vai ser o valor atual na próxima rodada. Ou seja, o valor atual tem 5 vezes mais peso na média que o estímulo recebido pela sonda Lambda. No integrador de longo prazo Valor atual BLM = ( Lambda + 49 X valor I anterior) / 50 Ou seja, o valor atual tem 49 vezes mais peso na média que o estímulo recebido pela sonda Lambda. Em resumo, estes valores devem ser reaprendidos numa correção de um defeito. Se não houver um tempo deaprendizagem, o defeito foi corrigido, porem ele havia se tornado num agente de aprendizagem, o modulotentava corrigir. Quando o defeito foi sanado, o modulo precisa ainda ter um tempo para se auto­corrigirnovamente. Em alguns sistemas, os parâmetros podem ser zerados pelo scanner ou por outros processos(desligando a bateria por 24 horas, por exemplo). Na maioria dos casos, um defeito gerado por parâmetros auto­adaptativos devem ser tratados com muita paciência. Estes parâmetros fazem parte dos parâmetros deintegração. Alguns reparadores chamam este processo de desmagnetizar o módulo que não tem nada a ver comforças magnéticas.

ROTINA de ENRIQUECIMENTO da MISTURA Esta rotina quando solicitada, verifica qual foi o delta de aceleração solicitado e grava numa variável o valor lidoda tabela em função da temperatura do motor. A cada “passada”, volta do volante, o valor inicialmente gravado édecrementado até chegar a zero. Isto gera um pico de injeção como a da bomba de aceleração do antigocarburador, que depois vai diminuindo com o passar do tempo. Verifique que esta rotina chama a rotina de leiturada tabela de enriquecimento.

ROTINA DE INJEÇÃO NA PARTIDA Esta rotina é chamada quando a rotação esta abaixo de 460 RPMs ou perto disto. Ela acessa o valor da Tabelade Partida à Frio e Enriquecimento Pós Partida. Guarda estes dois valores. O primeiro é direcionado para o timerque controla o tempo de injeção. O segundo é guardado para quando a rotação assumir um valor maior que 460RPM.

ROTINA DE CONTROLE DA BOMBA ELÉTRICA Esta rotina se preocupa em monitorar se o motor esta em funcionamento. Se em 1 segundo, deixar de receberinterrupções do sensor de RPM, desliga a saída do relê auxiliar de controle da bomba. Este sistema é feito paraevitar que em caso de acidente a bomba continue a recalcar o combustível, podendo provocar um incêndio. Aose ligar a ignição, este timer é ajustado num valor de interrupções equivalentes a 1 segundo, a cada volta domotor, este timer é ajustado novamente (reset). Quando impulsos param de chegar o timer rapidamentedecrementa seu valor e no prazo de um segundo zera totalmente, retirando do transistor de potência o sinal deacionamento do relê da bomba.

LOOP BÁSICO Loop é uma palavra usada em programação para designar uma rotina que volta sempre no mesmo lugar. Quandoo motor esta em funcionamento, depois que as rotinas de partida fizeram suas tarefas, o módulo entra entãonuma rotina básica onde sempre faz as mesmas tarefas. A seqüência é uma chamada de rotinas básicas que serepetem voltando sempre ao início. Exemplo, a cada passada se lê o RPM, um canal de sinal analógicoprioritário e outro não prioritário, corrige­se o tempo de injeção pelas tabelas de temp. da água e ar etc...Voltando ao início novamente. Caso o sistema tenha algum estímulo como o AR condicionado ser solicitadoentão a rotina responsável é chamada.

Temos escrito do tempo escasso de trabalho. Por quê? A cada volta do volante o sistema tem de calcular otempo de injeção da próxima volta, abrir o bico e depois fechar. Para um motor de 4 tempos com 4 cilindros emrotação máxima, que é o pior caso, quando o processador tem menos tempo, vamos encontrar situações ondeexiste um tempo entre 4 a 20 ms para se fazer tudo. TUDO, inclusive se comunicar com um scanner. Como você deve ter observado, a programação dos módulos é uma pequena obra de arte. Programar todas asrotinas num espaço limitado de Eprom, com tempos de processamento limitados e na velocidade que o mercadorequer não é uma tarefa nada fácil. Os programas estão cada vez mais sofisticados. Em 1985 a Eprom usadanuma ECU tinha uma capacidade de 32K Bytes, entre 1986­89 subiu para 128K, entre 1990 –92 subiu para256K, hoje já temos de 512K, onde é que vamos parar ?