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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.
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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 28
3.1.4- 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 de Trânsito, 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
(𝑇4𝑇1
−1)
(𝑇3𝑇2
−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 flexibilidade na 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 do acelerador, 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) = 1716Kg
Kmolde ar [8]
Massa de combustível = 8 × 12 + 18 × 1 = 114Kg
Kmolde 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 à ignição 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 coletor de 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 injeçãoRotação, 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 igniçãoTPS, 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 fônicaSim 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.= 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑜 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$ 179.00
Regulador 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 melhor aproveitamento, 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 incremento se 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 de Mestrado em
Engenharia Industrial, ESCOLA POLITÉCNICA/UFBA, Salvador, BA, Brasil.
[3] HEYWOOD, J. B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals. 1. ed.
New York, McGraw-Hill.
[4] Manual de Instalação e Operação RACEPRO – 1Fi Injeção e Ignição
Eletrônica Programável para Motor Aspirado ou Turbo, 2013. Versão 3.0. Porto Alegre,
FUELTECH LTDA EPP.
[5] Manual de Instalação e Operação Pandoo Fuel Inject – Versão 0.27.
PANDOO PERFORMANCE PARTS.
[6] Manual de Utilização Injepro EFI-PROV2. Cascavel, INJEPRO
AUTOMOTIVE TECNOLOGY.
[7] Manual de Serviço da motocicleta CB500. Moto Honda da Amazônia Ltda.
[8] SANTOS, Antonio Moreira dos. Preparação da Mistura Ar-Combustível.
Disponível em: ˂ https://pt.scribd.com/doc/13183026/Estequiometria-Preparacao-Da-
Mistura-Ar-Combustivel>. Acesso em 20 de Julho de 2016.
[9] Disponível em: ˂http://www.museudantu.org.br/teconologica2.htm> Acesso
em: 03 de julho de 2016.
[10] Disponível em:
˂http://www.wikienergia.pt/~edp/index.php?title=A_Moagem_de_Sampaio_(Sesimbra)
> Acesso em: 03 de julho de 2016.
[11] Disponível em: ˂http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-151.htm>
Acesso em: 05 de julho de 2016.
[12] Disponível em: ˂https://pt.wikipedia.org/wiki/Carburado> Acesso em: 05
de julho de 2016.
[13] Disponível em:
˂http://www.vwsantana.net/mecanica/carburadores/curso_carburadores_brosol_weber.p
df> Acesso em: 06 de julho de 2016.
52
[14] Disponível em:
<http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/biblia.asp?status=visualizar&cod=25>
Acesso em: 06 de julho de 2016.
[15] Disponível em:
<http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/biblia.asp?status=visualizar&cod=25>
Acesso em: 06 de julho de 2016.
[16] Disponível em: ˂http://www.culturamix.com/transporte/carros/beneficios-
da-injecao-eletronica> Acesso em: 08 de julho de 2016.
[17] Disponível em:
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Acesso em: 22 de julho de 2016.
[18] Disponível em: ˂http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/51-
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de 2016.
[19] Disponível em: ˂http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/51-
automotivos/655-ignicao-por-descarga-capacitiva-art075.html> Acesso em: 22 de julho
de 2016.
[20] Disponível em: ˂http://www.hmautotron.eng.br/artigos/EvolIgnicao.pdf>
Acesso em: 22 de julho de 2016.
[21] Disponível em: ˂http://www.hmautotron.eng.br/artigos/EvolIgnicao.pdf>
Acesso em: 22 de julho de 2016.
[22] Disponível em: <http://www.vitrinesdocomercio.com/araujo-servicos-
automotivos-injecao-eletronica.html> Acesso em 14 de setembro de 2016.
[23] Disponível em: <http://www.vitrinesdocomercio.com/araujo-servicos-
automotivos-injecao-eletronica.html> Acesso em 14 de setembro de 2016.
[24] Disponível em: <http://www.vitrinesdocomercio.com/araujo-servicos-
automotivos-injecao-eletronica.html> Acesso em 14 de setembro de 2016.
[25] Disponível em: < http://www.ferromotor.com.br/2012/10/injecao-
eletronica-regulador-de-pressao.html> Acesso em 14 de setembro de 2016
[26] Manual de Instalação e Operação RACEPRO – 1Fi (2013), versão 3.0, p.01
[27] Disponível em: ˂http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-706040498-
iguacu-sensores-de-temperatura-do-ar-_JM˃ Acesso em: 26 de julho de 2016.
53
[28] Disponível em: ˂http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-722349773-
bico-injetor-marelli-gol-parati-polo-10-16v-gas-iwp041-_JM˃ Acesso em: 26 de julho
de 2016.
[29] Disponível em: ˂http://dualbombas.com.br/loja/corpo-borboleta-palio-fire-
flex-34fxfe6-pi-107.html> Acesso em: 26 de julho de 2016.
[30] Disponível em: ˂http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-709663549-
sensor-de-temperatura-aguaar-alfakadettmonzaomegauno-_JM> Acesso em: 26 de julho
de 2016.
[31] Disponível em: ˂http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-685897028-
bomba-combustivel-flex-externa-gm-monza-kadett-s-10-efi-_JM> Acesso em: 26 de
julho de 2016.
[32] Disponível em: ˂https://www.canaldapeca.com.br/p/1667921/regulador-
de-pressao-lp-lp-47375255-unitario> Acesso em: 27 de julho de 2016.
[33] Manual de Instalação e Especificações Técnicas WB-O2 (2013), versão
1.6, p.01.
[34] Manual de Instalação e Especificações Técnicas WB-O2 (2013), versão
1.6, p.06.
[35] Disponível em: ˂http://www.flatout.com.br/project-cars-252-a-primeira-
etapa-da-restauracao-um-teste-nas-pistas-e-a-quebra-do-motor-do-meu-gol-cli/> Acesso
em: 27 de julho de 2016.
[36] Disponível em: ˂http://www.motomoura.com.br/Produto-PECAS-P-
MOTOS-VelaCachimbo-Vela-B5HS-Mobilete-NGK-versao-11298-11324.aspx>
Acesso em: 27 de julho de 2016.
[37] Disponível em:
˂http://www.buckeyetriumphs.org/technical/Carbs/AFMonitor/AFMonitor.htm˃
Acesso em: 28 de julho de 2016.
[38] Manual de Instalação e Operação RACEPRO – 1Fi (2013), versão 3.0,
p.58.
[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.