GM POWERTRAIN Gerenciamento de Sistema de Injeo Eletrnica

GM POWERTRAIN Gerenciamento de Sistema de Injeção Eletrônica em Motores de Ignição por Centelha Por: Data: Cláudio M. Engler Pinto 18 de abril de 2005 0

GM POWERTRAIN Apresentação • Motivo do aparecimento da Injeção Eletrônica • Funcionamento e Calibração do Sistema de Injeção Eletrônica • Sistemas controlados por “TORQUE” • Sistemas Flexíveis Multi-combustível gasolina - álcool • Novas Tendências 1

GM POWERTRAIN Por que a Injeção Eletrônica? Gases de Escape Combustível + Motor Ar TORQUE 2

GM POWERTRAIN Por que a Injeção Eletrônica? 1) Necessidade de um controle mais preciso do processo de combustão (mistura ar-combustível e avanço de ignição) em toda a faixa de operação do motor, visando: - atender aos requisitos legais de emissões de poluentes cada vez mais rigorosos; - tornar a operação do motor mais eficiente, com redução de consumo de combustível e com melhor desempenho, através da maximização do torque útil; 3

GM POWERTRAIN Por que a Injeção Eletrônica? 2) Melhoria da dirigibilidade do veículo, através da adequação da mistura A/C e do avanço de ignição às condições limites para o carburador convencional como, por exemplo, com a variação da temperatura do ar de admissão, da temperatura do líquido de arrefecimento e da altitude; 3) Controle do torque disponível no eixo de saída do motor para integração com outros módulos eletrônicos do veículo: - ABS - controle de tração - transmissão automática - controle eletrônico de estabilidade - ar condicionado, válv. de aceleração sem cabo (drive by wire), cruise control, etc 4

GM POWERTRAIN Histórico / Evolução: Controle de mistura A/C Carburador Controle do Avanço de Ignição e Distribuição Carburador Eletrônico Convencional (platinado e distribuidor) Injeção Eletrônica Central Transistorizada / por Tiristor Injeção Eletrônica Multi-ponto Mapeada Eletronicamente Sistema de Injeção Direta 5

GM POWERTRAIN Carburador: capacidade (limitada) para ajustar a quantidade de combustível requerida nas diversas condições de operação do motor. Dispositivos auxiliares: - controle de marcha-lenta (gicleur de mistura), - partida a frio e aquecimento (warm-up, afogador), - orifícios de progressão, - válvula de aceleração (pistão a vácuo, haste mecânica, mola-diafragma). 6

GM POWERTRAIN Controle do Avanço de Igniçao Convencional: capacidade (limitada) para ajustar o ângulo da centelha em função de 2 fatores: - carga: Atuador por vácuo-diafragma-alavanca do distribuidor (“cuíca”) , aumentando o avanço para as menores cargas = maior vácuo (misturas mais rarefeitas, > a duração da combustão). - rotação: avanço centrífugo; sistema massa-molas para girar o came do distribuidor, adiantando o momento da centelha com o aumento da rotação. Obs: A combinação destes 2 métodos de controle de avanço não permite o “avanço ótimo” para todas as condições de operação do motor: RPM, carga, temperatura da água, do ar de admissão e da pressão barométrica. 7

GM POWERTRAIN Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica: Sensores: Atuadores: - Posição da borboleta - Posição do virabrequim (rotação) - Temperatura do ar de admissão - Pressão do ar do coletor de admissão - Temperatura da água - Sensor(es) de oxigênio - Sensor de detonação - Sensor do comando de válvulas - Tensão da bateria - Bico injetor - bobina de ignição - válvula de controle de marcha-lenta - válvula de purga de vapor de combustível - aquecimento do sensor de oxigênio - embreagem do compressor do A/C - ventilador do radiador - válvula de recirculação dos gases de exaustão - lâmpada de diagnóstico no painel de instrumentos - válvula de aceleração - válvula de alívio de pressão (motores turbo) Extras: - sensor de velocidade do veículo - pressão do ar condicionado - pressão de óleo - pedal do acelerador - quantidade de álcool na gasolina Módulo de Controle (ECU) Diagrama de um sistema de injeção eletrônica DELPHI Esquema de um sistema de injeção eletrônica BOSCH 8

GM POWERTRAIN Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica: • A unidade de controle eletrônico (ECU) contém um software com diversas sub-rotinas específicas para cada módulo de calibração. • A partir da interpretação dos sinais enviados pelos sensores e identificação da condição de operação do motor, o software envia comandos para os drivers dos atuadores como, por exemplo: tempo de abertura da válvula de injeção e avanço de ignição. 9

GM POWERTRAIN Funcionamento do Software da Unidade de Controle: Input Interface de leitura dos sinais de entrada Processamento dos sinais em diversas sub-rotinas Interface de comando dos drivers Output Comunicação com outros módulos Variáveis indexadas por valores derivados sinais de entrada 10

GM POWERTRAIN No que consiste a calibração do sistema de injeção eletrônica do motor? No preenchimento das variáveis de cada módulo do software com valores adequados para que o conjunto motor-veículo responda conforme o esperado / requerido para atendimento dos objetivos de: dirigibilidade, desempenho, consumo e emissões. 11

GM POWERTRAIN Exemplos de Módulos do Software da ECU: • Especificações técnicas e curvas características dos sensores e atuadores • Eficiência volumétrica (enchimento dos cilindros) e correções • Quantidade de combustível: - partida do motor e warm-up - regime permanente e transiente - controle de emissões e eficiência do catalisador (closed loop) • Mapas básico de avanço e correções • Calibração do sensor de detonação e do retardo de avanço necessário • Abertura da válvula de aceleração (drive by wire) • Purga de vapor de combustível do canister • Acoplamento do compressor do ar condicionado • Acoplamento do ventilador do radiador • Atuador da marcha-lenta • Válvula de recirculação dos gases de exaustão (para controle de NOx) • Diagnósticos dos sensores a atuadores • Proteçao de temperatura do catalisador 12

GM POWERTRAIN Programa Genérico para Desenvolvimento da Calibração de um Motor Novo: 3 meses 18 meses 13

GM POWERTRAIN Calibração Básica em Dinamômetro de Motor: • Mapeamento do motor para determinação da quantidade de combustível e avanço ótimo para cada ponto de operação, para o melhor compromisso entre consumo, torque e emissões • Utiliza-se um dinamômetro elétrico como gerador/motor para submeter o motor em teste a todas as condições de operação • A quantidade de combustível é definida para atender ao regime estequiométrico de queima (lambda = 1) em cargas parciais e ao regime de máxima potência em carga plena (lambda ~ 0, 92) • Gasolina nacional (com 25% de álcool anidro) - queima estequiométrica (cargas parciais): A/F = 13, 3 - queima “rica” (plena carga): A/F = 12, 2 14

GM POWERTRAIN Calibração Básica em Dinamômetro de Motor: • A quantidade de combustível é especificada em tempo de abertura do injetor (ms) e, para dado valor de lambda, deve ser proporcional ao fluxo mássico de ar admitido nos cilindros • Para avaliação do fluxo de ar admitido, 2 métodos são utilizados: - Speed density: medição indireta pela temperatura e pressão do ar no coletor de admissão - Medição direta do fluxo de ar por deflexão de palheta ou por sensor de fluxo de ar por filme quente. 15

GM POWERTRAIN Curva característica do bico injetor: 16

GM POWERTRAIN Curva característica do bico injetor: • O bico injetor deve ser especificado de forma que sua faixa linear de operação atenda às demandas de: - fluxo mínimo de ar (cargas baixas, elevadas altitudes) - fluxo máximo de ar (plena carga, na rotação de máxima eficiência volumétrica ~ rotação de torque máximo) 17

GM POWERTRAIN Cálculo do pulso de injeção: BPW = base pulse width (ms) + correções. . . 18

GM POWERTRAIN Calibração Básica: definição do pulso do bico injetor O valor da quantidade de combustível em cada “célula” da matriz carga x RPM é por fim determinado com a utilização de um sensor de oxigênio (sensor lambda) nos gases de escape para verificação da qualidade da mistura. 19

GM POWERTRAIN Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Para cada condição de operação do motor, o momento da centelha é variado para identificação dos pontos de avanços de ignição: - MBT (Maximum Brake Torque timing) - BL (Knock Borderline timing = limite de detonação) Obs: a) O ponto de avanço de ignição exerce um forte efeito sobre o torque do motor. b) A variação do ponto de ignição provoca rápida alteração no torque disponível e, por este motivo, constitui-se numa importante variável no controle da variação de operação do motor. 20

GM POWERTRAIN Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Fonte: J. B. Heywood 21

GM POWERTRAIN Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Fonte: J. B. Heywood 22

GM POWERTRAIN Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Fonte: J. B. Heywood 23

GM POWERTRAIN Exemplo de detonação: Rotação = 1200 RPM, Pressão no coletor de admissão = 95 k. Pa Motor sem detonação: Variação do Avanço na faixa entre 8° e 18° APMS °APMS detonação forte sem detonação 18 8 t 24

GM POWERTRAIN Calibração Básica: determinação do avanço de ignição Motor 1. 8 L 4 cil. : 3200 RPM, 80 k. Pa 220 3500 210 3000 2500 190 Torque 180 O avanço de ignição é decisivo para a emissão de NOx e custo do catalisador 170 160 2000 Torque SFC (g/ CV. h) NOx (ppm) 1500 150 1000 MBT 140 500 130 120 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ° Sp. K APMS 20 21 22 23 24 25 26 27 25

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Os sistemas iniciais de injeção eletrônica implementados no Brasil atendiam à legislação de poluentes operando em open-loop (sem feed-back do sensor de O 2) e sem a necessidade do catalisador. A mistura arcombustível devia ser calibrada próxima da estequiométrica (lambda = 1). Fonte: J. B. Heywood 26

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: • Os veículos atuais devem utilizar obrigatoriamente a calibração closed-loop e o catalisador de 3 vias para a redução dos 3 gases poluentes controlado pela legislação em vigor: HC, CO e NOx. • A eficiência de conversão do catalisador é ótima para uma janela estreita de mistura ar-combustível ao redor da proporção estequiométrica 27

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio Esquema básico: célula dielétrica Escapamento p’O 2 (platina) Cerâmico Zr. O 2, Y 2 O 3 eletrodo eletrólito Metal metal Ar referência p’’O 2 Sensor de O 2 • Ions de oxigênio são transportados através da célula, gerando uma tensão proporcional à razão entre as pressões parciais do oxigênio na atmosfera e nos gases de escapamento. 28

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio Fonte: J. B. Heywood 29

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio Fonte: J. B. Heywood 30

GM POWERTRAIN Catalisador: 31

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador Reações de: oxidação redução 32

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador Fonte: J. B. Heywood 33

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: • A experiência demonstra que a eficiência do conversor aumenta, assim como a janela de máxima eficiência é ampliada, para uma pequena flutuação da mistura (< 10%) ao redor do valor estequiométrico. • A calibração closed-loop efetua a oscilação de mistura ricopobre através de parâmetros que definem a amplitude e frequência da variação do pulso de injeção. 34

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: 35

GM POWERTRAIN Desenvolvimento de Calibração para Emissões: O valor do pulso de injeção é corrigido na calibração closed-loop por 2 varíaveis (Var 1 e Var 2): BPWi = (BPW + Var 1) * Var 2 Var 1 = soma da correção INTEGRAL (correção a curto prazo para manter o sensor de O 2 próximo do estequiométrico) + PROPORCIONAL (para manter o sensor oscilando entre rico e pobre). Var 2 = Fator multiplicativo que busca manter o Var 1 = 0 (correção a longo prazo). 36

GM POWERTRAIN Teste de Emissões: • Teste de desaceleração (Coast-down) em pista com o veículo não tracionado, no plano, para determinação da potência resistiva. Definição dos coeficientes de: - Força de rolamento (Fr); - Força aerodinâmica (Fa). • Reprodução dos tempos de desaceleração no dinamômetro de chassis, para simulação da inércia e potência resistiva do veículo em pista. 37

GM POWERTRAIN Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis Emissões Gasosas e Evaporativas 38

GM POWERTRAIN Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis 39

GM POWERTRAIN Teste padrão de Emissões: EPA 75: - 23 ciclos, simulando trânsito urbano, totalizando ~ 18 km. - 3 fases: fria, quente, e após 9 min. com motor desligado. 40

GM POWERTRAIN Sistemas Estruturados por Torque: • Software da ECM “mais inteligente” para controle da operação do motor. • Software desenvolvido com o modelamento dos fenômenos físicos que afetam o rendimento do motor e, portanto, o torque disponível na saída. • O TORQUE passa a ser a variável de comunicação interna do software, sendo que seu controle é exercido pela atuação em: - quantidade de combustível - avanço de ignição - fluxo de ar (Drive by Wire, Electronic Throttle Control) 41

GM POWERTRAIN Sistemas Estruturados por Torque: A posição do pedal do acelerador não representa mais apenas o ângulo de abertura da válvula de aceleração, mas traduz o “desejo de torque do motorista”. A forma de como este torque será gerado depende de uma combinação dos 3 parâmetros de controle, os quais devem ser otimizados conforme a condição específica de operação do motor e da solicitação do torque. 42

GM POWERTRAIN Momento de Força, Conjugado no eixo ou Torque: Ft = força total do gás sobre o pistão Ft = P. Ac Fb = força transmitida pela biela Ftan = força tangencial na árvore de manivelas (virabrequim), responsável pelo torque. Fb Torque = T = Ftan. r w = velocidade angular = / t = 2 n/60 Ftan r W = trabalho de Ftan para uma volta do motor = 2 r. Ftan = 2 T Ne = potência de eixo do motor = 2 r. Ftan. n/60 = 2 T. n/60 43

GM POWERTRAIN Algumas Equações: Rendimento Térmico: Pressão média: x = 2 p/ motor 4 T PCI = poder calorífico inferior do combustível [k. J/kg] IMEP = indicated mean effective pressure 44

GM POWERTRAIN Sistemas Estruturados por Torque: O torque desejado pelo motorista corresponde ao torque no volante do motor (Te = torque efetivo). A atuação da injeção eletrônica causa efeito direto sobre a combustão e, portanto, sobre a curva de pressão do cilindro e do torque indicado do motor, Ti. O torque indicado é dado por (ignição em MBT): Fluxo ideal de comb. calculado, , valor calibrável 45

GM POWERTRAIN Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma 46

GM POWERTRAIN Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma 47

GM POWERTRAIN Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool • Para aproveitar todo o benefício do álcool e da gasolina como combustíveis num único motor, o ideal seria desenvolver um motor com taxa de compressão variável. • Custos elevados deste sistema inviabilizam esta opção. • Alternativa: taxa de compressão intermediária, com software robusto para adaptação do sistema de injeção eletrônica. 48

GM POWERTRAIN Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool Desenvolvimento necessário: • Nova bomba e linha de combustível • Sensor de oxigênio aquecido • Bicos injetores com maior vazão • Sistema de reconhecimento de combustível no tanque • Sistema de partida a frio • Novos materiais e tratamento térmico de componentes do motor básico para resistir às características do álcool • Novos software e calibração do sistema de injeção eletrônica 49

GM POWERTRAIN Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool • A adaptação do sistema de injeção requer a correta identificação do percentual de álcool no tanque de combustível. Há 2 métodos de detecção possíveis: - via sensor capacitivo na linha de combustível: freqüência de um sinal digital varia com a proporção de etanol. - via software: estratégia diferenciada de closed-loop após reabastecimento. 50

GM POWERTRAIN Aprendizagem do Combustível Nível do Tanque Correção do combustível Correção do avanço de ignição Estima % Etanol Estratégia de Partida a frio Sensor de Oxigênio 51

GM POWERTRAIN Aprendizagem do Combustível • O reconhecimento de combustível (% de álcool) presente no tanque é habilitado pela lógica de closed-loop do sensor de oxigênio. O valor de adaptação de mistura (relação A/C) que assegura lambda = 1 indica a % de álcool, que pode variar entre 8, 3 e 13, 3. Ex: A/C = 13, 3 A/C = 8, 3 % álcool = 25 % álcool = 100 • Um modo de aprendizagem rápido é habilitado sempre que ocorre um reabastecimento. • Um modo de aprendizagem lento é habilitado para ajuste mais preciso da mistura. 52

GM POWERTRAIN Propulsão veicular - novas tendências e perspectivas: • Motores mais eficientes: menor potência de atrito, maior taxa de compressão • “Down-sizing”, motores de menor cilindrada • Combustíveis renováveis (álcool, biodiesel) • Sistemas bi-combustível ”FLEX” • GNV • Injeção Direta na câmara de combustão • Veículos híbridos: motores de combustão e elétrico • Célula de combustível a hidrogênio 53

GM POWERTRAIN Obrigado !! 54

GM POWERTRAIN Referências Bibliográficas • J. B. Heywood, “Internal Combustion Engines Fundamental”, New York: Mc. Graw-Hill, 1988 • Catálogo eletrônico de peças Chevrolet 2002 • Manual eletrônico da BOSCH: Sistema de Injeção ME 7 Motronic • Princípios da Injeçao Eletrônica: Manuais técnicos internos da GM-Powertrain, Delphi e BOSCH • site http: //www. howstuffworks. com 55