TCC_Rafael_Fassi_Lobao

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(Parte 1 de 5)

Faculdade de Tecnologia e Ciências Engenharia Mecatrônica

Rafael Fassi Lobão

Controlador para Adaptação de Injeção Eletrônica em Motores Ciclo Otto Originalmente Carburados

Salvador Junho - 2011

Rafael Fassi Lobão

Controlador para Adaptação de Injeção Eletrônica em Motores Ciclo Otto Originalmente Carburados

Trabalho de conclusão de curso apresentado como requisito da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso – I, para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica pela Faculdade de Tecnologia e Ciências (FTC-Salvador) Orientador: Prof. Cícero Alexandre Brandão de Paula

Salvador Junho - 2011

L796 Lobão, Rafael Fassi.

Controlador para adaptação de injeção eletrônica em motores ciclo

Otto originalmente carburados / Rafael Fassi Lobão. – Salvador, 2011. 100f. : il. ; 30 cm.

Orientador: Cícero Alexandre Brandão de Paula. Trabalho de conclusão do curso (graduação) – Faculdade de Tecnologia e Ciências, 2011.

1. Engenharia mecatrônica. 2. Sistemas de injeção eletrônica de combustível em automóveis. 3. ECU – Eletronic Control Unit. 4. Controladores elétricos. 5. Poluentes. I. Faculdade de Tecnologia e Ciências. I. Paula, Cícero Alexandre Brandão de. II. Título.

Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Biblioteca da Faculdade de Tecnologia e Ciências – FTC, Unidade Salvador - Bahia

Rafael Fassi Lobão

Controlador para Adaptação de Injeção Eletrônica em Motores Ciclo Otto Originalmente Carburados

Monografia aprovada como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica, da Faculdade de Tecnologia e Ciências (FTC).

Salvador, de Junho de 2011

Cícero Alexandre Brandão de Paula Mestrando em Engenharia Mecatrônica - UFBA Orientador: Faculdade de Tecnologia e Ciências - (FTC).

José Marciano Brito Carvalho Engenheiro Civil - UFBA Especialista em Gestão e Sistemas - UNEB Professor da disciplina: Faculdade de Tecnologia e Ciências - (FTC).

Dedico este trabalho a todas as pessoas que fazem sua parte para transformar este mundo em um lugar melhor.

Agradeço aos meus pais por todo o incentivo e apoio que me deram durante o curso. Agradeço ao Prof. Cícero Brandão, orientador deste trabalho, por todo apoio e incentivo que recebi durante sua execução. Agradeço a todos meus amigos de turma, em especial, a Jorge Cardoso, por todos os finais de semana que passamos estudando, e as madrugadas em claro terminando projetos. Agradeço ao meu ex-coorientador e amigo, Prof. Julian Quezada, que não está mais na faculdade, mas me ajudou muito durante todo o curso.

“A iniciativa é o primeiro passo para o fracasso.” Homer Simpson

O presente trabalho, apresenta o desenvolvimento de um módulo de controle ECU (do termo inglês, Eletronic Control Unit) aberto, que permita a adaptação de um sistema de injeção eletrônica em veículos originalmente carburados, baseando-se no método de leitura direta da vazão mássica de ar admitida (Mass-Density), visando um aumento de desempenho, diminuição do consumo de combustível e emissão de poluentes. Para isso, fez-se necessário apresentar uma revisão bibliográfica sobre o funcionamento de motores quatro tempos ciclo Otto, relação ar/combustível e avanço de ignição. Também foram apresentadas as principais características dos sistemas de injeção eletrônica comerciais e suas principais estratégias de funcionamento. Foi proposto um sistema alternativo para bombeamento e regulagem da pressão do combustível, sem que sejam necessárias grandes modificações no veículo original. Além disso, foi apresentado o modelo de um motor ciclo Otto, que, a partir desse modelo foi implementado o controlador, dividindo seus recursos em módulos funcionais, sendo definidas as estratégias de implantação e apresentação dos resultados. O método utilizado para desenvolver o projeto consistiu em, analisar o problema, definir os requisitos, escolher a solução, implementar, fazer a simulação em ambiente virtual, compreender e discutir os resultados.

Palavras-chave: Injeção eletrônica, ECU, controlador, carburador, emissão de poluentes.

This work presents the development of a control module ECU (Electronic Control Unit) opened, allowing the adaptation of an electronic injection system on carbureted vehicles originally based on the method of direct read of mass air flow (Mass-Density), allowed increased performance, reduced fuel consumption and emission of pollutants. It became necessary to present a literature review on the operation of four-stroke Otto cycle engines, air/fuel ratio and spark advance. Were also presented the main characteristics of electronic injection systems and its main operating strategies. Proposed an alternative system for pumping and fuel pressure regulator without major modifications being required in the original vehicle. In addition, was presented the model of an Otto cycle engine, which, from that template was implemented in the controller, dividing their resources into functional modules, being defined deployment strategies and presentation of results. The method used to develop the project was to analyse the problem, define requirements, choose the solution you implement, making the simulation in virtual environment, understand and discuss the results.

Keywords: Electronic fuel injection, ECU, controller, carburetor, emission of pollutants.

Figura 1 Ciclo de trabalho de um MCI de quatro tempos24
Figura 2 Corte em um motor quatro tempos25
Figura 3 Razão de compressão 8:126
Figura 4 Vela de Ignição29
Figura 5 Bobina de Ignição30
Figura 6 Pressão no cilindro em função do avanço de ignição31
Figura 7 Distribuidor de ignição3
Figura 8 Sistema de ignição convencional34
Figura 9 Sistema de ignição eletrônica por indução34
Figura 10 Sistema de ignição estática35
Figura 1 Sistema de alimentação do carburador36
Figura 12 Sistema de marcha lenta do carburador37
Figura 13 Sistema de progressão do carburador38
Figura 14 Sistema principal do carburador38
Figura 15 Sistema de aceleração rápida do carburador39
Figura 16 Taxa de CO em função do λ42
Figura 17 Taxa de NOx em função do λ42
Figura 18 Taxa de HC em função do λ43
Figura 19 Gases da combustão antes e depois do catalisador4
Figura 20 Corte de um catalisador4
Figura 21 Diagrama básico de um sistema de injeção45
Figura 24 Pulso de ignição e tempo de injeção em sistemas síncronos48
Figura 25 Estratégia de injeção simultânea49
Figura 26 Estratégia de injeção banco a banco49
Figura 27 Estratégia de injeção sequencial50
Figura 28 Fator de enriquecimento em função da temperatura51
Figura 29 Mapa base de tempo de injeção53
Figura 30 Componentes típicos de um sistema de injeção Mass-Density5
Figura 31 Ponte de Wheatstone56
Figura 32 Sensor MAF57
Figura 3 Sensor de temperatura NTC58
Figura 34 Sensor de oxigênio58
Figura 35 Fator λ vs tensão59
Figura 36 Princípio de um potenciômetro60
Figura 37 Bomba de combustível61
Figura 38 Mecanismos de bombeamento61
Figura 39 Tanque de combustível para bomba externa62
Figura 40 Tanque de combustível com bomba interna62
Figura 41 Regulador de pressão63
Figura 42 Injetor de combustível64
Figura 43 Diagrama básico do sistema pretendido6
Figura 4 Módulo de combustível67
Figura 45 Tampa do módulo de combustível67
Figura 46 Vista explodida do módulo de combustível68
Figura 47 Modelo motor ciclo otto70
Figura 50 Resposta do sensor EGO ao degrau na injeção de combustível73
Figura 51 Atraso no trasporte do sensor EGO73
Figura 52 Verificação da relação A/F do motor74
Figura 53 Controlador dividido em módulos funcionais74
Figura 54 Diagrama do módulo de controle da injeção base75
Figura 5 Diagrama do módulo de controle em malha fechada75
Figura 56 Filtragem do sinal do sensor EGO76
Figura 57 Gráfico de conceito de um integrador76
Figura 58 Entrada e saída do integrador7
Figura 59 Diagrama de sistema para abrir a malha78
Figura 60 Comportamento de conservação de saída do integrador78
Figura 61 Diagrama do módulo de compensação da temperatura79
Figura 62 Diagrama do módulo de enriquecimento em plena carga79
Figura 63 Variação do ângulo da borboleta em relação ao tempo80
Figura 64 Diagrama do módulo de enriquecimento em aceleração rápida81
Figura 65 Diagrama do módulo de corte de combustível em freio motor82
Figura 6 Diagrama completo do controlador implementado84
Figura 67 Diagrama de simulação do controle de injeção base85
Figura 68 Gráfico da simulação do controle de injeção base86
Figura 69 Diagrama de simulação do controle em malha fechada86
Figura 70 Comparação de malha aberta e fechada sem perturbação87
Figura 71 Tempo de injeção vs sensor EGO em um sistema comercial8
Figura 72 Comparação de malha aberta e fechada com perturbação8
Figura 73 Fechamento da malha por temperatura e tempo de operação89
Figura 76 Diagrama de simulação do enriquecimento em plena carga91
Figura 7 Simulação do sistema de enriquecimento em plena carga91
Figura 78 Diagrama de simulação do enriquecimento em aceleração rápida92
Figura 79 Simulação de enriquecimento em aceleração rápida92
Figura 80 Diagrama de simulação de corte em freio motor93
Tabela 1 Ângulo de permanência para ignição eletrônica35
Tabela 2 Relação estequiométrica dos combustíveis40
Tabela 3 Exemplo de correção da mistura A/F em função da temperatura52

ACT Air Change Temperature ECU Eletronic Control Unit EGO Exhaust Gas Oxygen ESS Engine Speed Sensor HEGO Heated Exhaust Gas Oxygen MAF Mass-Air Flow MAP Manifold Absolute Pressure MCI Motor de Combustão Interna MP Mult-Point NTC Negative Temperature Coefficient PI Proporcional-Integral PMI Ponto Morto Inferior PMS Ponto Morto Superior PTC Positive Temperature Coefficient RPM Rotação Por Minuto SP Singue-Point TPS Throttle Position Sensor VE Volumetric Efficiency ηv Eficiência Volumétrica λ Fator Lambda

· m Vazão Mássica

A/F Razão Ar/Combustível C Carbono

CH4 Metano CO Monóxido de Carbono

CO2 Dióxido de Carbono Fcorr Fator de Correção

Fenriq Fator de Enriquecimento H Hidrogênio

H2O Água

HxCy Hidrocarbonetos Mo Molibdênio

N2 Nitrogênio NO Monóxido de Nitrogênio

NO2 Dióxido de Nitrogênio

NOx Óxido de Nitrogênio O Oxigênio

Pd Paládio Ro Ródio

SOx Óxido de Enxofre Tinj Tempo de Injeção Vcorr Velocidade de Correção ZRO2 Dióxido de Zircônio

1 INTRODUÇÃO19
1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA20
1.2 PROBLEMA20
1.3 HIPÓTESE20
1.4 OBJETIVOS20
1.4.1 Objetivo Geral20
1.4.2 Objetivos Específicos20
1.5 JUSTIFICATIVA21
1.6 MÉTODOS21
1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO2
2 MOTORES CICLO OTTO23
2.1 VOLUME DO CILINDRO25
2.2 RAZÃO DE COMPRESSÃO26
2.3 EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA26
3 SISTEMA DE IGNIÇÃO29
3.1 AVANÇO DE IGNIÇÃO31
3.2 IGNIÇÃO COM DISTRIBUIDOR32
3.2.1 Ignição Convencional32
3.2.2 Ignição Eletrônica34
4.1 SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO36
4.2 SISTEMA DE MARCHA LENTA37
4.3 SISTEMA DE PROGRESSÃO37
4.4 SISTEMA PRINCIPAL38
4.5 SISTEMA DE ACELERAÇÃO RÁPIDA39
5 MISTURA AR/COMBUSTÍVEL40
5.1 GASES PRODUZIDOS NA COMBUSTÃO41
5.1.1 Monóxido de Carbono41
5.1.2 Óxido de Nitrogênio42
5.1.3 Hidrocarbonetos42
5.2 PROCESSO CATALÍTICO43
6 INJEÇÃO ELETRÔNICA45
6.1 ESTRATÉGIAS DE FUNCIONAMENTO46
6.1.1 Mass-Density46
6.1.2 Speed-Density47
6.2 ESTRATÉGIAS DE DOSAGEM DO COMBUSTÍVEL48
6.3 ENRIQUECIMENTO E CORTE DE COMBUSTÍVEL50
6.3.1 Enriquecimento Devido a Temperatura e Partida do Motor50
6.3.2 Enriquecimento Devido ao Regime de Trabalho51
6.3.3 Corte de Combustível em Freio Motor52
6.3.4 Corte de Combustível para Limitar a Rotação52
6.4 MAPAS DE CALIBRAÇÃO52
6.5 COMPONENTES DO SISTEMA54
6.5.3 Sensor de Oxigênio58
6.5.4 Sensor de Posição da Borboleta60
6.5.5 Bomba de Combustível60
6.5.6 Regulador de Pressão62
6.5.7 Injetor de Combustível63
7 METODOLOGIA65
7.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA65
7.2 DEFINIÇÃO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE COMBUSTÍVEL6
7.3 DEFINIÇÃO DO MODELO DO MOTOR68
7.3.1 Validação do Modelo72
7.4 IMPLEMENTAÇÃO DO CONTROLADOR74
7.4.1 Controle de Injeção Base75
7.4.2 Controle em Malha Fechada75
7.4.3 Compensação de Temperatura79
7.4.4 Enriquecimento em Plena Carga79
7.4.5 Enriquecimento em Aceleração Rápida80
7.4.6 Corte de Combustível em Freio Motor81
7.5 CONSIDERAÇÕES82
8 RESULTADOS E DISCUSSÃO84
8.1 SIMULAÇÕES EM AMBIENTE VIRTUAL84
8.1.1 Controle de Injeção Base85
8.1.2 Controle em Malha Fechada86
8.1.3 Compensação de Temperatura89
8.1.6 Corte de Combustível em Freio Motor93
8.2 CONSIDERAÇÕES FINAIS94
9 CONCLUSÃO96

Desde o surgimento dos motores ciclo Otto existe a necessidade de se dosar a quantidade de ar e combustível para sua alimentação. O carburador surgiu com essa finalidade, sendo inventado por Karl Benz, fundador da Mercedes-BenzR© em 1885 e aperfeiçoado em 1883 pelos cientistas húngaros Donát Bánki e János Csonka, segundo matéria da Oficina-Brasil (ago. 2007). Dês de então, o carburador foi utilizado como sistema de alimentação padrão em todos os motores ciclo Otto e sofreu vários avanços ao longo dos anos. Mas mesmo com todo avanço e sofisticação ele ainda era um sistema puramente mecânico e possuía grandes limitações para dosar o combustível de forma eficiente em todas as condições de trabalho de um motor, ocasionando um desperdício de combustível, alta emissão de poluentes na atmosfera e baixo desempenho. A busca por melhor eficiência motivou o desenvolvimento do sistema de injeção eletrônica o qual por intermédio de sensores eletrônicos consegue se adaptar a todas as condições de funcionamento do motor levando ao melhor aproveitamento do combustível. O primeiro sistema de injeção eletrônica foi o D-Jetronic desenvolvido pela BoschR© em 1967. No início se tratava de um sistema analógico sem muitos recursos, que controlava somente a injeção de combustível no motor, mas com a evolução dos microprocessadores os sistemas incorporaram mais funções, que envolvem o controle de marcha lenta, controle de avanço de ignição, controle do sistema de arrefecimento, ar condicionado, imobilizador de partida e sistema de auto-diagnose de falhas. Na atualidade o sistema de injeção eletrônica gerencia todo o funcionamento do motor e seus agregados.

Este trabalho tem como foco a implementação de um sistema que garanta a correta alimentação de combustível para um motor a gasolina ciclo Otto, com o propósito de mitigar os problemas apresentados em carros equipados com sistema de carburação. Apresentando como proposta o desenvolvimento de uma ECU que possibilite melhorar o desempenho do processo de combustão, reduzindo o consumo e as emissões.

20 1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA

Desenvolvimento de uma ECU (Eletronic Control Unit) aberta, para gerenciar um sistema de injeção eletrônica automotivo, em motores de combustão interna ciclo Otto a gasolina, visando suprir o motor com combustível proporcionalmente à massa de ar admitida.

1.2 PROBLEMA

Como substituir em veículos automotivos, o carburador por um sistema de controle eletrônico, que gerencie a mistura de combustível de forma mais eficiente?

1.3 HIPÓTESE

É possível desenvolver uma ECU de controle configurável e utilizar de sensores e atuadores, para controlar o processo de injeção de combustível em um motor.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo Geral

(Parte 1 de 5)

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