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 injeção Rotação, TPS, MAP, Temp. do Motor, Temp. do Ar, Tensão da
Correções da ignição TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp.
do Motor
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