Processo de Desenvolvimento da Combustão

O processo de desenvolvimento da combustão é também uma das fases mais importantes da etapa de execução de um projeto de motor de combustão interna, sendo o grupo de atividades e sub-processos que não somente as características e desenvolvem os componentes que tem influência no funcionamento e desempenho da combustão do motor, mas que também definem as regulagens e calibração dos parâmetros ajustáveis dos sistemas que compreendem o processo de combustão. Com o advento da aplicação massiva de controles eletrônicos, culminando nos sistemas de injeção, ignição e gerenciamento eletrônico completo do funcionamento do motor, faz-se necessário também dedicar sub-processos específicos para desenvolver esses sistemas, softwares e estratégias de controle (HOWOLF e HUPFER, 2000; LEE et al., 2004). É desse sub-processo que resultam as principais características de desempenho do motor, destacando-se seu desempenho (potência e torque), nível de emissões de poluentes, consumo de combustível, ruído de combustão, etc.

Mais recentemente ainda, com especial atenção para os motores diesel modernos, faz-se necessário considerar os trabalhos relativos ao desenvolvimento e aplicação de sistemas de Pós-Tratamento. Destacam-se aí as aplicações mais comuns e simples de DOC (Catalisador de Oxidação Catalítica ou Diesel Oxidation Catalist), bem como a instalação e calibração de sistemas de controle, destacando-se aí os sistemas DPF (Filtro de Particulado – Diesel Particulate Filter) e SCR (Catalisador de Redução Seletiva – Selective Catalist Reduction).

A Figura 6.9. mostra essa seqüência de sub-processos, e indica também como se relacionam entre si e com se sincronizam com o processo de desenvolvimento do motor como um todo. O processo sugerido tem como premissa o desenvolvimento de motores diesel veiculares com sistemas de injeção eletrônica com nível de complexidade para atender aos limites de emissões Euro III/3 à Euro V/5, embora possam ser adaptados à outras variações de motores de acordo com sua particularidade – desenvolvimento de motores com sistemas de injeção mecânica sem controles eletrônicos, por exemplo, podem evidentemente desconsiderar os sub-processos de desenvolvimento dos controles eletrônicos.

Figura 6.9. Processo de Desenvolvimento da Combustão.

As durações e o sincronismo entre os desenvolvimentos da calibração do motor básico, calibração da aplicação e da dirigibilidade do veículo sugeridos na proposta consideram linhas gerais, devendo-se aí considerar fortemente a especificidade do desenvolvimento no que se refere à classificação de motor Light Duty e Heavy Duty. Como pode ser observado no Anexo I, motores Heavy Duty tem o desenvolvimento da combustão e calibração voltada para trabalhos em dinamômetro do motor, ficando a transposição da calibração e avaliações de dirigibilidade do veículo para fases posteriores, quase que como refinamento da calibração. Já os motores Light Duty, onde se inclui a característica de desenvolvimento de calibração dos motores do ciclo Otto, tem o desenvolvimento da combustão voltado para as condições de uso no veículo, sugerindo inclusive que boa parte do trabalho de desenvolvimento da combustão para atendimento aos limites de emissões ocorra em ensaios no próprio veículo sobre um dinamômetro de chassi (rolo), ficando os trabalhos de desenvolvimento de motor básico em dinamômetro de motor bastante limitados no início do projeto, ainda que se faça uso intensivo de transposição do driving cycle para pontos steady state ou até mesmo o uso de dinamômetros transientes de motor que simulem a dinâmica do veículo.

Enfim, seja qual for a categoria do motor, percebe-se que a interação com o veículo e as condições da aplicação interagem fortemente com o processo de desenvolvimento da combustão, sugerindo que esse processo só possa ser concluído com a continuidade do projeto do motor básico para o projeto da aplicação, ou ao menos com a definição de um veículo e suas características.

Kinoo et al. (2002) resume o processo e seqüência de calibração de motores e veículos (eminentemente Light Duty) com as seguintes atividades:

- Calibração em banco de teste estacionário; - Otimização de dirigibilidade;

- Calibração de emissões e consumo de combustível; - Calibração das funções de OBD;

- Verificação em testes de frota de veículos.

Cabe salientar também que, embora o processo de desenvolvimento da combustão ocorra, via de regra, em paralelo ao processo de projeto, verificação e validação do motor e seus componentes, estes demandam do processo de desenvolvimento da combustão definições mínimas em certos momentos críticos, a fim de que o projeto como um todo não seja prejudicado. Destacam-se aí as definições mínimas das características do Hardware da combustão, como será visto adiante, para que o projeto dos componentes evolua a contento – por exemplo, não há como fazer o desenvolvimento do pistão sem que a geometria da câmara de combustão, aqui classificada como sendo um hardware da combustão, esteja definida. Da mesma forma, tomando aqui como exemplo, é preciso que se administre adequadamente a execução dos testes de verificação e validação, de forma que a calibração aplicada nos motores seja minimamente representativa das condições finais, sob risco de invalidar os testes – por exemplo, a pressão de combustão dos testes de durabilidade deve ser representativa da calibração de combustão final, sob risco de não validar corretamente os componentes sujeitos a esse carregamento (pistão, biela, casquilhos, etc.).

A seguir serão descritos em detalhes os sub-processos que compõe o processo de desenvolvimento da combustão ilustrado na Figura 6.9.:

a) Desenvolvimento do Hardware de Combustão

Processo para definição da arquitetura física de combustão, que tem por objetivo definir as características e desenvolver o hardware de combustão do motor, aqui entendido como sendo, a título de exemplo de um motor diesel, os seguintes componentes e sistemas: sistema de injeção, geometria da câmara de combustão no pistão, geometria do duto de admissão no cabeçote, diagrama de abertura de válvulas, turbocompressor, sistema EGR (Recirculação de Gases de Escape – Exhaust Gas Recirculation), coletores de admissão e de escape, geometrias e composição química do catalisador, etc. Nessa fase o uso de técnicas experimentais ainda é o mais utilizado em todo o mundo, entretanto, ferramentas estatísticas e de simulação, como poderá ser visto adiante, podem contribuir fortemente para a redução dos tempos de projeto.

b) Calibração de Motor Básico

Esse processo tem por objetivo calibrar todos os mapas básicos ajustáveis tais como: tempo de injeção, quantidade de combustível, pré-controles do turbocompressor e válvulas, linearização dos sensores, etc.

c) Calibração da Aplicação e Sistema de Pós-Tratamento

Esse processo tem por objetivo ajustar os mapas de calibração construídos no processo de calibração do motor básico às condições da aplicação, bem como construir mapas de funções mais específicas da aplicação. É nesse processo que está incluído também as avaliações de sensibilidade e tolerâncias de componentes e ajustes calibráveis de modo a disponibilizar um projeto robusto – esse grupo de atividades é também chamado de manufaturabilidade da combustão. Nesse sub-processo é também desenvolvido o sistema de pós-tratamento.

d) Calibração de Veículo quanto à Dirigibilidade

Processo de Calibração de mapas e controladores visando atender aos requisitos de dirigibilidade do veículo sem, contudo, prejudicar o desempenho das demais características definidas na calibração que visam atender aos objetivos de desempenho, consumo e emissões. Os requisitos de

dirigibilidade são normalmente definidos pelo fabricante do veículo, que estabelecem padrões objetivos ou subjetivos a serem seguidos no comportamento dinâmico do veículo.

e) Desenvolvimento dos Controles Eletrônicos (HW, SW e Diagnose)

Processo para definição da arquitetura elétrica e diagnose do motor (Hardware, Software e Diagnose), tendo por objetivo assegurar a integração elétrica no veículo cujas interfaces afetam o motor. O Hardware aqui citado são os componentes elétricos e eletrônicos que compõe esse sistema (principalmente a Unidade de Comando Eletrônica – ECU, sensores, atuadores e chicotes elétricos). Estão inclusos no desenvolvimento do Software a definição de todas as estratégias e arquiteturas de controle. Nessa etapa definem-se também as estratégias, e calibram-se os parâmetros de diagnose para detecção de falhas.

f) Certificação & Homologação de Emissões

Processo de Homologação do motor junto aos órgãos competentes, conforme legislação vigente nos mercados de comercialização do produto. Cabe ressaltar, como pode ser observado no Anexo I, que as aplicações Light Duty requerem a homologação do veículo como um todo, enquanto que os motores Heavy Duty, como tem a certificação de emissões de poluentes feita no dinamômetro de motor e de forma independente do veículo, podem ser homologados separadamente.

Como pode-se observar, o processo de desenvolvimento da combustão é bastante complexo, composto por diversas atividades que ocorrem paralelas e cujo acompanhamento requer a criação de métricas específicas. Esse acompanhamento é particularmente mais difícil do que o processo de desenvolvimento de sistemas, por exemplo, onde métricas objetivas e simples como entrega de desenhos, número de alterações de projeto, número de horas testadas ou quantidade de falhas podem ser aplicados. No desenvolvimento da combustão, em especial nos processos de calibração, tem-se trabalhado na criação de indicador que relacione de maneira proporcional alguns critérios como atendimento ao nível de emissões, notas subjetivas de avaliação de dirigibilidade, etc. Alguns fabricantes criam ainda alguns gates com requisitos especiais de passagem.