SISTEMAS DE CONTROLE ELETRÔNICO DE MOTORES BICOMBUSTÍVEL Os sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, de acordo com Rovai (2005), podem

ser divididos em dois grupos: injeção na borboleta de aceleração (monoponto) e injeção nos dutos de admissão (multiponto). Os sistemas monoponto possuem um só injetor para alimentar o motor e utilizam pressão a montante do injetor em torno de 1,0 bar, enquanto que os sistemas multiponto possuem um injetor para cada cilindro do motor e pressão a montante dos injetores em torno de 3,0 bar.

Segundo Rovai (2005) os veículos bicombustíveis necessitam da tecnologia de gerenciamento eletrônico do motor. Esta tecnologia visa basicamente controlar a quantidade de combustível injetada e o momento ideal do disparo da centelha na vela de ignição em cada ciclo. Estes controles se fazem necessários devido às diferenças das propriedades físico- químicas entre as misturas de combustíveis utilizadas quando queimadas no mesmo motor de combustão interna.

Dal Bem (2008) descreve os sistemas de gerenciamento eletrônico de motores. A relação ar-combustível é calculada inicialmente a partir das informações vindas dos diversos sensores do motor (rotação, pressão de admissão, temperatura do ar, etc.) e compensadas em função

das condições de operação do motor e corrigida usando um sensor de oxigênio (sonda lambda), localizado no sistema de exaustão. O sistema identifica a ocorrência de detonação pelo sinal do sensor de detonação e corrige o momento da centelha de forma adaptativa para minimizar a ocorrência deste fenômeno.

De acordo com Alves (2007) a Bosch foi a primeira empresa a investir no desenvolvimento de veículos bicombustíveis a partir de 1980. O primeiro protótipo desta empresa foi apresentado em 1994, mas apesar do grande interesse demonstrado por parte das montadoras, não existia ainda a motivação comercial necessária para que se iniciasse a comercialização em série do produto. Em 1999, a empresa Magneti Marelli apresentou a tecnologia flex fuel (SFS - Software Flex fuel Sensor), totalmente desenvolvida no Brasil. O sistema basicamente modificou o programa de computador inserido no módulo de gerenciamento eletrônico do motor para rodar rotinas corretivas de tempo de injeção e ponto da centelha, alimentadas pelo sinal da sonda lambda. Porém, só a partir do ano 2000 com a redução do preço do álcool, aumento nos preços do petróleo, os consumidores agindo por conta própria e com a decisão do governo de reduzir a alíquota de IPI dos veículos flex fuel, a produção em série destes veículos passou a ser viável no Brasil. Isto resultou no lançado, em abril de 2003, do primeiro automóvel flex fuel, o Gol 1.6 Total Flex da Volkswagen.

Segundo Alves (2007) os veículos flex fuel, quando comparados aos automóveis tradicionais a gasolina, oferecem flexibilidade aos seus proprietários com relação à escolha do combustível a ser utilizado, permitindo a opção pela alternativa mais econômica cada vez que o automóvel é reabastecido.

Alves (2007) acrescenta que o sucesso do automóvel flex fuel no mercado brasileiro é inédito no mundo, e tem sido citado como um exemplo de substituição do combustível fóssil por fontes renováveis de energia, ao mesmo tempo em que reduz o dano de emissões de gases poluentes ao meio ambiente.

Teixeira (2005) apresenta um histórico do desenvolvimento da tecnologia flex fuel e ressalta que o protótipo apresentado pela Bosch em 1994 utilizava um sensor físico para identificar o tipo de combustível no tanque do veículo. O custo deste sensor tornava a produção de veículos bicombustível pouco competitiva no mercado brasileiro. Para baratear esta tecnologia, a empresa Magneti Marelli eliminou o sensor no tanque de combustível do veículo e desenvolveu suas rotinas para o software diretamente inserido no sistema de gerenciamento eletrônico do motor. A identificação do combustível é feita por um sensor lógico no software, baseado no sistema de controle de um motor convencional, em que a sonda lambda detecta os gases provenientes da queima do combustível para inferir sobre a

variação da mistura. Esta tecnologia se difundiu em praticamente todas as empresas do mercado brasileiro responsáveis pela fabricação de sistemas de gerenciamento eletrônico de motores.

A Figura 3 exibe os dados sobre veículos licenciados no Brasil de acordo com o tipo de combustível. Pode-se notar a aceitação da tecnologia bicombustível, no mercado brasileiro, pelo avanço acentuado de licenciamentos de veículos flex fuel (ou bicombustíveis) desde o ano de 2003, atingindo no ano de 2014 a marca de 88,2% do total de veículos licenciados.

Figura 3 - Licenciamento no Brasil de auto veículos novos por combustível.

Fonte: Adaptado de Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (2014).

Um fator importante a ser considerado no desenvolvimento dos veículos flex fuel é a

relação de compressão dos motores. O primeiro veículo flex fuel comercializado no Brasil,

Gol 1.6 Total Flex da Volkswagen, apresentava relação de compressão de 10:1, enquanto que os veículos flexíveis atuais apresentam relação de compressão entre 10,35:1 e 13,00:1 (média ponderada, pelo número de veículos comercializados no Brasil, de 12,33:1), como mostra a Tabela 6. Esta tabela foi elaborada consultando os veículos mais vendidos no Brasil, de acordo com Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (2014), e consultando os valores das relações de compressão nos manuais dos fabricantes destes veículos.

Tabela 6 - Relação de compressão dos 10 veículos flex fuel mais vendidos no Brasil.

10 veículos mais vendidos no Brasil Modelo Relação de compressão

1.0 flex 12,70 1.0 flex 12,15 1.4 flex 12,35 1.0 flex 13,00 1.0 flex 12,60 1.4 flex 10,35 1.0 flex 12,80 1.0 flex 12,15 1.4 flex 12,40 1.6 flex 12,10 Média ponderada 12,33 2.5 TRAÇO DA PRESSÃO NO CILINDRO

O ciclo de operação de um motor ciclo Otto, pode ser ilustrado por meio do diagrama (P – V) que relaciona o traço da pressão no cilindro e o volume deslocado pelo pistão, como mostra a Figura 4.

Figura 4 - Pressão no cilindro em função da posição do pistão. Fonte: BOSCH (1988).

A Figura 5 ilustra outra forma de apresentação da pressão no cilindro, de acordo com Heywood (1988). Nesta figura a pressão no cilindro está em função da posição angular da árvore de manivelas, em que VAA é a válvula de admissão aberta, VAF é a válvula de admissão fechada, VEA é a válvula de exaustão aberta, VEF é a válvula de exaustão fechada

e MC (ou AV) é o avanço da centelha. O trecho grifado na Figura 5 como combustão representa a duração do processo de queima do combustível que pode variar de acordo com o projeto de cada motor e com a condição de operação, geralmente este trecho estende-se entre 40 e 60 graus a partir do ponto da centelha. A curva pontilhada representa a pressão de acionamento que é a pressão resultante do movimento do pistão sem a ocorrência de combustão.

Figura 5 - Sequência de eventos do ciclo de operação de um motor quatro tempos com ignição por centelha.

Fonte: Heywood (1988).

A identificação do cruzamento de válvulas pode ser feita observando a Figura 5.

O cruzamento de válvulas é o espaço angular no qual as válvulas de admissão e de exaustão encontram-se abertas simultaneamente dentro de um mesmo cilindro. Geralmente, a válvula de admissão é aberta um pouco antes do PMS, ainda durante a exaustão, e a válvula de exaustão é fechada um pouco depois do PMS, durante a admissão. Este espaço angular é representado pelo trecho compreendido entre VAA e VEF. É importante observar que a válvula de admissão é fechada um pouco depois do PMI, durante a compressão, enquanto que a válvula de exaustão é aberta um pouco antes do PMI, durante a expansão. Em baixas rotações o cruzamento de válvulas permite que parte dos gases da combustão entre no coletor de admissão, visto que a pressão no interior do cilindro é mais elevada. Estes gases da combustão, gases residuais, retornam para o cilindro quando o pistão inicia seu curso durante a admissão. Em altas rotações o arrasto provocado pela exaustão dos gases da combustão, durante o cruzamento de válvulas, facilita a entrada da mistura fresca no cilindro aumentando a eficiência volumétrica do motor (HENRY, 2001).

O traço da pressão no cilindro (Figura 5) é afetado por diversas variáveis do motor. Segundo Taylor (1968), a variação da relação ar-combustível (A/C) ou da relação combustível-ar (C/A) provoca variações na velocidade e na temperatura da chama e,

consequentemente, na temperatura da parede do cilindro. Estas variações provocam alterações na duração do processo de queima do combustível.

A Figura 6 mostra os efeitos da variação da relação C/A no digrama P – V, em que as curvas 1, 2, 3 e 4 representam Ø igual a 1,17, 0,8, 1,8 e 0,735, respectivamente. Nesta figura pode-se observar que aumentando o valor de Ø aumenta-se o pico de pressão no cilindro, porém, se Ø é aumentado de forma exagerada (curva 3), a reação não ocorre completamente devido à falta de ar para queimar completamente o combustível que se encontra em excesso na mistura, e o pico de pressão não aumenta.

Figura 6 - Efeitos da relação combustível-ar (Ø) sobre o diagrama P -V. Fonte: Taylor (1968).

Segundo Heywood (1988) o avanço da centelha afeta o traço da pressão no cilindro, como mostra a Figura 7. Nesta figura pode-se observar três situações distintas em relação ao avanço da centelha. A primeira, quando o avanço da centelha (MC ou AV) ocorre muito antes do PMS (50° APMS) o pico de pressão ocorre mais cedo no tempo de expansão, porém o

trabalho do pistão sobre os gases, durante a compressão, é maior. A segunda, quando o avanço da centelha ocorre muito próximo do PMS (10°APMS - antes do ponto morto superior) o pico de pressão ocorre mais adiante no tempo de expansão, porém, o trabalho do pistão sobre os gases é menor, mas o pico de pressão também é bem menor que no caso anterior, reduzindo o torque do motor. A terceira, quando o avanço da centelha ocorre em um ponto intermediário, entre os dois casos anteriores, a 30°APMS, o trabalho do pistão sobre o gás e o torque gerado são otimizados resultando no mínimo avanço da centelha para melhor torque (MBT – maximum brake torque timing).

Heywood (1988) relata que o avanço da centelha ótimo depende das condições de operação e do projeto do motor, assim como das propriedades do combustível, do ar e da mistura queimada.

Figura 7 - A – Pressão no cilindro versus ângulo da árvore de manivelas. B – Efeitos do avanço da centelha sobre o torque.

Fonte: Heywood (1988).

A Figura 8 ilustra a influência da variação cíclica da combustão sobre o traço da pressão no cilindro. Segundo Heywood (1988) esta variação é analisada por meio de fotografias tiradas da câmara de combustão, que mostram a evolução da chama e a dispersão da fração de volume inflamado desde o início da combustão. Esta dispersão na taxa de queima ocorre devido a três fatores:

 Variação em cada ciclo na movimentação dos gases dentro do cilindro durante a combustão;

 variação em cada ciclo nas quantidades de combustível, ar e de gases de exaustão cilindro a cilindro, e

 variação em cada ciclo na composição da mistura, especialmente nas proximidades da vela de ignição devido às variações na mistura entre o combustível, ar, gases de exaustão e gases residuais (gases queimados no ciclo anterior e que não são eliminados durante a exaustão).

A contribuição de cada um destes fatores na variação cíclica ainda não está definida, entretanto, de acordo com Sellnau et al. (2000) o desequilíbrio da relação A/C cilindro a cilindro pode comprometer o controle das operações dos motores causando problemas de dirigibilidade, aumentando os índices de emissão de poluentes e reduzindo a potência gerada.

Figura 8 - Variação cíclica da pressão no cilindro. Fonte: Heywood (1988).

A ocorrência de knocking afeta significativamente o traço da pressão no cilindro. De acordo com Heywood (1988), knocking ocorre quando os motores apresentam combustão anormal caracterizada por pressões locais muito altas, que se propagam na forma de ondas pela câmara de combustão acompanhadas pelo aumento da transferência de calor. Este fenômeno é causado por diversos fatores (avanço da centelha, relação de compressão, temperatura na câmara de combustão, etc.) e, dependendo de sua intensidade e/ou frequência pode ocasionar danos ao motor.

A Figura 9 apresenta três traços da pressão no cilindro, sendo que no primeiro a combustão ocorre normalmente, no segundo ocorre knocking de maneira branda e no terceiro ocorre knocking de maneira severa.

Outros efeitos sobre o traço da pressão no cilindro, como relação de compressão, pressão de descarga, pressão de admissão e rotação podem ser estudados em detalhes consultando Taylor (1968).

Figura 9 - Efeito da ocorrência de knocking sobre o traço da pressão no cilindro. Fonte: Heywood (1988).