DESENVOLVIMENTO DE CENTRAL
ELETRÔNICA AUTOMOTIVA
ALEXANDRE GRANVIL SOUZA (ULBRA) [email protected] Gerson Antunes Soares (ULBRA) [email protected] Berenice de Oliveira Bona (ULBRA) [email protected] Matheus Bona (IFSUL) [email protected]
Atualmente a injeção eletrônica é usada para extrair o melhor funcionamento do motor, porém ela não abre novas possibilidades de ajuste para as alterações mecânicas. Este artigo pretende apresentar uma possível solução de hardware e softwarre com o intuito de facilitar o ajuste do funcionamento de um motor em automóveis preparados. Com uma configuração ideal e um possível auto-ajuste da injeção de combustível, através de substituições de peças mecânicas, deseja-se um melhor desempenho e dirigibilidade em diversas situações, no intuito de aumentar a potência destes.
Palavras-chaves: Programação e Controle, Planejamento, Qualidade, Tecnologia
2 1. Introdução
Devido às novas tendências e tecnologias empregadas na fabricação de automóveis, a elaboração de mecanismos confiáveis e garantidos tornou-se o foco de estudo dos engenheiros e projetistas na área automotiva.
Partindo deste pressuposto, automóveis equipados com injeção eletrônica têm um funcionamento que extrai do motor o melhor rendimento que ele pode oferecer. Em contrapartida, fica restrito o ajuste no caso de modificações de componentes mecânicos a fim de obter um maior rendimento e potência, devido à central eletrônica, que gerencia os processos de funcionamento, ter uma configuração e programação previamente armazenadas de acordo com as configurações originais do automóvel. Isso exige desenvolver um sistema de gerenciamento que possa alterar e reconfigurar as informações lidas pela central, conseguindo assim uma coerência e melhor ajuste do motor em automóveis preparados.
Existem no mercado nacional e internacional, alguns dispositivos que conseguem fazer este tipo de reajuste, porém, exigem conhecimentos técnicos específicos, dificultando o ajuste preciso para os profissionais chamados preparadores, que efetuam este tipo de serviço.
Visando facilitar esse ajuste com uma melhor precisão, sem a adoção de equipamentos especiais e para ter certeza de que se obtenha uma melhor configuração, pretende-se realizar a leitura de outro parâmetro com a utilização de um sensor já existente no veículo, cujo sinal será redirecionado para uma nova central de gerenciamento, que se propõem desenvolver neste trabalho. Com esses novos sinais enviados para a central, a programação da mesma terá que adaptar-se de modo que as respostas para os atuadores sejam adequadas e precisas.
No decorrer deste trabalho teremos o seguinte: na seção 2 são apresentados os conhecimentos específicos referentes à injeção eletrônica e seus componentes. A seguir, na seção 3 é feita uma análise de todos os requisitos necessários para desenvolver a central a ser implementada; já na seção 4 é apresentada a proposta; e por fim, na seção 5, é apresentada a conclusão do trabalho.
2. Conhecimentos específicos
A injeção eletrônica é a tecnologia empregada na mecânica automotiva a fim de se adequar às novas tendências e exigências do mercado. Conforme Figueiredo (2004):
A injeção eletrônica é uma das grandes inovações tecnológicas do automóvel. Surgiu na década de 1980 e foi aperfeiçoada na década de 1990. A injeção, mesmo antes de contar com gerenciamento eletrônico, veio para substituir o velho carburador e agregar mais eficiência ao motor, principalmente quanto às emissões gasosas pelo escapamento. Como ocorria com o carburador, a função deste equipamento é fazer a mistura de ar e combustível, só que nos modernos sistemas isso é feito de maneira extremamente precisa. Embora pareça complicado à primeira vista, o sistema é simples. Quem determina quando, quanto e por quanto tempo as válvulas de injeção (injetores) abrem é um computador. Mas ele faz isso baseado em informações como o quanto o motorista apertou o pedal do acelerador, a rotação do motor, a pressão reinante no coletor de admissão e as temperaturas do ar e do líquido de arrefecimento. Essas informações são colhidas por sensores e transformadas em sinal elétrico, para chegarem ao computador. A quantidade de combustível deixado entrar irá se juntar ao ar que o motor está admitindo, momento em que se forma a mistura ar/combustível.
3 Segundo informação publicada no Site da Bosch (2009), quando o motor entra em funcionamento, os pistões do motor sobem e descem. Quando o pistão está na fase de descida, se produz no coletor de admissão uma aspiração (vácuo), que recolhe ar da atmosfera e passa pelo sensor que mede o fluxo de ar chegando até os cilindros do motor. A central de gerenciamento, também conhecida como ECU, por sua vez, permite que os bicos injetores injetem a quantidade de combustível ideal para a quantidade de ar admitido, gerando a perfeita relação ar/combustível, que é chamada de mistura. Quanto melhor for a relação ar/combustível, melhor a economia, rendimento e funcionamento do motor.
Os sistemas de injeção eletrônica basicamente são compostos de sensores e atuadores, por isso, precisamos conhecer estes componentes. Sensores são elementos que estão instalados em pontos estratégicos do motor e tem a finalidade de coletar sinais para a ECU processar. Como exemplos, podemos citar: sensor de temperatura, sensor de pressão do coletor, sensor de posição da borboleta de aceleração, sensor de rotação, entre outros. Além disso, também devemos conhecer os atuadores, que são elementos que recebem os dados processados da ECU e atuam no funcionamento do motor, como o atuador de marcha lenta e bicos injetores.
Partindo da análise de alguns dispositivos eletrônicos já existentes no mercado, consegue-se alterar e obter controle sobre o gerenciamento do sistema, porém esse gerenciamento se torna difícil de ser definido por serem necessários conhecimentos específicos, tanto na área de eletrônica quanto na área de mecânica. Baseado nestas dificuldades técnicas, através da leitura dos sinais enviados pelos sensores, principalmente pelo sensor de oxigênio, também conhecido como Sonda Lambda, propõe desenvolver uma central auto-ajustável, que realize os ajustes de forma automatizada, conseguindo alcançar uma melhor configuração com segurança e confiabilidade, para garantir maior potência em veículos preparados.
3. Análise
Sabemos que um sistema de captura de dados é a união de elementos formando um conjunto. Aquisição de dados é a coleta de informações do mundo exterior de modo a gerar dados, que podem ser manipulados por algum tipo de hardware e software. Normalmente envolve a obtenção de sinais analógicos e o processamento desses sinais para conseguir a informação desejada. Existem também sensores que geram sinais eletrônicos (digitais) facilitando a manipulação dos mesmos. Porém, alguns sinais são analógicos, e necessitam ser convertidos em sinais digitais ou eletrônicos, por componentes específicos de obtenção desses sinais. Esses dados coletados são monitorados, analisados e guardados em algum tipo de memória. Consegue-se isto, usando um software de manipulação disponibilizado pelo fornecedor do hardware, ou então, usando uma linguagem de programação tal como Java, Delphi, Visual Basic ou C.
Inicialmente, para propor a nova central auto-ajustável, foi necessário analisar vários tipos distintos de micro controladores e microprocessadores que se encontram no mercado e qual deles atenderia melhor as necessidades deste projeto.
Após várias pesquisas optou-se por utilizar um microcontrolador, que nada mais é que um circuito integrado, que possui uma CPU (Central Processing Unit), memória ROM (Random Only Memory) e RAM (Random Access Memory), canais de comunicação e
4 conversores analógico-digitais (MICROCHIP, 2009). Com o uso desse componente se consegue uma área de aplicação distinta, pois o microcontrolador é usado em sistemas menos complexos e com menor custo, do que um sistema que exija uma maior capacidade de processamento, como um microprocessador.
A programação de microcontroladores é, aparentemente, mais simples do que a dos microprocessadores. Os microcontroladores são componentes eletrônicos, comuns para a maioria dos técnicos eletricistas, isso porque seu uso existe em um grande número de aplicações. Segundo Marinho (2001), como a tecnologia avança de forma rápida com a utilização da eletrônica digital pelas empresas da área e para um melhor desenvolvimento da produção, o uso dos microcontroladores torna-se indispensável, pois trazem benefícios para as empresas diminuindo seus custos.
Os microcontroladores podem ser usados em projetos eletrônicos, na substituição de componentes digitais, conseguindo assim uma aparência melhor, pois eles ocupam um menor espaço físico, aliado com eficiência e praticidade, e ainda por terem uma significativa relação custo-benefício.
As próximas seções apresentam de uma forma mais detalhada, outros componentes que também foram analisados e que são importantes para o desenvolvimento do projeto proposto, entre os quais podemos citar os sensores, componentes necessários para capturar sinais, e os atuadores, usados para devolver uma resposta para uma determinada ação.
3.1 Sensores
Conforme Bosch (2009), sensores são dispositivos que estão instalados em pontos estratégicos do motor e tem como finalidade coletar sinais para que a ECU possa analisar e decidir qual estratégia seguir.
Os principais sensores utilizados pela central de um automóvel são segundo Bosch (2009):
TPS (Throttle Position Sensor) - Este sensor informa a porcentagem do quanto foi pressionado o pedal do acelerador.
CTS (Coolant Temperature Sensor)- Informa à ECU a temperatura da água do radiador que é muito parecida com a temperatura do motor. Quanto menor for a temperatura, maior a necessidade de combustível para o motor.
ATS (Air Temperature Sensor) - Informa à ECU a temperatura do ar que entra no motor, assim determinando a quantidade de combustível adequado para uma combustão eficiente.
MAP (Manifold Absolute Pressure) - Responsável por informar a pressão formada dentro do coletor de admissão, entre a borboleta e o motor.
Sensor de Rotação - Informa para a ECU a rotação do motor e, na maioria dos sistemas, a posição dos pistões, para a ECU definir a hora certa para a injeção de combustível e ignição.
Sonda Lambda ou Sensor Oxigênio - Este sensor fica alojado no escapamento. Ele informa à ECU sobre a presença de oxigênio nos gases resultantes da combustão. É responsável pela dosagem correta do combustível a ser injetado, pois
5 ele tem a função de enviar a informação da quantidade de oxigênio que resulta nos gases de escape e é em função desta informação que a ECU libera a quantiade de combustível correta. Em automóveis que funcionam com mais de um combustível (álcool/gasolina) a ECU consegue identificar o combustível utilizado, ou a porcentagem de cada um deles, através do sinal deste sensor.
3.2 Atuadores
Segundo Bosch (2009), estes componentes são responsáveis pelo controle do motor, recebem os sinais elétricos da ECU e controlam as reações do motor. Como exemplos de atuadores temos os seguintes:
Bicos Injetores – Dispositivo que controla a quantidade de combustível através do tempo que mantêm o injetor aberto (tempo de injeção). Existem dois tipos de injetores: monoponto com apenas um injetor para todos os cilindros; e multiponto com um injetor por cilindro.
Figura 1 – Bico Injetor de Combustível. Fonte: Ferrari, 2009
Bobinas de Ignição - Dispositivo que gera a faísca (centelha) para o motor. A ECU é responsável pelo tempo em que as faíscas são disparadas e o sincronismo das mesmas no tempo em que são necessárias.
3.3 Sonda Lambda
No projeto sendo proposto, será dada maior ênfase para a leitura do sinal da sonda Lambda, sendo esta a fase mais importante do sistema. Conforme Bosch (2009), a sonda Lambda gera um sinal elétrico para que a ECU possa definir a quantidade de combustível a ser injetado, garantindo uma mistura ar/combustível ideal.
O funcionamento da sonda Lambda se dá pelo fato de o material cerâmico ser poroso e permitir uma propagação do oxigênio do ar. A cerâmica torna-se condutora em altas temperaturas. Havendo uma diferença de concentração do oxigênio entre os dois lados (o lado em contato com o gás de escapamento e o outro em contato com o ar do meio ambiente) gerando uma diferença de potencial elétrico entre os terminais dos eletrodos que varia de 100 a 900 milivolts, que será utilizada pela ECU para corrigir o tempo de injeção. De acordo com Bosch (2009), para termos uma combustão ideal, temos que medir a quantidade de ar admitido e a quantidade de combustível necessária. Com isso, vamos ter o que chamamos de relação ar/combustível ideal, ou em termos técnicos, mistura estequiométrica.
A partir das características analisadas acima, propomos o desenvolvimento de um sistema que faça a leitura dos sinais obtidos pelo sensor de oxigênio e faça sua análise, a fim de auto ajustar-se de acordo com a melhor configuração. As informações recebidas pelos
6 sensores serão processadas pela ECU e, em seguida, usadas para controlar os atuadores que irão atuar no controle do motor. A principal função da injeção eletrônica neste sistema será controlar a quantidade ideal da mistura ar/combustível nas mais diversas exigências do funcionamento do motor.
De acordo com Ferrari (2007), para se queimar uma massa de 14,7 kg de ar, é necessário 1 kg de gasolina tipo A (isso também pode ser representado por (14,7: 1)). Para uma massa de 9 kg de ar são necessários 1 kg de álcool etílico hidratado. Quando a relação da mistura é ideal, recebe o nome de relação estequiométrica. Caso essa mistura esteja fora do especificado, dizemos que a mesma está pobre ou rica.
Para exemplificar essa relação na gasolina apresentamos o seguinte:
12,5: 1 (12,5kg de ar para 1 kg de gasolina) – mistura rica, ou alta concentração de combustível e baixa concentração de oxigênio;
14,7: 1 (14,7kg de ar para 1 kg de gasolina) - mistura ideal, também chamada de estequiométrica;
15: 1 (15 kg de ar para 1 kg de gasolina) - mistura pobre, ou alta concentração de oxigênio e baixa concentração de combustível;
Segundo Ferrari (2007), a mistura ideal para a gasolina é 14,7: 1 e para o álcool é de 9:1. Uma mistura rica pode trazer como conseqüências: alto nível de poluentes, HC e CO, que correspondem a hidrocarbonetos e monóxido de carbono; contaminação do óleo lubrificante; consumo elevado; desgaste acelerado do motor devido à grande quantidade de combustível que "lava" as paredes dos cilindros fazendo com que as peças mecânicas como pistões e anéis trabalhem com maior atrito. A mistura pobre por sua vez, também provoca alguns danos ao motor como o superaquecimento.
Para identificar se uma mistura é rica, pobre ou ideal é necessário calcular o valor do Fator Lambda, representado pelo símbolo λ, que assume um valor que é segundo Ferrari (2007) definido pela equação abaixo:
λ = real relação de ar/combustível / estequiométrica Entre os valores que o Fator Lambda pode assumir temos:
λ maior que 1 = mistura pobre
λ menor que 1 = mistura rica
λ igual a 1 = mistura ideal
Para exemplificar essa situação, apresentamos abaixo o caso da queima de gasolina.
Relação Ar/Combustível identificada pela Sonda Lambda = 17 (17:1).
λ = 17 / 14,7
λ = 1,16 – resultado maior que um.
Portanto, temos como resultado uma mistura pobre.
Verificando os sinais, valores colhidos pela sonda entre 100 e 450 milivolts, indicam mistura pobre com alta concentração de oxigênio nos gases de combustão (Lambda > 1).
7 Valores entre 450 e 900 milivolts, indicam mistura rica, ou seja, baixa concentração de oxigênio (lambda < 1).
3.4 Microcontrolador
Para desenvolver o sistema proposto foi escolhido o microcontrolador FRESCALE MC9S08QG8, por este ser o mais utilizado na maioria dos aparelhos com eletrônica digital, com amplo material de pesquisa e fácil aquisição e compatibilidade.
Segundo Freescale (2010), o controlador freescale é um componente eletrônico programável com entrada e saída digital e analógica e um conjunto de instruções, dentro de um chip.
Para o desenvolvimento da aplicação que controla o sistema, escolheu–se a linguagem de programação C, pela ampla aplicabilidade e material didático disponível.
4. Solução proposta
A partir das pesquisas e análises realizadas nas seções anteriores, propõem-se o desenvolvimento de uma central eletrônica auto-ajustável que realize a coleta dos sinais da Sonda Lambda e tenha condições de gerenciar esses dados, cruzando estes com os dados obtidos dos demais sensores. Desta forma objetiva-se ter um maior controle no gerenciamento dos bicos injetores, já que esses dados são inseridos atualmente de maneira manual nos sistemas de gerenciamento existentes no mercado.
Para facilitar o desenvolvimento do sistema e a realização de testes, optou-se por utilizar o ambiente de desenvolvimento Codewarrior IDE versão 5.9.0 que é um software de compilação para os microcontroladores da freescale, que auxiliará na visualização de resultados, além de um multímetro que auxiliará neste ajuste, para regular o motor em todos os seus regimes de rotações e situações de funcionamento adversas. Também faz-se necessário uma protoboard a fim de montar certos circuitos elétricos para compatibilizar a coleta e controle dos atuadores e sensores. Pois os microcontroladores trabalham com uma voltagem mais baixa que os atuadores, sendo assim necessário adequar às necessidades específicas.
Para tal adequação foram utilizados alguns resistores para baixar a voltagem, transistores para disparo de sinais e resistores.
Para facilitar o entendimento do sistema que está sendo proposto, abaixo seguem algumas figuras que representam seu funcionamento.
A Figura 2 apresenta o caminho dos processos realizados pela injeção eletrônica. Primeiro, são coletados os sinais dos sensores (TPS, CTS, ATS, MAP, RMP, O2) respectivamente nomeados por: Sensor da posição da borboleta; Sensor da temperatura da água; Sensor da temperatura do ar; Sensor da pressão do coletor; Sensor de rotação; Sonda Lambda. Em seguida, os sinais são processados pela ECU e enviados para os atuadores, como bicos injetores e bobina de ignição.
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Figura 2 - Esquema de aquisição e distribuição de dados
Em seguida, segue na Figura 3 o diagrama de atividade que apresenta o funcionamento do sistema proposto, desde a coleta dos sinais na Sonda Lambda, sua análise e a ativação, ou não, de determinados atuadores, neste caso, representados pelos bicos injetores. Observa-se que os sinais recebidos pela Sonda Lambda são testados pelo software da ECU de acordo com o algoritmo programado. Se o sinal lido da Sonda Lambda ficar entre 100 e 450 milivolts indica mistura pobre com alta concentração de oxigênio nos gases de combustão, fazendo com que a ECU incremente um aumento no tempo de injeção do injetor; se o sinal ficar entre 450 e 900 milivolts indica mistura rica, ou seja, baixa concentração de oxigênio, e a ECU vai decrementar um aumento no tempo de injeção do injetor. Quando o sinal for igual a 450 milivolts a ECU não altera o tempo de injeção.
Com isso será facilitado o ajuste devido a ECU se ajustar automaticamente de acordo com o sinal da sonda, eliminando assim o conhecimento específico necessário para configurar os tempos de injeção em centrais existentes no mercado.
Segundo UML (2009), “o objetivo do diagrama de atividades é mostrar o fluxo de atividades em um único processo.” Ele demonstra como uma atividade depende da outra.
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Figura 3 – Diagrama de Atividades do sinal Sonda Lambda
5. Desenvolvimento e resultados obtidos
Para o projeto físico foi necessário desenvolver um circuito elétrico na protoboard, pois para o acionamento dos bicos injetores IWP 189 ANEXO 5 a tensão de saída do microcontrolador é baixa, em torno de 1,3 volts, sendo que são necessários 12 volts. Além disso, outro detalhe importante verificado é que o bico injetor deverá ser alimentado pelo sinal negativo e não positivo. Para isso o desenvolvimento do circuito elétrico e a utilização da
protoboard foram necessários.
Para tal circuito foram utilizados dois transistores do tipo TIP32A ANEXO 2 e dois transistores BC 546 ANEXO 4 para inversão do sinal, além de dois resistores para adequar a voltagem de saída do microcontrolador ANEXO 1. Foram necessários dois pares de componentes para poder pulsar os quatro injetores visto que os mesmos pulsam em pares.
Para efetuar o pulso correto dos bicos injetores foi simulado no ambiente de desenvolvimento Codewarrior a leitura da sonda lamba ANEXO 3 ao pressionar dois botões, sendo que, o primeiro simula uma leitura inferior a ideal e o segundo, uma leitura superior a ideal conforme ilustrado na Figura 4.
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Figura 4 – código parcial Codewarrior
6. Conclusão
Conclui-se que visando facilitar o ajuste do motor, mantendo uma melhor eficiência e desempenho, o projeto consegue atingir resultados significativos, visto que, existe certa dificuldade de saber com exatidão se os atuadores estão respondendo adequadamente para um bom desempenho. Para isso seria necessária a adoção de outros equipamentos para medição desses valores que torna esse ajuste dispendioso. Com a leitura dos dados da Sonda Lambda e posteriormente o processamento desses valores pela ECU, consegue-se facilitar esse processo com uma precisão significativa.
Referências
BOSCH. Injeção Eletrônica. Disponível em:
<http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/injecao/index.html>. Acesso em: 18 abr. 2009.
FERRARI, Biagio. Injeção é bico Uma simples introdução. Publicado em: 2007. Disponível em: <http://www.motonline.com.br/tecnica/tecnica-injecao-e-bico.html > Acesso em: 06 maio 2009.
FIGUEIREDO, Luís F. Injeção eletrônica. Publicada em: 14 dez. 2004. Disponível em:
<https://www.webmotors.com.br/wmpublicador/Dicas_Conteudo.vxlpub?hnid= 34401>. Acesso em: 03 maio 2009.
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FREESCALE. DEMO9S08QG8. Disponível em: <
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=DEMO9S08QG8 >. Acesso em: 15 mar. 2010.
MARINHO, José E. dos Santos. Mini-curso de Microcontrolador. Saber Eletrônica Especial n º 2, 2 jan. 2001.
PEREIRA, Fábio. Programação em C. 7. Ed. São Paulo: Érica, 2007.
UML. Diagrama de Atividades. Disponível em: <
http://www.dsc.ufcg.edu.br/~jacques/cursos/map/html/uml/diagramas/atividades/diag_atividades.htm>. Acesso em: 20 maio 2009.
Anexos
12 Anexo 2 – Datasheet transistor TIP 31ª A – página 01.
14 Anexo 3 – Datasheet transistor BC 546 A – página 02.
