PROJETO DE CONVERSÃO DOS SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E IGNIÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE CICLO OTTO.
Jair Mendes Neto
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto.
Rio de Janeiro Setembro de 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ
PROJETO DE CONVERSÃO DOS SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E IGNIÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE CICLO OTTO
Jair Mendes Neto
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Fernando A. N. Castro Pinto, Dr.Ing.
________________________________________________
Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc.
________________________________________________
Prof. Flávio de Marco Filho, DSc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 2016
Mendes Neto, Jair
Projeto de Conversão dos Sistemas de Injeção e Ignição de um Motor de Combustão Interna de Ciclo Otto / Jair Mendes Neto. - Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2016.
XI, 59 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Projeto de Graduação – Universidade Federal do Rio de Janeiro,
DEM, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 51.
1. Ciclo Otto. 2. Motor de Combustão Interna. 3. Sistema de Alimentação. 4. Sistema de Ignição.
I. Castro Pinto, Fernando Augusto de Noronha. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de
Engenharia Mecânica. III. Projeto de Conversão dos Sistemas de Alimentação e Ignição de um Motor de Combustão Interna de Ciclo
Otto.
xi AGRADECIMENTOS
A todos os professores do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ e aos demais professores do ensino médio, técnico e primário, que contribuíram para minha formação profissional e pessoal. Agradecimento especial ao Prof. Fernando Castro Pinto, pelo tempo dedicado à orientação deste projeto e também durante minha participação na Equipe Ícarus, experiência ao qual considero muito importante na minha vida acadêmica e profissional.
Aos técnicos do Laboratório de Tecnologia Mecânica da UFRJ, Fernando e Paulo, que sempre estiveram dispostos a auxiliar na fabricação de peças necessárias para a execução do projeto.
A todos os integrantes da Equipe Ícarus que permitiram e auxiliaram o desenvolvimento deste projeto, contribuindo com a infraestrutura do laboratório e os custos de algumas peças que foram aplicadas. Aos antigos membros da equipe, aos quais tive o prazer de dividir momentos de aprendizagem, seja de conhecimento técnico ou relação interpessoal, nas diversas horas aplicadas no projeto e construção do protótipo durante minha participação na equipe.
Aos amigos de faculdade, que tornaram mais fácil toda a jornada de aulas, pelo auxílio nas vésperas das provas e pelo bate-papo no corredor.
Aos demais amigos, que compreenderam cada momento de ausência e se mantiveram presentes nos momentos possíveis.
À minha família, em especial a minha mãe Iraneide, que sempre me apoiou e incentivou em todos os momentos.
À minha namorada, Sara, por toda paciência e pelas boas palavras de incentivo e confiança nos momentos de dificuldade.
xi Resumo do projeto final apresentado à DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
PROJETO DE CONVERSÃO DOS SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E IGNIÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE CICLO OTTO.
Jair Mendes Neto
Setembro de 2016
Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto
Departamento: Engenharia Mecânica
Este projeto tem como objetivo a conversão dos sistemas de alimentação e ignição de um motor de combustão interna, modelo Honda CB500 ano de fabricação 2001, utilizado no protótipo de competição da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE. O sistema de alimentação por carburador foi substituído pelo sistema de injeção eletrônica, enquanto o sistema de ignição por disparo eletrônico foi substituído pelo sistema de ignição mapeada. O objetivo das modificações foi permitir maior controle e precisão no funcionamento desses sistemas, proporcionando maior desempenho e menor consumo de combustível do protótipo nas provas que compõem a competição Formula SAE Brasil. Tem-se em vista também a utilização deste projeto por entusiastas que desejam realizar a conversão dos sistemas de alimentação e ignição em veículos comerciais, seja com o objetivo de melhoria de desempenho, economia de combustível ou redução de emissão de gases poluentes. Todos os componentes necessários e suas respectivas funções foram detalhados, assim como a parametrização dos sistemas de alimentação e ignição, através da entrada dos dados na central eletrônica. Por fim, uma estimativa de custo foi realizada através de pesquisa de mercado.
Palavras-chave: Ciclo Otto, Motor de Combustão Interna, Sistema de Alimentação,
Sistema de Ignição.
xi Abstract of the graduation project presented to DEM/UFRJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
CONVERSION PROJECT OF FUEL AND IGNITION SYSTEMS OF AN OTTO CYCLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Jair Mendes Neto
September, 2016
Advisor: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto
Department: Mechanical Engineering
This Project aims the conversion of the fuel and ignition systems of an internal combustion engine, type Honda CB 500 manufactured in 2001, applied at Ícarus UFRJ Formula SAE Team’s competition prototype. The original carburetor was replaced for an electronic fuel injection system, while the ignition system was converted from the electronic activated to the programmed ignition system. These conversions looks to permit a better control and precision on the systems functioning, rising the prototype’s performance and reducing the fuel consumption during the endurance on Formula SAE Brazil competition. This project also aims to be a reference to automotive enthusiasts that would like to perform the conversion in their vehicles, to improve the performance, to reduce the fuel consumption or reduce the gases emissions. All components necessary as their functions were detailed and the parameters imputed on the control unit. Furthermore, a cost estimate was done through price survey.
Keywords: Otto Cycle, Internal Combustion Engine, Fuel System, Ignition System.
xi ÍNDICE
Pág.
1. INTRODUÇÃO 1
1.1 Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna por
Centelha 1
1.2 Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE 2
1.3 Motivação 3
1.4 Objetivo 3
2. REVISÃO TEÓRICA 4
2.1 Motores Ciclo Otto 4
2.1.1 Ciclo Otto de Quatro Tempos 4
2.2 Ciclo Padrão a Ar Otto 5
2.2.1 Detonação, Octanagem e Relação de Compressão 7
2.3 Sistema de Alimentação 8
2.3.1 Sistema de Alimentação por Carburador 8
2.3.2 Sistema de Alimentação por Injeção Eletrônica 12
2.4 Mistura Ar-Combustível 14
2.5 Sistema de Ignição 16
2.5.1 Sistema de Ignição por Disparo Eletrônico 17
2.5.2 Sistema de Ignição Mapeada 18
3. CONVERSÃO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO 21
3.1 Seleção de Componentes 24
3.1.1 Módulo de injeção 26
3.1.2- Sensores de Temperatura e Pressão do Ar no Coletor de
Admissão 27
3.1.3- Válvula Injetora 28
3.1.4- Corpo de Borboleta 29
3.1.5- Sensor de Posição do Corpo de Borboleta 31
3.1.6- Sensor de Temperatura da Água 31
3.1.7- Bomba de Combustível 31
3.1.8- Regulador de Pressão do Combustível 32
3.1.9- Sensor Sonda Lambda 33
3.2 Investimento para conversão do sistema de alimentação. 34
4. CONVERSÃO DO SISTEMA DE IGNIÇÃO 35
4.1- Seleção dos Componentes 35
4.1.1- Módulo de Ignição 36
4.1.2- Bobina de Ignição 36
4.1.3- Vela de Ignição 37
4.2- Investimento para conversão do sistema de ignição. 37
5. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO 38
5.1- Configuração do Controlador FuelTech 39
5.2- Ajuste do Mapa de Injeção 41
5.3- Correção da Injeção por Temperatura do Motor 43
xi 5.4- Correção da Injeção por Temperatura do Ar da Admissão 44 5.5- Correção da Injeção por MAP
45
5.6- Correção da Injeção por Tensão da Bateria 45
6. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE IGNIÇÃO 47
6.1- Configuração da Ignição no Controlador FuelTech 47
6.2- Ajuste Rápido de Ignição 48
7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES 50
Referências Bibliográficas 51
Lista de Anexos 54
ANEXO I 55
ANEXO II 57
xi Índice de Figuras:
Figura 1 Motor apresentado por Otto na Feira Internacional de Paris. Pág. 2
Figura 2.1 Ciclo Otto a 4 Tempos. Pág. 5
Figura 2.2 Diagramas P-v e T-s. Pág. 6
Figura 2.3 Carburador utilizado nos VW Fuscas produzidos no ano de 1970.
Pág. 9
Figura 2.4 Diagrama de um carburador de corpo simples. Pág. 10
Figura 2.5 Sistema de marcha lenta. Pág. 10
Figura 2.6 Sistema de marcha acelerada. Pág. 11
Figura 2.7 Esquema ilustrativo dos componentes do sistema de injeção eletrônica.
Pág. 14
Figura 2.8 Sistema de ignição convencional. Pág. 16 Figura 2.9 Sistema de ignição eletrônica – CDI. Pág. 18 Figura 2.10 Circuito inversor do sistema de ignição eletrônica CDI. Pág. 18 Figura 2.11 Sistema de ignição eletrônica mapeada. Pág. 19 Figura 2.12 Sistema de ignição mapeada com centelha perdida. Pág. 20 Figura 3.1 Esquema típico de injeção monoponto. Pág. 22 Figura 3.2 Esquema típico de injeção multiponto. Pág. 23 Figura 3.3 Esquema típico de injeção direta. Pág.23 Figura 3.4 Exemplo de tubo distribuidor para motor de 4 clindros. Pág. 24
Figura 3.5 Controlador RacePRO 1Fi. Pág. 27
Figura 3.6 Sensor de temperatura do ar. Pág. 28
Figura 3.7 Válvula injetora. Pág. 29
Figura 3.8 Corpo de borboleta. Pág. 30
Figura 3.9 Sensor de temperatura de água. Pág. 31
Figura 3.10 Bomba de combustível. Pág. 32
Figura 3.11 Regulador de pressão LP 47375/255R. Pág. 32
Figura 3.12 Medidor FuelTech WB-O2. Pág. 33
Figura 3.13 Sonda Lambda Bosch LSU 4.2. Pág. 33
Figura 4.1 Bobina BOSCH F000ZS0105. Pág. 36
Figura 4.2 Vela de ignição NGK CR8EH-9. Pág. 37
xi
Figura 5.1 Relação potência x lambda. Pág. 42
Figura 5.2 Valores de injeção para maior geração de potência. Pág. 43 Figura 5.3 Valores registrados pela sonda lambda. Pág. 43 Figura 5.4 Correção da injeção por temperatura do motor. Pág. 44 Figura 5.5 Correção da injeção por temperatura do ar de admissão. Pág. 45 Figura 6.1 Diagrama de blocos para configuração da ignição no
RacePRO 1 Fi.
Pág. 47
Figura 6.2 Avanço de ignição original Honda CB500. Pág. 48
Figura 6.3 Ajuste Rápido de Ignição. Pág. 49
Anexos
Figura II.1 Configuração da Injeção. Pág. 58
Figura II.2 Ajuste dos Mapas de Injeção. Pág. 59
Figura II.3 Ajuste dos Mapas de Ignição. Pág. 59
Figura II.4 Partida do Motor. Pág. 59
xi Índice de Tabelas:
Tabela 3.1 Comparativo dos controladores de injeção e ignição. Pág. 25 Tabela 3.2 Análise de investimento para conversão do sistema de
alimentação.
Pág. 34
Tabela 4.1 Análise de investimento para conversão do sistema de ignição.
Pág. 37
Anexos
Tabela I.1 Parâmetros Utilizados Pág. 56
1
Capítulo 1
Introdução
Desde o invento dos motores de combustão interna até os dias atuais, pouco foi modificado no seu funcionamento em relação aos seus ciclos termodinâmicos. A evolução dos motores se deu em grande parte pela aplicação de novos materiais e o desenvolvimento de seus periféricos, como os sistemas de alimentação, ignição e arrefecimento. Dessa forma, esse projeto visa aperfeiçoar os sistemas de alimentação e ignição de um motor modelo Honda CB 500, ano de fabricação 2001, utilizado no protótipo de competição da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE, buscando um melhor desempenho do mesmo.
1.1- Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna por Centelha
Os motores de combustão interna surgiram no século XIX, trazendo maior versatilidade que os motores de combustão externa utilizados até então, como a máquina a vapor. Suas principais vantagens em relação aos motores de combustão externa são a relação entre volume e potência, caracterizada pela maior geração de potência com um motor de menor tamanho, e a maior facilidade de adaptação a outras máquinas.
O primeiro motor de combustão interna foi construído por Jean Etienne Lenoir (1852), a partir dos estudos desenvolvidos por W. Cecil (1821), cujo princípio de funcionamento se baseava na queima da mistura de ar e hidrogênio. A partir do motor de Lenoir, Otto e Langen construíram um motor que comprimia uma mistura de ar e gás de iluminação, com a ignição provocada por centelha elétrica. Após estudos e aprimoramento, Otto finalmente apresentou seu motor, figura 1, na Feira Internacional de Paris, em 1878.
2
Figura 1: Motor apresentado por Otto na Feira Internacional de Paris.
Fonte [9].
O experimento apresentado por Otto na Feira Internacional baseava-se nos seguintes passos:
1° Passo: Movimentar manualmente o pistão para comprimir a mistura de ar e combustível;
2° Passo: Acionar uma centelha elétrica.
Após a centelha elétrica, observou-se uma explosão seguida de rápidas rotações do volante do motor. Dessa forma, pôde-se concluir que o funcionamento do motor baseava-se em um ciclo de 4 tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão.
1.2- Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE
A Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE é uma equipe de competição, formada por alunos de diversos cursos de graduação da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que tem por objetivo elaborar o projeto e a construção de um protótipo veicular do tipo fórmula para participação em competição universitária. A motivação para a competição é propiciar a difusão, aplicação e desenvolvimento de técnicas e conhecimentos de engenharia entre os estudantes e futuros profissionais da engenharia.
A competição é organizada pela SAE BRASIL, membro da SAE International (Society of Automotive Engineering), onde as equipes são avaliadas tanto pelo projeto, com apresentação de custos, design e ergonomia, assim como pelo desempenho do veículo, com provas que testam a capacidade de aceleração, contorno de curvas e regularidade do protótipo.
3
Os juízes que compõem a banca de avaliadores da competição são, em geral, engenheiros do setor da engenharia da mobilidade, o que proporciona aos estudantes também uma boa oportunidade de contato com profissionais do ramo em que futuramente estarão se candidatando a vagas de trabalho.
1.3- Motivação
A principal motivação desse projeto foi, através de modificações nos sistemas periféricos do motor, possibilitar ajustes que proporcionem melhores resultados de desempenho e economia de combustível para o protótipo nas diferentes provas que compõem a Competição Universitária Formula SAE BRASIL.
A segunda motivação é que este projeto sirva como um guia para entusiastas que desejem modificar os sistemas de alimentação e ignição de seu carro ou motocicleta.
Nesse caso, será proporcionada maior facilidade de, em veículos antigos, atender as normas de emissão de poluentes exigidas pelos Departamentos de Trânsito, além, claro, de elevar o desempenho que normalmente é o objetivo deste tipo de conversão.
1.4- Objetivo
Este projeto tem como objetivo a conversão dos sistemas de alimentação e ignição do motor modelo Honda CB 500, utilizado no protótipo de competição da Equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE. O sistema de alimentação foi convertido de carburador para injeção eletrônica, enquanto o sistema de ignição foi convertido de ignição com disparo eletrônico para ignição eletrônica mapeada.
4
Capítulo 2
Revisão Teórica
2.1- Motores Ciclo Otto
Os motores de ciclo Otto possuem ignição provocada por centelha e normalmente utilizam como combustível a gasolina, o álcool, o gás natural ou o gás liquefeito do petróleo. Apesar de receber o nome do alemão Nikolaus August Otto (1832-1891), o ciclo teórico que previa o funcionamento de motores de combustão interna de 4 tempos com êmbolos foi idealizado por Beau de Rochás, porém o mesmo nunca obteve sucesso na aplicação de suas teorias, fato que foi alcançado por Otto.
O ciclo Otto consiste, então, de um ciclo padrão a ar, que inicialmente foi apresentado tendo seu funcionamento baseado em ciclo de quatro tempos, porém esses motores também podem funcionar com ciclo de dois tempos. O ciclo de quatro tempos é o mais usual, aplicado na maioria dos automóveis e máquinas, enquanto o de dois tempos se aplica em algumas motocicletas, cortadores de grama e motosserras.
Adicionalmente, podem-se dividir os motores de ciclo Otto de acordo com a forma de alimentação, classificando-os em injeção indireta ou injeção direta. Os motores de injeção indireta realizam a mistura ar-combustível fora da câmara de combustão, no carburador, em motores carburados, ou no duto de alimentação, em motores com injeção eletrônica. Os motores com injeção direta têm o combustível injetado diretamente na câmara de combustão, através de um sistema de alta pressão.
2.1.1- Ciclo Otto de Quatro Tempos
O motor ciclo de Otto de quatro tempos apresenta funcionamento mais suave e menor emissão de poluentes que o ciclo de dois tempos, uma vez que estes possuem elevada queima de óleo lubrificante que é misturado ao combustível. Os quatro tempos são:
Admissão – Nesse momento a válvula de admissão se abre e o pistão se desloca do ponto morto superior para o ponto morto inferior, aspirando a mistura de ar e combustível.
Compressão – A válvula de admissão se fecha e o pistão se desloca do ponto morto inferior para o ponto morto superior, comprimindo a mistura aspirada na etapa anterior.
5
Combustão ou expansão – Ambas as válvulas permanecem fechadas, a mistura ar-combustível está comprimida e com temperatura elevada, porém insuficiente para a autoignição. Uma centelha elétrica é disparada através do eletrodo da vela de ignição, que inflama a mistura e a expansão rápida da mistura desloca o pistão do ponto morto superior para o ponto morto inferior. É o único momento em que o trabalho é positivo, ou seja, é quando o motor realiza trabalho.
Exaustão ou escape – A válvula de exaustão é aberta e o pistão se desloca do ponto morto inferior para o ponto morto superior, expulsando os gases resultantes da combustão.
A figura 2.1 indica as etapas de funcionamento do ciclo Otto de um motor 4 tempos, apresentadas anteriormente.
Figura 2.1: Ciclo Otto a 4 Tempos.
Fonte [10]
2.2- Ciclo Padrão a Ar Otto
O ciclo padrão a ar Otto é, segundo BORGNAKKE e SONNTAG (2010), um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha. No ciclo padrão os 4 tempos de funcionamento do motor são idealizados por transformações termodinâmicas, explicados através de diagramas P-v (Pressão x volume) e T-s (Temperatura x entropia), figura 2.2.
6
Figura 2.2: Diagramas P-v e T-s.
Fonte [11]
No ciclo padrão, o processo de compressão da mistura é idealizado como uma compressão isoentrópica do ar (processo 1-2). O tempo de combustão é idealizado por um processo de transferência de calor a volume constante, ou seja, considera-se que o pistão permanece em repouso no ponto morto superior (processo 2-3). O processo 3-4 representa uma expansão isentrópica, enquanto o último processo 4-1, uma rejeição de calor do ar a volume constante, idealizando o tempo de descarga como se esse fosse realizado com o pistão em repouso no ponto morto inferior.
Ainda segundo BORGNAKKE e SONNTAG (2010), admitindo que o calor específico do ar seja constante, pode-se definir o rendimento do ciclo termodinâmico de Otto pelas equações [1], [2], [3] e [5]:
𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑄𝐻𝑄−𝑄𝐿
𝐻 = 1 −𝑄𝑄𝐿
𝐻= 1 −𝑚𝐶𝑚𝐶𝑣(𝑇4−𝑇1)
𝑣(𝑇3−𝑇2)= 1 −𝑇𝑇1
2 (𝑇4
𝑇1−1)
(𝑇3𝑇2−1) [1]
Lembra-se também que:
𝑇2 𝑇1= (𝑉𝑉1
2)𝑘−1= (𝑉𝑉4
3)𝑘−1 =𝑇𝑇3
4 [2]
Logo,
𝑇3 𝑇2= 𝑇𝑇4
1 [3]
e
7
𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 1 −𝑇𝑇1
2 = 1 − (𝑟𝑣)1−𝑘 = 1 −(𝑟 1
𝑣)𝑘−1 [4]
Onde:
𝑟𝑣 = 𝑟𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =𝑉𝑉1
2= 𝑉𝑉4
3 [5]
De acordo com as equações, é possível concluir que quanto maior a relação de compressão maior é o rendimento térmico do ciclo de Otto. Para um motor real o rendimento também é função da relação de compressão, no entanto esta última é limitada pelo fenômeno da detonação, definido adiante.
2.2.1- Detonação, Octanagem e Relação de Compressão
A detonação, ou autoignição, consiste na ignição espontânea do combustível no interior da câmara de combustão. Esse fenômeno é causado pela alta temperatura da mistura no momento da compressão, gerando uma queima rápida e provocando ondas de choque contra uma segunda frente de chama oriunda da centelha da vela de ignição.
Essas ondas de choque são comumente denominadas “batidas”.
Conclui-se, desse modo, que a máxima relação de compressão utilizada é aquela em que o combustível não apresenta autoignição. A capacidade de um combustível não apresentar autoignição é medida de acordo com sua octanagem.
Segundo CARVALHO (2011), em motores de combustão interna de ignição por centelha, o número de octanagem depende fortemente do tipo de hidrocarboneto presente no combustível utilizado. Dessa forma, quanto maior a octanagem de um combustível, mais resistente à autoignição este combustível será. A gasolina comum comercializada no Brasil, tipo C, tem octanagem 87 enquanto o etanol apresenta valor de octanagem igual a 110, permitindo relações de compressão maiores.
Os valores usuais de relação de compressão variam de acordo com o combustível utilizado, ficando em torno de 10:1 para motores a gasolina até 12:1 em motores movidos a etanol. Como a grande maioria dos veículos comercializados no Brasil são projetados para funcionar com etanol ou gasolina, escolhe-se uma relação de compressão intermediária em que ambos os combustíveis possam ser utilizados, seja somente gasolina, somente etanol ou uma mistura de qualquer proporção de ambos os combustíveis.
8
Em motores bicombustíveis, a relação de compressão é um valor intermediário entre os valores das relações de compressão da gasolina e do etanol. A adoção desse tipo de motor se fez necessária a fim de se obter maior flexibilidade no abastecimento da frota de veículos durante entressafras da cana-de-açúcar, matéria-prima para o etanol brasileiro, ou em períodos de preço elevado dos combustíveis de origem fóssil, como ocorreu nos anos 70 durante a chamada Crise do Petróleo.
No entanto, apesar da vantagem da flexibilidade na hora da escolha do combustível, a adoção de uma relação de compressão intermediária faz com que os motores sejam menos eficientes. Isso acontece porque, para cada combustível utilizado, o motor deve buscar um avanço de ignição que evite a detonação e consequentes ondas de choque no interior da câmara, o que pode ser altamente prejudicial à durabilidade do motor.
2.3.- Sistema de Alimentação
O motor de combustão interna possui sistemas periféricos, como os sistemas de alimentação, ignição e arrefecimento, que auxiliam seu funcionamento. Esses sistemas, ao longo dos anos, sofreram modificações que possibilitaram o aumento de eficiência, permitiram o monitoramento do motor durante seu funcionamento e a capacidade de adaptação a diferentes condições de trabalho.
O sistema de alimentação dos motores é responsável por enviar o combustível até a câmara de combustão. Os sistemas de alimentação nos motores se dividem em alimentação por carburador ou alimentação por injeção eletrônica, apresentados a seguir.
2.3.1- Sistema de Alimentação por Carburador
O sistema de alimentação por carburador teve em seu início um funcionamento puramente mecânico, o qual foi recebendo atualizações com a implementação de componentes eletrônicos até ser totalmente substituído pelo sistema de injeção eletrônica, presente na quase totalidade dos veículos comercializados atualmente. No entanto, o sistema de alimentação por carburador ainda é utilizado em motocicletas e alguns veículos de competição, com alto desempenho.
9
Figura 2.3: Carburador utilizado nos VW Fuscas produzidos no ano de 1970.
Fonte [12]
O carburador, figura 2.3, componente principal do sistema de alimentação por carburador, tem a função de realizar a mistura do ar e do combustível, controlando a dosagem de combustível que é enviada ao motor, de acordo com seu nível de carga. A mistura do ar e do combustível é realizada no tubo de Venturi, onde o ar admitido é acelerado e arrasta o combustível contido em uma cuba. Uma borboleta de aceleração controla a quantidade de ar e combustível que é admitida no motor, aumentando ou diminuindo sua rotação e potência.
A variação da seção transversal em um tubo é responsável pelas características de escoamento em seu interior. No tubo de Venturi utilizado nos carburadores, a diminuição da área de seção transversal em sua porção intermediária tem como objetivo acelerar a velocidade de escoamento e diminuir a pressão, provocando maior arraste do combustível. Em seguida a área de seção transversal é novamente ampliada, buscando diminuir a velocidade de escoamento e regenerar a pressão. Essa regeneração é importante, pois afeta diretamente a massa de ar aspirado pelo motor, uma vez que a maior pressão eleva a densidade do ar. A densidade do ar e a massa de ar admitido estão relacionadas pela equação de eficiência volumétrica, equação [6], definida por HEYWOOD (1988) como a razão entre a massa de ar admitida (mar), a rotação do motor (N) e o volume deslocado pelo pistão (Vd).
𝜂𝑣 = 𝜌2· 𝑚𝑎𝑟
𝑎·𝑉𝑑·𝑁 [6]
10
A figura 2.4 apresenta o diagrama de um carburador de corpo simples, indicando seus principais componentes.
Figura 2.4: Diagrama de um carburador de corpo simples.
Fonte [13]
Os carburadores mais simples são, em geral, divididos em dois sistemas básicos:
o sistema de marcha lenta e o sistema de marcha acelerada. No sistema de marcha lenta, figura 2.5, a borboleta de aceleração permanece quase totalmente fechada, permitindo apenas a passagem de ar para funcionamento do motor na menor rotação possível.
Figura 2.5: Sistema de marcha lenta.
Fonte [14]
11
Nesse caso, em carburadores de fluxo descendente, o combustível é injetado abaixo da borboleta de aceleração em pequenas quantidades devido à baixa depressão causada pelo ar, que não possui alta velocidade. A pequena quantidade de ar arrastado implica em uma mistura pobre em combustível. A quantidade de combustível injetado é regulada, além da depressão causada no tubo de Venturi, pelo orifício do parafuso de regulagem, denominado gicleur.
O sistema de marcha acelerada, figura 2.6, atua quando a borboleta de aceleração é acionada, buscando maior potência no motor. Nesse momento, devido à geometria do tubo de Venturi, o ar admitido é acelerado e consequentemente a pressão no escoamento é reduzida.
Figura 2.6: Sistema de marcha acelerada.
Fonte [15].
Nesse sistema, em carburadores de fluxo descendente, o combustível é injetado acima da borboleta de aceleração. A forte depressão do escoamento de ar provoca maior arrastamento de combustível, tornando a mistura mais rica e elevando a rotação do motor. Assim, como no sistema de marcha lenta, há também um parafuso de regulagem para o sistema de marcha acelerada. Os dimensionamentos adequados do tubo de Venturi e do parafuso de regulagem são de fundamental importância para o controle da mistura ar-combustível.
12
2.3.2- Sistema de Alimentação por Injeção Eletrônica
O sistema de alimentação por injeção eletrônica foi desenvolvido para substituir o sistema por carburador por apresentar melhor controle da dosagem de ar e combustível, alcançando maior economia de combustível e principalmente menores índices de emissão de poluentes.
A produção de veículos dotados de injeção eletrônica de combustível, no Brasil, se intensificou no início dos anos 90 devido às normas de emissão de poluentes que se tornaram mais rigorosas naquela época. Nesse período, passou-se também a adotar catalisador no sistema de escapamento.
Para o melhor controle do motor, o sistema de alimentação por injeção eletrônica utiliza uma série de sensores e atuadores, controlados por uma central eletrônica que processa a informação oriunda dos sensores e comanda os atuadores de forma a obter a melhor mistura ar-combustível.
O principal parâmetro analisado para o controle da mistura ar-combustível é a quantidade de oxigênio nos gases de descarga. Esse parâmetro é detectado pelo sensor de oxigênio, também chamado de sonda-lambda. O nome sonda-lambda é originado pelo fato da resposta do sensor ser o fator lambda, razão entre as relações de massa ar/combustível real e estequiométrica. A formação da mistura será mais bem explicada na próxima seção.
Além do sensor de oxigênio, os sensores e atuadores, assim como suas respectivas funções, utilizados pelo sistema de injeção eletrônica são:
ECU (Engine Control Unit) – É o principal componente do sistema de injeção eletrônica. Consiste em um circuito eletrônico programável, com microprocessador, que recebe os inputs através dos sensores a ele conectados e envia comandos aos atuadores, de forma a manter o funcionamento do motor da maneira previamente programada, para cada faixa de carga e rotação, através do controle do tempo de abertura do bico injetor;
Sensores de temperatura e pressão do ar no coletor de admissão - Têm a função de medir a temperatura e a pressão absoluta do ar admitido (MAP – Manifold Absolute Pressure). A partir desses dados, a ECU é capaz de calcular a massa de ar admitida e consequentemente a quantidade de combustível que deve ser injetada.
Válvula injetora – Também conhecida como bico injetor, é uma válvula do tipo solenoide que recebe um sinal digital do tipo PWM (Pulse-Width Modulation) –
13
Modulação por Largura de Pulso – para comandar sua abertura e fechamento.
Quanto maior a largura do pulso do sinal PWM mais tempo o injetor permanece aberto e, portanto, mais combustível é injetado.
Corpo de borboleta – Localizado no coletor de admissão, tem a função de direcionar e controlar a entrada de ar no motor, sendo comandado diretamente pelo usuário através do pedal do acelerador, no caso de carros. Quanto maior for sua abertura, maior será a carga requerida do motor.
Sensor de posição do corpo de borboleta – Localizado no corpo de borboletas, é um sensor resistivo do tipo potenciômetro, que mede o quanto a borboleta de aceleração foi aberta.
Sensor de temperatura da água – Localizado no sistema de arrefecimento, logo após a saída do motor, tem a função de verificar a temperatura da água de resfriamento, indicando o momento de acionamento da ventoinha do radiador.
Atuador de marcha lenta – Também localizado no corpo de borboleta, tem a função de controlar a entrada de ar através de um servo-motor, mantendo o fluxo de ar necessário para o regime de marcha lenta, ou seja, quando a borboleta de aceleração está completamente fechada.
Bomba de combustível – Comandada pela ECU, é uma bomba geralmente do tipo diafragma, que tem a função de pressurizar a linha de combustível.
Filtro de combustível – Faz a filtragem do combustível para evitar que impurezas cheguem às válvulas injetoras;
Regulador de pressão do combustível – Tem a função de manter a pressão de trabalho ideal para o funcionamento dos injetores na linha de combustível. Caso a pressão da linha se eleve acima do valor de trabalho, o regulador se abre e o combustível é enviado de volta ao tanque.
A figura 2.7 apresenta um esquema do sistema de injeção eletrônica com os componentes descritos anteriormente.
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Figura 2.7: Esquema ilustrativo dos componentes do sistema de injeção eletrônica.
Fonte [16]
2.4- Mistura Ar-Combustível
A motivação para uso do sistema de injeção eletrônica é a capacidade do mesmo, através dos seus sensores e atuadores, manter o funcionamento do motor de forma eficiente, ou seja, controlar a mistura ar-combustível que chega a câmara de combustão para qualquer faixa de carga e rotação. A mistura ar-combustível pode ser classificada de três formas distintas: mistura pobre em combustível, mistura estequiométrica e mistura rica em combustível.
A classificação da mistura se dá de acordo com a razão ar-combustível (AC), que é a razão entre as massas de ar e de combustível contidas na mistura. Para melhor entendimento deve-se considerar inicialmente a mistura estequiométrica.
A mistura estequiométrica é aquela que possui, na reação química, a quantidade de ar teórico exata para que ocorra combustão completa da mistura no interior do motor.
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Entende-se por combustão completa aquela em que o produto da reação seja formado apenas por dióxido de carbono, água e nitrogênio.
Será considerado como exemplo, de acordo com SANTOS (2009), a combustão completa de um mol do iso-octano, componente principal da gasolina, combustível utilizado no projeto. Será considerada também a composição do ar atmosférico como 21% de O2 e 79% de N2. Dessa forma, de acordo com equação [7], tem-se:
𝐶8𝐻18+ 12,5 ∗ (𝑂2+ 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2+ 9𝐻2𝑂 + 47𝑁2 [7]
Dado que as massas molares do O2, N2 e Ce H são, respectivamente, iguais a 32, 28, 12 e 1 kg/kmol, temos:
Massa de ar = 12,5 × (32 + 3,76 × 28) = 1716KmolKg de ar [8]
Massa de combustível = 8 × 12 + 18 × 1 = 114KmolKg de combustível [9]
Assim, empregando os valores obtidos em [8] e [9], tem-se que a razão ar combustível para a mistura estequiométrica é dada por [10]:
AC = 1716114 = 15kg de comb.kg de ar [10]
Conclui-se, dessa forma, que para ocorrer a combustão completa de um quilograma de combustível são necessários 15 kg de ar.
A partir do conceito de mistura estequiométrica podem ser definidas as outras duas classificações de mistura citadas: Mistura rica em combustível é aquela em que existe uma quantidade de ar atmosférico menor que 15 kg para cada quilograma de combustível, enquanto mistura pobre em combustível é aquela com mais de 15 kg de ar atmosférico para cada quilograma de combustível.
O fator lambda, equação [11], resposta do sensor de oxigênio instalado no escapamento para avaliar os gases de descarga, consiste na comparação entre a razão ar- combustível real (ACr) e a razão ar-combustível estequiométrica (ACe).
𝜆 = 𝐴𝐶𝐴𝐶𝑟
𝑒 [11]
Dessa forma, define-se que:
𝜆 = 1 – Mistura estequiométrica;
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𝜆 < 1 – Mistura rica em combustível;
𝜆 > 1 – Mistura pobre em combustível.
2.5- Sistema de Ignição
O sistema de ignição, em conjunto com o sistema de injeção, a fim de controlar o funcionamento do motor, tem a função de emitir a centelha que inflama a mistura ar- combustível.
Figura 2.8: Sistema de ignição convencional.
Fonte [17].
O sistema de ignição convencional, figura 2.8, entrou em desuso nos anos 80, quando a indústria automotiva passou a buscar maior precisão e eficiência desse sistema. No entanto, conhecer o sistema convencional auxiliará o entendimento da ignição eletrônica, sistema utilizado nos veículos em produção atualmente. Os componentes do sistema de ignição convencional são:
Bateria – fonte de energia para o sistema;
Bobina de ignição – Alimentada pela bateria, transforma a baixa tensão em alta tensão capaz de emitir a centelha através da vela de ignição;
Distribuidor de ignição – Distribui o sinal elétrico emitido pela bobina de ignição para os diferentes cilindros do motor;
Cabos de vela – Condutores do sinal elétrico;
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Platinado – Atua como uma espécie de chave, ligando e desligando o sinal da bobina de ignição. É comandado por came, cuja quantidade de arestas é igual ao número de cilindros no motor;
Condensador – Trabalha em conjunto com o platinado. Tem a função de armazenar a corrente de auto-indução gerada no platinado, prolongando sua vida útil.
Velas de ignição – Eletrodos instalados nas câmaras de combustão do motor, que recebem o sinal de alta tensão da bobina de ignição, através do distribuidor e cabos de velas, e produzem a centelha elétrica inflamando a mistura ar- combustível.
A precisão do momento da centelha, denominado avanço de ignição, é de fundamental importância para o rendimento e confiabilidade do motor, uma vez que a ignição demasiadamente adiantada ou atrasada pode provocar avarias no motor.
O aumento da exigência por motores mais eficientes e com menor emissão de poluentes fez com que os sistemas de ignição convencional fossem substituídos pelos sistemas de ignição eletrônica, que permitem maior controle e ajuste do avanço de ignição, se adaptando aos diversos regimes de funcionamento dos motores, em baixa ou alta carga e rotação.
Os sistemas de ignição eletrônica podem ser de dois tipos, ignição por disparo eletrônico ou ignição mapeada. As particularidades de cada sistema serão explicadas abaixo.
2.5.1- Sistema de Ignição por Disparo Eletrônico
Nos sistemas de ignição eletrônica, um circuito eletrônico passa a substituir o platinado e o condensador na função de controlar o momento da ignição. Um exemplo de sistema de ignição por disparo eletrônico é o CDI (Ignição por Descarga Capacitiva), do inglês Capacitive Discharge Ignition, figura 2.9, onde um inversor recebe o sinal da bateria e através de transistores de potência elevam a sua tensão de 12V em uma tensão contínua da faixa de 200 a 600V, dependendo do circuito e da aplicação, para ser armazenada em um capacitor. Um sensor, geralmente de efeito Hall, identifica o momento que a centelha deve ser ativada.
O sinal do sensor Hall é tratado por um condicionador, que está ligado ao comutador, cuja função é controlar o momento da descarga do capacitor. A partir desse
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momento, o sistema de ignição eletrônica funciona semelhante à ignição convencional, com cabos de vela, distribuidor e vela de ignição.
Figura 2.9: Sistema de ignição eletrônica – CDI.
Fonte [18]
A figura 2.10 apresenta o circuito inversor utilizado no sistema de ignição por descarga capacitiva.
Figura 2.10: Circuito inversor do sistema de ignição eletrônica CDI.
Fonte [19].
2.5.2- Sistema de Ignição Mapeada
No sistema de ignição mapeada é utilizado um controlador que atua através de sensores para calcular o momento que deve ser realizada a ignição. O dispositivo eletrônico de disparo é substituído por um sensor de rotação, que identifica a posição do virabrequim e a velocidade do motor e informa a central eletrônica. O momento da centelha não é determinado pelo sensor de rotação, mas pelo módulo de ignição que,
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através dos sensores, calcula o avanço de ignição necessário antes de enviar o sinal de ignição até as velas.
O sistema de ignição mapeada, figura 2.11, consiste basicamente de um módulo de controle e processamento, sensores e um circuito de potência para acionamento da bobina de ignição. Os sensores utilizados para avaliar as condições de funcionamento do motor e calcular o avanço são: sensor de temperatura do ar admitido, sensor de temperatura do motor, sonda lambda e sensor de detonação.
Figura 2.11: Sistema de ignição eletrônica mapeada.
Fonte [20].
Diferente do sistema de ignição com disparo eletrônico, que determinava o avanço de ignição apenas de acordo com a rotação do motor, o sistema de ignição eletrônica mapeada armazena possui um mapa principal em função da rotação, porém possui também a capacidade de realizar correções desse mapa principal através das informações passadas por cada sensor citado, que monitoram as reais condições de operação do motor e determinam o valor final do avanço de ignição.
Em sequência, o módulo de controle envia o sinal de ignição ao circuito de potência, que aciona a bobina de ignição. Por fim, as velas de ignição, emitem a centelha. Nesse sistema não há distribuidor, em geral há uma bobina para cada cilindro ou para cada dois cilindros.
No caso em que uma bobina é utilizada para dois cilindros, a centelha será emitida em ambos os cilindros, o que estiver no tempo de compressão terá a mistura ar- combustível inflamada, enquanto o outro, no tempo de descarga, não será influenciado
20
pela centelha. Esse tipo de sistema é denominado centelha perdida ou Wasted Spark, figura 2.12.
Figura 2.12: Sistema de ignição mapeada com centelha perdida.
Fonte [21].
21
Capítulo 3
Conversão do Sistema de Alimentação
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
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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.
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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,
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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.
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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
Bateria
MAP, TPS, Temp. do Ar, Temp. do Motor, Sonda Lambda, Tensão da Bateria
Rotação, MAP, TPS, Temp.
do Ar, Temp. do Motor, Sonda Lambda, Tensão da Bateria Saídas de ignição
1 (necessita de módulo auxiliar para controle através de roda
fônica)
8 6
Correções da ignição TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp.
do Motor
TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp. do Motor
TPS, MAP, Temp. do Ar, Temp. do Motor Leitura de rotação por distribuidor ou
roda fônica Sim Sim Sim
Controle eletrônico do ventilador por
temperatura 1 estágio 2 estágios 1 estágio
Sensor MAP Integrado Integrado Integrado
Leitura e Correção por sonda lambda Apenas leitura Sim Sim
Controle do motor de passo Sim Sim Sim
Datalogger Sim Sim Sim
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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.
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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.
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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].
