Técnicas - Humberto Manavella

Monitor do Sistema de Combustível gera a precisão do sistema de injeção eletrônica- Parte 2

Como mencionado na edição anterior, a norma OBDII estabelece que o sistema de controle da mistura ou de ajuste de combustível e do processo de combustão deve ser avaliado constantemente na sua capacidade de atender aos níveis de emissões

Figura 1

Para atender a estes requisitos, nos motores de ciclo Otto e Diesel, o controle do processo de combustão deve ser realizado em malha fechada e isto, controlando convenientemente a relação ar/combustível

Controle da Combustão em Malha Fechada - Nas primeiras aplicações do controle eletrônico em motores diesel (meados da década de 1980), o processo de combustão operava em malha aberta, já que era possível atender aos limites de emissões sem necessidade de conhecer com precisão o resultado do processo de combustão. No entanto, com os limites de emissões sendo reduzidos de forma significativa, fez-se necessário incorporar o controle em malha fechada do processo de combustão. A figura 1 apresenta uma configuração típica do sistema de combustível de um motor de ciclo Diesel “common rail” ou rampa comum.

O controle em malha fechada se efetua calculando a massa de combustível a ser injetada para atender à relação ar/combustível desejada, basicamente, em função do tempo de injeção ou de combustão, da pressão da linha de combustível de alta pressão e da variação da pressão dentro da câmara de combustão.

Ou seja, no motor de ciclo Diesel, o monitor do sistema de combustível realiza o controle em malha fechada avaliando diretamente, em tempo real, a evolução do processo de combustão.

Repare na diferença com o motor de ciclo Otto, no qual, o controle em malha fechada é feito indiretamente, avaliando o resultado do processo de combustão com base na informação dos sensores de oxigênio.

Como mostra a figura 2 de forma simplificada, o motor de ciclo Diesel controla em malha fechada:
Figura 2

1) A temporização (tempo e avanço) da injeção com base na informação do sensor de pressão do cilindro.
2) A quantidade injetada de combustível com base na informação do sensor de pressão do cilindro.
3) A pressão de combustível com base na informação do sensor de alta pressão.
4) O balanço/contribuição de combustível na marcha lenta com base na informação do sensor de rotação do motor (CKP).

Para o cálculo da quantidade injetada é de fundamental importância a medição precisa do instante de início (avanço da injeção) e duração da injeção ou da combustão. Para atender a estes requerimentos a UC deve conhecer como evolui a pressão dentro da câmara, o instante de abertura do injetor e a duração da injeção.

Entre os métodos utilizados para determinar o avanço (início da injeção) e os tempos de injeção e de combustão, o mais difundido atualmente monitora a variação da pressão no cilindro informada pelo sensor de pressão integrado à vela de pré-aquecimento. Como mostra a figura 3, o aquecedor se movimenta axialmente com relação ao corpo, em função da variação da pressão dentro do cilindro e aciona um diafragma piezorresistivo que cumpre a função de sensor de pressão.

Figura 3

Outra configuração de sensor de pressão integrado à vela de pré-aquecimento utiliza um diafragma com espelho, um par de fibras ópticas e um circuito eletrônico que opera um diodo emissor e um fotodiodo.

Basicamente, o circuito emissor/detector do sensor comanda o diodo emissor de luz (LED), que emite continuamente um feixe luminoso através da fibra óptica. O feixe se reflete no espelho do diafragma e retorna ao circuito eletrônico, no qual é detectado pelo fotodiodo. A intensidade luminosa retornada depende da distância entre o diafragma e a extremidade da fibra óptica. A distância, por sua vez, depende da pressão no cilindro.

O sensor de pressão integrado à vela de aquecimento permite o monitoramento individual de cada cilindro durante o ciclo completo de combustão o que por sua vez, possibilita o ajuste da quantidade injetada, da temporização (avanço) da injeção e da operação do sistema de recirculação de gases (EGR).

A informação de pressão permite determinar,  continuamente, o ângulo do início da injeção e aquele para o qual a pressão no cilindro atinge o máximo. Isto permite estabelecer uma malha de realimentação (malha fechada) para o ajuste do avanço de injeção e da quantidade de combustível injetada. Como resultado, é possível compensar variações no índice cetano do combustível e na calibração/desgaste dos injetores. Por outro lado, e em função da pressão no cilindro estar diretamente relacionada com a temperatura, a injeção pode ser ajustada para limitar a pressão e temperatura máximas e com isto, a emissão de NOx.

PROCESSO DE COMBUSTÃO

Em função de ser o principal elemento do controle em malha fechada do sistema de combustível, o processo de combustão será analisado em detalhe a seguir.

Com base na figura 4 surge que a combustão se processa em 3 fases:
Figura 4

1. Atraso da ignição (Ta). Fase de combustão (oxidação) sem chama (A-B). O ponto A indica o início da injeção de combustível e o ponto B, o instante da autoignição (início da combustão com chama).

O intervalo Ainj é o avanço da injeção, ou seja, identifica o instante do início da injeção, em graus de giro do virabrequim antes do PMS. O intervalo Ti identifica, em graus de giro do virabrequim, a duração da injeção de combustível.

Nesta fase, as primeiras partículas de combustível se aquecem e oxidam com limitada produção de calor enquanto continua a acumulação de combustível injetado, mas, sem queimar. Assim, o aumento de pressão nesta fase é devido, unicamente, ao trabalho de compressão do pistão.

2. Combustão rápida (B-C). A massa de combustível acumulado entra em combustão de forma abrupta (explosão), o que provoca um aumento repentino da pressão. A combustão nesta fase depende de parâmetros tais como:
- Índice de cetano do combustível;
- Temperatura de autoignição do combustível;
- Avanço da injeção (Ainj);
- Pressão de injeção;
- Tipo de câmara de combustão;
- Tipo de injetor;
- Taxa de injeção do combustível, ou seja, a velocidade com que o combustível entra na câmara.

3. Combustão controlada (C-D). O combustível queima gradualmente, na medida em que continua a ser injetado. Durante esta fase, a pressão na câmara permanece quase constante devido a que o pistão desce e o volume da mesma aumenta. equilibrando assim a expansão dos gases resultantes da combustão, que continua a se processar até o instante D, logo após o fim da injeção (fim do intervalo Ti).

Repare que durante a maior parte do intervalo A-D, verifica-se injeção e combustão simultâneas.

Verifica-se que quanto maior é o atraso de ignição Ta, mais abrupto é o aumento da pressão no intervalo B-C. Isto, devido à maior quantidade de combustível acumulado sem queimar durante a fase de atraso da ignição A-B. O resultado é o aumento do ruído produzido pelo motor.

INJEÇÃO MÚLTIPLA

É um mecanismo utilizado para aumentar a eficiência de combustão e diminuir as emissões. A figura 5a ilustra este conceito. Salienta o fato que a combustão (tempo Tc) começa com certo atraso após o início da injeção, e finaliza depois de cessar a entrada de combustível.

Injeção “piloto”: denominada também de “pré-injeção”. É um processo no qual uma pequena parte do combustível é injetada e entra em combustão, antes de ocorrer a fase de injeção principal. Esta “pré-combustão” acelera e regula o processo de combustão principal, o que resulta num gradual aumento da temperatura e da pressão com valores máximos menores. Como resultado, verifica-se uma diminuição do ruído e da geração de NOx e material particulado (fumaça).

Injeção Principal Múltipla: É uma estratégia em que o combustível correspondente à injeção principal é injetado em 2 ou mais eventos. A figura 5b ilustra de forma esquemática este processo. Neste caso, 50% do combustível é injetado com o primeiro pulso e os outros 50% com o segundo, separados por um intervalo de 4 graus de giro do virabrequim sem injeção.

Figura 5b e 5a

Dosando a mesma quantidade que aquela da figura 5a, em 2 ciclos separados de injeção, o combustível se mistura com uma quantidade maior de oxigênio, o que resulta numa combustão mais completa com o conseqüente aumento da eficiência de combustão.

Como resultado verifica-se a redução simultânea de HC, CO, NOx e material particulado. Como conseqüência, há, também, uma diminuição do consumo.

Pós-injeção: É um processo através do qual uma pequena quantidade de combustível é injetada durante o ciclo de expansão e que resulta numa combustão incompleta com o aumento das emissões de HC e CO. A combustão destes componentes será completada no catalisador oxidante presente obrigatoriamente, nestes sistemas, e que promove o aumento da temperatura dos gases de escape, aumento este necessário à regeneração do filtro de particulado.

MONITOR DO SISTEMA DE COMBUSTÍVEL - FUNÇÕES BÁSICAS

Em sistemas “common-rail”, o monitor do sistema de combustível tem como funções básicas:
1. Ajuste da massa de combustível: controle da quantidade injetada de combustível e da duração ou tempo de injeção. A quantidade injetada depende da pressão de combustível na rampa.
2. Balanceamento de combustível ou de contribuição de cilindro.
3. Compensação dos injetores.
4. Verificação do código de calibração do injetor.

1. Ajuste de Massa de Combustível - É feito utilizando um algoritmo matemático para detectar variações (desvios) no desempenho dos injetores quanto à quantidade (massa) de combustível injetada, com relação à especificação nominal.
Este monitor utiliza a informação do sensor de oxigênio de banda larga para medir a percentagem de oxigênio residual nos gases de escape, comparando-a com a percentagem calculada pelo algoritmo, em função: 1) da quantidade de combustível injetada, 2) da pressão de sobrealimentação e 3) do fluxo de gases recirculados através do sistema EGR. A diferença entre o valor medido e o calculado representa a quantidade de combustível a ser adicionada ou subtraída, para compensar o desvio.
Quando a média do valor absoluto destas diferenças acumuladas durante certo período (1 minuto, por exemplo), supera o limite especificado, um código de falha é gravado.

Códigos de Falha (DTC)
- P0170(banco #1)/P0173(banco #2): Falha de ajuste de combustível.

2. Controle do Balanceamento de Combustível ou de Contribuição de Cilindro - O principal objetivo desta função é o de eliminar as vibrações (oscilações) características do motor diesel, principalmente na marcha lenta.
Através de um algoritmo matemático, esta função permite reduzir a diferença na quantidade de combustível injetada em cada cilindro e desta forma, equalizar as acelerações provocadas pelo processo de combustão de cada cilindro. O balanceamento é feito através de ajustes individuais com base na rotação do motor.

Para esta função, a UC monitora a velocidade de rotação do virabrequim analisando as acelerações/desacelerações provocadas pelo processo de combustão de cada cilindro. Quando a aceleração é superior à média, reduz a quantidade injetada e quando inferior, a aumenta, ajustando assim a quantidade de combustível de forma a obter acelerações similares para cada cilindro.

A figura 6a ilustra a situação em que o controle do balanceamento não está operando e a figura 6b, o resultado quando ativado. Esta equalização é feita adicionando ou subtraindo pequenas quantidades de combustível da injeção piloto (pré-injeção).

Figura 6a e 6bO balanceamento/contribuição de cilindro ajuda a diminuir a emissão de particulado e evitar o entupimento do filtro de particulado, melhorar o consumo e diminuir o nível de ruído, característico do motor diesel.

Códigos de Falha (DTC)
Para este monitor, a norma define códigos similares para 12 cilindros:
- P0263(cilindro #1): Falha de contribuição/balanceamento de cilindro. Este código é gravado se o fator de correção excede uma percentagem máxima (90%, por exemplo) da correção permitida para as condições de funcionamento naquele momento.
- P029A(cilindro #1): Ajuste de combustível no limite máximo.
- P029B(cilindro #1): Ajuste de combustível no limite mínimo.

3. Compensação dos Injetores ou Calibração de Combustível “Zero” - É um algoritmo utilizado pelo monitor de combustível para compensar alterações de calibração dos injetores com relação à calibração nominal.

Esta função é aplicada em sistemas “common rail”, na condição de desaceleração com corte de combustível. Nesta situação, a pressão é reduzida de forma acentuada (a 300 bar, por exemplo) e injeções de teste de curta duração são aplicadas a cada cilindro individualmente. A aceleração do virabrequim é comparada com a aceleração calculada para aquela quantidade injetada de combustível. A seguir, o algoritmo calcula a quantidade de combustível que deve ser adicionada ou subtraída, para conseguir a aceleração calculada previamente. Este é um processo de aprendizado que afeta a calibração do injetor. Durante o funcionamento normal, o ajuste do tempo de injeção aprendido é aplicado à injeção piloto. Um código de falha é gravado quando o tempo da injeção de teste excede o limite máximo ou mínimo necessário para obter a aceleração calculada.

CÓDIGOS DE FALHA (DTC)

Os seguintes são os códigos correspondentes ao cilindro #1. Para este monitor, a norma define códigos similares para 12 cilindros:
- P02CC(cilindro #1): Ajuste aprendido do tempo de injeção no limite mínimo.
- P02CD(cilindro #1): Ajuste aprendido do tempo de injeção no limite máximo.

4. Verificação do Código do Injetor - Este monitoramento é aplicado nos sistemas que utilizam injetores que possuem código de calibração como, por exemplo, os piezoeléctricos.

Neste caso, cada injetor possui um código de calibração gravado na sua memória interna, que fornece informação sobre o desvio com relação à calibração teórica média. Um código de falha é gravado no caso de detecção de código inválido ou inexistente.

Códigos de Falha (DTC)
O seguinte é o código correspondente ao cilindro #1. A norma define códigos similares para 12 cilindros:
- P268C(cilindro #1): Informação de calibração incompatível.

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