Atuadores utilizados no gerenciamento do motor de combustão interna ciclo Otto

No artigo anterior, foram apresentados os sensores presentes no gerenciamento do motor. A partir das informações desses sensores, a UCM (Unidade de Controle do Motor) envia sinais de comando para os atuadores, de forma que o motor opere de acordo com a condição determinada. De forma contrária aos sensores, os atuadores recebem sinais de comando da UCM para atuar sobre o motor, de maneira a adequá-lo às condições desejadas de torque, potência e consumo. A seguir serão descritos os principais atuadores utilizados e suas respectivas funções.

 

 

Válvulas injetoras de combustível

 

Esses atuadores controlam a quantidade de combustível presente em uma linha pressurizada através da modulação da largura de um pulso de tensão.

 

Figura 1 - Válvulas injetoras e tubo distribuidor de combustível.

 

Em função da largura de pulso aplicado à bobina de indução, o campo magnético gerado desloca a agulha, permitindo a passagem do combustível. No instante em que a bobina de indução é desenergizada, a mola de retorno comprime novamente a agulha contra a válvula de vedação, bloqueando a passagem de combustível. Nesse momento, aparece uma tensão reversa nos terminais da válvula injetora de combustível, induzindo na agulha uma força no sentido contrário, que reduz o tempo de fechamento da válvula injetora.

 

O tempo de injeção é o termo que define a largura do pulso, durante o qual a válvula injetora permanece aberta e fornecendo combustível ao motor. Os principais fatores que limitam a definição do tempo máximo de injeção são a vazão máxima de combustível por milésimo de segundo de acionamento e a rotação máxima de operação do motor.

 

 

Bobinas de ignição

 

O controle eletrônico da ignição trabalha a partir do mapa de avanço da ignição do motor. Uma vez detectada a condição de operação, as informações armazenadas nas tabelas são recuperadas, corrigindo-se o ponto de ignição, que é função da rotação do motor, pressão no coletor de admissão e temperatura do motor. Além de corrigir o avanço de ignição em função da condição de operação do motor, o gerenciamento eletrônico da ignição previne o fenômeno de detonação, de modo a atrasar o ponto de ignição quando a detonação aparece.

 

O principal atuador do sistema de controle eletrônico da ignição é o transformador de ignição, que também pode ser denominado bobina de ignição. Ela tem a função de transformar a baixa tensão, de aproximadamente 12V do circuito primário, na alta tensão do circuito secundário. O transformador de ignição é constituído de uma bobina primária, diretamente comanda pela UCM, um núcleo ferromagnético e uma bobina secundária, por onde sairá a centelha para as velas dos cilindros. Para elevar a tensão, a bobina secundária possui um número de espiras centenas de vezes maior do que o da bobina primária.

 

Transformador de ignição.
Figura 2 - Transformador de ignição.

 

Quando um cilindro está em fase final de compressão, a UCM comanda o estágio final de potência, energizando a bobina primária do respectivo transformador, formando um campo magnético ao redor do núcleo ferromagnético. A UCM deve manter energizado o primário da bobina por um período suficiente para que esse campo magnético se forme com alta intensidade. No momento em que o adiantamento predefinido pelo mapa de ignição ocorre, a UCM desenergiza a bobina primária, fazendo com que o campo magnético criado atue agora sobre a bobina secundária, gerando uma corrente induzida. Em virtude da enorme quantidade de espiras da bobina secundária, a tensão induzida neste circuito é da ordem de milhares de Volts, sendo suficiente para que a resistência do dielétrico da vela de ignição do cilindro de ignição seja superada, gerando uma centelha elétrica e iniciando a combustão da mistura carburante.

 

 

Vela de ignição

 

A vela de ignição conduz a alta tensão elétrica para o interior da câmara de combustão, convertendo-a em centelha para inflamar a mistura carburante. É constituída de um isolador de cerâmica de alta pureza que proporciona um isolamento térmico adequado para as condições em que a vela está exposta. Também possui um eletrodo central, constituído de metais preciosos, tais como platina ou liga de ouro/paládio e possui um núcleo de cobre inserido profundamente na ponta da vela, para dissipar rapidamente grandes quantidades de calor.

 

Vela de ignição.
Figura 3 - Vela de ignição.

 

O eletrodo da vela de ignição se conecta através de um cabo blindado à bobina de ignição. A alta tensão gerada pela bobina de ignição, é suficiente para que a resistência do dielétrico da vela de ignição seja superada, gerando assim uma centelha elétrica. A centelha é formada pelo arco elétrico estabelecido entre a extremidade do eletrodo e a carcaça da vela. A partir da centelha da vela de ignição é iniciada a combustão da mistura carburante.

 

 

Atuador da válvula borboleta

 

A válvula borboleta é o principal atuador do sistema de admissão de ar. Com o intuito de propiciar uma melhor eficiência do motor e visando ainda atender às legislações ambientais, a válvula borboleta com acionamento eletrônico foi desenvolvida. Ela é formada por um motor DC, molas de retorno, engrenagens de transmissão e potenciômetros, para indicar a posição angular de seu movimento de abertura.

 

Atuador da válvula borboleta eletrônica.
Figura 4 - Atuador da válvula borboleta eletrônica.

 

O motor DC da válvula borboleta eletrônica é acionado por um sinal de tensão. Para facilitar o controle deste atuador, a UCM geralmente utiliza um sinal de tensão contínuo, modulado por largura de pulso denominado PWM (Pulse Width Modulation). O PWM é um sinal pulsado de frequência fixa que possui uma modulação de sua razão cíclica com objetivo de modificar a tensão média final de saída. O motor DC atua através das engrenagens de transmissão, alterando a abertura da válvula borboleta em função do sinal PWM de entrada, ou seja, em função do valor de tensão média em sua entrada. Quando a tensão média do sinal elétrico de entrada for suficiente para que o motor DC vença as forças de atrito e da mola de retorno, a válvula borboleta irá se movimentar alterando sua posição angular. O sinal PWM é controlado pela UCM que, de acordo com a exigência de torque demandado pelo motor, atua na válvula borboleta, alterando sua posição angular, e controlando a passagem de ar para o sistema de admissão.

 

Utilizando as informações desse artigo e dos artigos anteriores da série, é possível desenvolver uma unidade de gerenciamento eletrônico para o motor de combustão interna. Essa unidade foi desenvolvida na Universidade de São Paulo, e será apresentada no próximo artigo, bem como parte dos softwares utilizados para o controle da ignição, injeção e admissão.

 

 

Referência

 

ALCÂNTARA DIAS, B. M. Unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico de um motor de combustão interna ciclo Otto. São Paulo. 2015. 269p. (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.

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De Minas Gerais para São Paulo. Mineira, moro em São Paulo a 8 anos. Sou pesquisadora da USP e estou cursando Doutorado em Engenharia Elétrica com ênfase em veículos híbridos. Formada em Eletrônica Automotiva pela FATEC Santo André, Mestre em Engenharia Elétrica e apaixonada por tecnologia automotiva. Desenvolvi diversos projetos na área automotiva e trabalhei por 2 anos na Volkswagen no setor de pós vendas, auxiliando os concessionários na solução de diversos problemas na área elétrica e eletrônica veicular.