Controle em malha fechada do fenômeno da detonação

fenômeno da detonação

Neste artigo serão apresentados os métodos realizados para o controle em malha fechada do fenômeno de detonação. Para a realização do controle em malha fechada, foi utilizado um motor Volkswagen EA 111 VHT 1.6 litros 8 válvulas equipado no veículo Volkswagen Gol 1.6. Este motor possui uma taxa de compressão de 12:1, sendo assim, um motor que utiliza uma taxa de compressão intermediaria em relação a motores a gasolina e a etanol. Este também possui sistema de alimentação indireta combustível multi-ponto, e sistemas de ignição e centelha perdida e válvula borboleta eletrônica.

 

Foi necessário realizar algumas modificações no veículo para que o controle em malha fechada pudesse ser desenvolvido, as modificações necessárias foram a substituição do sensor de oxigênio original por um sensor do tipo sonda lambda de banda larga para o controle da mistura entre ar/combustível, utilização de um sensor Br-FFS para medir a composição do combustível em tempo real e instalação de um sensor de temperatura no escapamento do motor.

 

Um sensor de pressão é utilizado para realizar o processo de calibração do controle do avanço de ignição e detonação. Uma plataforma de gerenciamento eletrônico do motor e implementação dos controladores (FlexECU) é usada durante os experimentos. O software de aplicação utilizado é o Otto-3, desenvolvido por (ROSSETTI e DOS SANTOS, 2015) usando o software ASCET (Advanced Simulation and Control Engineering Tool), e seus parâmetros são ajustados através do software INCA (Integrated Calibration and Acquisition Systems).

 

No trabalho completo é possível revisar os conceitos sobre o firmware Otto-3, ASCET, INCA e FlexECU. Nesse artigo serão apresentados os módulos que foram adicionados no Otto-3 relativos ao controle da mistura em malha fechada, correção do tempo de injeção e avanço de ignição em função da composição do combustível e controle do avanço em malha fechada.

 

 

Controle da mistura ar/combustível em malha fechada

 

O controle utiliza o sinal do sensor de oxigênio, instalado no escapamento do veículo, conhecido como sonda lambda, para informar o fator lambda da mistura e, assim, controlar o tempo de injeção de combustível até que o fator lambda medido alcance o valor de referência definido pelo controle de rotação.

 

Á sonda lambda utilizada neste projeto é de banda larga em conjunto com o equipamento LA4. A função do LA4 é controlar o aquecimento da sonda e o seu circuito de bombeamento de oxigênio, além de informar, através de um display de LCD, o fator lambda. Além disso, o LA4 pode disponibilizar o valor do fator lambda através de uma saída diferencial, onde o valor da diferença de potencial é proporcional ao valor de lambda medido.

 

O controlador utilizado foi proposto por (PEREIRA, 2015) e foi apresentado no artigo “Controle da mistura ar/combustível utilizando a sonda lambda de banda larga “, tendo sido adaptado para o firmware da Otto3.

 

O parâmetro Ts utilizado por (PEREIRA, 2015) é calculado através do tempo que o motor leva para completar um ciclo. Logo, este é dependente da rotação do motor. Entretanto, neste projeto as aplicações que utilizam parâmetros de tempo precisam ser executadas em tarefas periódicas, logo o Ts escolhido foi de 10 ms e a aplicação foi definida para ser executada em uma tarefa periódica com período de 10 ms.

 

O controle da composição do combustível tem a função de corrigir os parâmetros do tempo de injeção de combustível e do avanço de ignição em função da composição do combustível. A composição do combustível é obtida através de um sensor modelo (Br-FFS-Gen 3) fornecido pela Continental. Este sensor, que possui um tubo onde o combustível circula, mede a capacitância, a condutividade e a temperatura do combustível para determinar a sua composição. O sensor, então, fornece esta informação através de uma onda quadrada, onde a frequência do sinal é proporcional à porcentagem de etanol contida no combustível. Sendo a porcentagem de etanol presente no combustível igual à frequência do sinal menos 50, e a temperatura em graus Celsius do combustível pode ser calculada através do tempo em nível lógico baixo do sinal de resposta do sensor.

 

Logo, se o combustível atual for Etanol puro, a frequência de saída do sensor será de 150 Hz; caso o combustível atual seja gasolina E27.5, que é comercializada no território brasileiro, a frequência de saída será de 77,5 Hz.

 

O módulo de controle utiliza essa informação para definir os parâmetros de tempo de injeção e avanço de ignição em relação aos parâmetros definidos para etanol e gasolina E27.5. O tempo de injeção final é calculado pela soma do tempo de injeção corrigido para etanol e para gasolina. O tempo de injeção corrigido para etanol é calculado como o produto entre o tempo base para etanol (Tinjeção,etanol) e pelo fator de correção da porcentagem de etanol na composição do combustível (PCetanol), onde PCetanol é dado pela subtração da porcentagem de etanol (Petanol) presente no combustível e 27,5%. O resultado é então multiplicado por um fator de correção de 1.48, conforme apresentado na equação (1). Está correção no fator tem como objetivo normalizar a leitura do sensor para a faixa de presença de etanol nos combustíveis comerciais, assumindo a gasolina E27,5 e o etanol hidratado.

 

Equação 1

 

O tempo de injeção corrigido para gasolina é calculado como o produto entre o tempo de injeção base para gasolina (Tinjeção,gasolinaE27.5) e por 1 menos (PCetanol).

 

As equações (2) e (3) ilustram respectivamente os cálculos do tempo de injeção Tinjeção e avanço de ignição Aignição.

 

 

Equação 2.
Equação 3.

 

O método utilizado foi desenvolvido no software ASCET. A figura 1 ilustra o controle aplicado ao cálculo do tempo de injeção e a figura 2 o controle aplicado ao avanço de ignição.

 

Controle em malha fechada do fenômeno da detonação
Figura 1 – Lógica para cálculo do tempo de injeção em malha fechada.
Controle em malha fechada do fenômeno da detonação
Figura 2 - Lógica para cálculo do avanço de ignição em malha fechada.

 

 

Controle do avanço de ignição em malha fechada

 

A Flex-ECU-G1 utilizada nesse trabalho possui um software de baixo nível (LLSW) que controla o acesso ao hardware como leitura dos conversores analógicos digitais, controle de drivers específicos, além de possuir um sistema operacional em tempo real (RTOS), denominado RTA-OSEK que gerencia as chamadas de execução das tarefas do software de aplicação. O acesso ao hardware pelo LLSW é realizado através de chamadas de funções do LLSW.

 

O componente mais importante do LLWS é o sistema de gerenciamento da posição do motor (EPM). O EPM, que realiza a função de sincronismo entre a Flex-ECU e o motor, recebendo os sinais do sensor de rotação do eixo da árvore de manivelas e do sensor de fase. Com essas informações, realiza o controle de todas as funções, que são dependentes da posição angular do motor, como acionamento das válvulas injetoras e controle do circuito de ignição, além de gerar interrupção de forma sincronizada com a posição angular do motor para a execução de tarefas.

 

O controle do avanço de ignição é realizado em malha fechada através da informação relativa à integral do sinal proveniente de um acelerômetro, onde o processamento digital do sinal é realizado pelo LLSW. Para isso, é necessário informar os seguintes parâmetros: o filtro que será utilizado, o valor do amplificador digital, a posição de início da janela de integração e a largura da janela de integração. Como resposta, o LLWS irá retornar o valor da integração, qual cilindro estava em processo de combustão durante a integração e se houve algum erro durante a leitura.

 

A partir do resultado da integração foi desenvolvido um sistema para constatação de detonação. A leitura da integral é realizada a cada ciclo de combustão do motor. Se o valor da integral for menor do que o valor calibrado pela variável KN_TRIG_FIRST, é então adicionado um offset de 1,5º ao avanço de ignição base. Se a leitura seguinte for menor novamente, o offset será adicionado novamente, repetindo-se o ciclo com um limite definido pela variável KN_MAX_DELTA, sendo que este valor pode ser calibrado, mas é utilizado o valor de 8º como valor padrão.

 

Caso o valor da integral seja maior do que KN_TRIG_FIRST, será retirado 0,75º do offset que foi adicionado ao avanço, com o objetivo de se suprimir a ocorrência de detonação, porém caso o valor ultrapasse KN_TRIG_SECN o offset será zerado. A figura 3 ilustra o fluxograma do controle do avanço.

 

Controle em malha fechada do fenômeno da detonação
Figura 3 - Fluxograma do controle do avanço em função da detonação.

 

Para validar os sistemas de controle desenvolvidos, os mesmos foram submetidos a diferentes testes. O resultado e discussão destes testes serão apresentados nos próximos artigos dessa série.

 

Saiba mais

 

Modelo matemático e simulação do controle da mistura ar/combustível

Sonda Lambda - A emissão de poluentes dos veículos como você nunca viu

 

Referência

 

PEREIRA, B. S. Controle da mistura ar/combustível em um motor a combustão interna: sistema em malha fechada. São Paulo. 2015. 92p. (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.

 

ROSSETTI, P. C.; DOS SANTOS, J. P. F. Otto III by FlexECU – Gerenciamento Eletrônico de um Motor VW 1.6L. São Paulo. 2015.

 

HAYASHIDA, P.  Desenvolvimento de uma estratégia de controle de detonação para otimização do torque em um motor de combustão interna flex. 2018. 95p. Dissertação (Mestrado em Sistemas Eletrônicos) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018.

 

 

Outros artigos da série

<< Métodos de detecção do fenômeno de detonaçãoValidação do controle do avanço de ignição em malha fechada com composição de 35% de etanol >>
NEWSLETTER

Receba os melhores conteúdos sobre sistemas eletrônicos embarcados, dicas, tutoriais e promoções.

Obrigado! Sua inscrição foi um sucesso.

Ops, algo deu errado. Por favor tente novamente.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Cynthia Thamires Da Silva
De Minas Gerais para São Paulo. Mineira, moro em São Paulo a 10 anos. Sou pesquisadora da USP e estou cursando Doutorado em Engenharia Elétrica com ênfase em Gerenciamento Eletrônico da Bateria de 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.

Deixe um comentário

avatar
 
  Notificações  
Notificar