Sistemas que atuam no gerenciamento dos motores de combustão interna ciclo Otto

Admissão, Injeção e Ignição

O sistema de controle dos motores, independentemente de ser mecânico, eletromecânico ou eletrônico, deve ser capaz de estimar três parâmetros: admissão, injeção e ignição. Este controle pode ser em malha aberta ou fechada, dependendo das características construtivas de cada projeto. Existem diversas teorias de controle e modelos matemáticos sobre o assunto. Esse artigo aborda a teoria geral de controle dos motores ciclo Otto, dividindo estes três parâmetros em três subsistemas que serão detalhados abaixo.

Subsistema de admissão de ar

As principais funções deste subsistema consistem em determinar a massa total de ar atmosférico admitido, acelerar a velocidade de admissão dos gases e facilitar a homogeneização da mistura carburante, permitindo o enchimento do volume total dos cilindros. A turbulência e a velocidade de admissão são resultado dos processos de admissão e compressão, além da própria geometria dos dutos do sistema de admissão.

Componentes do sistema de admissão de um motor ciclo Otto - Admissão, Injeção e Ignição
Figura 1 - Componentes do sistema de admissão de um motor ciclo Otto.

O sistema de admissão é composto basicamente pelo filtro de ar, duto de admissão, válvula borboleta, coletor de admissão e válvula de admissão, conforme ilustra a Figura 1. O filtro de ar possui a função de retirar as impurezas do ar atmosférico. O duto de admissão tem a função de guiar o ar previamente filtrado até a válvula borboleta, que por sua vez tem a função de restringir a passagem de ar.

Em motores aspirados, o processo de aspiração normal do ar em pressão atmosférica ocorre em função de uma depressão no coletor de admissão do motor. Esta depressão é induzida pela sucção que o êmbolo produz ao se deslocar do PMS (Ponto Morto Superior) até o PMI (Ponto Morto Inferior).

Os principais parâmetros para o sistema de admissão são a pressão no coletor de admissão, a temperatura do ar admitido e a vazão total do ar. A vazão total do ar depende da geometria do duto de admissão e da posição angular da válvula borboleta.

Em sistemas mecânicos, o ângulo de abertura da válvula é determinado diretamente pelo motorista, através de um cabo de aço ligado ao pedal do acelerador. Em sistemas eletrônicos, a válvula borboleta é controlada indiretamente pelo motorista, pois é controlada pela unidade de gerenciamento eletrônico do motor. A vazão mássica está totalmente relacionada com o ângulo de abertura da válvula borboleta, pois, variando a área efetiva de passagem, o fluxo de massa de ar aumenta proporcionalmente. Caso queira saber um pouco mais sobre o controle da válvula borboleta, foi apresentado um artigo somente sobre o seu controle eletrônico, ”Controle PI aplicado em uma válvula borboleta eletrônica“.

Subsistema dosador de combustível

O sistema dosador de combustível é responsável por controlar a quantidade ideal de combustível para cada condição de operação do motor. Seu principal objetivo é garantir que a massa de combustível admitida nos cilindros seja próxima da relação estequiométrica, tendo como principal parâmetro de entrada a massa de ar admitida pelo motor. Esse sistema deve garantir também o enriquecimento da mistura durante a partida e a fase de aquecimento do motor e limitar a rotação máxima do motor.

Os primeiros sistemas de controle de combustível eram mecânicos e baseados na sucção do combustível, atuando em função da diferença de pressão entre o coletor de admissão e a galeria de combustível. Atualmente, os sistemas de controle são, em sua grande maioria, eletrônicos e baseados no princípio da injeção de combustível. O combustível, neste caso, é dosado através do controle do tempo de acionamento das válvulas injetoras de combustível.

Sistema de injeção de combustível comum - Admissão, Injeção e Ignição
Figura 2 - Sistema de injeção de combustível comum.

O sistema de combustível é composto basicamente pela bomba de combustível, pelo sistema de dutos de transmissão do combustível do tanque de combustível até as válvulas injetoras, conforme ilustra a Figura 2. Independente do sistema de controle adotado, os principais parâmetros para o sistema dosador de combustível são a rotação do motor e a informação correta da massa de ar presente no coletor de admissão.

Subsistema de ignição

O sistema de ignição possui a função de produzir uma centelha elétrica dentro da câmara de combustão, promovendo a combustão da mistura carburante previamente admitida e comprimida nessa câmara. O sistema de ignição é responsável pelo fornecimento da energia necessária para produzir a centelha elétrica desde sua geração até o controle do instante que a centelha deve ser produzida.

Para produzir corretamente a centelha elétrica, o sistema de ignição é composto pela bateria em momentos de partida ou alternador, quando o motor já está operando, pelo comutador de ignição, transformador de ignição, cabo de vela e finalmente vela de ignição, conforme ilustra a Figura 3.

Componentes do sistema de ignição - Admissão, Injeção e Ignição
Figura 3 - Componentes do sistema de ignição.

O sistema de ignição é baseado no princípio de elevação da tensão do alternador através do transformador de ignição. O transformador é formado por dois conjuntos de espiras, definidas como primário e secundário. O enrolamento primário em uma de suas extremidades é permanentemente alimentado pela tensão positiva do pós-chave, a outra extremidade é conectada ao sistema de controle, que possui a função de fornecer o sinal de aterramento, fechando o circuito elétrico e permitindo que haja circulação da corrente. A energia fornecida é diretamente proporcional à indutância do enrolamento primário e à intensidade da corrente que circula pelo primário. Como entre o primário e o secundário existe um núcleo central de aço revestido por um material isolante, a tensão no secundário é induzida e transferida para vela de ignição através dos cabos de vela que são capazes de isolar tensões da ordem de 40kV. A centelha é formada pelo arco elétrico estabelecido entre a extremidade do eletrodo e a carcaça da vela.

O tempo em que o enrolamento primário permanece energizado pelo sistema de controle é denominado tempo de carga da bobina, que deve ser suficiente para garantir uma centelha capaz de iniciar a combustão da mistura carburante dentro da câmara de combustão. O sistema de controle do tempo de carga deve garantir que não ocorra a saturação do primário da bobina, evitando assim o aquecimento excessivo do enrolamento primário e a redução da vida útil da bobina de ignição.

Para que o motor possa aproveitar a máxima pressão da combustão quando o pistão estiver no PMS e, consequentemente, obter o máximo torque, a centelha elétrica deve ocorrer com pequenos graus de adiantamento em relação ao PMS. Conhecido como ângulo de ignição ou avanço de ignição, esse parâmetro é medido em graus do eixo da árvore de manivelas em relação ao PMS, durante o ciclo de compressão do motor. Este controle visa garantir que a maior parte da pressão gerada pela combustão seja convertida em trabalho pelo motor. Esse adiantamento do ponto de ignição não é constante e está diretamente ligado à rotação e carga do motor. O aumento do avanço de ignição promove uma variação crescente na pressão da mistura carburante e, consequentemente, na potência do motor. Entretanto, este avanço no ângulo de ignição é limitado pelo efeito conhecido como detonação.

A detonação ocorre quando a temperatura e a pressão na mistura carburante não oxidada excede um valor crítico, causando a autoignição em pontos diferentes e opostos ao sentido natural de propagação da combustão causada pela vela de ignição. A detonação gera ruídos característicos que nem sempre são percebidos pelo condutor e promove danos progressivos e irreversíveis aos componentes do motor.

Conhecendo e controlando os 3 sistemas que atuam no motor de combustão interna, é possível gerenciar o funcionamento do motor eletronicamente, nos próximos artigos serão apresentadas as estratégias utilizadas no gerenciamento do motor, bem como os sensores e atuadores presentes em cada sistema.

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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Joao Vitor Araujo
Joao Vitor Araujo
20/03/2017 22:39

olá cynthia, meu nome é joão vitor e moro em goiânia, em primeiro lugar gostaria de te dar os parabens em relação ao seu artigo escrito sobre o controle eletronico de motores otto. eu curso engenharia elétrica no instituto federal daqui e tenho um projeto de pesquisa de tornar hibrido um automodelo a combustão, a partir de motores eletricos, será que é possivel controlar um motor a combustão de apenas um cilindro de tamanho pequeno mas bem semelhante ao motor otto ?

Cynthia Thamires Da Silva
Cynthia Thamires
Reply to  Joao Vitor Araujo
21/03/2017 06:18

Bom dia João Vitor. Que bom que gostou dos artigos. É possível sim, desde que ele tenha os sensores e atuadores necessários para o gerenciamento. Nos próximos artigos vou postar alguns softwares de exemplo para controlar a injeção, ignição e admissão. Com certeza irá te ajudar. Pretendo postar ainda esse mês.

Sergio Carvalho
Sergio
16/01/2017 10:41

Muito interessante da forma que é esplanada o assunto.
Qual sua opinião de adaptação sistema de HHO, tem efeito real ou é farsa?

Cynthia Thamires Da Silva
Cynthia Thamires
Reply to  Sergio
16/01/2017 13:42

Olá Sérgio. Que bom que gostou do artigo.. Bom, estou fazendo doutorado em veículos híbridos, então tenho pesquisado bastante sobre soluções para a economia de combustível e redução dos gases poluentes nos veículos. Acho o sistema HHO bem interessante, acho que realmente há economia do combustível. Porém, esse sistema não possui um armazenamento do HHO, o HHO é gerado e injetado no motor diretamente, então caso a pessoa esqueça o gerador ligado, ou algo do tipo, pode ocorrer uma explosão. A bateria do veículo também "sofrerá" com essa adaptação, o correto seria um cálculo do consumo de energia do gerador… Leia mais »

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