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Monitor do Sistema de Combustível do Ciclo Diesel determina a mistura do ar e do combustível

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.

Por Humberto Manavella

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, ou seja, a relação entre as massas de ar admitido e de combustível, que compõem a mistura presente no cilindro no momento da combustão. Este monitor está integrado ao programa principal e cumpre, portanto, as funções de controle e de diagnóstico.  

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, ou seja, o nível real das emissões no escape. Nestes casos, o atendimento à regulamentação de emissões era feito através de mapas de calibração dos injetores armazenados na memória, e pelo sistema de pós-tratamento. 

No entanto, com os limites de emissões sendo reduzidos foi incorporado o controle em malha fechada do processo de combustão. A figura 1 apresenta a configuração básica do sistema de combustível de um motor de ciclo Diesel “common rail” ou rampa comum. 

No motor de ciclo Diesel 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: 1) do tempo de injeção ou de combustão, 2) da pressão da linha de combustível de alta pressão e 3) da variação da pressão dentro da câmara de combustão. 

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

  a- A temporização (tempo e avanço) da injeção com base na informação do sensor de pressão do cilindro. 

b- A quantidade injetada de combustível com base na informação do sensor de pressão do cilindro. 

c- A pressão de combustível com base na informação do sensor de alta pressão. 

d- O balanço/contribuição de cilindro 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.  

Um método utilizado para determinar o avanço (início da injeção) e os tempos de injeção e de combustão, é através da medição da variação da pressão no cilindro informada por um sensor de pressão integrado à vela de pré-aquecimento. Uma configuração utilizada, dentre outras, é o da figura 3, na qual 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.  

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). 

Desta forma, a informação do sensor de pressão permite determinar, em tempo real, ou seja, 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 para o ajuste do avanço de injeção e da quantidade de combustível injetada. Com o resultado é possível compensar variações no índice cetano do combustível e na calibração/desgaste dos injetores. Ou seja, permite controlar a injeção de combustível (avanço e volume) em malha fechada. 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: 

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. Geralmente, é da ordem de 20o. 

O intervalo Ti identifica, em graus de giro do virabrequim, a duração da injeção de combustível. É da ordem de 30o a 50o.  

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. Este atraso depende de parâmetros tais como: 

- Tipo de injetor; 

- Pressão e temperatura na câmara no fim do ciclo de compressão; 

- Tipo de combustível; 

- Tipo de câmara de combustão. 

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 a expansão dos gases resultantes da combustão, a qual continua a se processar até o instante D, logo após o fim da injeção (fim do intervalo Ti). Reparar 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). 

Por outro lado, se verifica um aumento de HC e CO devido ao esfriamento do combustível da injeção piloto em contato com a parede do cilindro. Este problema é contornado utilizando o mecanismo de “injeção principal múltipla”, analisado a seguir. 

Injeção Principal Múltipla: É uma estratégia na qual 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.  

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 nestes sistemas e que promove o aumento da temperatura dos gases de escape necessário à regeneração do filtro de particulado.  

Funções Básicas do Monitor do Sistema de Combustível – Ciclo Diesel 

Em sistemas “common-rail”, o monitor do sistema de combustível tem como funções básicas: 

1- Controle da pressão de combustível na rampa (“common-rail”). 

2- Ajuste da massa de combustível: controle da quantidade injetada de combustível e da duração ou tempo de injeção. 

3- Balanceamento de combustível ou de contribuição de cilindro. 

4- Compensação dos injetores. 

5- Verificação do código de calibração do injetor. 

1- Controle da pressão de combustível - Como mencionado acima, a “pré-combustão” provocada pela injeção piloto 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. 

2- Ajuste de Massa de Combustível - É feita utilizando um algoritmo matemático para detectar variações (desvios) no desempenho dos injetores quanto à quantidade (massa) de combustível injetada, com relação à especificação nominal. 

O monitor utiliza a informação do sensor de oxigênio de banda larga (pré-catalisador oxidante) 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. 

3- 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.  

Em resumo, o objetivo é ajustar 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.  

O controle do balanceamento de combustível opera em malha fechada em condições de rotação e carga determinadas. Por exemplo, o controle é ativado para rotação entre 500 e 3.000 rpm e uma quantidade comandada de injeção entre 3,5 e 90 mg/ciclo. 

 Na maior parte (se não todos) dos casos, o procedimento de equalização pode ser realizado através de scanner. É recomendado pelos fabricantes após a troca de injetores e geralmente, o teste/procedimento é identificado como “aprendizado de pequenas quantidades de injeção”.  

O balanceamento de cilindro ajuda a: 

 - Diminuir a emissão de particulado e evitar o entupimento do filtro de particulado. 

- Melhorar o consumo. 

- Diminuir o nível de ruído, característico do motor diesel.  

4- Compensação dos Injetores ou Calibração de Combustível “Zero” - É um algoritmo utilizado pelo monitor do sistema 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. 

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

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.  

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