m Electronic Engine Control Unit – FST 2007/2008 José Miguel Monteiro Guerra (53735) Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Prof. Marcelino Santos Orientador: Prof. Francisco Alegria Co-orientador: Prof. Moisés Piedade Vogal: Prof. António Serralheiro Novembro 2009
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Electronic Engine Control Unit – FST 2007/2008
José Miguel Monteiro Guerra
(53735)
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Júri
Presidente: Prof. Marcelino Santos
Orientador: Prof. Francisco Alegria
Co-orientador: Prof. Moisés Piedade
Vogal: Prof. António Serralheiro
Novembro 2009
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Resumo
Resumo
Motivado pela participação na Formula SAE series (FSAE), projectou-se, desenvolveu-se e
testou-se um módulo electrónico de correcção da injecção de combustível para um veículo de
competição automóvel, no Instituto Superior Técnico. O sistema tem como objectivo dar resposta às
necessidades operacionais do motor, reduzindo o investimento da equipa nesta área em relação aos
anos anteriores e criar uma base sólida para o desenvolvimento à medida de uma unidade de
controlo de motor completa, com construção interna.
O presente trabalho consiste no projecto do hardware para condicionamento de sinal,
desenvolvimento de software num dsPIC30f, com uma estratégia baseada num processo de
engenharia reversa, e o desenvolvimento em Visual C# de uma aplicação gráfica de interface para a
comunicação entre o módulo de injecção e um computador pessoal (PC). Este é, naturalmente, um
projecto multidisciplinar e, portanto, o autor necessitou de estudar a área mecânica directamente
relacionada com o controlo de injecção, o que também é apresentado neste documento.
O módulo desenvolvido deve ser capaz de operar no severo ambiente automóvel, com as
suas interferências electromagnéticas e vibrações mecânicas. Assim, construiu-se e testou-se
sistematicamente um protótipo do módulo, com um simulador e o motor CBR600 f4i que equipa o
veículo FSAE do Instituto Superior Técnico. Os testes finais tiveram lugar num banco de potência
com um sensor de oxigénio de escape. O módulo desenvolvido é capaz de corrigir a quantidade de
combustível calculada pela ECU standard, possibilitando melhorias de desempenho do motor até
4 Cv.
Palavras-chave: Injecção de combustível, relação Ar/Combustível, rotação do motor, UEC,
Sensor de posição de acelerador, Formula Student.
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Abstract
Abstract
Motivated by the participation in the Formula SAE series (FSAE), an electronic fuel injection
correction module was designed, developed and tested on a racing vehicle at Instituto Superior
Técnico. The system has the goal to fill the operational needs of the vehicle engine, reducing the
investment of the team made in this area compared to previous years and to create a solid base for
the development of a whole custom engine electronic control unit built in-house.
The present project consists on the hardware design for signal conditioning, a dsPIC30f
software development with a reverse engineering based strategy, and a GUI development in Visual
C# for communication between the injection module and a personal computer (PC). This work is,
naturally, multidisciplinary and so the author needed to study the mechanical issues directly connected
to the fuel management, which are also presented on this report.
The developed module must be able to operate in the harsh automotive environment, with its
electromagnetic interferences and vibrations. So, a prototype was built and systematically tested with
a simulator and the CBR600 f4i engine that equips the Intituto Superior Técnico 2009 FSAE vehicle.
The final tests were made in a dynamometer with an exhaust oxygen sensor. The module is able to
correct the amount of fuel that the standard ECU calculates for the engine, enableing an engine
performance improvement of up to 4 hp.
Keywords: Fuel Injection, Air/Fuel ratio, engine speed, ECU, throttle position sensor, Formula
Student.
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Índice
Resumo .................................................................................................................................................... ii
Abstract.................................................................................................................................................... iv
Lista de Figuras ..................................................................................................................................... viii
Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xi
Lista de Acrónimos ................................................................................................................................. xii
Descrição dos objectivos do trabalho, do seu enquadramento e das razões que o motivaram.
Introdução à competição Formula Student e à equipa do Projecto FST. Apresentação do Estado da
Arte e da decisão sobre o rumo tomado.
Equation Chapter (Next) Section 1
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1.1 Objectivos
O presente documento visa descrever um trabalho que consiste no projecto e concepção de
um módulo de injecção de combustível para um motor de combustão e representa o início do que se
espera ser uma sequência de trabalhos inseridos no tema, Unidade Electrónica de Controlo. O
trabalho desenvolvido deverá poder equipar o monolugar FST 03, concebido pela equipa do Projecto
FST, a competir na Formula Student.
A par com os projectos de aquisição de dados e telemetria, esta é uma área pioneira no
Projecto FST, que até então desenvolvia apenas projecto mecânico. A crescente exigência e
competitividade da prova, leva à necessidade de alargar o âmbito à área de electrónica, como
complemento essencial do projecto mecânico (ao nível de desempenho e de detecção de problemas)
e enriquecimento do conhecimento da equipa e do produto final, com aumento de produção na
universidade.
Assim, o trabalho consiste no projecto e construção de um módulo de correcção da injecção
de combustível do motor Honda CBR600 f4i. O módulo deverá ter funcionamento comprovado e
permitir a redução do investimento da equipa nesta área da electrónica. Por outro lado, o trabalho
deverá ter em conta que é um ponto de partida para projectos sucessores e, como tal, deve contribuir
como base sólida e apresentar um estudo breve sobre o funcionamento da gestão de funcionamento
do motor.
1.2 Organização do Documento
O documento está dividido nos seguintes capítulos:
Capítulo 1. Introdução - descrevem-se os objectivos e âmbito do trabalho realizado.
Explica-se brevemente a competição Formula Student e introduz-se a equipa do Projecto FST.
Descreve-se a motivação para o trabalho realizado e o estado da arte desta área da
electrónica, orientado à competição. Apresenta-se o conceito geral do módulo desenvolvido, a
sua relação com o sistema de propulsão do protótipo FST 03 e a sua arquitectura;
Capítulo 2. Gestão de Funcionamento do Motor – apresenta-se o estudo realizado
sobre o funcionamento de um sistema de gestão electrónica de um motor, orientado à injecção
de combustível. Descrevem-se os sensores e actuadores utilizados no projecto desenvolvido.
Descreve-se brevemente o funcionamento do módulo de injecção anteriormente utilizado pela
equipa e que será substituído;
Capítulo 3. Engenharia Reversa do Módulo de Controlo de Injecção – descreve-se o
simulador construído para testar o módulo em bancada. Descrevem-se, em seguida, os
ensaios e os seus resultados que levam à formulação do algoritmo geral de funcionamento do
sistema desenvolvido;
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Capítulo 4. Sistema Desenvolvido – documenta-se o projecto e implementação de
software e hardware do módulo de injecção desenvolvido;
Capítulo 5. Aplicação para Gestão dos Mapas de Injecção – descreve-se a
implementação da aplicação auxiliar para a afinação dos parâmetros do módulo de injecção a
partir de um PC;
Capítulo 6. Testes e Resultados - são referidas as características principais do sistema
e confirma-se que responde aos estímulos de entrada da forma pretendida. Apresentam-se os
resultados dos testes feitos em banco de potência e as potencialidades do módulo
desenvolvido;
Capítulo 7. Conclusões – Faz-se um resumo geral do que foi dito no documento e
apresentam-se sugestões para trabalho futuro;
Anexos:
Anexo A Circuito do dsPIC – Apresentação do circuito do dsPIC e portos utilizados;
Anexo B Circuito de Regulador de Tensão – Apresentação do esquema eléctrico do
circuito do regulador de 5 V;
Anexo C Funcionamento do Banco de Potência – Explicação do modo de obtenção
da característica de potência no banco utilizado para os testes finais.
1.3 A Competição
As competições FSAE, organizadas pela Society of Automotive Engineers1, iniciaram-se em
1980 sendo dedicadas a estudantes de engenharia e outras áreas relacionadas directamente com a
indústria automóvel.
O conceito da competição é a criação duma indústria fictícia que pretende produzir em série
um carro de competição do tipo fórmula, destinado a competidores não profissionais de “fim-de-
semana”. Neste contexto, as equipas de estudantes participam projectando, construindo e testando
um protótipo sujeito a um regulamento que assegura a segurança do veículo, pilotado pelos próprios
estudantes, mas que também permite a criatividade e inovação na abordagem a problemas reais da
engenharia automóvel.
Num evento FSAE, as equipas terão de concorrer numa série de provas, divididas entre
provas estáticas e dinâmicas. As provas estáticas compreendem a análise do projecto do veículo,
custos de produção em série e a capacidade da equipa de convencer a indústria de que o seu
modelo deve ser produzido. As provas dinâmicas avaliam todos os aspectos de comportamento e
capacidades do protótipo, em testes de aceleração linear e lateral, culminando numa prova de
1 SAE - Sociedade de Engenheiros de Automóveis, fundada em 1905 nos Estados Unidos com o
propósito de estabelecer normas para a emergente tecnologia automóvel e promover o intercâmbio de ideias e experiências em todo o tipo de veículos rodoviários.
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resistência de 22Km, efectuada num percurso de carácter sinuoso. A cada prova é dada uma
pontuação, sendo vencedor do evento a equipa que apresentar a maior soma total de pontos de
todos os eventos (não necessariamente o carro mais rápido em pista ou o mais avançado
tecnologicamente). A competição permite ainda a participação em 4 classes, distinguindo os
protótipos em projecto e construção que participam apenas nas provas estáticas, como os carros em
competição que concorrem também nas provas dinâmicas.
Figura 1. Projecto FST nas competições Formula Student.
Contando com mais de 300 equipas universitárias em todo o mundo e 8 competições anuais
a terem lugar nos Estados Unidos (Michigan e West), Inglaterra, Austrália, Japão, Brasil, Itália e
Alemanha, a Formula SAE é a maior e mais competitiva prova internacional de engenharia para
estudantes.
Em 1999, um grupo de estudantes do Curso em Engenharia Mecânica do IST formou o Fórum
Mecânica, associação sem fins lucrativos, no Departamento de Engenharia Mecânica. O objectivo era
promover projectos de estudantes dentro das diversas áreas do curso, aproximar o meio académico
ao industrial e complementar o curso com actividades de carácter científico e tecnológico. De
imediato, formou-se uma equipa que visava participar nas competições FSAE, denominando-se de
Projecto FST. A primeira participação do Projecto FST foi na Fórmula Student – Inglaterra, em 2001.
Desde então e até agora, o IST esteve sempre representado anualmente nesta competição, tendo já
participado nas provas de Inglaterra, Itália e Alemanha. O primeiro protótipo, FST01, percorreu todas
as classes da competição, desde a apresentação do seu projecto em 2002 até à participação pelo 2º
ano nas provas dinâmicas (e 4º ano na competição). Ainda em 2005, simultaneamente, é
apresentado o FST02, já na classe de protótipos em construção. É com esta participação que o
Projecto FST obtém, pela primeira vez, um primeiro lugar numa prova estática (Projecto em
Engenharia). Nos dois anos seguintes, este protótipo compete nos eventos dinâmicos. Na competição
de 2006, ano em que o autor do projecto se iniciou no projecto FST, e seguindo o exemplo anterior de
acompanhar o protótipo em provas dinâmicas com a apresentação de um novo projecto, é
apresentado o FST03 que vence a classe respectiva. Com o FST03, nasce a introdução de projectos
de electrónica na equipa. Até à data de entrega deste documento, o FST03 competiu em Agosto de
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2008 na prova da Alemanha em Hockenheim, onde, pela primeira vez na equipa do projecto FST, um
protótipo terminou a prova de 22 Km no primeiro ano em que participou. Actualmente encontra-se em
fase de projecto o FST04, com uma nova equipa.
1.4 Motivação
Um dos principais pontos do regulamento é a introdução de uma drástica restrição do caudal
de ar que alimenta o motor. Este restritor tem uma superfície de escoamento de ar máxima igual à de
um círculo de diâmetro de 20 mm e não são permitidas quaisquer entradas adicionais de ar para o
motor. Para qualquer motor existente no mercado, sobretudo para motores de alto desempenho,
como são os que equipam os motociclos (motores normalmente utilizados pelas equipas), esta regra
provoca um acentuado decréscimo do ar disponível para a combustão, altera características do
sistema original que equipa os motociclos e, consequentemente, afecta negativamente as prestações
do motor. Assim, a organização pretende que as equipas desenvolvam projectos na área do motor,
para suprimirem ao máximo os efeitos causados por esta restrição.
Nos protótipos FST01 e FST02, a equipa desenvolveu apenas projectos na área de
mecânica. Os responsáveis por esta secção do monolugar, desenvolveram corpos de admissão e
linhas de escape, de forma a obter o melhor desempenho possível dentro do compromisso global que
é um projecto de engenharia desta envergadura e com o número de elementos interdependentes
presentes no veículo. A área da gestão electrónica também tinha forçosamente de ser ajustada para
a nova tipologia do sistema motor. Há falta de elementos de electrónica, as equipas anteriores
recorreram a soluções existentes no mercado, alterando exclusivamente o necessário, para dar
resposta à alteração das características do sistema. No protótipo FST03, surge a hipótese de se
iniciar um trabalho mais profundo na área da electrónica de gestão do motor, para continuar a
procurar melhorar o desempenho do motor.
A área de electrónica, no projecto FST, encontra-se dividida em três vertentes: electrónica de
gestão do motor, aquisição de dados e telemetria. O autor do presente projecto esteve, além do
presente trabalho submetido como dissertação de mestrado na área de gestão do motor, envolvido
em outras áreas de que se destacam a introdução do sistema electrónico de mudanças, que visa
facilitar a condução e permitir um melhor desempenho do veículo e a produção da cablagem eléctrica
do protótipo.
1.5 Estado da Arte
Até à data de início deste projecto, são muito raras as equipas que desenvolvem projecto
electrónico de raiz no que diz respeito à gestão de motor. Consoante a envergadura da equipa, quer
a nível financeiro, quer a nível de conhecimentos na área, ou meios técnicos disponíveis na
universidade, as equipas tomam três rumos distintos: adquirem produtos comerciais como os usados
nos protótipos FST01 e FST02, adquirem produtos comerciais que fazem a gestão completa do motor
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a nível da ignição e da injecção ou desenvolvem as unidades de controlo baseadas em sistemas
semi-comerciais open-source.
Dentro do espectro de soluções comerciais como as utilizadas pelo Projecto FST nos
protótipos anteriores existem dois produtos referência: Power Commander da Dynojet e Rapid Bike
da Dimsport Technology. Ambos permitem afinar a injecção, mantendo a unidade de controlo
standard do motor. Os sinais de saída desta última funcionam como sinais de entrada do módulo de
injecção, que por sua vez excita os injectores. Nas duas soluções, as alterações aos tempos de
injecção são tabeladas com respeito à rotação e à posição do acelerador.
Ao longo do tempo foram surgindo novas versões destes módulos. Neste momento,
disponibilizam funções adicionais de correcção do ângulo de ignição e oferecem a possibilidade de
montar um sistema em malha-fechada com uma sonda lambda. É também possível mapear
isoladamente cada cilindro, o que pode ser útil em motores cuja admissão de ar não é uniformemente
distribuída, podendo causar desequilíbrios no seu funcionamento. As potencialidades continuam a
evoluir, seja ao nível da estratégia de injecção ou ao nível da interface com o utilizador. Os preços
destes módulos são superiores a €300 (à presente data).
As equipas com maior disponibilidade financeira e de meios técnicos (como bancos de
potência), optam geralmente pela utilização das denominadas centralinas2 programáveis. Estes
módulos substituem as unidades de controlo standard do motor e, ao contrário destas, permitem um
elevado grau de liberdade na alteração de parâmetros do funcionamento, como sejam mapeamento
de raíz dos tempos injecção ou da ignição. Acompanhando o avanço tecnológico dos motores e da
electrónica associada, estes módulos permitem controlar outros actuadores como válvulas de ar de
ralenti, turbos e efectuar controlo de tracção e drive-by-wire. Estes avanços, levam também a um
aumento da complexidade dos sistemas, nomeadamente no aumento da quantidade de sensores que
medem parâmetros de interesse do estado do motor. De momento, o método mais eficiente para a
troca de informação com os sensores é via CAN bus (controller area network).
A marca mais utilizada em competição é a MoTeC, que com os modelos da „hundred series’,
da M400 à M880, equipa motores de competição nas mais variadas vertentes. São exemplo disso os
Subaru WRX ou os Mitsubishi Evo. Uma outra marca também por vezes escolhida pelas equipas é a
Trijekt. Os valores de aquisição dificilmente se encontram abaixo dos €2000 (valor à presente data) e
obrigam, em determinados casos à aquisição de sensores compatíveis que substituam os standards
do motor. Por outro lado, o número de horas de utilização do banco de potência para a afinação é
muito superior em relação aos módulos descritos anteriormente e põe em causa a “saúde” do motor,
quando não são feitos por técnicos com elevada experiência.
As equipas que optam por desenvolver este tipo de sistemas, baseiam-se, geralmente, numa
centralina que tem vindo a ser construída há vários anos por uma comunidade segundo o conceito
2 Centralina é a denominação utilizada na gíria para unidade electrónica de controlo. Actualmente os
automóveis são equipados com várias destas unidades para controlo de várias áreas do desempenho e segurança. No protótipo FST, este nome está associado exclusivamente à gestão electrónica do motor.
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Open-Source, a MegaSquirt®. Este sistema segue uma filosofia de baixo custo e tem sido aplicada a
muitos modelos de automóveis e motociclos. Os testemunhos e discussões abertas realizados entre
quem adquire os componentes e o software, ajudam a criar uma base de conhecimento e a melhorar
versão após versão, o sistema. Este funciona como uma centralina programável, permitindo a
afinação da injecção e da ignição. No entanto, como se trata de um sistema que pretende ser
universal e de aprendizagem, acaba por ter de ser alterado, em determinadas situações, dependendo
do motor em que será aplicado. Assim como este, existe um outro sistema menos utilizado pelas
equipas, o VEMS - Versatile Engine Management Systems.
Tal como no caso das centralinas da MoTeC, o investimento necessário para esta área é
elevado, por necessitar de mais horas de banco de potência. Por outro lado, a decisão da equipa é
projectar um sistema de raiz, por dar maior liberdade na escolha dos componentes e ser mais
desafiante do ponto de vista didáctico.
Ao longo dos anos em que a electrónica se foi desenvolvendo no ramo automóvel, alguns
projectos na área de gestão do motor foram desenvolvidos por alunos do Instituto Superior Técnico e
serviram de base ao trabalho aqui apresentado. Em todos, o autor encontrou informação útil para o
projecto deste módulo de injecção e inclusivamente para a continuação deste trabalho para um
sistema mais complexo. No entanto, o ponto em que se pretende evoluir é a aplicação prática num
automóvel e um sistema testado e com funcionamento comprovado, visto tratar-se de um módulo de
que dependerá o funcionamento do monolugar e a sua participação em 675 dos 1000 pontos da
competição.
“O sistema de ignição e injecção foi devidamente testado em laboratório (...). Os autores
deste projecto estão conscientes que seriam necessários inúmeros testes do sistema, no ambiente
real, por forma a garantir não só a eficácia de certas estratégias de controlo (...) como garantir a
própria robustez e fiabilidade do mesmo (...).”[8]
“Conseguiram-se os objectivos propostos, com excepção do ensaio final num banco de
ensaios, que por razões alheias aos autores não pôde ser feito.” [10]
A passagem dos testes em bancada para o sistema real é, normalmente, onde surgem os
imprevistos. É objectivo deste trabalho, passar a essa fase e aprender a contornar determinados
obstáculos que por vezes são muito difíceis ou mesmo impossíveis de prever, principalmente quando
se trata um primeiro projecto de engenharia numa área muito específica.
O projecto e implementação de uma centralina completa é complexo e moroso. A aplicação
funcional no carro é um objectivo claro e, portanto deve ter-se sempre em mente aspectos práticos
como sejam os meios necessários, os custos associados e o tempo gasto.
Neste projecto é essencial a existência de um banco de ensaios e a disponibilidade de um
motor. Os próprios protótipos têm de estar totalmente funcionais para poderem ser testados, o que
nem sempre é possível, visto a própria mecânica ter de ser ajustada e portanto, muitas vezes, os
protótipos terem de ser desmontados. À data deste projecto, a equipa do Projecto FST tem acordo
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com um banco de ensaios para redução do custo de utilização e possui dois motores em bom estado
a equipar os protótipos FST02 e FST03.
Qualquer projecto ao nível da gestão electrónica do motor exige um período de testes
alargado e um risco acrescido para o seu estado de funcionamento. Dado o orçamento reduzido da
equipa, o período de testes deve ser minimizado pelos custos adjacentes ao banco de ensaios e o
manuseamento do motor deve ser feito com grande sentido de responsabilidade, dado que qualquer
erro que comprometa o funcionamento do motor poderá pôr em causa dois anos de projecto e
concepção do carro por parte de toda a equipa.
Assim, o problema é dividido em partes. Para se poder obter um sistema concluído e
testado, adopta-se uma filosofia “dividir para conquistar”, que sirva de base para as equipas
vindouras, projectando-se e construindo uma parte integrante de uma centralina completa.
1.6 Arquitectura Geral do Sistema
O módulo de injecção desenvolvido, não é um elemento isolado, no sentido em que interage
com um sistema já existente, constituído pelo motor de combustão e pela electrónica standard
(sensores e centralina). De seguida descreve-se esta interacção entre os elementos do sistema
propulsor e a arquitectura do módulo desenvolvido.
O projecto desenvolvido permite o conhecimento do funcionamento já com algum detalhe da
injecção standard do motor e o conhecimento de algumas das dificuldades da implementação
funcional de um sistema deste tipo. É mantida a estratégia de injecção implementada pela Honda,
mantendo a centralina de fábrica do motor e apenas se altera a quantidade de combustível
necessária ao correcto funcionamento do motor.
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Motor
Honda
CBR 600F4i
Módulo de
Injecção
desenvolvido
Centralina
standard
KeihinSinais de comando
de injectores
Sinais de excitação
dos injectores
Sensores
de interesse
para o
Módulo de
Injeccção
Outros sinais
Figura 2. Arquitectura do sistema.
No diagrama da Figura 2 são apresentadas as três principais partes do sistema e o fluxo de
sinais de sensores e comando de actuadores acoplados ao motor de combustão.
O bloco azul representa a centralina da Keihin, marca que habitualmente equipa os motores
tanto de automóveis como de motociclos da Honda. Para uma primeira aproximação a um sistema de
injecção, mantém-se intacta a estratégia de gestão electrónica do motor, implementada pelo
fabricante e, que, portanto, se assume livre de erros.
São deixadas intactas, todas as ligações referentes a sensores e actuadores do motor, à
excepção do circuito de excitação dos injectores, onde passa a estar intercalado o módulo de
injecção desenvolvido. Nos sinais de sensores utilizados como entrada deste último, é feita uma
ligação paralela ao sensor que não afecta os valores enviados para a centralina.
Os sinais representados a verde, sinais de comando dos injectores, representam o circuito que
previamente alimentava os injectores e que passa a funcionar como entrada do módulo desenvolvido.
A alimentação dos injectores passa a ser feita pelos sinais de excitação dos injectores, a amarelo,
que são as saídas do dito módulo.
A cinzento é representado o motor Honda CBR 600F4i, modelo utilizado desde o início pelo
Projecto FST, por ter havido uma parceria com a Honda Portugal, por ser um motor fiável e por se
manterem desde o FST01 as medidas do mesmo e portanto facilitar o desenvolvimento de novos
projectos a nível mecânico (chassis, admissão de ar, escape, suspensão e transmissão). É um motor
atmosférico, de quatro cilindros em linha com 599 cm3
e cuja rotação máxima ronda as 14000 rpm
(rotações por minuto).
A vermelho está representado o módulo de injecção desenvolvido. A sua função é permitir a
alteração da quantidade de combustível injectada no motor calculada pela centralina standard. Os
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sinais de entrada são, como já referido, os sinais de comando dos injectores e o sensor de posição
do acelerador. Os sinais de saída são a excitação dos injectores.
As alterações (correcções positivas ou negativas) feitas à quantidade de combustível injectado
no motor dependem da rotação e do valor lido no sensor de posição de acelerador (TPS – throttle
position sensor). O ganho aplicado em cada instante é calculado a partir de uma tabela (mapa) de
referência que é afinável em banco de potência. A alteração traduz-se num aumento ou diminuição
da largura de impulso de abertura dos injectores, o que se pode perceber pela leitura do Capítulo 2.
Figura 3. Funcionamento do módulo de injecção.
Na Figura 3 demonstra-se, de forma simplificada, o funcionamento do sistema. As cores da
imagem são concordantes com o diagrama da Figura 2.
A partir do sinal de entrada de comando de injectores, a verde, é possível extrair duas
informações distintas, a largura de impulso calculada pela centralina para cada injector e a rotação do
motor. No capítulo 4.2 são explicados os processos de obtenção dos valores destas variáveis. O valor
de TPS é lido directamente do sensor instalado no motor. A saída é, como explicado anteriormente,
um impulso com largura maior, menor ou igual à do impulso de entrada consoante a correcção
calculada seja superior, inferior ou igual a zero, respectivamente.
Figura 4. Arquitectura geral do módulo de injecção desenvolvido.
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O hardware do módulo de injecção pode dividir-se conforme apresentado na Figura 4. No
capítulo 4 serão apresentados e explicados em pormenor tanto o circuito de cada bloco, como o
software desenvolvido no microprocessador. Os blocos de condicionamento de sinal dizem respeito
aos circuitos de tratamento dos sinais tanto de entrada como de saída e estão ligados ao
Microprocessador onde são processadas as informações e geradas as decisões respeitantes aos
sinais de saída. O bloco de comunicação representa o condicionamento necessário à comunicação
do módulo com um PC, com o objectivo de poder afinar a tabela de correcções. Sendo a única fonte
de alimentação existente no carro uma bateria de 12 V, surge a necessidade de reduzir esta tensão
para 5 V (tensão de funcionamento dos integrados utilizados no circuito).
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Capítulo 2
Gestão de Funcionamento do
Motor
2 Gestão de Funcionamento do Motor
Introdução à teoria da gestão electrónica do motor. Explicação breve sobre o funcionamento do motor
de combustão e introdução ao parâmetro λ. Interpretação da estratégia de dosagem de combustível
standard do motor. Explicação dos principais efeitos que levam à necessidade de alterações
electrónicas no controlo do motor.
Equation Chapter (Next) Section 1
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2.1 Funcionamento Geral da Gestão de Combustível
O presente capítulo visa dar a conhecer os fundamentos básicos teóricos por detrás do
trabalho desenvolvido. É apresentado o modo de funcionamento geral de um motor de injecção
electrónica. O funcionamento mecânico incluído é o que se julga estritamente necessário ao
entendimento dos termos técnicos utilizados ao longo do documento e para ajudar o leitor a
enquadrar-se no problema.
Dada a impossibilidade de conhecer exactamente o funcionamento da unidade de controlo do
motor standard, apresenta-se uma interpretação do hardware (sensores e actuadores) com base no
estudo teórico do funcionamento geral destes circuitos e do motor. A área aprofundada é a injecção,
deixando-se a ignição para um futuro projecto, apesar desta última também ter sido objecto de
análise com alguma profundidade.
O motor de combustão interna é uma máquina térmica cujo funcionamento se traduz na
transformação de energia química em energia mecânica. Para tal, é forçada uma reacção entre os
reagentes ar e combustível (gasolina) numa câmara de combustão (cilindro).
Na figura1 acima são apresentados alguns dos elementos constituintes do motor e um ciclo
de funcionamento do mesmo. As condutas e as válvulas de admissão e de escape, a câmara de
combustão, a vela de ignição, o pistão, a biela e a cambota.
A mistura de ar com o combustível é iniciada na conduta de admissão. O ar do exterior é
aspirado para o cilindro quando a válvula de admissão abre, pelo movimento de sucção do pistão. À
chegada ao cilindro, encontram-se os injectores, responsáveis pela introdução de gasolina no
processo. Por se encontrarem antes da válvula, denomina-se o conjunto por injecção indirecta. Tal
significa que a mistura deverá ser iniciada antes do tempo de admissão, em que a válvula abre. Por
outro lado, existem 4 injectores, um para cada cilindro do motor, sendo por isso multiponto.
1 Imagem adaptada de [10].
Figura 5. Motor de combustão a 4 tempos, à esquerda. Ciclo de 4 tempos, à direita.
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Figura 6. Localização dos injectores nas condutas de admissão do motor. Injectores a preto e rail de injecção por cima, a amarelo.
A reacção química, apelidada de combustão, é iniciada aquando da ignição de uma vela no
topo do cilindro. Esta produz uma faísca eléctrica que provoca a queima do combustível. A expansão
do gás força o movimento do pistão para baixo produzindo um movimento circulatório na cambota.
Esta última é o veio responsável pela transmissão de movimento do interior do motor para o exterior.
É a velocidade de rotação deste elemento que é apelidado de rotação do motor, medida em rotações
por minuto (rpm) e que no motor utilizado varia entre a rotação de ralenti (repouso), normalmente
acima das 1000 rpm, até á rotação limiar de 14500 rpm. Este movimento da cambota é
desmultiplicado numa caixa sequencial de 6 velocidades, no interior do motor, e é levado às rodas
através de um conjunto de duas engrenagens (uma à saída do motor e outra no veio de tracção do
veículo) ligadas por uma corrente.
Figura 7. Imagem CAD do motor e transmissão do protótipo FST02.
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O trabalho fornecido à cambota traduz-se na potência do motor. Esta é o resultado da
multiplicação da rotação do motor pelo binário fornecido à cambota.
O funcionamento do motor é normalmente dividido em quatro estágios: Admissão,
Compressão, Combustão e Escape.
Na admissão, a válvula de admissão abre e a válvula de escape mantém-se fechada. O ar e o
combustível são introduzidos pelo cilindro, cujo volume vai aumentando com o movimento
descendente do pistão.
Na compressão, as válvulas de escape e de admissão estão fechadas. O movimento do pistão
é ascendente, reduzindo o volume do cilindro e aumentando, consequentemente, a pressão sobre a
mistura. Quando o pistão se encontra perto do PMS1, a vela inflama a mistura dando início à
combustão.
Na combustão, as válvulas também se encontram fechadas. Conforme descrito acima, o
aumento da temperatura e da pressão da mistura durante a compressão e inflamação, culminam na
expansão do gás e consequente movimento descendente do pistão.
No escape, a válvula dessa conduta abre e o movimento ascendente do pistão expulsa os
gases resultantes da combustão, concluindo-se um ciclo de 4 tempos.
O motor utilizado é constituído por 4 cilindros em linha, sendo tudo o acima referido, repetido
pelos 4 cilindros sincronizadamente. A cada momento, todos os 4 estados estão a ser executados em
cada um dos cilindros. Por razões de equilíbrio do motor, a sequência de funcionamento não é
consecutiva. Os dois pistões do meio, o segundo e o terceiro, deslocam-se em simultâneo e
opostamente aos das pontas, o primeiro e o quarto. Assim, se por exemplo, o primeiro cilindro se
encontra na fase de Admissão, o segundo encontrar-se-á na fase de Escape, o terceiro em
Compressão e o quarto em Combustão.
Figura 82. Movimento dos êmbolos no interior do motor.
1 PMS - Ponto Morto Superior, é o ponto mais alto que o êmbolo atinge no cilindro. O ponto de
volume mínimo. 2 Fonte: [1].
17
O motor de combustão necessita de uma mistura Ar/Combustível bem definida para operar
correctamente. Para uma combustão completa, a relação teórica entre estes dois elementos é 14,7:1.
Esta relação corresponde a uma mistura de 14,7 Kg de ar para 1 Kg de combustível. Note-se que a
relação é definida em termos de massa e não de volume.
A reacção química que conduz a uma combustão completa da mistura, dá-se para uma
relação ar/combustível mínima igual à referida anteriormente, relação que recebe o nome de
estequiométrica.
Dependendo do regime de funcionamento (carga entre outros factores) a mistura poderá variar
consoante a resposta pretendida, procurando maior potência ou menor consumo. Partindo da
referência da relação estequiométrica, quando a relação ar/combustível tem mais peso no
combustível é denominada rica, e, no caso de ter menos, diz-se pobre. Cabe ao sistema de gestão, a
decisão sobre que tipo de mistura aplicar a cada momento.
Associado ao tipo de mistura, surge um factor de medida do afastamento desta em relação à
estequiometria (14,7:1). Este factor recebe o nome de coeficiente de ar (λ) e é representado pela
equação:
ar
e
Q
Q (2.1)
Onde:
Qar, é a quantidade de ar presente na mistura;
Qe, é a quantidade de ar para cumprir a estequiometria;
e para a qual:
λ=1, a quantidade de ar admitido é igual à de ar teoricamente necessária, correspondendo a
mistura à relação estequiométrica;
λ<1, escassez de ar admitido, mistura rica. Aumento de potência até um certo limite (λ≈0,85);
λ>1, excesso de ar admitido, mistura pobre. Consumo de combustível e potência reduzidos;
λ>1,3, o limite de inflamação é ultrapassado. Deixa de haver combustão.
Figura 9. Influência do coeficiente de ar na potência (P) e no consumo específico (be).
18
O motor de combustão fornece a potência máxima para uma escassez de ar entre 5% e 15%
(λ=0,95…0,85). A redução máxima de consumo dá-se para um excesso de ar da ordem dos 20%
(λ=1,1…1,2) e um bom funcionamento do ralenti ocorre para λ=1. A Figura 91 mostra a potência e
consumo específico2 em função do coeficiente de ar para o qual os outros factores sejam os ideais.
Se, contudo, for preciso manter o coeficiente de ar dentro de limites apertados, então torna-se
necessário medir com precisão a quantidade de ar admitida para o motor, e fornecer a quantidade
exacta de combustível correspondente. A alternativa a esta medição pode ser uma estimativa
compensada com realimentação.
Em motores de competição automóvel, a afinação é feita, procurando normalmente uma
maior potência em detrimento de um menor consumo. São identificadas as regiões onde
normalmente o motor irá operar, e introduzem-se propositadamente misturas ricas. Para pistas de
competição, normalmente os regimes do motor são de rotações elevadas. No entanto, nas
competições da Formula Student, os traçados são bastante sinuosos, sendo posta à prova a
agilidade dos monolugares e não tanto a velocidade de ponta. A velocidades mais baixas, para obter
potência à saída das curvas, os motores devem operar com potências mais elevadas nas regiões de
baixa/média rotação. Para este factor, como se poderá perceber adiante, embora a electrónica
contribua, o papel principal cabe ao projecto mecânico da estrutura de admissão e escape.
Conforme referido acima, para diferentes fases de funcionamento, assim a relação
ar/combustível deve ser alterada para satisfazer o funcionamento correcto do motor. De seguida
descrevem-se alguns dos períodos ou condições relevantes e os respectivos tipos de resposta por
parte do sistema de controlo.
Arranque a frio
A velocidades muito baixas de rotação, o fluxo de ar admitido não é suficiente para fazer uma
boa mistura das partículas ar/combustível. As temperaturas baixas não há uma boa evaporação da
gasolina e ocorre condensação nas paredes frias do colector de admissão e do cilindro. Estes
fenómenos provocam o empobrecimento da mistura que tem que ser compensada com uma
quantidade adicional de gasolina. Esta compensação é feita durante algumas voltas do motor ou até
que seja atingido um limiar de rotação em função da temperatura. Para conseguir uma mistura mais
homogénea de combustível e evitar o depósito de gasolina na vela, que impede a ignição, a gasolina
é injectada mais do que uma vez por volta do motor. Durante o arranque e para velocidades de
rotação baixas, a quantidade de ar admitido por volta motor é constante e independente da rotação.
Temperatura do motor
Após o arranque a frio começa a fase de aquecimento gradual do motor. Nesta fase é ainda
necessário o enriquecimento da mistura pois parte do combustível condensa-se nas paredes ainda
frias do colector de admissão e do cilindro. Este enriquecimento é função da temperatura, da carga e
da rotação do motor. Para grandes cargas e rotação o enriquecimento é fraco.
1 Imagem adaptada de [9].
2 Representa o consumo de combustível por unidade de potência (g/kWh ou g/Cvh).
19
Durante o aquecimento do motor, existem três objectivos em conflito: a suavidade do
funcionamento, o aumento da temperatura do escape para atingir a temperatura de funcionamento de
elementos, como a sonda de gases de escape (lambda) e o catalisador e assegurar o consumo e as
emissões em valores mínimos. No projecto FST, os pontos em foco são o funcionamento suave e o
consumo (não tão importante como o anterior), já que não existe limitação nas emissões de escape e
o veículo não está equipado com sonda lambda nem com catalisador.
Ralenti
A rotação de ralenti, ou repouso, é normalmente baixa, mantendo um funcionamento suave. Há
dois tipos de controlo para este modo, por ignição ou por quantidade de ar. No motor CBR600 F4i é
utilizado o segundo tipo. A rotação do ralenti nas injecções é controlada por uma válvula de ar
adicional. Esta fornece uma quantidade de ar adicional ao motor fazendo um bypass à borboleta do
acelerador. Abrindo mais a válvula, o motor tem mais ar e aumenta a rotação, assim, como fechando
a válvula a rotação diminui. A injecção é sempre feita de acordo com o ar admitido. Deste modo
torna-se possível fazer o controlo da rotação de ralenti de acordo com a carga a que o motor está
sujeito, como seja por exemplo, uma carga elevada do sistema eléctrico. Por razões de consumo, a
rotação de ralenti deve ser a mínima possível. No entanto, em automóveis de competição é natural
que esta assuma valores superiores, mais próximos dos valores de funcionamento em pista.
No protótipo FST, não é permitida por regulamento a utilização de um bypass na admissão de
ar, razão pela qual, a válvula borboleta é afinada de modo a permitir sempre um fluxo de ar tal que
permita a estabilização do ralenti.
Carga máxima
Em regime de carga máxima, o objectivo é a obtenção da máxima potência, pelo que o
consumo passa a ser secundário. A mistura é então enriquecida em toda a gama de rotações,
obtendo-se o máximo binário disponível. Este é obtido com misturas na gama λ=0,9…0,95.
Transição
Este modo compreende as fases de aceleração e desaceleração.
Se a borboleta do acelerador abrir abruptamente, a uma rotação de motor constante, a mistura
vai empobrecer momentaneamente. Então, é necessário enriquecer a mistura num curto espaço de
tempo, para que a transição se faça suavemente, sem solavancos e com um tempo de resposta
reduzido. A taxa de mudança da carga e do ângulo da borboleta são usados para determinar a
quantidade de combustível durante a aceleração. Esta correcção é tanto maior quanto menor for a
temperatura do motor. O coeficiente de ar toma valores na gama λ=0,85…0,75.
Na desaceleração não existe necessidade de binário. Pode cortar-se alimentação de
combustível até haver mudança no TPS ou a rotação estar próxima da rotação do ralenti.
Flutuações da tensão da bateria
A tensão da bateria é particularmente importante, pois dela depende a quantidade de
combustível fornecido, nas injecções. O injector é uma válvula electromagnética que abre e fecha
20
muito rapidamente. O atraso na abertura depende bastante da tensão da bateria, sendo portanto
necessário fazer uma compensação com a tensão que a comanda. O tempo de injecção é
prolongado com a queda da tensão da bateria.
A gestão da quantidade de combustível é desempenhada electronicamente. Na evolução do
sector automóvel, a implementação através da electrónica suplantou as opções mecânicas utilizadas,
nomeadamente por permitir uma monitorização do estado do motor e, portanto, poder dar uma
resposta mais eficaz aos diferentes regimes e modos de funcionamento do mesmo.
A complexidade dos sistemas utilizados hoje em dia é variável, dependendo da utilização do
motor. Além disso, para cumprir o mesmo objectivo, existem diferentes opções quer a nível de
hardware (tipos de sensores) quer a nível de estratégias (algoritmos de decisão de actuação).
Actualmente, com a preocupação com o consumo e emissões de escape dos veículos, existem
sistemas de elevada complexidade e são tomados compromissos que podem afectar o desempenho
do veículo.
De um modo geral, uma UCM – Unidade de controlo de motor – é um sistema que comporta
leitura de sensores que equipam o motor e decide o modo como actua sobre um conjunto de
actuadores. Na figura abaixo é apresentado o sistema standard que equipa o motor do projecto FST.
Apenas estão representados os sensores e actuadores que equipam de facto o protótipo
FST03. Alguns elementos como a válvula de retorno de gases de escape são eliminados por
regulamento da prova. Ao longo do documento as referências aos sensores representados serão
feitas através dos seus acrónimos:
Figura 10. Diagrama de blocos de centralina do FST03.
21
RotaçãoRPM1 – Rotações Por Minuto;
Pressão absoluta MAP – Manifold Air Pressure;
Temperatura do motor ECT – Engine Colant Temperature;
Temperatura do ar IAT – Intake Air Temperature;
Posição do acelerador TPS – Throttle Position Sensor;
A gestão da injecção tem como princípio de funcionamento, o cumprimento de uma
determinada relação Ar/Combustível pré-definida para um determinado ponto de funcionamento do
motor. Este é conseguido através do doseamento do combustível, dada a massa de ar admitida pelo
motor naquele momento. A massa de combustível injectada cumpre a equação:
/
AmFm
A F (2.2)
onde Fm é a massa de combustível a injectar, Am a massa de ar admitida e A/F a relação
ar/combustível estabelecida.
O conhecimento da massa de ar admitida a cada instante de injecção é, então um ponto de
grande importância para o correcto funcionamento do motor. No sistema implementado, a massa de
ar é calculada a partir do cálculo da sua densidade e do conhecimento do volume que ocupa no
cilindro.
Am Av Ad (2.3)
Onde:
Am, é a massa de ar admitida;
Av, volume máximo disponível no cilindro;
Ad, densidade do ar admitido.
O fundamento teórico em que assenta o cálculo da densidade do ar admitido é a lei dos
gases perfeitos. Esta é aplicada a um dado cilindro de volume V [dm3], conhecidas as condições de
temperatura do ar média T [ºK] e a pressão média no interior do cilindro P [bar].
P V n R T (2.4)
Onde:
R = 0,083148 bar.dm3.mol
-1.K
-1;
n, número de moles do gás (ar).
O estudo sobre a composição química das moléculas do ar, constituído essencialmente por
Nitrogénio, N2 e Oxigénio, O2, no caso de se considerar ar seco, afasta-se do âmbito deste projecto.
No entanto, para um qualquer composto químico sabe-se que a sua massa molar é a soma da
contribuição das massas molares de cada um dos componentes que o constituem. Para uma
1 Ao longo do documento o autor refere-se ao parâmetro rotação através de RPM (maiúsculas) e à
unidade de medida rotações por minuto através de rpm (minúsculas).
22
determinada quantidade do composto, medida em moles, tem-se que a sua massa total é o produto
da massa molar do composto pelo número de moles presente na amostra.
( )arm M ar n (2.5)
Partindo destas duas últimas equações, a densidade do ar traduz-se:
3( ) [Kg.dm ]ar
ar
m P PM ar K
V T R T
(2.6)
Uma função dependente dum valor constante K, e de dois parâmetros variáveis e controlados
por sensores, pressão, P, e temperatura, T.
Dada a densidade do ar, através dos dois parâmetros atrás referidos, resta calcular o volume
disponível no cilindro onde o composto se vai alojar misturado com a gasolina. Numa primeira
aproximação, o volume poderia ser calculado dividindo a cilindrada total do motor pela sua
distribuição, ou seja pelo número de cilindros. No entanto, a massa de ar admitida não é aquela que
resulta de preencher completamente o volume do cilindro com ar nas condições de pressão e
temperatura exteriores ao motor. Regra geral, a quantidade de ar admitida é menor.
Define-se rendimento volumétrico, ηv, como sendo a razão entre a massa de ar que fica retida
em cada cilindro e a massa de ar correspondente ao volume de cilindrada individual completamente
preenchida com ar nas condições de pressão e temperatura exteriores ao motor. O rendimento
volumétrico traduz assim o desempenho do sistema de admissão1.
av
ar c
m
V
(2.7)
Onde Vc é o volume do cilindro e ma é a massa de ar retida no fim da fase de admissão. Esta
última depende de diversos parâmetro que, embora não actuem de forma independente, é possível
individualizar e analisar os seus efeitos separadamente sem grande perda de rigor.
Considerando uma situação ideal de um rendimento volumétrico de 100%, a Figura 11 mostra
como o influenciam vários efeitos de a) a f), para uma situação de carga máxima e ao longo da
variação da rotação do motor. A traço contínuo encontra-se representada a curva final. De seguida
descreve-se brevemente cada um dos efeitos considerados.
1 Note-se que outros sistemas também influenciam de forma significativa este desempenho,
nomeadamente o sistema de escape.
23
Figura 111. Diagrama qualitativo que ilustra os efeitos que modificam o rendimento volumétrico.
a) O ar admitido no cilindro não se encontra isolado. Este é acompanhado de vapor de água e
de gasolina. Assim o volume disponível é ocupado pela mistura dos compostos e não pelo ar
isoladamente. A influência do vapor de água é, geralmente, muito pequena. Já a do combustível pode
ser pouco significativa, mas nalguns casos atinge valores consideráveis.
b) O ar que fica retido no cilindro quando termina a admissão não está à temperatura ambiente.
Por um lado sofre um abaixamento de temperatura devido à vaporização do combustível líquido, por
outro lado é aquecido pelas paredes quentes das condutas de admissão e da câmara de combustão.
Como resultado destas duas componentes o ar admitido aquece e, consequentemente, a sua
densidade diminui. Este aumento da temperatura diminui quando a velocidade do ar aumenta, isto é,
quando aumenta a velocidade de rotação do motor.
c) O ar de admissão no seu escoamento para o interior do cilindro vai sendo sujeito a perdas de
carga, quer singulares em cada “acidente” de percurso quer em linha. Assim, a pressão no interior do
cilindro é inferior à pressão atmosférica. Também no escoamento do gás de escape se têm perdas de
carga, pelo que a pressão no interior do cilindro durante o escape impulsionado é superior à pressão
atmosférica. Esta sobrepressão no escape é muito importante no desempenho do sistema de
admissão porque, se o gás de escape sair com uma elevada sobrepressão, o gás residual fica a uma
pressão elevada, diminuindo a quantidade de ar fresco que pode ser admitida.
As perdas de carga num escoamento turbulento completamente desenvolvido são
proporcionais ao quadrado da velocidade do escoamento e à densidade do fluido. A maior
contribuição para as perdas de carga é a passagem em válvulas, como a borboleta. De facto, é
através desta que se controla a carga do motor. Para qualquer que seja a rotação, o rendimento 1 Fonte: [7].
24
volumétrico aumenta com a abertura da borboleta, mas esse aumento é muito maior para pequenas
aberturas. Nestes casos, a importância relativa da perda de carga é muito grande face à dos outros
efeitos que condicionam o rendimento volumétrico.
Figura 121. Variação da eficiência volumétrica com abertura da borboleta, ao longo da rotação.
Este efeito da borboleta é importante para as decisões que se tomam ao longo do projecto
desenvolvido.
d) A maior velocidade do gás de admissão é atingida na zona de área mínima de passagem.
Nos regimes mais elevados e durante uma parte do tempo de admissão o ar atinge condições
sónicas na passagem desta zona. Quando se atinge a velocidade do som, o caudal deixa de ser uma
função da diferença de pressão a montante e a jusante dessa área mínima de passagem. Então,
durante o período em que existem condições sónicas, um aumento da velocidade do êmbolo não
pode provocar um aumento do caudal de ar de admissão. Esta manutenção de caudal para um
aumento da velocidade do êmbolo corresponde a uma efectiva diminuição de admissão de ar por
ciclo. Verifica-se, assim, que o aparecimento de condições sónicas na passagem da válvula se traduz
numa redução do rendimento volumétrico.
À medida que a velocidade de rotação do motor vai aumentando, o período em que ocorrem as
condições sónicas vais aumentando, provocando uma diminuição cada vez mais acentuada do
rendimento volumétrico. Estas perdas sónicas são, geralmente, a contribuição mais importante para a
diminuição do rendimento volumétrico nos regimes mais elevados.
O regulamento da Formula Student impõe a utilização de uma área máxima de passagem de ar
de um círculo de diâmetro 20 mm. Para o motor utilizado no protótipo FST 03 esta dimensão
representa uma restrição à passagem do ar muito superior ao corpo admissão original. Assim, as
1 Fonte:[7].
25
condições sónicas são atingidas muito mais cedo limitando a eficiência volumétrica do motor a
valores inferiores aos apresentados pelo sistema com a admissão original, o que se reflecte na
potência como se poderá verificar nos resultados finais. É esta a razão pela qual, no fundo, a gestão
electrónica do combustível deverá, obrigatoriamente, sofrer alterações face à original.
Figura 13. Imagem CAD do restritor do FST03.
e) Associado às velocidades elevadas que o ar atinge, surge um efeito provocado pela sua
inércia nos instantes perto do fim da admissão. Quando o êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior a
entrada do ar não termina. Pelo contrário, dada a sua inércia, esta mantém-se e vai diminuindo com o
tempo, beneficiando o rendimento volumétrico. Este tempo, depende da inércia do gás, logo da sua
velocidade e, portanto, da rotação. Quando o êmbolo inicia a ascensão, por outro lado, tende a fazer
o sair o gás do interior do cilindro. O resultado do balanço destes dois fenómenos depende dos
tempos de abertura e fecho das válvulas, interessando reter que dependendo das rotações de
funcionamento paras as quais o motor é projectado e sendo estes ângulos de abertura e fecho das
válvulas, fixos, estes fenómenos podem ser em determinados regimes favoráveis e noutros
desfavoráveis ao rendimento volumétrico.
Ao nível dos gases de escape verifica-se uma situação semelhante. A válvula de escape fecha
com atraso permitindo tirar partido da inércia do gás na saída do cilindro, mesmo após o Ponto Morto
Superior, mas se o atraso for demasiado, há uma aspiração de gás de escape de volta para o
cilindro. Este efeito não é tão acentuado como na admissão porque, estando o gás de escape muito
mais quente do que o gás admitido, a sua densidade é menor e, assim, a sua energia cinética é
também menor.
f) Os escoamentos nas condutas de admissão e escape estão sujeitos a grandes acelerações e
desacelerações, que os tornam pulsados. Estas bruscas variações de velocidade dão origem a ondas
de pressão. É possível tirar partido deste tipo de escoamentos para aumentar a eficiência
volumétrica.
Um dos objectivos para a melhoria do desempenho do motor é retirar o máximo de gás de
escape do interior do cilindro e introduzir o máximo de gás de admissão. As ondas de pressão podem
ajudar ou dificultar este objectivo. Relativamente ao escape, o ideal é ter uma depressão junto da
válvula de escape no fim do escape impulsionado. Relativamente à admissão, o ideal é ter uma
26
sobrepressão no fim da admissão. Para uma geometria de admissão fixa, como no FST 03, o
sincronismo entre estes fenómenos e os momentos de abertura e fecho das válvulas é um projecto
delicado e de compromisso. Há que procurar privilegiar as rotações onde o motor deverá funcionar,
sacrificando as rotações menos relevantes.
Concluindo, o rendimento volumétrico é uma característica do sistema de propulsão (admissão,
motor e escape), que deve ser conhecida aquando do desenvolvimento do projecto de controlo de
injecção de combustível. A alteração desta característica do sistema, pelas modificações
implementadas no protótipo ao nível da admissão e escape, face ao sistema standard, obriga à
alteração da gestão de combustível.
Para efeitos de controlo de injecção, a eficiência volumétrica é tabelada na centralina com
referência à velocidade de rotação do motor. O volume ocupado pela mistura é, então:
3
cf v
c
VV E dm
N (2.8)
onde:
V, é a cilindrada total do motor;
Nc, é o número de cilindros;
Ev, é a eficiência volumétrica.
Então, a massa de ar que efectivamente é admitida pelo motor, resulta da multiplicação da sua
densidade pelo volume calculado na equação anterior. A quantidade de combustível pode, então ser
calculada, conforme referido anteriormente.
A duração de excitação dos injectores, passa, normalmente por vários passos. O diagrama
abaixo pretende demonstrar um processo geral de decisão do tempo de injecção.
Figura 14. Diagrama de decisão do tempo de injecção.
27
Os passos identificados na Figura 14, após o tempo base, correspondem às situações de
funcionamento referidas anteriormente. Estas correcções são nulas, no caso do referente modo de
funcionamento não se verificar.
Para o tempo base de injecção são tomados em conta aspectos como as características do
actuador, isto é, da correspondência entre o tempo de excitação do injector e o caudal de combustível
que passa para o motor. É também tido em conta, a relação ar combustível base. As correcções
seguintes são avaliadas segundo as leituras feitas a partir dos sensores de ECT e TPS e da medição
da tensão da bateria.
O módulo desenvolvido, representa uma correcção adicional. O valor representado na Figura
14 como valor final, é o valor de entrada no módulo que, consoante o ponto de funcionamento do
motor, corrige o tempo de injecção. Pretende-se com este módulo, dar resposta às modificações
físicas que o sistema mecânico sofre em relação ao original, conforme explicado anteriormente.
Conclui-se assim, o estudo base para o dispositivo desenvolvido e para as decisões tomadas
durante o projecto. O módulo comercial que até à data deste projecto era utilizado será descrito mais
à frente.
2.2 Sensores
2.2.1 Sensor de posição de acelerador
No protótipo FST, a válvula que controla o fluxo de ar na admissão é denominada borboleta. O
veio desta válvula encontra-se solidário com o eixo rotacional de um potenciómetro que funciona
como sensor da posição do acelerador (TPS – Throttle Position Sensor).
Figura 15. Válvula Borboleta e sensor TPS (a preto).
Este sensor tem por objectivo gerar uma tensão indicadora da posição angular do acelerador.
Para tal é alimentado a 5V e é lido o valor de tensão à saída do potenciómetro que é linearmente
proporcional à posição angular em que se encontra a válvula borboleta.
28
Dadas as diferentes possibilidades de construção da válvula de admissão de ar, assim como
de afinação dos limites mínimo e máximo de abertura da mesma, é necessário proceder à calibração
do TPS aquando da montagem final no carro.
2.3 Injectores
Os injectores são os actuadores electromecânicos que permitem o doseamento da quantidade
de combustível injectada na câmara de combustão do motor.
Figura 161. Injector, à esquerda. Secção de um Injector, à direita.
O injector consiste numa válvula de solenóide. Existem dois estados: aberto e fechado.
Para abrir, uma agulha é atraída magneticamente ao alimentar-se electricamente a bobine
concêntrica com o canal de passagem de combustível. Ao deslocar-se, a agulha destapa o orifício por
onde escoa o combustível. Este último encontra-se num canal de alimentação dos injectores a
pressão regulada. O fluxo de combustível com respeito ao tempo depende do diâmetro do orifício de
saída e da pressão no canal de alimentação, logo é constante.
Para fechar, a mesma agulha retorna a tapar o orifício de escoamento do combustível,
pressionada por uma mola helicoidal.
Então, o controlo da quantidade de combustível é feito através do tempo em que o injector
está aberto. Para uma tensão de bateria de 12 V, o tempo de abertura é sempre superior a 1ms e
normalmente andará sempre num intervalo de tempo desta ordem de grandeza.
Para efeitos de controlo do injector interessa por fim conhecer o modelo eléctrico equivalente,
que se apresenta na figura abaixo.
1 Imagem da secção adaptada de figura pesquisada no google images.
Figura 17. Esquema equivalente eléctrico de um injector.
29
Este modelo é simplificado no sentido em que se consideram constantes R e L. A resistência
equivalente R apresenta valores entre 11,1 e 12,3 Ω segundo o fabricante. A existência do efeito
indutivo é relevante para o projecto do hardware de excitação dos injectores, como será explicado
mais à frente. A expressão analítica da corrente apresenta-se em baixo.
I t 1t
Vbate
R
(2.9)
Onde =L/R.
Habitualmente o circuito de excitação dos injectores recorre à utilização de um transístor MOS
ou bipolar em montagem de colector aberto, associado a um circuito de protecção do mesmo como
uma malha RC de amortecimento e/ou um díodo de Zener. No desenvolvimento do hardware, parte-
-se deste princípio, por não haver possibilidade de conhecer o circuito da centralina original do motor.
2.4 Módulo de Controlo de Injecção DynoJet
Até à data deste projecto, a equipa do projecto FST utilizava um módulo comercial de injecção,
solução chave-na-mão, desconhecendo por completo como havia sido desenvolvido e estando,
portanto, limitada às potencialidades do produto.
Este produto da DynoJet denominado Power Commander serviu de inspiração ao trabalho
realizado e foi utilizado como ponto de partida para o desenvolvimento do mesmo. No capitulo 3 é
explicado o processo de engenharia reversa feito a este módulo de modo a obter informações úteis
ao desenvolvimento do trabalho.
Este módulo permite adicionar uma correcção ao tempo de injecção calculado pela centralina.
Geralmente é utilizado em motociclos para melhorar o desempenho através da afinação da relação
ar/combustível. Os parâmetros de referência são a rotação do motor e o ângulo de abertura do
acelerador. Para as utilizações comuns, estes dois parâmetros traduzem o modo de condução do
piloto e as suas necessidades de potência. No caso do projecto FST e em competição em geral,
quando há alterações do sistema de admissão e/ou escape, estas duas variáveis são, também, as
que melhor se adequam para contornar o efeito provocado pelas alterações feitas ao rendimento
volumétrico. A rotação, porque é, normalmente, o parâmetro segundo o qual a eficiência volumétrica
é tabelada e referencia os efeitos sónicos. O TPS, porque a válvula borboleta representa a maior
contribuição para um dos efeitos que sofrem alterações, as perdas de carga, através da alteração da
geometria da admissão.
A tabela de correcções é referenciada, então por intervalos de 250 rpm, entre as 500 rpm e as
14500 rpm e por 9 valores de TPS [0%,2%,5%,10%,20%,40%,60%,80%,100%]. Os valores de TPS
não são igualmente espaçados, porque, como referido anteriormente, a eficiência volumétrica é mais
sensível a variações entre os valores mais baixos de abertura da borboleta.
30
Figura 18. Power Commander da Dynojet.
31
Capítulo 3
Engenharia Reversa do Módulo
de Controlo de Injecção
3 Engenharia Reversa do Módulo de Controlo de Injecção
Descrição do processo de engenharia reversa de software, ao qual se submeteu o módulo de
controlo da Dynojet. Implementação de um simulador do motor, para o exercício dos testes e
formulação de um algoritmo geral de controlo para implementar no sistema desenvolvido.
Equation Chapter (Next) Section 1
32
3.1 Simulador de Motor
Para permitir o desenvolvimento do projecto, assim como para permitir testá-lo em bancada
sem depender do funcionamento do motor, implementa-se um simulador de sinais necessários ao
funcionamento do sistema.
Simulador
µP
Inj.1
Inj.2
Inj.4
Inj.3
TPS
Gerador de
Funções
HP33120A
Figura 19. Diagrama do Simulador.
Conforme indicado anteriormente, os sinais de entrada do módulo de injecção da DynoJet,
assim como do módulo desenvolvido, são os impulsos de comando dos injectores e a tensão lida no
sensor TPS.
Para reproduzir os impulsos de comando dos injectores, utiliza-se um microprocessador. No
seu funcionamento base, este é programado para receber uma onda quadrada de um gerador de
sinais que serve para referenciar os 4 impulsos de saída (4 sinais de comando de Injectores). De
forma geral, o sinal de entrada pode ser dividido em grupos consecutivos de 4 impulsos invertidos
aos quais correspondem os 4 sinais de comando dos injectores pela ordem de funcionamento no
motor 1-2-4-3 e gerados em 4 portos distintos do microprocessador.
Variando a frequência do sinal do gerador, simula-se a variação da rotação do motor.
60
*4[ ]2
G
RPM
F Hz (3.1)
Na equação acima encontra-se a relação entre a frequência do sinal gerado, FG, e a rotação
(RPM) que se pretende simular. Dado um valor de RPM, divide-se por 60 segundos e por 2 rotações
correspondentes a um ciclo de 4 injecções. O produto por 4 surge devido a divisão de frequência
verificada entre a entrada e as saídas do microprocessador, conforme explicado anteriormente.
33
A duração dos impulsos de saída, assim como o momento em que são originados e a sua
quantidade por ciclo de 2 rotações, são controlados por software consoante o teste que se pretenda
realizar.
O sinal de TPS é simulado utilizando um potenciómetro linear alimentado entre 5 V e a massa
do circuito, tal como acontece no sistema real.
No simulador, as RPM e a largura dos impulsos de comando dos injectores são independentes
do valor de TPS. Tal não acontece no sistema real, sendo fácil perceber que, para diferentes
percentagens de abertura da borboleta, são admitidas concentrações diferentes de ar/combustível,
misturas cujas explosões provocam diferentes binários aplicados ao eixo da cambota e possibilidade
de alteração da rotação, dependendo de factores de atrito ou inclinação do plano onde se desloca o
carro. No entanto, para o objectivo pretendido, não é necessário contemplar a referida dependência
entre variáveis, o que torna o simulador mais simples de desenvolver.
Figura 20. Simulador de impulsos, 1 e simulador de TPS, 2.
A escolha do microprocessador recai sobre um modelo da família 18F da Microchip. Um
microprocessador de 8 bits que opera a 5 V. A escolha deve-se à facilidade de obtenção dos mesmos
através de amostras de oferta da Microchip, pelo conhecimento da programação em C dos mesmos,
pelo número de portas digitais disponíveis, pela existência de encapsulamento PDIP que permite o
desenvolvimento em breadboard e pelo material disponível em laboratório para programação de
microcontroladores da Microchip.
34
3.2 Processo de Engenharia Reversa
Existem diversas formas de atingir o objectivo pretendido no que diz respeito tanto ao projecto
de hardware como software. Embora no hardware se saiba à partida qual a função a desempenhar, é
a nível de software que surgem mais hipóteses de implementação como por exemplo no que diz
respeito ao momento, em que é lida a rotação, o momento em que se calcula a correcção, etc.
Dada a existência de um módulo comercial que executa a mesma função que o desenvolvido,
optou-se por proceder a engenharia reversa1 para extrair a informação útil ao desenvolvimento do
módulo. Sendo impossível aceder ao hardware do produto comercial, centrou-se o estudo na
obtenção de um algoritmo geral do funcionamento do programa de controlo.
Conhecida a base de funcionamento da centralina standard e do motor, configura-se o
simulador para estimular o módulo Dynojet e observam-se os sinais de saída num osciloscópio digital
com o objectivo de tirar conclusões em relação ao aspecto em estudo (cálculo do ganho, leitura da
rotação, etc).
Em todos os testes efectuados, os injectores são substituídos por resistências de 100 Ω ligadas
entre os 12 V e o terminal do sinal de saída do módulo Dynojet. Desta forma, evita-se a degradação
dos injectores provocada pelo seu aquecimento.
Nos ensaios realizados utilizam-se os aparelhos disponíveis em laboratório:
Osciloscópio - Tektronix TDS 2014;
Gerador de Funções – Hewlett Packard 33120;
Fonte de alimentação 5 V e 12 V – Metrix AX322;
À medida que os testes vão sendo realizados, formulam-se hipóteses de funcionamento. De
seguida faz-se um conjunto de testes exaustivo para tentar derrubar a hipótese proposta e formular
uma nova. Como se poderá observar, o mapeamento dos ganhos será um ponto-chave para a
obtenção de resultados úteis ao estudo a efectuar.
3.2.1 Efeitos do Ganho
A primeira fase tem como objectivo compreender a forma como é aplicada a correcção aos
impulsos de entrada. Para tal programa-se a tabela de ganhos com um determinado valor no ponto
de funcionamento (TPS;RPM) e, aplicando um sinal de excitação com frequência entre os 16 Hz e os
480 Hz (500 RPM e 14500 RPM aproximada e respectivamente), recolhe-se o sinal de saída e o sinal
de entrada no osciloscópio.
1 “Engenharia reversa: é o processo de analisar um sistema com a finalidade de criar sua representação de uma
forma diferente ou em um nível mais alto de abstração do que o código fonte.” [16].
35
Nos ensaios apresentados, Figura 21 e Figura 22, o ponto de funcionamento é RPM=3000 e
TPS=0%. Valores correspondentes, no simulador, ao valor mínimo de tensão à saída do
potenciómetro (aproximadamente 0 V) e frequência de 100Hz no gerador de funções. As correcções
estabelecidas para o estudo são 20 e -20, como é possível verificar no excerto da tabela de interface
de afinação do módulo de injecção.
Nas imagens obtidas, o sinal (1) representa a onda quadrada do gerador de funções e o sinal
(3), a saída do módulo de injecção referente a um dos injectores.
A partir da observação das figuras acima, é possível concluir dois aspectos importantes.
Figura 21. Ensaio de efeito de ganho positivo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
Figura 22. Ensaio de efeito de ganho negativo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
36
Em primeiro lugar, tanto para a correcção negativa como para a positiva, o valor do ganho
tabelado corresponde à percentagem de diminuição ou de aumento aplicada à largura de impulso de
entrada. Assim o valor mínimo a constar na tabela de ganhos será -100.
No caso da Figura 21, a largura de impulso do sinal de entrada mede 5 ms e o sinal de saída
tem 6 ms, correspondendo a um aumento de 20%. No ensaio da Figura 22, para um sinal de entrada
com a mesma largura do anterior, o sinal de saída mede 4 ms, o que equivale a uma redução de
20%. Em ambos os casos, os valores medidos são aproximados, dado verificar-se uma desfasagem
constante no valor de 250 µs (aproximadamente e visível no flanco ascendente da figura 22) entre os
flancos de entrada e de saída, que se acredita corresponder a um atraso inerente ao funcionamento
do sistema, que fundamentalmente se deverá ao tempo de cálculo do valor de saída no processador.
O segundo aspecto sobre o qual se retira conclusões prende-se com a forma como são
geradas as saídas consoante o sinal do ganho aplicado. Quando o sinal do ganho é positivo, o
impulso de saída é prolongado para além do final do impulso de entrada. Quando o sinal é negativo,
o início do impulso de saída é atrasado em relação ao início do impulso de entrada e termina com o
fim do mesmo.
É realizado um segundo estudo com o objectivo de perceber com que atraso é aplicada a
correcção, isto é, se é aplicada ao impulso de entrada actual ou se existe atraso de um ou mais ciclos
de injecções no funcionamento do módulo.
Neste estudo, os impulsos de saída do simulador, têm a mesma largura que os impulsos da
onda quadrada do gerador de funções. Trabalha-se sempre com um valor fixo de TPS e faz-se variar
bruscamente a frequência do sinal do gerador entre dois valores pré-determinados. No mapa de
ganhos, na coluna do valor de TPS de trabalho, programa-se um ganho constante ao longo da
rotação. Fazendo variar a frequência do sinal do gerador de funções, altera-se directamente a largura
dos impulsos, mas a correcção aplicada mantém-se igual, visto ser constante ao longo da rotação.
Com um osciloscópio digital captam-se os sinais de entrada e saída num momento de transição da
frequência para se poder observar os resultados.
Nos testes apresentados abaixo, Figura 23 e Figura 24, os sinais (1) são a saída do gerador e
(3) são uma das saídas do módulo. O ponto de funcionamento tem TPS=0% e rotação que tem como
ponto de partida as 6000 rpm e como valor final as 3000 rpm, 100 Hz e 200 Hz no gerador de
funções, respectivamente.
37
Pela análise dos sinais, é possível concluir que tanto para os ganhos positivos como para os
ganhos negativos o cálculo da largura de impulso de saída é feito a partir do impulso de entrada
anterior do mesmo injector.
Verifica-se nos dois ensaios, o tempo de prolongamento do impulso de saída como o atraso
no início do mesmo, respectivamente, têm uma duração constante, embora o impulso de entrada
tenha o dobro da duração. Concretamente, com um ganho de 40% ou -40% a o tempo de correcção
para um impulso de 2,5 ms é de 1 ms e para um impulso de 5 ms é de 2 ms. O valor de correcção
que se observa é para os dois casos de 1 ms, no impulso de 5 ms.
Figura 23. Ensaio de variação de rotação com ganho constante. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
Figura 24. Ensaio de variação de rotação com ganho constante. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
38
Em determinados caso, quando existe redução brusca da largura de impulso de um ciclo para
o outro e se aplica uma correcção negativa, pode não existir injecção à saída do módulo. Tal
acontece, se o instante calculado para o início do impulso de saída ocorrer após o fim do sinal de
entrada.
Para exemplificar este fenómeno apresenta-se, na Figura 25, um teste com ganho constante
de -85, TPS=0% e um salto de rotação de 6000 rpm para 3000 rpm com o intuito de forçar a variação
da largura de impulso.
3.2.2 Variação do Ganho com a Rotação
Após o estudo sobre a influência da correcção nos sinais, interessa perceber como esta
deverá variar em relação aos parâmetros de funcionamento do motor, RPM e TPS. Neste capítulo
tratar-se-á da variação com RPM.
Para este estudo, a largura dos impulsos de saída do simulador é constante. Estes estão
sincronizados com o início dos impulsos do gerador de funções, mantendo-se a correspondência
entre frequência do sinal gerado e rotação, descrita anteriormente. Trabalha-se sempre com um valor
fixo de TPS e faz-se variar a frequência do sinal do gerador entre dois valores pré-determinados. No
mapa de ganhos, na coluna do valor de TPS de trabalho, tabelam-se dois valores diferentes para a
rotação inicial e final do ensaio. Fazendo variar a rotação, altera-se directamente o ganho. Com o
osciloscópio digital captam-se os sinais de entrada e saída num momento de transição da frequência
para se poder observar os resultados.
Durante os testes, Figura 26 e Figura 27, deve haver o cuidado de, nos campos intermédios
entre a rotação de partida e a de chegada, se programar o ganho que se pretende final no ensaio.
Isto porque assim se garante que qualquer que seja a rotação lida no momento de transição de
frequência, a correcção aplicada será a que se programou como final.
Figura 25. Ensaio de variação de rotação com ganho constante e omissão de impulso de saída. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
39
Nas figuras, Figura 26 e Figura 27, o TPS é mantido a 0% e a rotação varia entre 3000 rpm e
as 6000 rpm. Os sinais representados são o sinal do gerador de funções (1), o sinal de saída do
simulador (2) e o sinal de saída do módulo respeitante ao Injector 4 (3).
No primeiro teste quando se verifica alteração na frequência do sinal gerado, o impulso
apresentado de saída pouco se distingue do impulso de entrada (vermelho), dada a escala temporal
definida no osciloscópio, evidenciando que a correcção se mantém a 20%. Já no segundo teste, o
primeiro impulso de saída do Injector 4 (terceiro na sequência de injecções de um ciclo) após
variação da frequência do sinal do gerador, apresenta uma diferença em relação ao anterior.
Sabendo-se previamente que a largura de impulso usada para o cálculo do tempo de injecção é a do
impulso anterior, conclui-se que o ganho evoluiu para 60.
Figura 26. Ensaio de variação de ganho com rotação antes de leitura do primeiro sinal de entrada. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
Figura 27. Ensaio de variação de ganho com rotação após leitura do primeiro sinal de entrada. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
.
40
Ao fim de alguns testes para os 4 injectores, conclui-se que o efeito da alteração do ganho
(concordante com a variação da frequência do sinal) só é notado após passagem pelo primeiro
injector, o que denuncia o facto de apenas nesse momento ser lida a rotação e portanto só aí ser
recalculada a nova correcção.
Ao nível de funcionamento do motor a leitura da rotação é, então, feita a cada ciclo de 4
injecções, ou seja, a cada duas voltas do veio da cambota.
De seguida fazem-se simulações com a mesma base das anteriores, mas com mudança de
sinal no ganho entre a rotação de partida e a de chegada. Assim pretende-se perceber melhor o
funcionamento do módulo numa situação mais aproximada à aplicação real.
Figura 28. Ensaio de transição de ganho negativo para positivo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
Figura 29. Ensaio de transição de ganho positivo para negativo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.
41
Nos ensaios acima representados, o impulso de saída lido é o do Injector 1. Sendo neste que é
lida a rotação, é também aquele para o qual terá maior interesse conhecer as transições de sinal do
ganho.
Nos casos em que se verifica variação do ganho de negativo para positivo, também durante a
leitura do impulso de entrada, o impulso de saída é iniciado de acordo com o cálculo para o ganho
negativo e é prolongado para além do fim do sinal de saída o tempo calculado com referência ao
ganho positivo.
Nos casos em que se verifica mudança de sinal do ganho de positivo para negativo durante a
leitura do impulso de entrada, o impulso de saída, que já havia sido iniciado, não é prolongado após o
fim do sinal de entrada.
3.2.3 Variação do Ganho com a Posição de Acelerador
Após estudar-se o efeito da variação das RPM no cálculo do ganho, estuda-se a variação deste
com a posição angular do acelerador.
Para efectuar os testes, utiliza-se um gerador de funções suplementar que substitui a o
simulador do sensor de posição do acelerador. A análise divide-se em dois testes. No primeiro
pretende-se perceber se o valor de TPS só tem efeito a cada ciclo de injecções ou se pode influenciar
isoladamente cada injector. No segundo, estuda-se o efeito da variação do ganho durante a leitura de
um impulso isoladamente.
A Figura 30 representa o primeiro dos dois testes referidos. A simulação do valor de tensão do
sensor TPS é feita com um sinal dente-de-serra com amplitude entre 0 V e 5 V e com frequência
baixa o suficiente para incluir um ciclo de 4 injecções num período. Para a rotação a que o teste se
desenvolveu, 3000 rpm, tabelam-se vários ganhos de modo que seja possível observar diferenças
entre as larguras dos impulsos de saídas consecutivas.
Figura 30. Variação do ganho com o TPS ao longo dum ciclo de injecções.
42
A linha (4) representa o sinal de excitação do TPS, as (2), (1) e (3) representam 3 impulsos
sequenciais do ciclo de injecções. Dada a limitação do osciloscópio a 4 canais, opta-se por
representar deste modo, sendo suficiente para o estudo efectuado.
A partir deste ensaio, é possível concluir que a variação do TPS tem, então, efeito no cálculo
do ganho para cada injecção isoladamente, o que indica que o valor do sensor é adquirido várias
vezes ao longo do ciclo de duas rotações.
No segundo ensaio, o ponto de funcionamento do sistema mantém-se ao nível da rotação
mas o sinal de simulação do TPS passa a ser uma onda quadrada com uma frequência tal que existe
uma mudança de flanco durante a leitura de um impulso de entrada. O objectivo é perceber se uma
variação brusca de TPS, terá consequências durante a execução de um impulso. Como é esperado
que o circuito de leitura do TPS tenha um filtro passa-baixo, os valores de correcção são disposto ao
longo da coluna da respectiva rotação de teste de tal modo que tenham sinais contrários para acima
e abaixo do valor médio do TPS.
Na Figura 31 representam-se o sinal de excitação do sensor de posição de acelerador, (4),
um impulso de entrada, (2), e o respectivo sinal de saída, (3).
Como é possível verificar pela figura, fica confirmada a leitura do valor de TPS durante o
processamento do impulso de entrada, evidenciada pelo facto de o impulso de saída começar por
corresponder a um efeito de uma correcção negativa e ser prolongado para além do final do sinal de
entrada conforme sucede para uma correcção positiva.
Fica assim determinado o funcionamento geral do sistema comercial que servirá de base
para o algoritmo utilizado no sistema desenvolvido.
Figura 31. Variação do ganho com o TPS e efeito durante uma injecção.
43
Capítulo 4
Sistema Desenvolvido
4 Sistema desenvolvido
No presente capítulo apresenta-se o projecto e implementação do módulo de injecção desenvolvido
ao nível do hardware e do software.
Equation Chapter (Next) Section 1
44
4.1 Hardware
4.1.1 Microcontrolador
No projecto desenvolvido, a escolha do microcontrolador tem de contemplar vários aspectos.
Na decisão tomada tem-se sempre em conta que o projecto deve poder ser expansível e que o
processador é um dos pontos fulcrais para que o desenvolvimento até determinada fase não tenha de
ser totalmente refeito por constrangimentos associados ao défice de capacidades daquele.
Durante o processo de pesquisa de mercado encontraram-se várias soluções como, por
exemplo, o modelo 68HC908GP32 da Motorola utilizado em unidades de controlo de motor ou
modelos da Texas Instruments utilizados noutros projectos semelhantes ao desenvolvido. No entanto,
estes acabam por servir como referência para comparação de capacidades com o que de facto é
utilizado.
Característica 68HC908GP32
Frequência máxima de operação
8MHz
Memória de programa 32Kb Flash
RAM 512bytes
Timers 2 - 16bit
Canais A/D 8 – 8bit Tabela 1. Características que servem de referência para escolha do microcontrolador.
Além destas características destaca-se a necessidade de memória de dados cuja
disponibilidade mínima necessária para este projecto é de 513bytes, correspondentes à tabela de
correcções com 57 linhas e 9 colunas e gravada em palavras de 8-bit.
A escolha recai, então sobre um DSP de 16 bit da Microchip, da família dsPIC30F. Além das
capacidades do próprio microcontrolador, que são exploradas abaixo, existem outras razões para a
escolha. Por um lado, o custo reduzido dos integrados, que muitas vezes são disponibilizados pela
Microchip como amostras, e a existência de software e material como programadores para estes
chips nos laboratórios utilizados. Por outro lado o autor possui já algum conhecimento na
programação de microcontroladores da Microchip de 8-bits da família PIC18F.
A decisão passa também pelos restantes membros da equipa de electrónica do Projecto FST,
sendo que se opta pela família dspic30F para o desenvolvimento da aquisição de dados e telemetria
e também para o display do volante. O objectivo desta decisão tem dois factores de peso. Por um
lado uniformizar ao máximo o desenho e produção de placas PCB que integram os diversos sistemas
electrónicos que integram o protótipo, baixando drasticamente o tempo de desenho e o custo de
produção das mesmas. Por outro lado, facilita-se a transmissão de conhecimento entre membros da
equipa sobre a programação dos microcontroladores, reduzindo o tempo de desenvolvimento de
45
software e facilitando a passagem de conhecimento para equipas vindouras. É importante referir que
mesmo dominando a programação, as diversas funcionalidades necessitam de algum tempo de
aprendizagem para compreender o seu funcionamento e saber configurá-las. Neste sentido torna-se
importante a possibilidade de haver bibliotecas de funções disponíveis para a equipa do projecto, que
agilizem os projectos paralelos ou seguintes.
As principais características encontram-se listadas abaixo divididas por áreas, para melhor
compreensão.
RISC CPU:
Arquitectura Harvard Modificada para acesso simultâneo a dados e programa
Arquitectura com conjunto de instruções optimizado para compilador C;
16-bit data path;
144 Kbytes de memória de programa Flash on-chip;
8 Kbytes de memória RAM on-chip;
4 Kbytes de memória de dados EEPROM não-volátil:
o 100,000 ciclos de escrita (min.) para gama de temperaturas em ambiente
industrial, 1M (valor típico);
o Programável por Software;
Até 30 MIPS (milhões de instruções por segundo);
Input para oscilador 4 MHz-10 MHz com PLL (4x, 8x, 16x);
41 fontes de interrupção;
8 níveis de prioridade de interrupção seleccionáveis;
Watchdog Timer (WDT).
O termo microcontrolador advém do facto de no mesmo chip serem incluídos os componentes
principais de um microcomputador: microprocessador, memórias RAM e ROM, portos de entrada e
portos de saída.
Os processadores de 16 bits, são utilizados em controlo de motores eléctricos ou para
processamento áudio, representam uma boa escolha a nível de precisão e velocidade de
processamento para o tipo de aplicação em causa. Ao nível do processamento, a variedade de
opções e conjugações de osciladores com PLL revela-se de grande interesse, por criar maior
flexibilidade no compromisso entre a velocidade de execução e a leitura de intervalos de tempo
relativamente elevados (em geral >1 ms).
A escolha do clock recai sobre um oscilador externo de 6.144 MHz cuja frequência é
aumentada internamente 8 vezes num modo PLL. O cálculo da velocidade de processamento das
instruções é:
8
4
FoscFcy
(4.1)
46
Onde:
Fcy, é o número de instruções executadas por segundo;
Fosc, é a frequência de oscilação do cristal;
4, é o valor da divisão interna efectuada pelo microcontrolador.
O funcionamento do programa desenvolvido baseia-se na utilização de interrupções a uma rotina
cíclica. As interrupções são chamadas a funções que geralmente gerem um ou mais periféricos e são
geradas por hardware, evitando a ineficiência da utilização de pooling1 principalmente tratando-se de
vários sinais de entrada nos portos do dsPIC. Por outro lado, a possibilidade de atribuir vários níveis
de prioridade às interrupções pode ser um elemento de grande relevância como se poderá verificar
na explicação do funcionamento do programa.
A nível da escolha de memória, pela dificuldade de estimação da capacidade necessária em
projectos futuros, adoptam-se os valores máximos disponibilizados na família 30F. 144 Kbytes de
memória de programa FLASH, qualificada para utilização em ambiente automóvel, 8Kbytes de
memória RAM e 4Kbytes de memória de dados EEPROM com capacidade de escrita elevada e
testada para ambientes de temperaturas elevadas, cuja principal função será o armazenamento de
tabelas de tempos e correcções de Injecção de avanços de ignição.
O Watchdog Timer (WDT) é um elemento que poderá contribuir para aumentar a fiabilidade do
sistema. Consiste num contador independente do oscilador do microcontrolador que provoca um
RESET geral ao programa quando não é limpo. Em termos práticos, poderá ser colocado numa
região crítica do programa que ao não ser executada durante a contagem do WDT significará que o
funcionamento necessita de ser reiniciado.
Capacidades DSP:
Multiplicador 17-bit x 17-bit single-cycle por hardware de variáveis fraccionário/inteiro;
a campo, até a completar. Para o ponto de funcionamento, e se nenhuma das outras threads estiver
activa, o processo repete-se de 100 em 100 ms, e no restante tempo, a thread encontra-se inactiva.
O tratamento das mensagens recebidas no PC e a actualização dos valores da interface
gráfica são efectuados no processo principal. A janela de apresentação tem um aspecto prático e de
fácil compreensão, como demonstra a Figura 50.
Figura 49. Threads de comunicação entre o PC e o módulo de injecção.
72
Figura 50. Aplicação para afinação do mapa
73
Capítulo 6
Testes e Resultados
6 Testes e Resultados
Neste capítulo apresentam-se os ensaios realizados em laboratório e no FST03. Nos primeiros,
confirma-se o respeito da estratégia formulada no processo de engenharia reversa e analisam-se as
características do módulo desenvolvido. Nos segundos, apresenta-se um caso prático de resolução
de um problema de implementação no sistema real e os ensaios realizados no banco de potência que
conduzem aos resultados finais e confirmação do funcionamento desejado.
Equation Chapter (Next) Section 1
74
6.1 Testes em Laboratório
Ao longo do projecto, são efectuados testes ao sistema. Os testes descritos, neste capítulo,
visam comprovar a funcionalidade do sistema de uma forma geral e medir algumas das suas
características.
Para os ensaios utiliza-se o simulador descrito acima, assim como o osciloscópio, o gerador de
sinais e a fonte de tensão. O simulador sofre apenas uma modificação. A saída deixa de ser
directamente ligada do microcontrolador do simulador para o dsPIC do módulo de injecção, passando
a excitar quatro transístores, pretendendo-se simular o drive de saída da centralina.
Figura 51. Circuito de saída do simulador.
O sistema é ensaiado para confirmar o cumprimento de todos os requisitos descritos no
processo de engenharia reversa. Os efeitos do ganho assim como a sua variação em relação ao TPS
e à rotação são testados nas mesmas condições que nesse processo. Porque os testes finais
corroboram o cumprimento dos objectivos, apresentam-se aqui os resultados que se consideram
exemplificativos: os efeitos do ganho e a precisão da leitura na rotação.
O ganho aplicado aos sinais de entrada é verificado na aplicação de interface no PC. Nos
ensaios apresentados, o ganho positivo é 35 e o ganho negativo é -35%.
75
Nas imagens acima, o sinal de saída apresenta um pico de tensão no flanco ascendente, ou
seja quando o injector fecha. Este fenómeno deve-se à já referida componente indutiva do injector e é
a razão da existência de protecção do sistema de drive. Em ambos os ensaios é possível verificar o
cumprimento do efeito tanto do ganho positivo como do ganho negativo. No primeiro caso o sinal de
saída é 35% maior que o de entrada. No segundo caso, o sinal de saída representa 65% do sinal de
entrada.
Para verificar se a leitura da rotação é feita correctamente, faz-se a correspondência entre a
rotação esperada a partir da frequência do sinal do gerador de funções, com a rotação calculada pelo
dsPIC e apresentada na janela de interface do PC. São verificados alguns valores apresentados na
tabela abaixo.
Freq. Gerador Rotação gerada Rotação lida Erro %
107 3210 3209 0,03
138 4140 4138 0,04
200 6000 6000 0
480 14400 14400 0 Tabela 6. Resultados do teste de comparação entre a rotação esperada e a lida pelo módulo.
O erro máximo apresentado nas leituras efectuadas é da ordem das 2 rpm, o que não tem
representatividade no contexto em questão.
Em termos de velocidade de funcionamento do sistema, existem dois parâmetros de
relevância: o tempo de execução da rotina principal e o atraso entre a detecção do impulso de
entrada e o início do de saída.
Figura 52. Resposta do sistema a ganho positivo, à esquerda e a ganho negativo, à direita. Em ambos, a entrada está representada no sinal (3)e a saída no sinal (2).
76
Para medir o primeiro, o ensaio consistiu em observar no osciloscópio um pino do dsPIC
programado para se activar (high) imediatamente antes e desactivar (low) imediatamente depois da
rotina principal. Como resultado obtém-se um tempo de 450 µs. Para uma rotação de 14500 rpm,
correspondente a 2 ms de intervalo entre dois impulsos de injecção, este valor significa que o dsPIC,
nas mesmas condições de velocidade de processamento, se encontra entre 20% a 25% da sua
capacidade. Pode-se assumir que existe a capacidade de este processador, nestas condições,
englobar todos os sensores necessários ao funcionamento da injecção: ECT, IAT, TPS, sensor de
rotação e MAP.
O atraso de leitura do impulso de entrada registado é 100 µs. Este valor é inferior ao
apresentado pelo módulo ao qual se fez engenharia reversa e não provoca perturbações ao
desempenho do sistema desenvolvido.
Dadas as oscilações esperadas da tensão da bateria, o módulo é testado para valores de
alimentação que se esperam que a fonte atinja (7 V e 15 V). Não se verificam alterações no controlo
dos injectores para qualquer uma destas situações.
O consumo de corrente médio do controlador é medido com um amperímetro em série com o
circuito. O valor medido é 100 mA, ou seja uma potência consumida de 0.5 W. No regulador, a
potência dissipada, para a alimentação nominal, 12 V, é:
(12 5 ) 100 0.7 V V mA W (6.1)
Este valor justifica a utilização de um dissipador térmico acoplado ao regulador de tensão.
77
6.2 Testes no Protótipo FST03
Após os primeiros testes em bancada, iniciam-se os testes no protótipo. Estes dois processos
são complementares. Durante os testes no ambiente real, surgem anomalias no funcionamento que,
normalmente advêm de condições não previstas durante o desenvolvimento. O processo seguinte é
identificar a origem do funcionamento incorrecto e, se a sua resolução não for imediata, força-se a
que aconteça em bancada, para se desenvolver uma solução. De facto, na maioria dos casos, o
processo mais moroso e complicado é a identificação exacta da origem do problema, inclusivamente
saber se é de hardware (ruído electromagnético, maus contactos, etc.) ou de software.
Os testes com o motor, são divididos em duas fases. Numa primeira, o módulo desenvolvido
é ligado a receber os sinais de entrada, deixando o módulo da Dynojet a funcionar normalmente.
Numa segunda fase, retira-se o módulo anterior e passa a ser o sistema desenvolvido a controlar os
injectores. Assim, pretende-se salvaguardar a integridade do motor. Para efectuar o debug, recorre-
se a um osciloscópio digital de quatro canais e a observação de variáveis do programa do dsPIC
através da comunicação com o PC.
De seguida descreve-se o problema mais crítico durante os testes, cuja dificuldade de
encontrar a origem, exemplifica o acima descrito. Descrevem-se, também, de seguida os testes de
confirmação do correcto funcionamento do módulo para poder ser levado a banco de potência,
nomeadamente seguimento de rotação e seguimento de tps.
Durante uma das fases de testes verificam-se erros em algumas injecções. De vez em
quando as injecções são prolongadas para além do tempo suposto. A causa deste fenómeno pode ter
muitas origens. Inicia-se então um conjunto vasto de testes, principalmente ao software que incluem
por exemplo: os cálculos dos ganhos e o funcionamento das interrupções. Num teste realizado com
envio da rotação lida para o PC, verifica-se que esta leitura, apesar de ser bem executada no geral,
apresenta desvios não periódicos e de valor máximo ao longo do teste.
78
Figura 53. Leitura errada da rotação do motor.
Na origem deste problema podem encontrar-se várias causas, por exemplo:
Ruído electromagnético que faça disparar as interrupções dos impulsos de entrada e
assim afecte o cálculo da rotação;
Oscilações na alimentação que provoquem reset no dsPIC;
Falhas na leitura dos impulsos de entrada devidos ao circuito utilizado;
Sobreposição de sinais de entrada vindos da centralina;
Erros no cálculo da rotação no dsPIC.
Todas estas hipóteses são testadas, mas o problema persiste. Num dos ensaios, decide-se
confirmar o sinal vindo da centralina e verifica-se que, em determinados momentos, existem impulsos
da centralina sobrepostos e fora do tempo de injecção dos respectivos cilindros. Formula-se então a
teoria de que em determinadas condições, como por exemplo na fase de aquecimento, se, durante
um ciclo de injecções, a centralina detecta uma exigência de maior quantidade de combustível num
cilindro, executa uma correcção de combustível aos cilindros anteriores. Assim, o como a rotação é
lida a partir do tempo entre dois impulsos do primeiro injector, quando esta correcção é feita
precisamente neste cilindro, provoca leituras de tempos erradas e consequentemente cálculo da
rotação errado. As razões para este fenómeno podem ter a ver com o aumento da velocidade de
aquecimento do motor, mas não são comprovadas. O facto de os testes feitos ao motor, ainda antes
do desenvolvimento do sistema, não revelarem este fenómeno e a partir de determinada temperatura,
este deixar, praticamente, de aparecer, torna-o difícil de detectar.
Encontrada a sua origem, regressa-se aos testes em bancada, com o objectivo de resolver o
problema. O programa do simulador é alterado para que, de vez em quando, faça coincidir impulsos
fora do tempo. Para solucionar o problema, cria-se uma variável associada ao ciclo de injecções.
Para haver leitura da rotação no primeiro injector, esta variável terá que ter passado nas restantes
três injecções pela ordem em que devem acontecer num ciclo normal, 1-2-4-3. Por segurança,
acrescentam-se prioridades escalonadas pela ordem anterior. Assim, pretende-se evitar situações em