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ISIS KAROLINE DOS SANTOS
OTIMIZAÇÃO DE PARTIDAS A FRIO E DE CONTROLE DE AFR VISANDO EMISSÕES
PARA MOTORES DO CICLO OTTO
São Carlos, SP
Novembro, 2010
ISIS KAROLINE DOS SANTOS
OTIMIZAÇÃO DE PARTIDAS A FRIO E DE CONTROLE DE AFR VISANDO EMISSÕES
PARA MOTORES DO CICLO OTTO
Trabalho de Conclusão de Curso para a
obtenção do título de Bacharel em Engenharia
Mecânica pela Escola de Engenharia de São
Carlos - Universidade de São Paulo
Orientador: Professor Doutor Luís Carlos
Passarini
São Carlos, SP
Novembro, 2010
FOLHA DE AVALIAÇÃO
Candidato: Isis Karoline dos Santos
Título: Otimização de partidas a frio e de controle de AFR visando emissões para motores do
ciclo Otto
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Escola de Engenharia de São Carlos da
Universidade de São Paulo
Curso de Engenharia Mecânica
BANCA EXAMINADORA
Data: 22/11/2010
Dedico este trabalho a minha família, e a
todos que o tornaram possível.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Doutor Luís Carlos Passarini, pela atenção e orientação durante a realização deste
trabalho.
À Escola de Engenharia de São Carlos, por contribuir com a minha formação na profissão de
Engenharia Mecânica.
Aos supervisores e colegas de trabalho da Ford Motor Company, pelo apoio e pelo bom ambiente de
trabalho proporcionado.
À Ford Motor Company, pela oportunidade de realização de estágio, pela experiência profissional e
pelo material e infra-estrutura colocados à minha disposição.
À minha família, que me proporcionou a melhor educação e sempre me apoiou e incentivou em todos
os aspectos.
RESUMO
Com a crescente conscientização ambiental, a pressão das organizações regulamentadoras sobre os
construtores de veículos automotivos está cada vez maior, surgindo normas cada vez mais severas,
exigindo níveis de emissões (principalmente CO, HC não queimado e NOX) cada vez menores. Assim,
é necessário que a calibração de motores leve em consideração a partida a frio, responsável por
formação de poluentes consideráveis, já que nesta fase o catalisador ainda não se encontra operante.
Para uma calibração de qualidade é necessário que a estimativa da porcentagem de etanol presente no
combustível seja a mais precisa possível, e os equipamentos de análise de emissões sejam capazes de
obter resultados confiáveis em fases transientes (sendo a partida uma delas). O objetivo deste trabalho
foi otimizar a partida a frio (nas temperaturas de referência do ciclo de emissões NBR6601) e o
controle de AFR, utilizando-se para isto, respectivamente, equipamento de aquisição rápida de dados
do poluente NMHC (FAST FID) e sensor de etanol. Com a utilização do equipamento FAST FID,
obteve-se uma análise de melhor qualidade da quantidade de HC não queimado presente nos gases de
escape durante a partida a frio, o que possibilitará uma calibração mais refinada durante esta fase,
sendo possível atingir limites de emissões cada vez menores (sem prejuízo da performance do
veículo). Constatou-se que o uso do sensor de etanol traz uma maior precisão/ exatidão da
porcentagem de etanol presente no combustível, permitindo assim uma calibração mais eficaz (maior
economia de combustível, menores níveis de emissões e manutenção de performance).
PALAVRAS CHAVE: Motores, Emissões, Instrumentação
ABSTRACT
With increasing environmental awareness, pressure from regulatory organizations relating to
manufacturers of automobiles is increasing. Then increasingly stringent standards with increasingly
smaller emissions levels (mainly CO, unburned HC and NOx) put the necessity that calibration takes
into account engine cold start (responsible for considerable pollutants formation, since in this stage
catalyst is still not working). For a quality calibration, it is necessary to estimate the ethanol percentage
in the fuel as accurate as possible and emissions analysis equipment able to obtain quality results in
transient phases (cold start as a visible example). The aim of this study was to optimize cold starts (in
reference temperatures cycle emissions NBR6601) and AFR control, using, respectively, NMHC
pollutant’s fast data acquisition equipment (FAST FID) and ethanol sensor. It was noticed that with
ethanol sensor, higher accuracy ethanol percentage in the fuel was obtained, thus achieving a more
efficient calibration (better fuel economy, lower emissions and same performance). With the use of
equipment FAST FID, better analysis of the unburned HC amount present in the exhaust during cold
start (clearly transient) was obtained, it will enable a more refined calibration during this phase,
enabling the achievement of lower and lower emissions (without vehicle performance prejudice).
KEY WORDS: Engines, Emissions, Instrumentation
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Precisão da estimativa da porcentagem de etanol com componentes
nominais...................................................................................................................
18
Figura 2 - AFR para E0 até E100 em função da temperatura do refrigerante.......... 19
Figura 3 - AFR pobre para o caso de E80 aprendido como E60 (como pode ser
visto em Segundo Theunissen, 2003).......................................................................
20
Figura 4 - Erro no ponto de ignição como resultado de estimativa de
porcentagem de etanol errada...................................................................................
20
Figura 5 - Cálculo do fator λ……………………………………………………… 26
Figura 6 - Porcentagem de CO expelido em função do fator λ…………………… 28
Figura 7 - Porcentagem de HC expelido em função do fator λ…………………… 29
Figura 8 - Porcentagem de HC expelido em função do fator λ…………………… 31
Figura 9 - Influência do fator λ sobre as emissões naturais do motor...................... 32
Figura 10 - Consumo e potência de um motor Otto típico em função de sua
rotação......................................................................................................................
32
Figura 11 - Foto de um catalisador TWC................................................................. 33
Figura 12 - Esquema de funcionamento de um catalisador TWC (visto em
Passarini, Eletrônica Embarcada, notas de aula)......................................................
34
Figura 13 - influência do fator λ sobre as emissões do motor.................................. 35
Figura 14 - Figura ilustrativa de uma câmara de combustão................................... 35
Figura 15 - Cálculo da taxa de compressão.............................................................. 35
Figura 16 - Composição do combustível e AFR estequiométrico em função da
porcentagem de etanol misturada na gasolina..........................................................
37
Figura 17 - AFR em função da porcentagem de etanol............................................ 37
Figura 18 - Tipos de sistemas de distribuição de combustível: a) com retorno e b)
sem retorno...............................................................................................................
38
Figura 19 - Estrutura esquemática de um sensor de oxigênio (sensor lambda) a
base de óxido de zircônio.........................................................................................
39
Figura 20 - Curva típica de tensão de saída de uma sonda lambda em função do
fator de excesso de ar da mistura..............................................................................
40
Figura 21 - Sondas Lambda...................................................................................... 40
Figura 22 - Tempo de injeção versus tempetatura do motor para partida a frio...... 42
Figura 23 - Tempo de injeção versus tempetatura do motor para fase de
aquecimento..............................................................................................................
43
Figura 24 - Fator de correção de combustível aplicado em função da temperatura
do motor para a fase de aquecimento do motor........................................................
43
Figura 25 - Correção no avanço da centelha em função da temperatura do motor
para a fase de aquecimento.......................................................................................
43
Figura 26 - Faixa de injeção de combustível na fase de desaceleração em função
da rotação do motor (rpm) e da temperatura do motor.............................................
45
Figura 27 - Correção no avanço da centelha em função da rotação do motor
(rpm) para a fase de plena carga (WOT)..................................................................
46
Figura 28 - Correção no avanço da centelha em função da temperatura do motor
em caso de sobreaquecimento para a fase de plena carga........................................
46
Figura 29 - modos de operação do motor Otto e o fator λ correspondente 47
Figura 30 - Esquema ilustrativodo avanço da centelha............................................ 48
Figura 31 - Foto ilustrativa de um dinamômetro de rolo......................................... 49
Figura 32 - Concentração de HC nos Gases de Escape e Estabilidade de
Combustão na condição de partida a frio.................................................................
51
Figura 33 - Desenho esquemático do FAST FID..................................................... 53
Figura 34 - Valores físicos para a conversão do sinal elétrico................................. 54
Figura 35 - Variação da Constante Dielétrica em função da porcentagem de
etanol presente no combustível e da temperatura.....................................................
54
Figura 36 - Sinal de saída do sensor de etanol......................................................... 55
Figura 37 - Localização esquemática das saídas de pré e pós cat em relação ao
catalisador.................................................................................................................
59
Figura 38 - Atraso de transporte do sinal do FAST FID em relação ao instante de
injeção de combustível na condição de lambda pobre para rico..............................
61
Figura 39 - Atraso de transporte do sinal do FAST FID em relação ao instante de
injeção de combustível na condição de lambda rico para pobre..............................
62
Figura 40 - Cálculo de média e desvio padrão do atraso de transporte do sinal do
FAST FID para ambas as condições (pobre/rico e rico/pobre)................................
62
Figura 41 - Análise feita, com a utilização do FAST FID, sobre o HC não
queimado presente nos gases de escape...................................................................
65
Figura 42 - Análise feita por amostragem discreta do HC não queimado presente
nos gases de escape..................................................................................................
65
Figura 43 - Comparação entre os resultados obtidos com o FAST FID e com um
equipamento de amostragem discreta (como ferramenta de plotagem foi usado o
software ATI VISION).............................................................................................
66
Figura 44 - Perfil de Velocidade e fases do ensaio de emissões de escapamento
segundo a norma NBR 6601....................................................................................
71
Figura 45 - Seqüência de processos de um ensaio completo conforme a NBR
6601..........................................................................................................................
73
Figura 46 - Rotina feita no Matlab para a conversão de ppmC para g/s e
sincronização das curvas de rotação, vazão do ar no coletor de admissão e do
sinal do FAST FID...................................................................................................
74
a
76
Figura 47 - Aquisição crua feita durante a realização de um teste de emissões do
ciclo NBR-6601 1ª fase............................................................................................
77
Figura 48 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar de
entrada no coletor, rotação do motor *102, HC não queimado em g/s, HC não
queimado em ppmC *103)........................................................................................
78
Figura 49 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar de
entrada no coletor, rotação do motor *102)..............................................................
78
Figura 50 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (rotação do motor
*102, HC não queimado em g/s)...............................................................................
79
Figura 51 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar de
entrada no coletor, HC não queimado em g/s).........................................................
79
Figura 52 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (HC não
queimado em g/s, HC não queimado em ppmC *103).............................................
80
Figura 53 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (HC não
queimado em g/s).....................................................................................................
80
Figura 54 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar no
coletor)......................................................................................................................
81
Figura 55 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a
realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (rotação do motor
*102).........................................................................................................................
81
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Propriedades da gasolina pura e do etanol............................................. 36
Tabela 2 – Quantificação do erro nos resultados que o sensor de etanol apresenta
em relação ao estequiométrico quando comparado ao sensor lambda.....................
63
Tabela 3 – Dados de um ciclo FTP 75..................................................................... 72
LISTA DE TERMOS E ABREVIATURAS
rε - constante dielétrica
λ - AFR operante dividido pelo AFR estequiométrico, mede excesso de ar na mistura ar/combustível
1.6L 8V Flex - motor flex com 1.6 litros de cilindrada e com 8 válvulas
AFR - air fuel ratio (razão ar/combustível) ou A/C
CH4 - metano
closed-loop - malha fechada, retroalimentração de sinal
CO - monóxido de carbono
DDP – Diferença de potencial
EFFIC - eficiência de enchimento de ar do cilindro
EGO - exhaust gas oxygen sensor
EPA - Environmental Protection Agency (Agência de Proteção ao Meio Ambiente)
EXX - mistura gasolina/ etanol onde XX representa a porcentagem em volume de não gasolina
presente na mistura
FAST FID - Fast Flame ionization Detection
feed-back - retroalimentação de sinal
FTP- Federal Test Procedure (Procedimento de Teste Federal)
g/s - gramas por segundo
gás span - gas referência 20000 ppmC
gás zero - gas referência 0 ppmC
H - hidrogênio
HC - hidrocarbonetos não queimados
ICE - ignição por centelha de vela
IMEP - Pressão efetiva média indicada
KO2ADAT - correção de combustivel autoadaptativa
KO2ADATC - correção de combustivel autoadaptativa a frio
KO2ADATW - correção de combustivel autoadaptativa a quente
KO2F - correção do sensor lambda filtrado
MBT - Maximum braking torque
Mistura A/C - Mistura ar/combustível
Mistura BLEND - mistura de 50% E22 e 50% E100
MTB - mínimo avanço ótimo
N2 - nitrogênio
NOx - óxidos de nitrogênio, como NO2 e NO3, etc.
O2 - oxigênio
OBD - On Board Diagnostics (Diagnose a Bordo)
OBDBR-2 - OBD em funcionamento no Brasil
open-loop - malha aberta, sem retroalimentação de sinal
PCM/ECU - powertrain control module/ unidade de controle
PMS - Ponto morto superior
ppmC - partes por milão de carbono
Proalcool - Programa Nacional do Álcool, sendo um programa de substituição em larga escala dos
combustíveis veiculares derivados de petróleo por álcool, financiado pelo governo do Brasil a partir de
1975 devido a crise do petróleo em 1973 e mais agravante depois da crise de 1979.
resistor NTC - Negative Temperature Coefficient, é um resistor dependente da temperatura, mas com
coeficiente negativo. Quando a temperatura sobe, sua resistência cai.
RON - Octanagem do combustível avaliando o quanto o combustível resiste à detonação quando o
motor está em regime de plena carga, em baixas rotações.
rpm - rotações por minuto
s - segundos
saída de pré-cat - saída antes do catalisador
seg sync - segue sincronização do motor
SOx - óxidos de enxofre, como SO, SO2, etc.
TH2OC - temperatura correta da água
TH2OMPA - temperatura da água autoadaptativa
UEGO - universal exhaust gás oxygen sensor
Veículos flex - veículos que aceitam combustíveis desde E20 a E100
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO............................................................................................ 17
2. REVISÃO DE CONHECIMENTOS.......................................................... 22
2.1. ESTEQUIOMETRIA......................................................................... 24
2.2. COMBUSTÃO IDEAL...................................................................... 25
2.3. RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL..................................................... 25
2.4. COMBUSTÃO IDEAL...................................................................... 25
2.5. FATOR LAMBDA (λ)....................................................................... 26
2.6. TIPOS DE MISTURA A/C................................................................ 26
2.7. CÁLCULO DO FATOR LAMBDA (λ) A PARTIR DO AFR.......... 27
2.8. EMISSÕES......................................................................................... 27
2.8.1. CO…………………………………………………………... 27
2.8.2. HC........................................................................................... 29
2.8.3. NOx.......................................................................................... 30
2.9. CATALISADOR................................................................................ 33
2.10. CÂMARA DE COMBUSTÃO.......................................................... 35
2.11. COMBUSTÍVEIS............................................................................... 36
2.12. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL.................... 38
2.13. SENSOR DE OXIGÊNIO.................................................................. 39
2.14. CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DO MOTOR.................................. 41
2.14.1. Partida a frio............................................................................ 41
2.14.2. Fase de aquecimento............................................................... 42
2.14.3. Aceleração............................................................................... 44
2.14.4. Desaceleração.......................................................................... 44
2.14.5. Cargas parciais........................................................................ 45
2.14.6. Plena carga (WOT)................................................................. 45
2.14.7. Marcha lenta............................................................................ 46
2.15. PONTO OU AVANÇO DA CENTELHA......................................... 48
2.16. DINAMÔMETRO DE ROLO............................................................ 49
2.17. SENSOR ANTI-DETONAÇÃO........................................................ 50
3. METODOLOGIA......................................................................................... 51
3.1. FAST FID........................................................................................... 51
3.2. SENSOR DE ETANOL...................................................................... 53
4. PROCEDIMENTO....................................................................................... 56
4.1. MONTAGEM DO EXPERIEMNTO PARA VERIFICAR A
EFICIÊNCIA DO SENSOR DE ETANOL..............................................
56
4.2. MONTAGEM DO EXPERIEMNTO PARA UTILIZAÇÃO DO
FAST FID PARA OTIMIZAÇÃO DA ANÁLISE DE EMISSÕES........
58
5. RESULTADOS E CONCLUSÕES………………………………………. 63
5.1. SENSOR DE ETANOL…………………………………………….. 63
5.2. FAST FID…………………………………………………………... 64
6. TRABALHOS FUTUROS………………………………………………... 67
7. REFERÊNCIAS…………………………………………………………… 68
8. ANEXO I....................................................................................................... 71
9. ANEXO II...................................................................................................... 74
10. ANEXO III.................................................................................................... 77
17
1. INTRODUÇÃO
Do ponto de vista de emissões de poluentes, os motores de combustão interna funcionam da
seguinte forma: consomem combustível fóssil e emitem produtos de gases de exaustão (CO2, HC não
queimado, CO e NOx, principalmente), sendo os últimos 3 os mais preocupantes no quesito saúde.
Sabe-se também que da combinação do NOx com o HC surge o smog fotoquímico (uma mistura de
nevoeiro e poluição), altamente prejudicial para a vida animal e vegetal.
Hoje há uma preocupação legal de redução dos limites de emissões de poluentes liberados
pelos automóveis nos gases de escape. Dentre os poluentes liberados pelos veículos, os mais
preocupantes são: CO, HC não queimado e NOx, sendo assim, os controlados, a índices cada vez
menores, pelas entidades regulamentadoras.
Uma constatação dessa preocupação por parte dos governos foi a introdução, desde o final da
década de 90 (1996 nos EUA, 2007 (40%), 2008 (70%) e 2009 (100%) para OBDBr-1, 2009 (60%),
2010(100%) para OBDBr-2 no Brasil), das regulamentações de diagnóstico a bordo, mais conhecido
por OBD (On Board Diagnostics), que requerem o monitoramento contínuo de todos os componentes
de powertrain do veículo, a fim de prevenir falhas que possam aumentar os níveis de emissões de
poluentes do automóvel em questão.
Nas últimas décadas houve melhorias na performance, na eficiência e nas emissões nos motores
4 tempos, mas as regulamentações de emissões neste período ficaram cada vez mais rígidas
necessitando um controle de fornecimento de combustível ainda mais preciso (notadamente durante a
partida).
Assim, nestes tempos de combustíveis a custos elevados e níveis legais de emissões baixos
(tendência que só tende a piorar), é crucial conseguir que os veículos sejam mais econômicos e menos
poluentes, sem com isso perderem potência.
Nesta era de baixos níveis de emissões, uma das áreas remanescentes que necessitam de melhor
calibração (controle de ignição e injeção de combustível), como dito anteriormente, é a partida a frio,
devido possuir uma fase transitória (particularmente difícil de calibrar pois há rápida mudança da
rotação e da pressão no coletor de admissão). Os métodos convencionais de diagnóstico não possuem
resposta transitória adequada. Esta só é atingida por medidores de análise rápida.
Observa-se também que as emissões de HC não queimado aumenta sensivelmente com o
aumento de lambda (para λ maiores que 1,1), reduzindo os pontos favoráveis para a utilização de
motores com combustão pobre (notoriamente melhor no quesito economia de consumo de
combustível).
18
A imposição de índices de emissões cada vez menores sobre os produtores de veículos fez com
que fosse realizado um intenso estudo a respeito das formações dos gases poluentes no escape. Graças
a isso, atualmente apenas uma pequena parte de combustível (cerca de 1%) não sofre combustão
completa dentro do cilindro do motor considerando regime normal de operação (como pode ser visto
em Collings; Peckham, 1993).
Sabe-se que uma parte considerável das emissões de HC não queimado é produzida durante a
fase inicial do funcionamento do motor, quando uma adição extra de combustível é necessária para se
obter uma boa partida, porém a eficiência de conversão do catalisador é baixa devido sua baixa
temperatura. Um melhor estudo desta fase possibilitará o desenvolvimento de motores com partida
mais limpa (menores níveis de emissões).
Sabendo-se que o sensor de oxigênio é utilizado como feedback para se estimar a porcentagem
de etanol presente no combustível do veículo, o sistema sempre fará este controle da mistura para
atingir o estequiométrico (λ =1). Assim a precisão na estimativa será altamente dependente da
qualidade da calibração de injeção de combustível (considerando sistemas flex que não utilizam
sensores para o fim de estimar porcentagem de etanol).
A figura 1 abaixo mostra a porcentagem de etanol estimada e real presente num combustível
com precisão de sistema de 1,5% (embora se saiba que na realidade a variação seja maior que o falado
1,5%).
A importância de uma boa estimativa da porcentagem de etanol é decisiva na partida a frio e no
ponto de ignição.
Figura 1 - Precisão da estimativa da porcentagem de etanol com componentes nominais
É observado, respectivamente, que o maior erro na estimativa (3,9%) ocorre quando a
porcentagem de etanol real no combustível é zero, e a melhor quando a porcentagem real é 100 (1,1%).
19
Saber com precisão a porcentagem de etanol presente no combustível é fundamental para a
calibração da partida a frio e do ponto de ignição. A aprendizagem do combustível é feita por meio de
algoritmos. Essa aprendizagem é feita na condição aquecida, e a correção necessária aprendida é
aplicada, sem mudança, na condição fria. A média desse aprendizado levará em conta o erro na
estimativa da porcentagem do etanol presente no veículo.
Pode ser observado na figura 2 a seguir (AFR na partida a frio em função da temperatura do
refrigerante para diferentes porcentagens de etanol) que para grandes porcentagens de etanol há um
rápido declínio no AFR para temperaturas inferiores a 40ºC. Portanto, nesta faixa de temperaturas,
caso haja imprecisão na inferição do AFR, haverá um grande erro com relação à quantidade ideal de
combustível para operação do motor.
Figura 2 - AFR para E0 até E100 em função da temperatura do refrigerante
Observação: Para se saber o λ a partir de um AFR dado, vide item 2.7 deste trabalho.
Segundo Theunissen (2003), para se ter uma boa partida do motor, o AFR poderá ser no
máximo 20% mais pobre que o designado para aquela temperatura. Supondo que uma mistura de 80%
de etanol seja usada num sistema com acréscimo no fluxo de combustível de 15%, o combustível será
aprendido como se fosse uma mistura de 60%. A figura 3 abaixo mostra o AFR calibrado para um
E80, E60 e também o AFR para a condição 20% mais pobre. Como o sistema aprendeu considerando
um E60, para uma temperatura de refrigerante abaixo de 50ºC, o motor encontrará problemas em
partir.
20
Figura 3 - AFR pobre para o caso de E80 aprendido como E60 (como pode ser visto em Segundo Theunissen, 2003)
Sabe-se também que o etanol é mais resistente a detonação, e assim é possível a aplicação de
uma razão de compressão maior (a fim de melhorar o desempenho do motor) que na gasolina (o etanol
possui RON de 107, enquanto a gasolina pura, gasolina sem adição de álcool, apenas 93). Com isso,
para melhorar o desempenho dos motores flex, pode-se aumentar a taxa de compressão do motor
(impondo uma maior carga), mas isso só será feito com segurança se a estimativa da porcentagem de
etanol estiver bem precisa e se o motor possuir sensor anti-detonação. Caso contrário haverá efeitos
colaterais indesejáveis.
Na figura 4 abaixo (também visto em Theunissen, 2003) é mostrado os efeitos no ponto de
ignição de um sistema 15% mais pobre. Neste é visto que há um acréscimo de quase 3 graus no ponto
de ignição para o E20 (o que seria esperado apenas para o E40).
Figura 4 - Erro no ponto de ignição como resultado de estimativa de porcentagem de etanol errada
21
A estimativa da porcentagem de etanol presente no combustível é feita através de softwares,
pelo PCM do veículo, a fim de ajustar quantidade de combustível a ser injetado e calibração do ponto
de ignição para que o veículo seja econômico, possua boa performance e atenda aos requisitos legais
de emissões.
Como forma de evitar que erros nas peças e motor sejam interpretados como variação do etanol
na mistura do combustível, o PCM só inicia o algoritmo de aprendizado após a detecção de
reabastecimento, e este só fica ativo por um breve período de tempo (pois ele monitora o nível de
combustível no tanque com este intuito). Mesmo durante o aprendizado, o PCM trabalha em closed-
loop para deixar o AFR próximo do estequiométrico.
Como atualmente a estimativa da porcentagem de etanol é feita através do closed-loop do
algoritmo de aprendizado, a existência de filtro de combustível ou injetores avariados pode levar a uma
porcentagem de etanol aprendida incorreta. Caso o erro ocorra em dois ou mais componentes, a
precisão da estimativa fica claramente comprometida, levando a efeitos colaterais indesejáveis.
Para melhorar a exatidão e qualidade da medida da porcentagem de etanol presente no
combustível, existe a possibilidade do uso do sensor de etanol.
Este trabalho tem o objetivo de testar a viabilidade técnica da utilização do sensor de etanol em
substituição do usual sensor lambda na inferição da porcentagem de etanol presente no combustível,
além de realizar o estudo sobre a utilização do equipamento de amostragem contínua FAST FID para a
obtenção de um melhor cálculo/medição de HC não queimado presente nos gases de escape durante a
partida a frio (visando assim possibilitar um melhor estudo e melhor calibração do motor).
22
2. REVISÃO DE CONHECIMENTOS
Com o intuito de atingir níveis de emissões cada vez menores em motores de 4 tempos (que já
utilizam catalisadores de 3 vias, TWC, na tentativa de obter uma maior conversão dos poluentes
presentes nos gases de escape em gases inofensivos para a atmosfera), é necessário que a razão
ar/combustível (AFR) esteja sempre muito próximo do estequiométrico.
Segundo Hellring et al. (1999), considerando uma eficiência de 80% na conversão do
catalisador, para os 3 principais poluentes mencionados, significa que λ (AFR operante dividido pelo
AFR estequiométrico, medindo o excesso de ar na mistura ar/combustível) precisa ser mantido em 1±
0,005. Caso este AFR oscile com uma freqüência de 1 Hz, então λ já passará a ser 1± 0,05 (que é a
precisão conseguida nos veículos presentes no mercado atualmente). Como as tendências legais são de
índices de emissões cada vez menores, a eficiência de conversão do catalisador terá que ser superior a
95%, ou seja, o λ terá que ser o mais próximo possível de 1. Assim serão necessários métodos de
controle e aferição (provavelmente sensores) melhores que os utilizados atualmente.
Também segundo Hellring et al. (1999), uma opção será a utilização do sensor de oxigênio
UEGO (universal exhaust gas oxygen sensor), que informa o quanto o AFR se desvia do
estequiométrico, ao invés de apenas informar se o AFR está acima ou abaixo do estequiométrico,
como é o caso quando se faz uso do conhecido sensor de oxigênio EGO (exhaust gas oxygen sensor).
Com essa substituição é possível obter uma boa melhora no controle do AFR e consequentemente
reduzir os níveis de emissões em uma ordem de grandeza. Mas o uso deste sensor ainda não é uma
alternativa para fabricação em massa, devido seu custo relativamente elevado.
A maneira como se forma a mistura na câmara de combustão influencia no processo de
combustão e, consequentemente, na formação dos gases de escape indesejáveis. A maioria do carros
com motores 4 tempos ICE utilizam o método de injeção indireta de combustível e fazem uso do
subsequente processo de entrada de ar para uma mistura ar/combustível adicional melhor. Como este
modelo de motor gera durante a partida uma grande quantidade de HC não queimado, estudos foram
realizados para um melhor entendimento sobre a mistura formada nestas condições. Concluiu-se que
esse evento de grande formação de HC não queimado na partida deve-se ao fato que o combustível,
injetado na forma líquida no duto de admissão e arrastado para a câmara de combustão, encontra-se
pobremente vaporizado e, assim, devido a sua baixa pressão de vapor, para se atingir vapor suficiente
para uma propagação de chama estável e satisfatória, uma quantidade extra de combustível é
necessária.
23
Este combustível líquido extra acumula-se na forma de filmes e poças no duto de admissão e
nas paredes da câmara de combustão. Além deste problema, durante as fases de compressão e
expansão, filmes de óleo nas paredes dos cilindros, nas fendas e na parte superior da cabeça do pistão
fluem diretamente para dentro do cárter criando um problema de diluição de óleo. Pode-se citar
também como fontes de HC não queimado durante a partida a frio: o fato da queima de poças
presentes na superfície das paredes da câmara de combustão; vapor de combustível não queimado
saindo da combustão ineficiente das poças ou simplesmente do processo de vaporização dos filmes de
combustível durante a última parte da expansão entrando diretamente na tubulação de escape.
Sendo o processo de formação de HC não queimado bastante complexo, já que há várias
formas pelas quais o combustível pode parcialmente (ou totalmente) escapar da combustão, são aceitas
as categorias principais de fontes de HC não queimado listadas a seguir:
• Mistura de ar/combustível não queimado (HC não queimado) é forçada para dentro de
fendas (formadas pelo pistão, anéis do pistão e forro do cilindro), durante as fases de
admissão e compressão, onde não há penetração/propagação da chama, que, durante a
exaustão e escape, deixa as fendas em direção ao duto de escape.
• Absorção de vapor de combustível em camadas de óleo lubrificante e depósitos presentes
no cilindro durante as fases de admissão e compressão, que, durante a exaustão e escape,
deixa seu lugar de origem em direção ao duto de escape.
• Esfriamento da chama perto das paredes da câmara de combustão, alterando o estado ideal
de queima.
• Esfriamento da chama nas regiões de mistura heterogênea, alterando o estado ideal de
queima.
• Combustão incompleta (queima parcial ou misfire completo).
• Combustível líquido (não vaporizado) presente dentro do cilindro.
• Vazamentos na válvula.
Dentre os itens acima, nas condições de funcionamento próximo do estequiométrico, os dois
primeiros, juntos, são responsáveis por quase 90% da produção de HC não queimado nos motores de
ignição por centelha, tendo o primeiro uma contribuição notoriamente maior.
Descobriu-se também que, sob baixas cargas e velocidades (1500 rpm, 3,8 bar IMEP), cerca de
9% do combustível escapa à combustão principal, sendo 98,2% dele oxidado depois pelas altas
temperaturas exixtentes no cilindro e no duto de escape, e o restante deixa a câmara de combustão e
passa para o catalisador sem queimar. De acrodo com Denbratt, Lindgren e Sandquist (2000), estima-
se que o total de emissões de HC não queimado corresponda a 0,1 – 0,4% do consumo de combustível
do veículo, assim pode-se melhorar o consumo e performance de um veículo reduzindo a quantidade
24
de combustível que escapa da queima principal (considerando o caso de veículos com motor 4 tempos
ICE).
Sabe-se que um retardo na ignição reduz o nível de emissões de HC não queimado durante a
partida a frio (já que a quantidade de combustível que aloja-se nas fendas durante o pico de pressão
diminui e a temperatura do gás queimado aumenta no final da fase de expansão e durante a fase de
exaustão, aumentado a oxidação da mistura) e habilita o catalisador mais rapidamente. Retardando a
ignição em relação ao MBT aumenta-se a temperatura do gás, que não expandiu de modo devido, não
entregando tanto trabalho sobre o pistão quanto entregaria se tivesse atingido sua expansão ideal.
Contudo, o mecanismo descrito anteriormente é verdadeiro até o limite de instabilidade de combustão
da mistura. Este limite é bastante tênue para combustíveis com alto teor de álcool.
À medida que o motor aquece e o catalisador é habilitado, a eficiência de conversão típica deste
é suficientemente alta para eliminar a maioria dos gases HC não queimados que deixam o cilindro.
Durante um teste de emissões FTP-75 cerca de 80% do HC não queimado ocorre até o primeiro
minuto do teste, e cerca de 50% deste antes mesmo do catalisador estar habilitado. Com os níveis
legais de emissões cada vez menores, a quantidade de HC não queimado, formado durante a fase onde
o catalisador ainda não está operante, pode facilmente ultrapassar o limite imposto pelos órgãos
reguladores para todo um teste, assim será cada vez mais importante se reduzir a quantidade de HC
não queimado formado durante os primeiros instantes da operação do motor.
2.1.ESTEQUIOMETRIA
Quando um combustível é queimado num motor a combustão interna, a energia química nele
contida, é liberada na forma de calor. O calor expande os gases produzindo trabalho.
Para que o combustível queime, é necessário a presença de oxigênio (O2). No caso do motor, o
oxigênio é admitido com o ar atmosférico. A porcentagem de ar introduzido na mistura varia de acordo
com as necessidades do motor.
25
2.2.COMBUSTÃO IDEAL
Uma reação estequimétrica é definida como aquela em que os produtos são apenas dióxido de
carbono (CO2) , água (H2O) e nitrogênio (N2).
2.3.RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL
A relação entre a massa de ar e a massa de combustível é chamada de relação A/C ou título da
Mistura.
2.4.COMBUSTÃO IDEAL
A exaustão do motor 4 tempos ICE consiste dos produtos da combustão da mistura ar +
combustível (gasolina ou álcool).
Além disso, o combustível, particularmente a gasolina, também pode conter outras impurezas
naturais além daquelas adicionadas pela refinaria (como os aditivos). Tudo isso pode produzir
elementos indesejáveis na descarga dos gases queimados.
Durante o processo de combustão, o carbono e o hidrogênio reagem com o oxigênio do ar,
liberando energia e formando vários compostos químicos (produtos da reação). Vimos que se a
combustão fosse perfeita, os gases de exaustão consistiriam apenas de dióxido de carbono (CO2) e
água (H2O).
Não sendo perfeita a combustão do motor Otto, além dos H2O e CO2, os principais gases
encontrados na descarga após a combustão da mistura ar + gasolina são:
• CO - monóxido de carbono
• HC - hidrocarbonetos não queimados
• NOx - óxidos de nitrogênio, como NO2 e NO3, etc.
• H - hidrogênio
• CH4 - metano
• O2 - oxigênio
26
• N2 – nitrogênio
• SOx - óxidos de enxofre, como SO, SO2, etc.
2.5.FATOR LAMBDA (λ)
O fator lambda (λ) ,ou fator de excesso de ar, mede o excesso de ar na mistura A/C, por isso às
vezes é chamado de coeficiente de ar e é definido como sendo a relação entre a mistura A/C operante e
a mistura A/C estequiométrica. Assim:
Figura 5 - Cálculo do fator λ
O fator λ é dependente das condições de operação do motor.
2.6.TIPOS DE MISTURA A/C
A mistura A/C pode ser classificada, de acordo com a quantidade de ar, da seguinte forma:
• λ < 1 : o motor opera com falta de ar (ou com excesso de combustível, daí o nome mistura
rica).
• λ = 1 : mistura estequimétrica.
• λ > 1 : o motor opera com excesso de ar (ou com falta de combustível, daí o nome de mistura
pobre).
27
2.7.CÁLCULO DO FATOR LAMBDA (λ) A PARTIR DO AFR
Para se conhecer o λ (e saber assim se a mistura está rica, pobre ou estequiométrica) tendo-se a
princípio apenas um valor dado de AFR e qual o combustível utilizado pelo veículo, divide-se o AFR
dado pelo valor do AFR estequiométrico para o combustível em questão.
Exemplos:
Dado um valor de AFR de 12,5 e sabendo-se que o combustível em questão é o gasohol (E22,
com AFR estequiométrico de 13,2), calcula-se que λ= 12,5/13,2≈ 0,95.
Sabe-se que os AFRs estequiométricos para os cambustíveis mais significativos são:
• Gasolina pura (E0): 14,5
• Alcool comum (E100): 9
• BLEND (50%E0 + 50% E100) ou E60: 11,1
• Gasohol (E22): 13,2
2.8.EMISSÕES
As autoridades governamentais consideram que os gases poluidores que apresentam maiores
inconvenientes ao homem e ao meio ambiente são:
• HC - hidrocarbonetos (não queimados);
• CO - monóxido de carbono;
• NOx - óxidos de nitrogênio.
2.8.1. CO
O CO é considerado altamente tóxico por causa de sua grande afinidade com a hemoglobina do
sangue formando a carboemoglobina. É sabido que se a concentração de carboemoglobina no sangue
atingir 50%, o corpo humano não consegue mais assimilar o oxigênio, levando à asfixia e à morte.
28
Um outro fator, que contribui para o aumento da porcentagem de CO, é a falta de
homogeneidade da mistura (o quanto o combusível está distribuído uniformemente no ar). Quanto
mais homogênea for a mistura, menor será a emissão de CO.
Na Figura 6 temos a representação da curva da porcentagem de CO expelido em função do
fator λ.
Figura 6 - Porcentagem de CO expelido em função do fator λ
O índice de CO aumenta com:
• λ < 1 ou seja, mistura rica;
E diminui com:
• homogeneidade da mistura;
• distribuição uniforme nos cilindros;
• λ > 1 ou seja, mistura pobre.
Na região de mistura rica (λ < 1) as emisssões de CO mostram uma dependência quase linear
da relação A/C.
Na região de mistura pobre (com excesso de ar), as emissões de CO são muito baixas e quase
independentes da relação A/C.
Na região próxima da relação estequiométrica (λ = 1) as emisssões de CO dependem da
equalização da distruibuição do combustível em cada um dos cilindros.
Se alguns dos cilindros estiverem operando com mistura rica e os outros com mistura pobre,
esse motor produzirá um índice de CO superior àquele em que todos os cilindros estiverem operando
com o mesmo fator λ.
29
2.8.2. HC
Os hidrocarbonetos HC, não são considerados gases tóxicos, mas poluentes porque quando a
sua porcentagem na atmosfera é muito alta, eles dão origem a uma reação química que além de ter um
odor desagradável provoca irritação nos olhos.
O principal inconveniente destas reações químicas é que elas são nocivas às plantas.
Na Figura 7 tem-se a representação da curva da porcentagem de HC expelido em função do
fator λ.
Figura 7 - Porcentagem de HC expelido em função do fator λ
O índice de HC aumenta com:
• mistura rica;
• o aumento do ângulo de cruzamento das válvulas;
• diminuição da temperatura de funcionamento do motor;
• ignição irregular;
E diminui com:
• mistura pobre (um pouco);
• diminuição do ângulo de cruzamento das válvulas;
• aumento da temperatura do motor;
• ignição atrasada;
30
• melhor aerodinâmica do coletor de admissão;
De maneira semelhante às emissões de CO, as emissões de HC também diminuem na região de
mistura rica com o crescimento do fator λ.
Entretanto, na região de mistura pobre, as emissões de HC tornam a crescer novamente. O
menor índice de emissões de HC ocorre quando λ =1,1 (como visto na fugura 7).
O crescimento nas emissões de HC na região de mistura pobre é causado pela menor
temperatura da câmara de combustão. Ao operar com misturas muito pobres, este efeito é agravado
pela menor velocidade de combustão e até mesmo por falhas na ignição. O limite de falha na ignição
da mistura pobre é atingido sob essas condições de λ.
Além disso, o valor da concentração do HC nos gases de descarga é máximo quando o motor
funciona com forte depressão no coletor de aspiração, isto é, em desaceleração. Por isso, nos motores
com injeção eletrônica, o sistema de controle corta o fornecimento de combustível quando se percebe
que o motor está operando nestas condições.
Um outro fator que influi no índice de HC na descarga é o ângulo de cruzamento das válvulas,
que quanto maior for, maior será a quantidade de HC eliminado na descarga.
2.8.3. NOx
Os óxidos de nitrogênio NOx não são considerados tóxicos, mas poluentes porque sob a ação
dos raios ultra-violetas do sol, formam ácido nítrico na atmosfera, que dará origem ao fenômeno
chamado de “smog fotoquímico” que produz irritações nos olhos fazendo-os lacrimejar.
Os óxidos de nitrogênio são formados durante a combustão, desassociando-se em seguida,
devido a rápida diminuição da temperatura durante a passagem entre a explosão e a expansão.
31
Figura 8 - Porcentagem de HC expelido em função do fator λ
O índice de NOx aumenta com:
• fator λ = 1,05 a 1,10
• aumento da temperatura de combustão
• aumento do rendimento térmico do motor
• aumento da taxa de compressão
E diminui com:
• mistura muito rica ou muito pobre
• ignição atrasada
• diminuição da taxa de compressão
• menor concentração de O2
A dependência das emissões de NOx com o fator λ é exatamente o oposto do que foi dito para
as emissões de CO e HC. Na região de mistura rica, há um crescimento das emissões à medida que o
fator λ cresce como resultado do aumento da concentração de oxigênio.
Na região de mistura pobre, as emissões de NOx caem à medida que o fator λ cresce porque há
uma diminuição da temperatura da câmara de combustão causada pela diminuição da densidade. A
produção máxima das emissões de NOx ocorrem com misturas em pequeno excesso de ar na faixa λ =
1,05 a 1,10 (veja a Figura 8).
Um outro fator que contribui para o aumento do NOx é a temperatura da combustão, que quanto
maior for, maior será o teor de NOx eliminado na descarga.
32
Indiretamente, podemos dizer que também a taxa de compressão e o grau de avanço da ignição
de um motor estão diretamente ligados à emissão de NOx, pois, quanto mais altos forem, maior será a
concentração expelida.
Figura 9 - influência do fator λ sobre as emissões naturais do motor
Em geral, um veículo em uma estrada plana e reta possui diferentes necessidades de consumo
conforme o motorista pisa no pedal do acelerador, abrindo ou fechando mais a borboleta de aceleração.
A figura 10 a seguir traz os gráficos de consumo e potência necessários em função da posição da
borboleta de aceleração e λ necessário para cada posição.
Figura 10 - Consumo e potência de um motor Otto típico em função de sua rotação
33
Quando a borboleta está quase fechada (marcha lenta), a potência é bem baixa, mas o consumo
específico alto. A mistura tem de ser rica para garantir o funcionamento do motor, pois a depressão no
coletor é baixa.
Se houver cruzamento de válvulas, parte dos gases queimados passam para o coletor de
admissão contaminando a mistura A/C. Por isso é fornecido mais combustível para garantir que o
motor não “morra”.
À medida que a borboleta de aceleração vai sendo aberta, a necessidade por uma mistura mais
rica diminui e a mistura fica mais pobre, diminuindo o consumo específico até um valor mínimo.
Daí em diante, consumo começa a aumentar novamente, porque para produzir mais potência é
necessário enriquecer a mistura A/C.
2.9.CATALISADOR
Figura 11 - Foto de um catalisador TWC
Com o aumento do rigor da legislação de proteção ao meio ambiente, as montadoras foram
obrigadas a buscar uma solução que permitisse reduzir as emissões a um custo mínimo para o
desempenho do motor.
A solução veio na forma da adoção de um catalisador no cano de descarga que reduz, através
de reações químicas, as 3 principais emisões (HC, CO e NOx) em cerca de 90%.
O catalisador trivalente TWC é o meio mais tradicional para reduzir as emissões de gases
indesejáveis. Dentro dele, os gases queimados do motor em contato com os agentes catalisadores
(platina, rádio e paládio) sofrem reações de óxido-redução produzindo gases inofensivos à atmosfera.
34
Entretanto, sua eficiência está vinculada à sua temperatura, à ausência de chumbo no combustível e
principalmente à relação A/ C.
• oxidação: HC → CO2 + H2O
• oxidação: CO → CO2
• redução: NOx → N2 + O2
As figuras a seguir mostram um resumo do funcionamento do catalisador TWC e a influência
de sua utilização nas emissões.
Figura 12 - Esquema de funcionamento de um catalisador TWC (visto em Passarini, Eletrônica Embarcada, notas de aula)
35
Figura 13 - influência do fator λ sobre as emissões do motor
2.10. CÂMARA DE COMBUSTÃO
Figura 14 - Figura ilustrativa de uma câmara de combustão
A câmara de combustão (espaço compreendido entre o cabeçote e a cabeça do pistão) é onde
ocorre a queima da mistura ar e combustível (mistura A/C).
A taxa de compressão (r) é calculada como segue:
Figura 15 - Cálculo da taxa de compressão
36
2.11. COMBUSTÍVEIS
Desde a primeira crise do petróleo, com a criação do Proalcool (iniciado em 1975, vindo a ruir
no final da década de 80), o etanol é amplamente utilizado no Brasil como combustível alternativo. Por
ser bem imiscível na gasolina comum, o etanol é, inicialmente, adicionado como aditivo
(regulamentado pelo governo de 22 ± 2 com erro permissível de 1%), como forma do governo
resguardar um combustível fóssil de reservas limitadas e evitar que o preço da gasolina comum fique
exorbitante no mercado interno.
Os combustíveis (por serem normalmente misturas de etanol e gasolina) são nomeados da
forma EXX abaixo (onde XX representa a porcentagem em volume de não gasolina presente na
mistura).
• E100 →0% de gasolina
• E22 →78% gasolina
• E assim sucessivamente.
Devido a diferenças de propriedades físicas (algumas, como a octanagem, apresentadas na
tabela 1 abaixo) entre a gasolina e o etanol, o AFR entre as diferentes misturas existentes nos tanques
dos veículos flex varia consideravelmente, se tornando um transtorno para a calibração (pois afeta a
performance do veículo) que precisa considerar a porcentagem de etanol presente no tanque de
combustível.
Tabela 1 - Propriedades da gasolina pura e do etanol
Propriedade Gasolina Pura Etanol
RON 93 111
Densidade (kg/m3) 747 789
Calor de combustão (MJ/kg) 42,4 26,8
AFR estequiométrico 13,4 9
Ponto de ebulição (oC) 20-300 78,5
Calor Latente de Vaporização (kJ/kg) 420 845
Constante Dielétrica 2 24,3
Sabendo que o E100 brasileiro na verdade contém 7% de água e as gasolinas comerciais
utilizam-se deste etanol como aditivo, a situação do cálculo do AFR nos veículos flex (veículos que
aceitam combustíveis desde E20 a E100, com produção e venda cada vez mais crescentes) se complica
37
ainda mais. Neste texto o álcool E100 se referirá ao etanol comercial brasileiro (93% etanol e 7%
água). Na figura 16 abaixo é mostrado um gráfico de composição de combustíveis.
Figura 16 - Composição do combustível e AFR estequiométrico em função da porcentagem de etanol misturada na gasolina
Observação: Para se saber o λ a partir de um AFR dado, vide item 2.7 deste trabalho.
A estimativa via sensor de oxigênio é possível já que o AFR ideal varia com a porcentagem de
etanol presente no combustível (quanto maior a porcentagem de etanol, mais pobre em oxigênio é a
queima, como pode ser visto na figura 17 abaixo). Assim, para maiores porcentagens de etanol, AFR
menores, e vice-versa.
Figura 17 - AFR em função da porcentagem de etanol
38
2.12. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL
Hoje em dia a maioria dos carros adota o sistema de distribuição de combustível do tipo sem
retorno (onde o regulador de pressão do combustível se encontra próximo da bomba de combustível
dentro do tanque), pois são mais simples (já que depois do reabastecimento a nova mistura chegará aos
injetores somente depois de passado algum tempo do inicio de funcionamento do motor) se comparado
com o tipo com retorno (onde o regulador de pressão se encontra na linha de combustível). Essa nova
mistura será uma mistura do combustível novo com o combustivel antigo. Esses 2 tipos de sistemas de
distribuição de combustível encontram-se representados na figura 18 abaixo).
Figura 18 - Tipos de sistemas de distribuição de combustível: a) com retorno e b) sem retorno
No caso do tipo com retorno, a nova mistura se forma rapidamente e pode acontecer do sensor
de oxigênio ainda não estar operante. Para tentar contornar este problema, o aquecedor do sensor de
oxigênio é ligado por um tempo depois de se desligar o carro para que quando o veículo voltar a ser
ligado o controlador atingir logo o estado de closed-loop e estar apto para abrir aprendizado da nova
mistura de combustível presente.
39
2.13. SENSOR DE OXIGÊNIO
Este sensor pode ser do tipo paramagnético, eletroquímico ou a base de dióxido de zircônio (o
último sendo o mais comum).
O sensor de oxigênio a base de óxido de zircônio consiste essencialmente de um par de
eletrodos porosos de platina separados por uma camada de óxido de zircônio. Um esquema deste
sensor é mostrado na figura 19 abaixo.
Figura 19 - Estrutura esquemática de um sensor de oxigênio (sensor lambda) a base de óxido de zircônio
Acima de 300ºC a cerâmica sólida de zircônio passa a conduzir íons de oxigênio e produz uma
diferença de potencial (que é dependente das duas pressões parciais de oxigênio existentes e da
temperatura) quando é exposta a concentrações diferentes de oxigênio (ar ambiente de um lado da
célula e produtos da combustão do outro). Esse fato pode ser usado para determinar o AFR existente.
A figura 20 abaixo mostra uma curva típica da tensão de saída (esta curva é diferente para cada
temperatura, porém em qualquer temperatura apresenta o mesmo formato e o mesmo tipo de queda
brusca na condição estequiométrica). Somente os valores de tensão em ambos os lados do sensor irão
mudar, a curva característica se mantém.
40
Figura 20 - Curva típica de tensão de saída de uma sonda lambda em função do fator de excesso de ar da mistura
Na condição estequiométrica (λ =1 e 0% de oxigênio) a queda brusca na tensão de saída é
insensível a temperatura do sensor (sendo utilizado assim para o controle do AFR perto da condição
estequiométrica).
Quando a tensão de saída atinge 0,8V significa que o sensor se encontra num ambiente rico
(deficiente de oxigênio ou excesso de combustível) correspondendo a λ = 0,6. Quando 0,75 V (λ =
0,95) inicia-se um joelho seguido de uma queda de voltagem para aproximadamente 0,4 V (λ = 1).
Quando pobre (λ = 1,05) a voltagem será de 0,15 V passando novamente por um joelho e nivelando-se
em 0,1V (a partir de λ = 1,3).
Estas sondas podem ser do tipo com aquecedores embutidos (para combustões pobres) ou do
tipo simples. A figura 21 abaixo mostra esses 2 tipos de sensores.
Figura 21 - Sondas Lambda
Estes sensores medem a concentração relativa de oxigênio dos gases de combustão usando
como referência o ar ambiente.
41
Os sensores do tipo simples (não aquecidos) são instalados junto ao coletor e assim dependem
do calor do motor para atingirem a temperatura de operação. Já o do tipo aquecido usa um elemento
elétrico com coeficiente de temperatura positivo (projetado para manter o óxido de zircônio em sua
faixa de alta condutividade) e assim reduz o tempo necessário para seu aquecimento.
2.14. CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DO MOTOR
As condições de operação do motor são:
• partida a frio;
• fase de aquecimento (warm-up);
• aceleração;
• desaceleração;
• cargas parciais;
• plena potência (WOT).
2.14.1. Partida a frio
O objetivo é fazer com que a partida do motor aconteça sem problemas. Não há preocupação
com as emissões de gases poluentes nem com a economia de combustível.
Como características segue: temperatura do motor baixa e a rotação do motor muito baixa pois
está sendo tocado pelo motor de arranque.
Durante a partida do motor, o sistema de dosador de combustível deve fornecer um λ da ordem
de 0,14 a 0,83, dependendo da temperatura do motor (como pode ser visto em Passarini, vide
referência). Baixas temperaturas afetam a facilidade do sistema dosador de combustível atomizar ou
misturar o combustível com o ar que está sendo admitido.
A principal preocupação do controle é para uma partida do motor segura e não para o controle
das emissões poluentes ou economia de combustível.
Nas baixas temperaturas, aumenta-se a tendência do combustível pulverizado se agrupar ou
molhar as superfícies frias (coletor e válvulas de admissão). As gotículas de combustível maiores
tendem a aumentar a relação A/C aparente, porque a superfície de troca de calor diminui. Portanto, o
42
sistema dosador de combustível precisa fornecer mais combustível para que o motor receba uma
mistura A/C mais rica.
Figura 22 - Tempo de injeção versus tempetatura do motor para partida a frio
Condições de operação durante a partida a frio:
• combustível: 0,13 < λ < 0,80.
• ponto: bem atrasado (praticamente no PMS).
2.14.2. Fase de aquecimento
O objetivo é aquecer o motor de forma rápida e segura mantendo a estabilidade e a suavidade
do funcionamento do motor.
Como características segue: temperatura do motor ainda baixa e rotação do motor já maior que
a rotação de partida. Enquanto o motor está aquecendo, ainda é necessária uma vazão A/C enriquecida
para mantê-lo funcionando suavemente, mas não tão rica quanto na partida. À medida que a
temperatura do motor sobe, o enriquecimento da mistura A/C se torna menos necessário.
43
Figura 23 - Tempo de injeção versus tempetatura do motor para fase de aquecimento
Figura 24 - Fator de correção de combustível aplicado em função da temperatura do motor para a fase de aquecimento do motor
Figura 25 - Correção no avanço da centelha em função da temperatura do motor para a fase de aquecimento
44
Condições de funcionamento durante a fase de aquecimento:
• combustível: 0,53 < λ < 1.
• ponto: adiantado em função da RPM, carga e temperatura do motor .
2.14.3. Aceleração
O objetivo é permitir a elevação da RPM do motor de forma rápida para produzir torque. Não
há preocupação com as emissões de gases poluentes nem com a economia de combustível.
Como características segue: temperatura do motor normal e borboleta de aceleração aberta
rapidamente ou com forte pressão no coletor de admissão.
Condições de funcionamento durante a aceleração:
• combustível: λ ≤ 0,80.
• ponto: valor ótimo ou MTB (mínimo avanço ótimo) para produzir máximo torque.
2.14.4. Desaceleração
O objetivo é economizar combustível e reduzir as emissões de HC e CO.
Como características segue: temperatura do motor normal e borboleta de aceleração fechada
rapidamente ou com forte depressão no coletor de admissão.
Condições de funcionamento durante a desaceleração:
• Em condições em que a inércia do veículo é suficiente para manter a rotação do motor
acima de um determinado valor, é possível cortar completamente o fornecimento de
combustível para o motor.
• ponto: atrasado ou corte da ignição.
45
Figura 26 - Faixa de injeção de combustível na fase de desaceleração em função da rotação do motor (rpm) e da temperatura do motor
2.14.5. Cargas parciais
O objetivo é minimizar as emissões de gases poluentes e maximizar a economia de
combustível. Não há preocupação com o desempenho do motor.
Como características segue: temperatura do motor normal e rotação do motor sob comando do
motorista.
Condições de funcionamento nas cargas parciais:
• combustível: λ ≈ 1,0.
• ponto: valores ótimos para baixas emissões.
2.14.6. Plena carga (WOT)
O objetivo é produzir o máximo de potência. Há um compromisso com o desempenho do motor
e emissões de gases poluentes.
Como características segue: temperatura do motor normal e carga do motor no seu valor
máximo.
A rotação do motor está elevada. A janela de tempo disponível para a combustão é mínima.
Para aumentar a velocidade da reação química da combustão, aumenta-se a quantidade de
combustível entregue ao motor.
46
Condições de funcionamento durante a plena carga:
• combustível: λ ≤ 0,80.
• ponto: valor ótimo para produzir máximo torque. Correção em caso de
sobreaquecimento.
Figura 27 - Correção no avanço da centelha em função da rotação do motor (rpm) para a fase de plena carga (WOT)
Figura 28 - Correção no avanço da centelha em função da temperatura do motor em caso de sobreaquecimento para a fase de plena carga
2.14.7. Marcha lenta
O objetivo é manter a rotação da marcha lenta estável.
Como características segue: temperatura do motor normal, forte depressão no coletor (borboleta
de aceleração fechada) e rotação do motor mínima.
47
Complicadores: ar condicionado, direção hidraúlica, alternador.
Condições de funcionamento nas marcha lenta:
• ar: RPM = 850 ± 50 rpm.
• ponto: valores ótimos para manter a rotação estável.
Resumo dos modos de operação do motor Otto e o fator λ correspondente:
Figura 29 - modos de operação do motor Otto e o fator λ correspondente
48
2.15. PONTO OU AVANÇO DA CENTELHA
Figura 30 - Esquema ilustrativodo avanço da centelha
É o número de graus antes no PMS medido no eixo do girabrequim.
• Geralmente avanço de 8 a 10º na marcha lenta
• aumentando a rotação, aumenta-se o avanço
• aumentando a Padmissão (pressão de admissão), diminui-se o avanço
O ponto de ignição de um motor é o momento em que se inicia o processo de inflamação da
mistura ar/combustível na câmara de combustão do motor. Um erro bastante comum é acreditar que
adiantar o ponto sempre produzirá mais potência.
Outro erro bastante comum é acreditar que a combustão ocorre instantaneamente ou com
poucos graus do virabrequim (1 a 2°). Se isso fosse verdade, após alguns ciclos, bielas, pistãos,
mancais e o próprio virabrequim “desmanchariam”
A combustão é rápida, mas ocorre na ordem de alguns milissegundos.
Existe uma ordem segundo a qual coisas acontecem:
• a centelha salta do eletrodo central para a massa;
• tem inicio o núcleo da chama;
• a chama tem que propagar em direção às paredes do cilindro e à cabeça do pistão.
Durante todo esse processo, o pistão continua seu movimento e espremendo a mistura A/C. Por
mais homogênea que tenha sido a preparação da mistura A/C, dentro da câmara de combustão, ela se
dispõe em camadas (tipo cebola).
49
As camadas possuem diferentes relações A/C:
• próximo à vela a mistura é mais rica;
• próximo à cabeça do pistão, mais pobre.
Essas camadas queimam em seqüência, a partir da vela de ignição. Durante a queima, cada
camada explode criando uma onda expansiva para frente. Enquanto a onda expansiva eleva a pressão
no cilindro, são consumidos alguns milisegundos. Quando avançamos o ponto, estamos adiantando o
início desse processo.
2.16. DINAMÔMETRO DE ROLO
Figura 31 - Foto ilustrativa de um dinamômetro de rolo
É usado na fase final do desenvolvimento do sistema de controle eletrônico do motor quando
são feitos os últimos ajustes com o motor montado no veículo.
O veículo todo é colocado no dinamômetro que operará segundo condições normais de
funcionamento do veículo. As normas definem ciclos de ensaios, dos quais o mais famoso é o ciclo
FTP (EUA).
50
2.17. SENSOR ANTI-DETONAÇÃO
O sensor anti-detonação tem a função de identificar e informar à ECU se está ocorrendo o
fenômeno da detonação no motor.
Na ocorrência da detonação a ECU ajusta o ponto de ignição modificando o ângulo de avanço,
atrasando a centelha.
A detonação é resultado da queima anormal do combustível e ocorre com o aumento da
temperatura na combustão. Quando a câmara de combustão fica muito quente, a mistura A/C entra em
auto-combustão, gerando uma expansão dos gases queimados num momento indesejável, originando
uma choque ou “batida forte” na cabeça do cilindro, conhecida popularmente como “batida de pino”.
Esse som é bem característico.
Após a ECU retardar o avanço da centelha e cessar a detonação, a ECU adianta o avanço da
centelha até que o ponto inicial seja alcançado ou que a detonação recomece.
51
3. METODOLOGIA
3.1.FAST FID
Devido a essa onda de conscientização ambiental global e, consequentemente, regulamentações
de emissões cada vez mais rígidas, para conseguir atender as regulamentações atuais e futuras é
fundamental que se reduza a concentração de HC não queimado presente nos gases de escape durante a
fase de partida a frio. Isso se torna necessário pois, nesta fase, o catalisador ainda encontra-se
inoperante (desativado), logo, a concentração de HC não queimado presente nos gases de escape varia
proporcionalmente com a razão ar/combustível (conforme mostrado na figura 32 a seguir).
Figura 32 - Concentração de HC nos Gases de Escape e Estabilidade de Combustão na condição de partida a frio
52
Um dos desafios, em se tratando de motores 4 tempos ICE, é o fato da existência de um atraso
de transporte causado pelo atraso de parte do combustível em percorrer, durante a injeção, a distância
entre o duto de admissão e a câmara de combustão.
Saber melhor a concentração de HC (e sua formação) nos gases de exaustão possibilitará obter
informações a respeito do combustível não queimado e assim viabilizará o desenvolvimento de
calibrações e dispositivos de controle de emissões a fim de atingir níveis de emissões cada vez
menores. Esses avanços serão possíveis através da obtenção de medições feitas com melhor qualidade,
através do uso de equipamentos de medição e análise mais modernos ( exemplo: FAST FID).
O FAST FID é um equipamento de análise rápida (de alta freqüência de resposta) de emissões
através de detecção por chama ionizada, e mede a concentração de hidrocarbonetos não queimados nos
gases de escape. É um processo de amostra contínua muito superior aos processos de amostras
discretas (segundo Sutela e Collings, 1999) e por isso considerado ideal para calibração e análise dos
tempos de ignição e de injeção de combustível durante operação transiente do motor. Assim permite
uma melhor elaboração de calibração do motor.
Como durante a partida a frio1 ou durante a transição entre estados de operação2 podem ocorrer
níveis significativos de emissões de poluentes, é necessário que se façam aquisições de amostras
contínuas (superiores às amostras discretas). Para isso, é imprescindível a utilização de sensores cujo
tempo de resposta seja da ordem de milissegundo, ordem atingida pelo FAST FID (equipamento de
análise rápida de emissões através de detecção por chama ionizada).
Princípio de funcionamento:
O gás de escape é introduzido na chama (cujo combustível é o hidrogênio) existente dentro do
equipamento. Qualquer hidrocarboneto presente na amostra irá produzir íons quando queimado. Íons
são detectados por um coletor metálico. A corrente que atravessa por esse coletor é proporcional à taxa
de ionização que, por sua vez, depende da concentração de hidrocarboneto, HC, presente na amostra.
A figura 33 representa esquematicamente este processo. 1
1 quando o catalisador não está na temperatura de operação efetiva 2 quando a posição da borboleta e parâmetros de injeção se alteram rapidamente
53
Figura 33 - Desenho esquemático do FAST FID
3.2.SENSOR DE ETANOL
Hoje o cálculo do AFR é feito utilizando o sensor de oxigênio (conhecido também como sensor
lambda ou sonda lambda), este sensor mede a concentração de oxigênio nos gases de combustão. O
grande atrativo para a utilização deste sensor para o cálculo do AFR é que se trata de uma tecnologia
bem amadurecida e totalmente dominada na indústria automobilística, é disponível em qualquer casa
de autopeças e é barato.
Porém, segundo a empresa Continental, fabricante do produto sensor de etanol, este sensor
possui baixa precisão (+/- 10%), resposta lenta e cálculo intermitente da quantidade de etanol presente
(pois depende da duração das fases de aprendizado para medir a porcentagem de etanol), estimativa
imprecisa da porcentagem de etanol (devido a geometria do tanque de combustível e composição de
tolerâncias nas especificações de alguns componentes: injetores, reguladores de pressão, sensores
medidores de vazão / pressão de ar, sensores de oxigênio etc), dificilmente atendendo os limites de
OBD/OBDBr-2 impostos. Nota: a geometria do tanque pode ter impacto relavante na variação do AFR
no caso de aplicações com geometrias complexas nas quais pode haver, dependendo do nível de
combustível, isolamento parcial de algumas regiões do mesmo.
Utilizando-se o sensor de etanol já é possível melhorar o cálculo da porcentagem de etanol
presente no combustível (e assim melhorar o cálculo do AFR), pois este sensor possui, de acordo com
o fabricante Continental, alta precisão (+/- 5%), resposta rápida (o sinal está disponível antes da
54
injeção do combustível) e não é dependente de geometria do tanque de combustível. Porém aumenta-
se um pouco os custos de produção, já que é necessária a instalação de mais um sensor.
Princípio de funcionamento:
O transdutor do sensor de etanol é uma célula composta por um anodo (externamente) e um
catodo (internamente). O combustível flui do centro da célula para a superfície externa (do catodo para
o anodo) e a medição é baseada na constante dielétrica (r
ε ) do etanol presente na mistura
álcool/gasolina (a qual para o etanol tem valor 25 a 20ºC, enquanto que para gasolina sem etanol, ou
gasolina pura, é 2) para inferir a porcentagem de etanol na gasolina.
Um desenho esquemático do princípio de funcionamento do sensor de etanol é mostrado abaixo
(Figura 34).
Figura 34 - Valores físicos para a conversão do sinal elétrico
Duas importantes compensações precisam ser feitas neste sensor, compensação de temperatura
(relativa a permitividade, ou constante dielétrica, do álcool ser sensível a temperatura, mostrada na
figura 35 a seguir) e de condutividade (devido à presença de resíduos).
Figura 35 - Variação da Constante Dielétrica em função da porcentagem de etanol presente no combustível e da temperatura
55
Para a compensação de temperatura, a temperatura do combustível é determinada por um
resistor NTC (termístor). Esse componente térmico garante uma resposta rápida e precisa. Contudo, na
compensação de condutividade, a medição será feita numa faixa de baixas freqüências.
O sinal de saída do sensor de etanol é uma onda quadrada. A porcentagem de etanol é dada pela
freqüência (inverso do período, distância entre dois picos ou dois vales consecutivos) do sinal de saída.
A duração do vale da onda representa a temperatura do combustível. Isso pode ser visto na figura
abaixo (Figura 36).
Figura 36 - Sinal de saída do sensor de etanol
56
4. PROCEDIMENTO
4.1.MONTAGEM DO EXPERIEMNTO PARA VERIFICAR A EFICIÊNCIA DO SENSOR
DE ETANOL
O sensor de etanol e os equipamentos de aquisição necessários (ATI, EDAQI, MI5, HEGO
instrumentado, etc) foram instalados num veículo com motor Flex 1.6L 8V.
O sensor foi instalafo na linha de combustível próximo a galeria de injeção.
Em condições ideais, o aprendizado de AFR inicia-se automaticamente após cada
reabastecimento. Aqui, a fim de diminuir os custos dos testes, o aprendizado de combustível foi
iniciado manualmente via software (utilizando-se para isto o software ATI VISION 3.6).
Foram feitas aferições com 3 tipos de combustíveis: E22, E100 e BLEND (50% E22 e 50%
E100), que são os representativos da gama de combustíveis possivelmente presentes nos veículos Flex.
Para cada combustível foram feitas 9 aquisições.
Foi utilizada uma ECU Magneti Marelli instalada no compartimento do motor e os testes foram
rodados em condição de marcha lenta estabilizada (2ª marcha, rotação entre 1600 / 1800 rpm e carga
de aproximadamente 0,6 EFFIC).
Modelamento matemático
Sabe-se que a freqüência de uma onda é o inverso de seu período de onda (distância entre dois
picos ou dois vales consecutivos) e como o sinal de saída oferecido pelo ATI teve de ser processado
para atender a faixa de tensão aceita pelo software, dividindo por 8 o sinal real (assim necessitando da
multiplicação por 8 para voltar aos valores reais) o cálculo da freqüência do sinal dado pelo sensor de
etanol é dado por
(Eq. 1)
Observado que a frequência do E100 (etanol) é 150 Hz e da gasolina (E0) é 50 Hz, e seu AFR
são, respectivamente, 9 e 14,6. Fazendo-se uma interpolação calcula-se o AFR da mistura presente no
veículo dado pelo sensor de etanol através do cálculo abaixo.
57
Ou seja,
(Eq. 2)
No método convencional há desvios no resultado final do AFR devido à imprecisão dos
componentes, é necessário corrigir o valor de AFR dado pela aferição.
Assim:
(Eq. 3)
Em que:
KO2F é a correção do sensor lambda filtrado
KO2ADAT é a correção de combustivel autoadaptativa
AFR sensor lambda é a AFR indicado pelo sensor lambda
O KO2ADAT é calculado da forma:
• Se TH2OC > TH2OMPA
KO2ADAT= KO2ADATW
Caso contrário,
• Se TH2OC < TH2OMPA
KO2ADAT = KO2ADATW * KO2ADATC
Em que:
KO2ADATW = correção autoadaptativa de combustivel a quente
KO2ADATC = correção autoadaptativa de combustivel a frio
TH2OC = temperatura correta da água do radiador
TH2OMPA = temperatura autoadaptativa da água do radiador
Sendo KO2ADATW interpolado da tabela (TBKO2ADA) de ganhos autoadaptativos em
função da rotação do motor e da pressão do ar de entrada no coletor e KO2ADATC interpolado da
tabela (TBCOLDAD) de ganhos autoadaptativos em função da temperatura correta da água e da
pressão do ar de entrada no coletor.
KO2F é uma média dos últimos valores de KO2 (correção do sonda lambda, que adquire o
valor do último KO2F obtido).
Assumindo que os AFR estequiométricos do E22, BLEND e E100 são, respectivamente: 13,2;
11,1 e 9, o cálculo do erro é feito da forma a seguir.
58
(Eq. 4)
(Eq. 5)
As equações (Eq. 1), (Eq. 2), (Eq. 3), (Eq. 4) e (Eq. 5) foram implementadas numa planilha MS
Office Excel para acelerar os cálculos.
Alimentava-se a planilha com o período dado pelo sinal do sensor, os parâmetros AFR inferido
pelo sensor lambda, KA2ADAT, KO2F (aquisitados pelo ATI) e assim obtia-se os resultados.
Observação: Os dados individuais de cada experimento foram omitidos por questão de
confidencialidade.
4.2. MONTAGEM DO EXPERIEMNTO PARA UTILIZAÇÃO DO FAST FID PARA
OTIMIZAÇÃO DA ANÁLISE DE EMISSÕES
O equipamento FAST FID utilizado no experimento possuía a configuração a seguir.
• Faixa do sinal de saída: 0 – 5V.
• Faixa da medição ppmC do equipamento: 0 – 20000 ppmC.
• ppmC=4000*DDP ( relação funcional explicada mais a frente)
É sabido que o sinal de saída do FAST FID é proporcional a vazão mássica total de
hidrocarbonetos, assim cuidados na hora de setar o instrumento e medir a amostra são fundamentais.
O equipamento precisa estar aquecido na hora do teste, por isso é necessário um pré-
aquecimento inicial com duração de aproximadamente 30 minutos. Ele precisa também ser calibrado
através da utilização/queima pelo equipamento do gás span (gás referência 18000 ppmC) e depois do
gás zero (gás referência 0 ppmC), assim o equipamento passa a ter a referência de quanto de HC não
queimado equivale a 20000 ppmC e quando informar que não há HC não queimado.
Os gases utilizados na calibração do FAST FID eram:
• Gás span: composto por uma mistura com C3H8 (propano) a 0,63%
• Gás zero: composto por N2 (nitrogênio).
Os equipamentos utilizados em testes de certificação possuem baixa frequência de resposta (da
ordem de 1s) não sendo adequados para testes de transiente em motores 4 tempos (equipamentos para
59
estes testes precisam ter frequência de resposta alta, em milissegundos). Outro problema existente em
testes de transiente são os atrasos associados ao posicionamento dos pontos de aquisição (geralmente
na parte de baixo do motor), sendo necessário a utilização de técnicas matemáticas para contornar estes
problemas e garantir um sinal de análise verdadeiro.
Devido ao transporte do gás da câmara de combustão até a saída de pré-cat (esta é feita abrindo
uma ramificação tubular estreita antes do catalisador, ou pré-cat) e o transporte da saída de pré-cat ao
FAST FID, ocorre um atraso na resposta do FAST FID. Abaixo encontra-se um desenho esquemático
da parte da exaustão (catalisador, escapamento, e localização das saídas de pré e pós cat).
Figura 37 – Localização esquemática das saídas de pré e pós cat em relação ao catalisador
Esse atraso é calculado experimentalmente e será explicado mais a frente.
O sinal de saída para o ATI (software para aquisição de dados analógicos e da PCM) é em
tensão, necessitando da implementação de uma relação funcional para conversão de tensão para ppmC.
Assim o resultado fica em concentração de carbono e não em gramas, sendo necessário uma
nova conversão de ppmC para g/s, mostrada a seguir.
(Eq.6)
Em que:
C: vazão mássica de HC [g/s]
HC: concentração de HC não queimado [ppmC]
vazão mássica de exaustão [kg/h]
Para essa segunda conversão foi feita uma rotina utilizando o software Matlab (rotina mostrada
no ANEXO III).
Fazendo uma interpolação simples encontra-se a relação funcional a ser implementada no canal
de aquisição do FAST FID no ATI, mostrada abaixo.
Relação Funcional: Y = 4000*X (Eq. 7)
60
Utilizou-se de um veículo com motor Flex 1.6L 16V, de uma ECU Bosch, além do software
ATI VISION 3.6 como ferramenta de aquisição de dados.
Rodou-se testes de emissões do ciclo NBR-6601, 1ª fase (devido a limitações no tempo de
funcionamento do FAST FID ser de no máximo 8 minutos). Este ciclo é baseado no FTP-75, como
pode ser visto no ANEXO I.
Para o canal de aquisição analógico FAST FID utilizou-se uma taxa de aquisição de 1ms,
enquanto que para os demais canais de aquisição foi utilizado a taxa de aquisição 10ms.
Experimento para o cálculo do atraso do FAST FID
Para esse experimento foram utilizados um dinamômetro de rolo, um veículo aquecido através
do condicionamento em dinamômetro de rolo utilizando-se para tal as 2 primeiras fases de um ciclo de
emissões NBR-6601 (ANEXO I). Além disso, foram utilizados os equipamento de aquisição de dados
já descritos no experimento anterior.
Procedimento Experimental
• Colocou-se o carro em malha aberta (open-loop, sem feed-back do sensor lambda)
• Induziu-se um lambda de mistura rica
• Esperou a estabilização do motor (± 15 seg)
O sinal do HEGO variou, o sinal do FAST FID passou por um pico e praticamente não houve
alteração do sinal de rotação
• Depois induziu-se um lambda de mistura pobre
• Esperou-se novamente a estabilização do motor (±15 seg)
O sinal do HEGO variou novamente, o sinal do FAST FID passou por um vale e novamente
praticamente não houve alteração do sinal de rotação.
Esse processo foi repetido até a obtenção de resultados homogêneos.
Com os resultados obtidos para o atraso entre o impulso de injeção de combustível e a variação
do sinal do FAST FID (tanto para as condições pobre/rico e rico/pobre) obteve-se um atraso médio.
Essa média foi utilizada para fazer a sincronização da curva do FASTFID com a da vazão de ar,
já que para a utilização da equação de conversão de ppmC para g/s (dada pela Eq. 6) é necessário que
o sinal da vazão de ar e do FAST FID estejam sincronizados para que o resultado final não retrate uma
situação inexistente (exemplo: picos de HC não queimado em acelerações leves, ou falta de HC não
queimado em desacelerações fortes).
Observação: As escalas do gráficos presentes nesse trabalho foram removidas por questão de
confidencialidade.
61
• para rico (pobre/ rico)
Figura 38 - Atraso de transporte do sinal do FAST FID em relação ao instante de injeção de combustível na condição de lambda pobre para rico
Na figura acima, bem como na figura a seguir, segue as infomações abaixo:
• curva branca: impulso de injeção
• curva azul claro: rotação (RPM)
• curva vermelha: FAST FID (HC não queimado)
• curva verde claro: fator lambda (HEGO)
• curva rouxa/violeta: massa de ar no coletor de admissão
• A rotação permaneceu fixa numa mesma faixa
62
• para pobre (rico/ pobre)
Figura 39 - Atraso de transporte do sinal do FAST FID em relação ao instante de injeção de combustível na condição de lambda rico para pobre
Então o atraso do sinal do FAST FID para o tempo de injeção, como visto abaixo, pode ser
assumido como sendo constante (o mesmo para ambas as condições) e igual a 0,66 segundos.
Figura 40 - Cálculo de média e desvio padrão do atraso de transporte do sinal do FAST FID para ambas as condições (pobre/rico e rico/pobre)
63
5. RESULTADOS E CONCLUSÕES
5.1.SENSOR DE ETANOL
A partir dos resultados obtidos, gerou-se a tabela abaixo:
Tabela 2 - Quantificação do erro nos resultados que o sensor de etanol apresenta em relação ao estequiométrico quando comparado ao sensor lambda
Onde
Como pode ser visto na tabela acima, o sensor de etanol apresenta os menores erros em
relação ao estequiométrico se comparado ao sensor lambda, para as 3 misturas utilizadas.
Percebe-se assim que a afirmação teórica, na qual o sensor de etanol é mais preciso no
cálculo da porcentagem de etanol presente, se comparado com o método convencional (uso do
sensor lambda), confirma-se, nas condições experimentais avaliadas.
Com isso, para atender a limites legais de emissões cada vez mais severos, o uso do
sensor de etanol em substituição do sensor lambda para a estimativa da porcentagem de etanol
64
presente no combustível (apesar de ligeiro aumento nos custos de produção) é uma opção a ser
considerada.
5.2.FAST FID
Como pode ser observado no ANEXO III e nas figuras abaixo, o FAST FID
(equipamento de análise de amostragem contínua), devido sua taxa de aquisição ser de 1ms e
não 1s como ocorre nos equipamentos de análise de amostragem discreta (utilizados atualmente
para as análises de emissões), consegue uma reprodução mais realista, acentuando muito mais
picos de HC que ocorrem durante o funcionamento do motor 4 tempos e amortizados pelo
método discreto, além de uma maior precisão na quantificação do HC não queimado presente
nos gases de escape (já que no método de amostragens discretas esse montante é calculado por
integração e não efetivamente medido). Observa-se também que alguns picos de emissões
detectados pelo FAST FID não seriam detectados no método convencional, bem como alguns
picos mostrados pelo método convencional acabaram não se mostrando reais.
Assim, com a inclusão da rotina (ANEXO II) atingiu-se o objetivo de um cálculo mais
preciso e de melhor visualização e entendimento do HC não queimado liberado pelo motor 4
tempos (e que chega ao catalisador) durante a fase de partida a frio e aquecimento do veículo,
se tornando uma importante ferramenta para uma melhor análise de emissões (principalmente
HC) e a obtenção de uma melhor calibração (veículos mais econômicos, menos poluentes, mas
sem perda de potência).
As figuras a seguir são referentes a um teste de emissões do ciclo NBR-6601, 1ª fase
(ANEXO I).
Observação: As escalas do gráficos presentes nesse trabalho foram removidas por
questão de confidencialidade.
65
Figura 41 - Análise feita, com a utilização do FAST FID, sobre o HC não queimado presente nos gases de escape
Figura 42 - Análise feita por amostragem discreta do HC não queimado presente nos gases de escape
66
Figura 43 - Comparação entre os resultados obtidos com o FAST FID e com um equipamento de amostragem discreta (como ferramenta de plotagem foi usado o software ATI VISION)
Sendo que:
• Em azul, HC medido por equipamento de amostragem discreta
• Em verde, HC medido pelo FAST FID
67
6. TRABALHOS FUTUROS
Como sugestões para trabalhos futuros segue:
• Ampliar amostragem de carros do experimento realizado.
• Fazer testes de emissões com esta amostragem ampliada.
• Fazer testes de dirigibilidade.
• Fazer o modelamento do motor flex para otimização do mesmo nas mais variadas condições de
funcionamento.
• Avaliar comportamento com combustível adulterado.
68
7. REFERÊNCIAS
AHN, K. et al. Ethanol Content Estimation in Flex Fuel Direct Injection Engines Using In-Cylinder Pressure Measurements. SAE INTERNATIONAL, Michigan, USA, 2010. ARSIE, I. et al. Experimental Validation of a Neural Network Based A/F Virtual Sensor for SI Engine Control. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, SAE World Congress Detroit, Michigan, USA, April 3-6, 2006. CARMO DE LIMA, L. et al. Construção e avaliação de um monitor de combustão industrial. Rev. Tecnol. Fortaleza, v. 28, n. 1, p. 77-84, junho, 2007. CARRIERO, M.; PEDICILLO, A.; TONDELLI, G. Combustion Chamber Deposits: Fuel and Lubricant Effects on Exhaust Hydrocarbon Emissions Measured by Fast FID Analyzer. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, International Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, Paris, France, June 19-22, 2000 CHEREL, J.; FRANCQUEVILLE, L. de; THIROUARD, B. Investigating Unburned Hydrocarbon (UHC) Emissions in a GDI Engine (Homogeneous and Stratified Modes) Using Formaldehyde LIF and Fast-FID Measurements in the Exhaust Port. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, Powertrain & Fluid Systems Conference & Exhibition, Rosemont, Illinois, October 29-November 1, 2007 COLLINGS, N.; PECKHAM, M. In-Cylinder HC Measurements with a Piston- Mounted FID. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, Philadelphia, Pennsylvania, October 18-21, 1993 COLLINGS, N.; PECKHAM, M. Investigation into Crevice Out-Gassing of an Operating SI Engine with a Fast-FID. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, Philadelphia, Pennsylvania, October 18-21, 1993 COLLINGS, N.; SCHUROV, S.; SUMMERS, T. Time Resolved Measurement of Cold Start HC Concentration Using the Fast FID. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, International Fall Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, San Antonio, Texas, October 14-17, 1996 COWART, J. S.; HAMILTON, L. J. Fuel Accounting Analysis during Cranking and Startup using Simultaneous In-Cylinder and Exhaust Fast FID and NDIR Detectors. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 2008 World Congress, Detroit, Michigan, April 14-17, 2008
69
DENBRATT, I.; LINDGREN, R.; SANDQUIST, H. Sources of Hydrocarbon Emissions from a Direct Injection Stratified Charge Spark Ignition Engine. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, International Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, Paris, France, June 19-22, 2000 Flex Fuel Sensor. Desenvolvido por CONTINENTAL AUTOMOTIVE. Disponível em: < http://www.conti-online.com/generator/www/de/en/continental/automotive/themes/passenger_cars/powertrain/sensors_actuators/sensors_actuators_en,tabNr=1.html/#>. Acesso em 20 jun. 2010. HELLRING, M. et al. Robust AFR Estimation Using the Ion Current and Neural Networks. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, USA, March 1-4, 1999. KIM, H. et al. Correlating Port Fuel injection to Wetted Fuel Footprints on Combustion Chamber Walls and UBHC in Engine Start Processes. SAE International, 2003 LAVOIE, G.; RUSS, S.; THIEL, M. SI Engine Operation with Retarded Ignition: Part 2 –HC Emissions and Oxidation. Society of Automotive Engineers, Inc., 1999 LAWRENCE, J.; WATSON, H. C. Instantaneous Multi-Point Versus Single-Point Measurement of Exhaust Port Hydrocarbons of Ultra Lean Mixture. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, SAE 2000 World Congress,Detroit, Michigan, March 6-9, 2000 MAZARA, R.; THEUNISSEN, F.; VOLPATO, O. Engine Manangement for Flex Fuel plus Compressed Natural Gas Vehicles. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, Powertrain & Fluid Systems Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA, October 24-27, 2005. NAKAGAWA, S. et al. Cold Start HC Reduction with Feedback Control Using a Crank Angle Sensor. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 2008 World Congress, Detroit, Michigan, April 14-17, 2008 Passarini, L. C. Eletrônica Embarcada, notas de aula Principio de funcionamento do FAST FID. Desenvolvido por COMBUSTION Ltd. Disponível em:< http://www.cambustion.com/products/hfr500/fast-fid-principles/#>. Acesso em 20 jun. 2010. SODRÉ, J. R.; YATES, D. A. Species and Time-Resolved Measurements of Exhaust Hydrocarbons from a SI Engine. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, International Congress & Exposition, Detroit, Michigan, February 24-27, 1997
70
STRAYER, B. A.; TRINKER, F. H. A Predictive Model for Feedgas Hydrocarbon Emissions: An Extension to Warm Engine Maps. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, Powertrain & Fluid Systems Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA, October 24-27, 2005 SUTELA, C.; COLLINGS, N. Fast Response CO2 Sensor for Automotive Exhaust Gas Analysis. Society of Automotive Engineers, Inc., 1999. THEUNISSEN, F. M. M. Percent Ethanol Estimation on Sensorless Multi Fuel Systems; Advantages and Limitations. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 12º Congresso e Exposição Internacionais de Tecnologia da Mobilidade São Paulo, Brasil, 18-20 de novembro, 2003. VENKATARAMANA, R. C.; WADAWADAGI, S. B. Experimental Investigations on Reduction of CO and HC in SI Engine with Catalytic Converter. Society of Automotive Engineers of Japan, Inc. and SAE International, 2007
71
8. ANEXO I
Ensaio de Emissões de Escapamento – NBR 6601
O Programa de Controle de Emissões Veiculares tem seu teste em dinamômetro de chassis, de
acordo com a norma brasileira ABNT NBR 6601, baseada no ciclo FTP-75 em km/h.
O teste é composto de 23 ciclos, simulando trânsito urbano e totalizando aproximadamente 18
quilômetros. É dividido em 3 fases, sendo a primeira a fase fria, a segunda a fase quente e a terceira
fase uma repetição da fase fria após 10 minutos de motor desligado. O perfil de velocidades de todo o
teste é dado na Figura 44:
Figura 44 - Perfil de Velocidade e fases do ensaio de emissões de escapamento segundo a norma NBR 6601
O ciclo regulamentado de emissões no Brasil é o ciclo FTP 75, que consiste em três seções de
teste representando velocidades medidas nas ruas de Los Angeles, EUA, em uma manhã de trânsito
comum. Para que o veículo possa ser testado ele deve ser condicionado.
O condicionamento do veículo consiste em permanecer 12 horas com motor desligado em
ambiente climatizado com temperaturas médias entre 20 e 30°C. Após isso, o veículo pode ser
colocado no dinamômetro de chassis e o teste é iniciado.
O ciclo FTP 75 tem como características principais os dados mostrados e suas fases são
descritas a seguir:
72
Tabela 3 - Dados de um ciclo FTP 75
Distância do ciclo 17.87 km
Duração do ciclo 1877 s +
600 s de pausa
Velocidade média do ciclo 34.1 km/h
Máxima velocidade do ciclo 91.2 km/h
FTP 75
• Fase 1: Fase fria de transição, inclui a partida com motor frio, tem duração de 505s e um
percurso de 5,7 km. Durante essa fase os gases coletados são armazenados na bolsa de
armazenamento 1 (bag 1).
• Fase 2: Fase estabilizada. O gás passa a ser coletado da bolsa de armazenamento 2 (bag 2) no
início dessa fase sem interrupções do ciclo. Essa fase tem duração de 866 segundos e um
percurso de 6,2 km, e logo após o veículo é desligado para uma pausa de 10 minutos.
• “Soak” - Entre a segunda e a terceira fases existe um intervalo de 10 minutos, quando o veículo
em teste fica parado com o motor desligado. Não há amostragem de gás nesse período.
• Fase 3: Fase quente. O motor é reiniciado para a fase quente, cujo perfil de velocidade
corresponde ao da fase fria de transição e a duração é também de 505 segundos. Os gases
dessa fase são coletados na bolsa de armazenamento 3 (bag 3).
As amostras dos gases nas bolsas 1 e 2 são analisados durante a pausa de 10 minutos entre a
fase estabilizada e a fase quente uma vez que as amostras não devem permanecer nas bolsas por mais
de 20 minutos. A bolsa 3 só é analisada após o fim do ciclo.
A soma dos pesos das massas de poluentes de todas as três bolsas é correlacionada com a
distância percorrida durante o teste e então expressada em gramas por quilômetro.
O ensaio conforme NBR 6601 é constituído pelos seguintes processos:
73
Figura 45 - Seqüência de processos de um ensaio completo conforme a NBR 6601
74
9. ANEXO II
Rotina feita com o auxílio do software Matlab para a conversão de ppmC para g/s da
quantidade de HC não queimado presente nos gases de escape.
function HC_concentration()
close all;
clc;
[recfile1, recpath] = uigetfile('*.rec'); % importação dos dados do software de aquisição
recfile = actxserver('Vision.RecorderFile'); de dados ATI VISION
getfile = recfile.OpenRecorderFile([recpath recfile1]);
numchan = recfile.Channels.Count;
for i=1:numchan
Chan = recfile.Channels.Item(i);
if strcmp(Chan.Name, 'FAST_FID')
temp1 = Chan.GetData;
else if strcmp(Chan.Name, 'ml_w')
temp2 = Chan.GetData;
else if strcmp(Chan.Name, 'nmot')
temp3 = Chan.GetData;
end
end
end
end
x=length(temp1);
k=length(temp2);
t=length(temp3);
cell(1,1:x) = temp1(1:x,1);
cell2(1,1:k) = temp2(1:k,1);
cell3(1,1:t) = temp3(1:t,1);
75
fastfid = cell2mat(cell);
m = cell2mat(cell2);
n = cell2mat(cell3);
w=0.66*10^3; % retirada dos atrasos para sincronização do FAST FID, vazão
g=0.26*10^2; de ar e rotação em relação ao instante de injeção de combustível
r=0.47*10^2;
fastfid(1:w)=[];
m(1:g)=[];
n(1:r)=[];
q=length(fastfid);
p=length(m);
v=length(n);
f= (p+1)*0.01; % interpolação para expansão dos vetores de massa de ar e
a= (q+1)*0.001; rotação pois estes possuem taxas de aquisição
g= (v+1)*0.01; de 10ms enquanto o FAST FID aquisita a 1 ms
s=linspace (0,f,p);
si=linspace (0,a,q);
t=linspace (0,g,v);
ti=linspace (0,a,q);
M=interp1(s, m, si, 'linear');
N=interp1(t, n, ti, 'linear');
M1=M/3.6; % conversão do HC não queimado de ppmC para g/s
C=(fastfid/(10^6)).*(M1);
N1=N/10000;
fastfid1=fastfid/100000;
M2=M1/100;
figure(1) % gráficos gerados de vazão de ar (em vermelho), rotação (em azul),
plot(M2,'r') HC em g/s (em verde) e HC em ppmC (em amarelo)
hold on
plot(N1,'b')
76
plot(C,'g')
plot(fastfid1,'y')
legend('vazão de ar em g/s*10^2','rotação do motor *10^4','quantidade de HC em
g/s','quantidade de HC em ppmC *10^5')
hold off
Figura 46 - Rotina feita no Matlab para a conversão de ppmC para g/s e sincronização das curvas de rotação, vazão do ar no coletor de admissão e do sinal do FAST FID
77
10. ANEXO III
As figuras abaixo mostram, respectivamente, uma aquisição crua feita pelo software ATI
VISION (sem a inclusão da rotina de conversão e os ajustes para eliminação dos atrasos de transporte)
e as demais feitas pelo software Matlab, já com a inclusão da rotina. Os gráficos foram gerados com os
resultados obtidos sobre a utilização do FAST FID para melhor análise sobre a presença de HC não
queimado nos gases de escape.
Observação: As escalas do gráficos presentes nesse trabalho foram removidas por questão de
confidencialidade.
Figura 47 - Aquisição crua feita durante a realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase
78
Figura 48 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar de entrada no coletor, rotação do motor *102, HC
não queimado em g/s, HC não queimado em ppmC *103)
Figura 49 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de
emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar de entrada no coletor, rotação do motor *102)
79
Figura 50 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (rotação do motor *102, HC não queimado em g/s)
Figura 51 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar de entrada no coletor, HC não queimado em g/s)
80
Figura 52 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (HC não queimado em g/s, HC não queimado em ppmC *103)
Figura 53 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (HC não queimado em g/s)
81
Figura 54 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de
emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (vazão de ar no coletor)
Figura 55 - Aquisição com a inclusão da rotina do Matlab feita durante a realização de um teste de
emissões do ciclo NBR-6601 1ª fase (rotação do motor *102)
![Sensor de fibra óptica de intensidade com instrumentação virtual · 2017-10-12 · Figura 2.10 - Sensor de fibra óptica baseado no campo evanescente [8] ..... 16 Figura 2.11 -](https://img.document.onl/doc/110x75/5f898ffe5f78683bf41d580a/sensor-de-fibra-ptica-de-intensidade-com-instrumentao-virtual-2017-10-12.jpg)
