Relatório do projeto de Controle Eletrônico para Regime de Marcha Lenta

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM ELETRÔNICA AUTOMOTIVA Relatório do projeto de Controle Eletrônico para Regime de Marcha Lenta Endryl Laureano Moreira Roque Renan José dos Santos Wellington Henrique Nogueira Sorocaba 2017

2 Sumário 1. O Veículo Monitoramento do comportamento dinâmico do motor através do cruzamento de sinais de rotação, fase, ignição e injeção Aquisições Estrutura do Hardware Método Speed X Density Cálculo do tempo de injeção em malha aberta Aquisições para o controle da borboleta Estratégia de partida e aquecimento Estudo para programação do software...15 REFERÊNCIAS...18

3 1. O Veículo Volkswagen: O veículo em estudo trata-se do modelo POLO 1.6L Flex do fabricante Figura 1 Ficha Técnica Fonte: Adaptado de Volkswagen, Com osciloscópio e multímetro foi realizado as medições para validação do diagrama de pinos da ECU original e esquema elétrico do veículo, possibilitando o levantamento da tabela seguinte:

4 Tabela 1 - Conexões POLO - Pinagem Alimentação VBat +12V 15 GND 2 VBat +12V 27 GND 28 Linha (SB45) Alternador 11 (DFM) Sensores Pedal 1 Pedal 2 Sinal 33 Sinal 45 +5V 8 +5V 6 GND 7 GND 19 TPS MAP TPS 1 75 Pressão 70 TPS 2 68 Temp. Ar 56 +5V 55 +5V 62 GND 61 GND 54 Knock* Sonda Lambda Knock 1 77 Sinal 47 GND 21 GND 63 Aquecimento 13 (-) Blindagem 54 Temp. Água Interruptores Sinal 74 Embreagem 38 GND 54 Freio 1 23 Freio 2 51 Rotação* Fase Sinal 53 Sinal 60 +5V 62 +5V 62 GND 67 GND 54 Velocidade Ar Condicionado Sinal VIA CAN Pressão AC 17 5 Botão AC 44 Comunicação CAN Diagnóstico CAN Low 32 Linha K 29 CAN High 31 Atuadores Motor Válvula Borboleta Ventilador Radiador Sinal ª Velocidade 22 Sinal ª Velocidade 40 Ignição Ar Condicionado Cilindros 1 e 4 57 Relé AC 42 Cilindros 2 e 3 71

5 Injeção Injetor 1 79 Injetor 2 59 Injetor 3 73 Injetor 4 65 Partida a Frio 64 Relé Sistema Injeção Relé Principal 26 Partida Frio 48 Válvula Cânister Sinal Monitoramento do comportamento dinâmico do motor através do cruzamento de sinais de rotação, fase, ignição e injeção. Com as analises realizadas no veiculo Polo 1.6l, motor EA111 BPA da Volkswagen, pudemos observar o comportamento dos tempos de injeção e avanço de ignição de acordo com a rotação do motor e fase em que o comando de válvulas se encontra. O sensor de rotação tipo HALL emite um sinal que é tratado gerando uma onda quadrada com um espaço maior provocado pela falha de 2 dentes da roda fônica, com isso observamos através do sinal de rotação do motor 58 pulsos e 2 flancos no sinal que representam a falha da roda dentada.

6 Figura 2 Sensor de rotação e roda fônica Fonte: Volkswagen,2009 A unidade de gerenciamento do motor utiliza a falha como referencia para iniciar os cálculos dos pontos base de ignição e injeção e os mesmos são referenciados ao 14º dente da roda dentada onde se encontra o primeiro cilindro em PMS (Ponto Morto Superior). Dessa forma temos a cada 30 dentes uma inversão de bancos de cilindro em PMS, no 14º dente estão o 1º cilindro no início da admissão e final da expansão (balanço) e o 4º cilindro no início da expansão, enquanto no 44º dente temos o 2º cilindro iniciando a fase de expansão e o 3º iniciando a fase de admissão e finalizando a exaustão (balanço). Ou seja a cada 180º da árvore de manivelas há um banco de cilindros em PMS com o comando de válvulas em suas respectivas posições conforme citado anteriormente. O sinal do sensor de fase também se caracteriza em um sinal quadrado porém com suas peculiaridades, o vale maior que coincide com a falha da roda dentada indica primeiro banco de cilindros em PMS (1º e 4º) e o flanco maior indica

7 o segundo banco em PMS (2º e 3º). Dessa forma o sensor de fase do comando de válvulas indica a fase de admissão dos cilindros e auxilia na identificação do banco de cilindros possibilitando a injeção sequencial de combustível. Figura 3 Cruzamento dos sinais de ignição, rotação injeção e fase. Esses dois sinais quando cruzados com os sinais de ignição e injeção possibilitam identificar os avanços de ignição e injeção e seus comportamentos em diferentes rotações, notamos então que a ignição ocorre um pouco antes da injeção na marcha lenta com um avanço próximo aos 12º, enquanto a partir dos 2500 rpm atinge seu ponto máximo de 42º de avanço, notamos também que a ignição ocorre por bancos de cilindro sendo aproveitada em apenas 1 dos cilindros (ignição estática), dessa forma há 2000 rpm a ignição e a injeção podem ocorrer praticamente simultaneamente no mesmo cilindro, isso ocorre devido a alta velocidade angular do pistão e ao sistema de injeção ser indireto e não variar a vazão das válvulas injetoras, assim quando a rotação é alta o tempo de injeção precisa aumentar, para isso precisa ocorrer antes, a ignição então ocorre no período de exaustão sendo descartada no cilindro em questão e como a válvula de admissão ainda esta fechada não interfere na mesma, que por sua vez possibilita a mistura do combustível ao ar que será admitido posteriormente no cilindro.

8 Figura 4 - Avanços de injeção e ignição a 2000 RPM 3. Aquisições As aquisições por meio do conector OBD possibilitaram a verificação do comportamento do motor do veículo em regime de marcha lenta como mostrado na tabela abaixo: Tabela 1 Aquisição do comportamento do motor em regime de marcha lenta (sistema BOSCH ME Motronic ) RPM Absolute Ign. Load Pres. Timing mbar % BTDC

9 É possível notar que apenas os valores de avanço de ignição sofrem variações significativas enquanto as outras variáveis possuem valores praticamente fixos devido a posição fixa da válvula borboleta. Observamos com isso que o controle de rotação em regime de marcha lenta ocorre por meio da manipulação do avanço de ignição. 4. Estrutura do Hardware O Hardware utilizado nos estudos é composto por 4 microcontroladores de 8 bits, modelo PIC18F46K22, dispostos em arquitetura descentralizada, realizando cada um uma função no gerenciamento do motor (JÚNIOR; JATO; HIROKI, 2016).

10 Figura 5 O Hardware Os microcontroladores trabalham com oscilador de 10 Mhz, utilizando PLL programado com fator de multiplicação 4, resultando em 40Mhz de frequência de oscilação, porém, como a arquitetura PIC divide o valor da freqüência por 4, possuímos uma freqüência de trabalho equivalente aos 10Mhz sendo cada ciclo de máquina = 100ns. Figura 6 Estrutura dos microcontroladores Fonte: Adaptado de JÚNIOR; JATO; HIROKI, 2016

11 Dessa forma utilizamos os microcontroladores com funções de gerenciamento do motor distribuídas onde um é responsável por controlar a admissão (Controle da válvula borboleta eletrônica), outro leitura dos sensores e processamento dos dados para realizar o gerenciamento, um para efetuar as tarefas de comunicação e outro para verificar o sincronismo do motor e, com isso, controlar os atuadores. Figura 7 - Fluxograma de função dos controladores 5. Método Speed X Density Para cálculo da massa de ar, necessário utilizar os sinais de pressão do coletor de admissão (Sensor MAP) e temperatura do ar de admissão (Sensor ATS, conjugado ao MAP). Para definir densidade:

12 Onde: ρ Densidade η Massa molar = 29 R Valor da constante geral dos gases = 0,082 T P Temperatura absoluta do ar em Kelvin [K] Pressão em atm Temos então a massa de ar: Onde: 6. Cálculo do tempo de injeção em malha aberta Para definir o tempo de injeção no software otimizando o processamento do microcontrolador de gerenciamento adotamos então a seguinte fórmula:

13 A massa de ar é obtido após as devidas conversões de unidades, resultando em mg, o que possibilita a utilização dessa estratégia para obtenção do tempo de injeção no software. 7. Aquisições para o controle da borboleta Tabela 2 - Aquisição para borboleta com set point de 50 graus, com ganhos e variáveis calculadas: 0 5, ,7 21, , , , ,9 18, ,8 17, ,1 16, ,2 15, ,6 14, ,7 14, ,6 13, ,1 13, ,2 13, ,6 12,7

14 150 46,5 12, ,2 12, , ,2 11, ,4 11, ,6 11, ,8 11, ,1 11, ,5 11, , , ,6 10, ,7 10, ,8 10, ,8 10,7 Figura 8 - Máquina de estados da borboleta para implementação do acionamento no software

15 8. Estratégia de partida e aquecimento O Idle Speed Control (Controle de marcha lenta) além do controle do avanço de ignição contempla uma estratégia de partida e fase de aquecimento do motor a qual definimos pelo fluxograma abaixo. Figura 9 Fluxograma da estratégia de partida e aquecimento 9. Estudo para programação do software - Analise do reconhecimento do banco de cilindros pelo sensor de fase - O sinal de fase é tratado no sincronismo - A variável dente incrementa os dentes da roda fônica Inicialmente é necessário definir o sincronismo entre o sensor de rotação e fase, a fim de identificar qual banco de cilindros esta em fase de admissão e expansão. A variável Dente = 255 (há um valor da variável que só será utilizado para invalidar o primeiro pulso de rotação, sendo zerada após isso para inicio da

16 contagem dos pulsos e definição dos períodos de cada dente e falha que será o dobro desse período), enquanto não ocorrer a falha incrementa 1. Quando Flag falha_ok (indica que houve falha, começa = 0 mas quando há a primeira falha seta para 1 possibilitando a contagem dos dentes) então os a contagem de dentes zera e se torna possível saber a posição da roda fônica. O sinal de fase é analisado no dente três após a ocorrência da falha. Dessa forma as contagens iniciais só iniciam após a primeira ocorrência da falha. Em seguida podemos definir o cálculo da injeção, para isso a variável definida VAZAO no software esta convertida para s/kg, dessa forma o valor em g/s é convertido em Kg/s e invertido (elevado à -1), sendo esse o valor declarado na variável. Isso ocorre devido à massa de combustível calculada se dar em mg (Kg x 10-6 ), e para definição do tempo base de injeção a massa de combustível é multiplicada pela vazão obtendo um tempo em micro segundos: Tempo_inj_temp = ( - Massa de combustível em mg (kg x 10-6 ) * VAZAO (s/kg) Temos então tempo de injeção base = s x 10-6 (micro segundos). Os mapas de avanço de ignição estão em matrizes e seu endereçamento no software pode ser observado abaixo: Vetor {0, 1, 2} Matriz de vetores [0, 1, 2] [3, 4, 5] [6, 7, 8] Endereço da matriz = [linha] [coluna] No mapa de avanço de ignição, por exemplo, associamos rotação (linha), pressão no coletor (coluna) e o avanço (índice), assim obtendo o endereço, em linha e coluna, do avanço. Contudo a referência de ignição é o momento onde deverá ocorrer a centelha, então é necessário enviar o sinal do D-well (carregamento da bonina) antes, para

17 isso é preciso saber o tempo de carregamento da bobina e relacionar com as referências em dentes encontrando quantos graus antes da minha referencia preciso começar a carregar a bobina. Ainda a referência do avanço de ignição não é inteira possuindo casas depois da vírgula (float), para relacioná-la aos dentes é preciso separar as partes inteiras e decimais. Dividindo o período de 1 dente pelo D-Well conseguimos definir tanto a parte inteira, quanto parte decimal. n = o numero de dentes que leva pra carregar a bobina. ig_14_temp = ig_ref [address][address_2] - n; Temos então a referência de quando deve ocorrer a centelha e o numero de dentes que preciso iniciar o D-Well antes da referência, sincronizando então o sistema de ignição.

18 REFERÊNCIAS JUNIOR, E. I., JATO, F., & HIROKI, G. B. (2016). DESENVOLVIMENTO DE UMA UNIDADE DE GERENCIAMENTO ELETRÔNICO PARA MOTOR VOLKSWAGEN 1.6L. Santo André, São Paulo. VOLKSWAGEN (Brasil). (Abril de 2009). SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE MOTORES ASPIRADOS. In: Apostila técnica para treinamento do produto (p. 96). São Bernardo do Campo, São Paulo: Academia Volkswagen.