Os primeiros sistemas de fornecimento de combustível para a formação da mistura ar combustível eram completamente mecânicos, sendo realizados através de um dispositivo chamado carburador. O carburador, dotado de um sistema de alimentação principal e de sistemas auxiliares não é capaz de dosar de forma precisa e diferenciada a quantidade de combustível a ser injetada para os diversos regimes de funcionamento do motor. Com o surgimento de legislações reguladoras dos níveis máximos de emissões de poluentes e a busca por tecnologias que propiciassem aumento de rendimento, o carburador foi substituído por um sistema eletrônico de controle da injeção de combustível.
A evolução dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor promoveu a redução do número de componentes mecânicos tanto do sistema de injeção de combustível quanto do sistema de ignição. Nos primeiros sistemas o controle do motor era realizado de forma segmentada pela inserção de módulos eletrônicos de processamento de sinais. Como exemplo pode-se mencionar o sistema “Bosch LE Jetronic+EZK” que utiliza dois módulos analógicos distintos, um para controle da injeção do combustível (Módulo LE-JETRONIC) e outro para controle da ignição, (módulo EZK).
Atualmente o controle eletrônico é digital, sendo realizado por um microprocessador dotado de um software baseado na aquisição, discretização e interpretação de sinais oriundos de diversos sensores instalados no motor. Além dos eletroinjetores, o microprocessador, comumente denominado de unidade central eletrônica (UCE), controla também a(s) bobina(s) de ignição, o atuador de marcha lenta, o eletroventilador do sistema de arrefecimento, o
acoplamento do compressor do ar condicionado, a pressão do sistema de direção hidráulica, a pressão de sobrealimentação, o sistema de controle de tração, etc. Esse tipo de gerenciamento digital integrado do MCI é um dos principais responsáveis pela redução do impacto ambiental causado pelos automóveis atuais, PUJATTI (2007).
Alguns dos sistemas de injeção eletrônica se baseiam na determinação da vazão mássica de ar para os cilindros de forma a comandar a vazão mássica de combustível a ser injetada em cada um deles. A determinação da vazão mássica pode ser feita de forma direta através de um sensor instalado a jusante da válvula borboleta ou de forma indireta através da medição de grandezas que são utilizadas para o seu cálculo.
Uma maneira de se medir de forma indireta a vazão mássica de ar admitido é a partir da utilização da Equação 2.6, HEYHOOD (1988).
𝑚𝑚̇ = 𝜂𝜂𝑣𝑣∙̇𝜌𝜌𝑎𝑎𝑟𝑟∙𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐∙𝑁𝑁
𝑛𝑛𝑟𝑟∙60 (2.6) Onde:
𝑚𝑚̇: Vazão mássica admitida pelo motor [kg/s]; ηv: Eficiência volumétrica
ρar: Densidade do ar no coletor de admissão [kg/m3] Vcc: Deslocamento volumétrico do motor [m3] N: Frequência de rotação do motor [RPM];
nr: Número de revoluções de cada ciclo de trabalho por cilindro do motor (rev).
A utilização desta equação requer além do conhecimento do mapa de eficiência volumétrica do motor e de seu deslocamento volumétrico, a medição da sua rotação e o cálculo da densidade do ar admitido, realizado através da Equação 2.7, e da medição da temperatura e pressão no coletor de admissão.
𝜌𝜌𝑎𝑎𝑟𝑟 =𝑅𝑅∙𝑑𝑑𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑖𝑖𝑖𝑖 (2.7) Onde:
Ρin: pressão no coletor de admissão [Pa]; R: constante do ar [J/kg.K];
Tin: Temperatura do ar no coletor de admissão [K].
O anemômetro de chapa quente é um sensor capaz de medir diretamente a vazão mássica admitida pelo MCI. Este é dotado de uma chapa, que deve ser mantido a uma temperatura superior à temperatura do fluido que se deseja medir a vazão. A temperatura do fio é elevada através da passagem de uma corrente elétrica, cuja dissipação térmica é dependente do coeficiente de transferência de calor convectivo que por sua vez é função da velocidade do escoamento. No caso de um fio cilíndrico, a perda de calor pode ser relacionada com a vazão mássica através do anemômetro pela lei de King, ZHAO (2001).
𝑞𝑞 = 𝐼𝐼2∙ 𝑚𝑚 ≅ 𝑎𝑎 + 𝑏𝑏(𝜌𝜌 ∙ 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑟𝑟)𝑛𝑛 (2.8) Onde:
q: taxa de calor perdido [W]; I: corrente elétrica [A]; R: resistência elétrica [Ω];
ρar: densidade do ar no coletor de admissão [kg/m3];
𝑃𝑃𝑎𝑎𝑟𝑟: velocidade do ar no coletor de admissão [m/s]; a, b, n: constantes determinadas por meio de calibração. Sendo a equação da continuidade:
𝑚𝑚̇ = 𝜌𝜌𝑎𝑎𝑟𝑟∙ 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑟𝑟∙ 𝐴𝐴 (2.9) Onde:
𝑚𝑚̇: Vazão mássica admitida pelo motor [kg/s]; ρar: Densidade do ar no coletor de admissão [kg/m3];
𝑃𝑃𝑎𝑎𝑟𝑟: Velocidade do ar no coletor de admissão [m/s]; A: área da seção transversal do sensor [m2].
Pode-se reescrever a Equação 2.10 como:
𝐼𝐼2 ∙ 𝑚𝑚 ≅ 𝐶𝐶 + 𝐷𝐷(𝑚𝑚̇)𝐸𝐸 (2.10) Onde:
I: corrente elétrica [A]; R: resistência elétrica [Ω];
𝑚𝑚̇: Vazão mássica admitida pelo motor [kg/s];
C, D, E: constantes determinadas por meio de calibração.
Após a determinação das constantes a, b e n, presentes na equação 2.8, é possível estimar a vazão mássica de ar através do monitoramento da energia elétrica dissipada no fio quente do anemômetro.
O tempo de resposta do anemômetro à variação de vazão mássica é inversamente proporcional a sua inércia térmica, o que significa que o diâmetro do fio quente deve ser tão pequeno quanto possível (< 100µm). Diâmetros reduzidos proporcionarão um pequeno tempo de resposta, porém darão origem a um equipamento frágil. Ao custo de um maior tempo de resposta, fios de maior diâmetro são usados para se obter uma maior robustez do equipamento, ZHAO (2001).
Uma vez conhecida à vazão mássica de ar admitida, a UCE calcula a vazão mássica de combustível que deve ser fornecida ao motor, sendo esta obtida pelo quociente entre a vazão mássica de ar admitido e a razão ar/combustível desejada para o regime de funcionamento do mesmo. De acordo com a vazão mássica de combustível demandada, a UCE comandará a modulação da largura de um pulso de tensão, que determinará o tempo de abertura do eletroinjetor, tempo de injeção, e consequentemente da vazão mássica de combustível injetada. O tempo de injeção é normalmente expresso em milisegundos (ms). A Figura 2.11 mostra a forma de onda da tensão de acionamento aplicada ao eletroinjetor equivalente a 5,0 ms (Tinj) e a respectiva tensão reversa induzida no momento da desernegização (PUJATTI, 2007).
Figura 2.11 – Tensão de acionamento do eletroinjetor (tinj = 5,0 ms), PUJATTI (2007).
O tempo de injeção pode ser determinado a partir do mapa de eficiência volumétrica do motor e da função de transferência do eletroinjetor, ou obtido experimentalmente em bancada dinamométrica. A título de exemplo, a Figura 2.12 apresenta um mapa de calibração do tempo de injeção em função da rotação do motor e da carga imposta, referenciada pela posição da válvula borboleta. Mapas de correção para o tempo de injeção são implementados para condições como, por exemplo, de partida a frio e plena carga. A Tabela 2.2 apresenta uma matriz de correção do tempo base de injeção em função da temperatura do líquido de arrefecimento do motor, utilizada para aperfeiçoar as condições de partida a frio, PUJATTI (2007); BAUER (1999); MOTEC (2012).
Figura 2.12 – Mapa de tempo de injeção (tinj) de um MCI, PUJATTI (2007). Tabela 2.2 - Correção do tempo de injeção em função da temperatura do motor.
Temperatura do líquido de arrefecimento [ºC] -20 -10 0 10 20
Aumento no Tempo base [ms] 1,7 1,50 0,85 0,60 0,35
De forma similar à Tabela 2.2 podem ser implementadas correções de tempo base de injeção em função da temperatura do ar admitido, da pressão no coletor de admissão e da pressão atmosférica.
Segundo BAETA (2006), o controle da ignição deve ser realizado através da carga e rotação do motor e da posição angular do virabrequim. A carga do motor pode ser identificada através da posição da válvula borboleta, medida por um potenciômetro solidário ao seu eixo, ou pelo valor da pressão no coletor de admissão, feita por um sensor, composto por extensômetros aplicados sobre um diafragma de silício (strain gauge), capaz de medir a pressão absoluta no coletor de admissão. A rotação do motor e a posição angular do virabrequim são mensuradas através de sensores indutivos. Baseado na rotação e carga do motor, a UCE determina, em função do mapa de avanço, o ângulo de avanço de ignição para a condição lida e realiza o chaveamento da bobina em função desse parâmetro. A Figura 2.13 mostra um mapa de avanço de ignição de um MCI.
Figura 2.13 – Mapas de avanço de ignição, DENTON (2000).
Pode-se ainda realizar o controle do avanço em malha fechada através da detecção do fenômeno da detonação utilizando-se um acelerômetro instalado no bloco do motor. Quando esse fenômeno é detectado, a central eletrônica adota estratégias de redução do avanço no intuito de diminui-lo.