Kompetanseplanlegging

A vantagem da máquina SiEO é permitir ajustes de impressão, alta resistência química, assim como um bom desempenho para impressões de “grandes áreas” (até 10 cm2), e ainda a interface amigável de comunicação e o baixo custo de fabricação, contrariando as IJTs que apresentam alto custo de fabricação e baixa resistência química, dificultando assim sua utilização por grupos de pesquisas, e limitando o mercado à grandes empreendedores que têm condição para adquirir uma máquina tão complexa. Como citado no tópico anterior, para o sistema de ejeção da impressora escolheu-se empregar uma válvula de injeção eletrônica automotiva, devido suas características de resistência a ambientes hostis, como os solventes empregados em soluções poliméricas bem como sua alta taxa de utilização. Em sistemas automotivos essa válvula suporta trabalhar com combustíveis de diferentes composições que podem ser altamente agressivos do ponto de vista químico.

Conceitualmente, a injeção de combustível em sistemas automotivos é feita por um injetor de combustível (gasolina) a uma pressão que pode variar de 1 a 2,4 bar. O injetor é uma válvula eletromagnética (contém um enrolamento de solenóide), que ao receber pulsos da unidade de comando (valor negativo), ou seja, quando não existir nenhum fluxo de corrente através do enrolamento do solenóide, têm sua agulha comprimida de encontro ao seu assento por uma mola helicoidal, mecanicamente. Durante a fase de abertura, esse êmbolo recolhe-se cerca de 0,1 mm do seu assento na presença de um fluxo de corrente proveniente do microprocessador através do enrolamento solenóide, na qual a agulha da válvula é levantada permitindo a injeção de combustível através do orifício de precisão. A extremidade final da agulha possui uma ranhura que permite uma atomização do combustível. A quantidade de combustível injetado é determinada pela duração do impulso elétrico, para uma dada diferença de pressão entre a entrada e a saída no sistema injetor. Inicialmente, a válvula de injeção recebe

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Figura 2.8 - Esquema da válvula de injeção EV6 em corte (a) da estrutura interna, e (b) do

funcionamento básico da válvula de injeção (Campos et al., 2009).

Tecnicamente, a válvula de injeção nada mais é do que uma válvula eletromagnética do tipo NF (normal fechado) na qual a unidade de comando controla tanto a frequência de acionamento quanto a duração do pulso. A frequência é a quantidade de vezes que a válvula abre por segundo, enquanto a duração do pulso é o tempo de injeção. Assim, quanto maior for o pulso, maior será o tempo de injeção que é medido em milissegundos (ms) como descrito por Campos et al. (2009).

20 A Figura 2.9 mostra a imagem de uma válvula de injeção pulverizando combustível.

Figura 2.9 - Atuação de uma válvula de injeção de combustível (Campos et al., 2009).

As válvulas do sistema de injeção eletrônica possuem características intrínsecas como tamanho, número e diâmetro de nozzles, que influenciam diretamente no resultado final da ejeção. Alguns fatores determinam a versatilidade das válvulas quanto às suas diferenças estruturais que são relevantes para a escolha deste dispositivo. São eles:

i) Diâmetro dos Furos da Placa de Orifício: A saída da válvula de injeção é composta por uma placa de orifício caracterizada por furos microcompuncionados que variam de aproximadamente 80 a 200 µm. A vazão da suspensão ejetada depende da pressão do sistema e do tamanho (diâmetro) dos furos da placa de orifício.

ii) Características de Trabalho: Para Kohler (2011), algumas das principais características técnicas do sistema de injeção eletrônica mais relevantes, e que servem de incentivo e compreensão para a escolha da válvula nesse trabalho são: a pressão do Sistema que pode chegar a 500 kPa (72 psi), a temperatura de trabalho de - 40 a + 110 ºC, e a vida útil da válvula de mais de 100.000 km (teste de durabilidade: ~ 360.000 km).

iii) Limpeza e Manutenção das Válvulas Injetoras: Para o bom funcionamento da válvula de injeção é necessário que a mesma esteja em perfeitas condições de uso. Uma válvula com sujeira não funcionará perfeitamente, podendo provocar vazamentos (falta de estanqueidade) ou gotejamentos (no momento da injeção, não ocorrerá o “leque” do combustível pulverizado). Nesse trabalho a limpeza da válvula é fundamental para aumentar a vida útil do sistema de impressão bem como a aferição do equipamento devido à agressividade dos solventes presentes nas soluções poliméricas utilizadas.

Alguns sistemas encontrados nos carros que utilizavam álcool ou gasolina como combustível motor foram adaptados para os carros flex fuel, como a sede da válvula que teve o seu material (aço inoxidável) alterado para aumentar sua resistência à corrosão. Assim, este tipo

21 de válvula foi escolhido para a impressora SiEO, cuja exigência de alta resistência química devido aos solventes presentes nas soluções orgânicas usadas para impressão aparece como um dos principais fatores críticos do sistema. Ademais, as válvulas são peças de altíssima precisão, ocorrendo assim a necessidade de limpezas e revisões periódicas para evitar possíveis entupimentos. Para que tenhamos uma ideia de como os combustíveis podem ser corrosivos, mostraremos a composição dos combustíveis e suas implicações. Conforme Gonçalves (2008) os combustíveis industriais apresentam em sua composição alguns dos elementos ou compostos, como Enxofre (S); Nitrogênio (N); Água (H2O); Cinzas (Z). A água que também é normalmente encontrada em combustíveis traz duas consequências: diminui o poder calorífico, e aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, aumentando os problemas de corrosão. Luciano Ferrari Pedroso Panambi (2012) cita o comportamento do sistema de injeção funcionando a frio, o que comprova que a válvula de injeção pode trabalhar à temperatura ambiente.

Como alternativa para o controle de equipamentos que utilizam periféricos, por exemplo as válvulas que solicitam ajustes de frequência, podemos citar a modulação por largura de pulso (PWM) que compara dois sinais de tensão, um de baixa frequência (referência) e o outro de alta frequência (portadora), resultando em um sinal alternado com frequência fixa e largura de pulso variável. A PWM é também utilizada para variar o valor da transferência de potência entregue a uma carga sem as perdas ocorridas normalmente devido à queda de tensão por recursos resistivos. Em um sistema PWM, a chave de estado sólido é usada para controlar o fluxo de corrente: ora não conduzindo corrente, ora conduzindo, mas provocando uma queda de tensão muito baixa. Como a potência instantânea dissipada pela chave é o produto da corrente pela tensão elétrica a um dado instante, isso significa dizer que nenhuma potência seria dissipada se a chave fosse uma chave "ideal". Dessa forma, a PWM é uma opção de controle para o sistema de injeção eletrônica (Kohler, 2011). A escolha da duração e frequência do pulso a ser aplicado deve ser ajustada experimentalmente tendo em vista as características do fluido a ser empregado e sua distribuição ao longo da superfície como também do volume de “solução” depositada.

Este princípio é usado justamente no controle PWM: modular (variar) a largura do pulso de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga, e com isso, a potência aplicada a ela ou, para o caso das válvulas, a frequência de trabalho (Ghirardello, 2010). Nesse trabalho o PWM não será aplicado para controle de potência no primeiro protótipo, pois uma válvula ejetora é que será controlada pelo PWM e não um motor. Já no segundo protótipo para o qual foi desenvolvido um sistema microcontrolado, será aplicado o PWM para controle de potência.

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