Componentes, classificações e detalhes do sistema de injeção eletrônica automotivo

Quando falamos de injeção eletrônica lembramos logo do nostálgico Gol GTI de 1989, o primeiro carro brasileiro a utilizar um sistema de injeção eletrônica de combustível. O Brasil demorou para receber seu primeiro motor “injetado”, pois em 1957 era apresentado o primeiro carro com injeção eletrônica, o AMC Rambler Rebel com motor de 5.4 litros controlado pelo sistema Electrojector, mas foi 1958 com os modelos Chrysler 300D, Dodge 500D, Plymouth Fury e o DeSoto Adventurer, também equipados com o sistema de injeção Electrojector, que a injeção eletrônica equipou modelos de produção seriada. Contudo esse sistema não vingou e suas patentes acabaram sendo vendidas para a Bosch, que atualmente É© uma das principais marcas de componentes e sistema eletrônicos automotivos.

A injeção eletrônica é um sistema que monitora e controla o funcionamento do motor através da entrada, aná¡lise de dados e controle de atuadores. Sua principal função é fornecer a proporção ideal de ar e combustível (relação estequiométrica.) para o motor, seja qual for o seu regime de funcionamento. Esses dados são informações sobre as condições e o regime no qual o motor estão funcionando. As informações são captadas por sensores, instalados em posições estratégicas, e enviadas a um processador, onde são avaliadas e comparadas a parâmetros pré-estabelecidos contidos no mesmo. A partir dessa avaliação ela irá comandar os atuadores da maneira devida.

Este artigo tem como objetivo explicitar os componentes, classificações e características dos sistemas de injeção eletrônica utilizados em automóveis.

Componentes

  • Sensores;
  • Unidade controle de potência;
  • Atuadores.

Sensores

Estão presentes em quase todas as partes do motor, do coletor de admissão ao catalisador. Teoricamente os sensores convertem qualquer fenômeno de natureza física ou química em sinais elétricos, para que estes sejam utilizados pelo processador central para comparação com parâmetros pré-estabelecidos contidos no mesmo, e a partir deste determinar de que forma os atuadores trabalharão.

No geral, os sensores são classificados pela sua função, curva característica e o sinal de saída, mas em se tratando de um sistema especifico como a injeção eletrônica de um motor de combustão, podemos classificá-los com base no seu principio de funcionamento. Cinco tipos de sensores são utilizados nos motores de combustão interna de aplicação automotiva:

  • Resistivos;
  • Hall;
  • Indutivos;
  • Capacitivos;
  • Interruptores.

Os sensores resistivos produzem o sinal de resposta com base na variação de resistência elétrica, em geral recebem um sinal fixo de 5 volts e retornam a PCM um sinal variável entre 0 e 5 volts.

Os sensores capacitivos, como o próprio nome sugere, são capacitores, esses componentes eletrônicos que são capazes de acumular cargas elétricas. Os sensores capacitivos seguem este principio, armazenam cargas variáveis e retornam a PCM o mesmo sinal entre 0 e 5 volts. Existem poucas aplicações deste tipo de sensor.

Os sensores geradores de sinais, também chamados de indutivos, são sensores que por meio de um fenômeno físico são capazes de gerar eletricidade. Geram o seu próprio sinal de referência.

Os sensores de efeito hall, ou simplesmente sensores hall, também são geradores de sinais, mas nesse caso convertem um sinal continuo de 12 volts em um sinal pulsado de onda quadrada que é enviado a PCM.

Os interruptores não são, de fato, sensores. Neste caso não há variação de sinal, apenas 0 ou 5 volts provenientes da abertura ou fechamento de um circuito, são enviados como retorno a PCM.

Os sensores do sistema de injeção eletrônica pertencem também são categorizados de acordo com a classe de confiabilidade, sendo sensores de Classe 2, responsáveis por monitorar os sistemas de trem de força (motor e cambio), suspensão e pneus.

Da mesma forma que os sensores informam o correto funcionamento do motor, eles também informam anomalias. Quando isto ocorre, então a central passa a ignorar o sinal do sensor que informa a avaria e passa a buscar outra forma de manter o motor em funcionamento, neste instante ela gera um código de avaria e acende a luz de injeção no painel.

Unidade controle de potência (Power control unit – PCM)

É um processador que recebe os sinais enviados pelo sensores, analisa os dados e comanda os atuadores de forma que o motor funcione aproveitando ao máximo a energia calorífica do combustível..

Atuadores

São os componentes responsáveis por manter o motor em funcionamento de acordo com os comandos da PCM.

Classificação

Antigamente os sistemas de injeção eletrônica trabalhavam de forma diferente, por exemplo, o sistema utilizado no Gol GTI de 1989, o primeiro nacional equipado com injeção eletrônica. Este sistema era chamado por muito técnicos automotivos de “injeção burra”, tratava-se do sistema Le Jetronic da Bosch, um sistema multiponto, intermitente e de central de injeção analógica. Atualmente os sistemas de hoje são mais modernos e precisos, as PCM utilizadas são digitais, de injeção sequencial e com a leitura direta da massa de ar, controle em malha fechada e ignição dinâmica.

Essas características são referidas nas classificações de um sistema de injeção de eletrônica, portanto o sistema pode ser classificado da seguinte forma:

  • Tipo da Central de Processamento
    • Analógica/Digital.
  • Quantidade de válvulas injetoras
    • Monoponto/Multiponto
  • Método de injeção
    • Intermitente, Banco a Banco e Sequencial.
  • Calculo a massa de ar admitido
    • Speed Density, Vazão ou Fluxo de Ar e Leitura direta da massa de ar.
  • Controle da mistura ar e combustível
    • Malha aberta/Malha fechada.
  • Tipo Ignição
    • Dinâmica/Estática.

Tipo da Central de Processamento

Os primeiros sistemas possuem de duas centrais, uma para controle de ignição e outra para injeção de combustível. Atualmente este sistema esta em desuso, as centrais concentram todas as funções em um módulo digital e ainda assim reduziram de tamanho. A central de processamento do sistema de injeção eletrônica é chamada de unidade de controle de potência (PCM, em inglês), porém muitas literaturas e revista a abordam como ECU, sigla inglesa para Electronic Control Unit. Entretanto, esse termo se refere a centrais de controle em geral, como o automóvel possui diversas centrais de controle, o termo utilizado para se referir a central da injetarão eletrônica é PCM.

Quantidade de válvulas injetoras

Multiponto em cima e monoponto embaixo.
Crédito foto: http://what-when-how.com/automobile/gasoline-injection-automobile/

O sistema de injeção eletrônica poder ter um ou vários bicos injetores, sendo monoponto ou multiponto, na ordem. As diferenças entre os dois sistemas vão além da quantidade de injetores, a eficiência é a maior diferença entre eles. No sistema monoponto o bico localiza-se acima do corpo de borboleta (TBI – Throttle Body Injection) o sistema visa injetar a mistura de forma homogênea, mas desperdiça bastante combustível, pois além de ser um injetor para todos os cilindros, grande parte desse combustível se perde por condensação nas paredes do coletor de admissão.

Mais moderno, o sistema multiponto utiliza uma válvula injetora por cilindro. A vantagem deste é o fato do combustível ser injetado praticamente na válvula de admissão, então no coletor de admissão passa a circular apenas o ar aspirado pelo motor, reduzindo as perdas. Neste caso um coletor de maior diâmetro à usado, o que é um ponto a favor da potência. O alumínio forjado é substituído pelo plastico, mais leve, barato e principalmente menos resistente ao ar por ter uma superfície menos rugosa.

Método de Injeção

Crédito foto: http://www.micro-tronik.com/learning/technical-information/automotive/repair-basics/general-engine-infromations/electronic-fuel-injection/injectors/injection-types/

No método de injeção intermitente, todas as válvulas injetoras eram ativadas ao mesmo tempo. Do combustível injetado por estas, apenas um dos jatos era admitido pelo motor, os demais ficavam em espera até que seu respectivo cilindro entrasse no tempo de admissão. Quando o cilindro entra no tempo de admissão mais combustível é injetado, o que representa um gasto maior de combustível.

Na fase de partida a frio e aquecimento do motor, o sistema de injeção trabalha de forma diferente. Na fase fria o sistema injeta combustível sempre a cada 180° de giro do virabrequim, ou seja, cada válvula injetora vai pulverizar combustível quatro vezes a cada um ciclo de funcionamento do motor. A medida que o motor alcança sua temperatura normal de trabalho a PCM reduz a quantidade de injetadas, estabilizando em uma injetada a cada 360° de giro do virabrequim. O método intermitente foi muito utilizado, carros nacionais como Gol GTI 1989, Kadett GSi e Uno 1.6 MPI.

Crédito foto: http://premierautotrade.com.au/news/fuel-injectors-petrol.php

O método de injeção de combustível banco a banco é uma pequena evolução do sistema intermitente, mas agora com duas válvulas injetoras operadas simultaneamente. Seguindo a mesma lógica, uma das injetadas é aproveitada e a outra permanece em espera. Cada injetor pulveriza o combustível a cada 180° de giro do virabrequim, a PCM reduz a quantidade injetada a medida que a temperatura do motor atinge a valor de trabalho. Esse método foi amplamente utilizado no passado por ser “menos ineficiente”, mas caiu em desuso total com a chegada do sistema sequencial.

Crédito foto: http://www.micro-tronik.com/learning/technical-information/automotive/repair-basics/general-engine-infromations/electronic-fuel-injection/injectors/injection-types/

A injeção sequencial de combustível é o método mais moderno, embora seja mais caro que os outros, domina o mercado devido a sua precisão e por reduzir ao máximo as perdas por condensação no coletor de admissão. Portanto está mais adequada as normas de emissões e consumo de combustível. Contudo a PCM precisa de mais informações sobre o motor, deve saber em que tempo cada cilindro está trabalhando para comandar cada válvula injetora separadamente no momento certo. Assim o combustível pulverizado é logo admitido pelo motor, reduzindo as perdas.

Calculo da massa de ar admitido

O método de calculo por ângulo da borboleta de aceleração / rotação do motor baseia-se no sinal do sensor de posição da borboleta (TPS – Throttle Position Sensor) e do sensor de velocidade do motor (ou sensor de rotação). A PCM analisa a porcentagem de abertura da borboleta de aceleração e a rotação do motor, comparando esses dados a parâmetros pré – estabelecidos que estão na EPROM da PCM. A posição da borboleta e a velocidade do motor são dados nos quais é possível chegar aos valores do fluxo de ar que entra no motor. Dessa forma, como a densidade do ar é considerada constante, é possível identificar quantidade de massa de ar que entra nos cilindros e por fim o quanto de combustível a ser injetado. Esse método de cálculo é indireto, pois precisa de variáveis ligadas a massa de ar para determinar o valor desta, ou seja, não informam diretamente a quantidade de ar que entra nos cilindros.

O método velocidade do motor / densidade do ar (Engine Speed / Air Density) também é um método de cálculo indireto, possui um sensor combinado de temperatura e de pressão no coletor de admissão (MAP – Manifold Absolute Pressure). Neste método, o fluxo de massa de ar é determinado pela rotação do motor, volume dos cilindros e pela informação obtida do sensor combinado. Em suas primeiras aplicações, os sensores MAP e de temperatura do ar eram separados, atualmente estão combinados em um mesmo corpo.

Os sistemas com base no fluxo de ar possuem método de calculo direto, sendo então mais precisos e caros. Possuem um medidor de fluxo de ar combinado com o sensor de temperatura do ar, e um sensor de pressÃo atmosférica. Os valores dos sensores são diretamente utilizados pela central para calcular o tempo de injeção. As variações na pressão atmosférica e densidade do ar são detectadas pelo sensor de pressão atmosférica e o de temperatura do ar.

O método de cálculo por massa de ar é o melhor e mais preciso. Neste, o sistema de injeção consegue calcular diretamente a massa de ar admitido sem precisar de outros parâmetros, para isso um sensor de massa de ar – MAF é necessário. Por meio de um fio aquecido ele determina a massa de ar, independente da pressão, umidade relativa e temperatura do ar.

Embora os dois últimos métodos de calculo seja os mais precisos, é comum se deparar com sistemas de injeção que utilizam esses métodos dotados com sensores MAP e TPS, assim como nos dois métodos anteriores. Neste caso os sensores auxiliam o sistema de injeção com informações extras acerca da operação do motor, pois também possuem outras utilidades no funcionamento do motor e do automóvel. Além disso, serve de parâmetros de base para funcionamento do motor em modo segurança ou na falta do sinal dos sensores de fluxo ou massa de ar.

Controle da Mistura Ar/Combustível

O sistema de injeção são ditos de malha aberta não possuem o controle dos gases de escape, as informações necessárias para esse controle são captadas pelo sensor de oxigênio, também chamado de sonda lambda. O sensor calcula a quantidade de oxigênio nos gases de escape, com essa informação a PCM interpreta se a mistura está muito rica ou muito pobre e efetua a correção. Nos sistemas com controle por malha fechada, a PCM efetua o monitoramento dos gases escape através da sonda lambda. O sistema é chamado de malha fechado pois há o controle e monitoramento do fluxo de ar que entra e dos gases que saem, caracterizando um sistema fechado. Atualmente os motores de combustão interna são dotados de duas sondas lambdas, uma para monitoramento dos gases pós combustão e outra para monitoramento destes pós catalisador.

Tipo de Ignição

Crédito foto: https://www.slideshare.net/jesscar/piston-engines-ignition

O antigo sistema de ignição dinâmica é caracterizado pelo uso do distribuidor, é um sistema mecânico que com a rotação do rotor distribua as centelhas para os cabos de vela, e estes para as velas correspondentes. O sistema era chamado de ignição dinâmica devido ao uso de componentes móveis para funcionar.

Mais modernos e uso, a ignição estática é um sistema no qual a PCM controla o ponto de ignição, o tempo de liberação e fechamento da energia para as velas de ignição, ou seja, não é mais ativado mecanicamente como antes. Trata-se de um subsistema dentro da PCM que distribui a alta tensão da bobina para as velas no tempo certo.

Bobina individuais.
Crédito foto: http://www.howrah.org/ignition-system.html

O sistema pode ter uma bobina para cada cilindro ou uma bobina para cada dois cilindros, neste caso sempre ocorrerá uma “centelha perdida”, ou seja, um cilindro em um tempo produtivo e o outro não. No entanto o cilindro que estiver em combustão consumirá maior tensão, deixando a centelha do cilindro no tempo morto mais fraca.