Funcionamento e detalhes dos sensores de fluxo de ar do sistema de injeção eletrônica

Os motores de combustão interna evoluíram muito quando passaram a utilizar a injeção eletrônica, e nos motores mais modernos, tornou-se necessário utilizar métodos de cálculo de injeção de combustível mais eficazes. A leitura direta do fluxo de ar que entra no motor, apenas é possível com os chamados medidores de fluxo. Estes sensores são assim chamados pois informam diretamente a massa de ar que flui para dentro do motor, sendo portanto, mais precisos e rápidos.

O sinal que é enviado para PCM pelos medidores de fluxo é utilizado para determinar a carga do motor. Dessa forma, a PCM sabe exatamente a quantidade de combustível a ser injetada, quando vai ocorrer a centelha da vela de ignição e em veículos automáticos ajuda a determinar o momento de uma mudança. O sinal do sensor de fluxo volumétrico é utilizado também para determinar o avanço de ignição.

Tipos

Existem dois tipos de sensores medidores de fluxo:

  • Medidor de Fluxo de ar com base volumétrica (vazão);
  • Medidor do Fluxo da Massa de ar.

A diferença entre os tipos de medidores está no cálculo da quantidade de combustível a ser injetado é diferente para ambos os sensores, pois utilizam métodos diferente, embora diretos. Enquanto que Além disso, ambos também na configuração dos sensores, porém são medidores sensíveis e devem ser manuseados com cautela.

O medidor volumétrico é utilizado para o método fluxo de ar – leitura direta. Neste, para que a PCM determine a quantidade de combustível a ser injetada, esta precisa medir a massa de ar que entra no motor. Como o sensor informa o volume de ar, a PCM necessita de mais uma variável, a densidade do ar.

A densidade do ar varia de acordo com a temperatura e pressão no coletor, por isso juntamente com o sensor de fluxo volumétrico está acoplado um sensor de temperatura do ar admitido, a PCM então calcula a densidade do ar e realiza a multiplicação dos valores de fluxo volumétrico e densidade, e obtém a massa de ar admitida pelo motor, sabendo então a quantidade de combustível ideal.

O medidor do fluxo da massa de ar é utilizado quando o método de cálculo é massa de ar – leitura direta. Neste, o sensor informa diretamente o valor da massa de ar que entra no motor, e então a PCM calcula a quantidade de combustível a ser injetada sem a necessidade do parâmetro de densidade do ar.

Ambos os tipos estão localizados entre o filtro de ar e corpo de borboleta, o sensor recebe o fluxo de ar aspirado pelo motor, o qual passará por corpo aquecido.

Dentro destas duas categorias, existem os seguintes tipos de medidores de fluxo:

  • Medidor de fluxo de ar por potenciômetro;
  • Medidor de fluxo de ar Karman Vortex;
  • Medidor de fluxo de massa de ar por fio aquecido;
  • Mediror de fluxo de massa de ar por filme aquecido.

Sensor de fluxo volumétrico por potenciômetro

 

Localizado entre o filtro de ar e a borboleta de aceleração, trata-se de um sensor que calcula o volume de ar a partir do deslocamento de uma palheta (vane) a qual compartilha seu eixo com o cursor do potenciômetro.

Seus principais componentes são:

  • Palhetas de medição;
  • Palheta amortecedora;
  • Potenciômetro;
  • Mola de Retorno;
  • Parafuso de Ajuste da Marcha-Lenta;
  • By-Pass;
  • Sensor de Temperatura do Ar Admitido.

Quando o motor está em funcionamento, o ar ao passar pelo sensor movimenta a palheta que permite a passagem do volume de ar admitido, ligada a esta palheta existe uma outra palheta, chamada de palheta amortecedora. Dessa forma, o sensor possui duas palhetas, a palheta de medição e a palheta a amortecedora. Essa está alojada em uma câmara, sua função é evitar que a palheta de medição mova-se muito rápido ou vibre, o que pode gerar sinais incorretos.

O fluxo de ar sobre a palheta de medição força esta a mover-se. Solidária a esta, um cursor se desloca sobre a pista resistiva do potenciômetro, de forma que, esse deslocamento altera a resistência do potenciômetro e, por sua vez, a tensão de saída para a PCM. Assim, o sinal do sensor é proporcional ao volume de ar admitido.

O retorno da palheta de medição a sua posição inicial é garantido por uma mola de retorno ligada ao eixo da palheta. Durante a marcha-lenta o fluxo de ar não é forte o suficiente para movimentar a palheta de medição, por isso há um by-pass (desvio) para que uma quantidade suficiente de ar para a marcha-lenta seja obtida. O by-pass já vem regulado de fábrica, estando o seu parafuso lacrado.

Sensor de Fluxo Volumétrico (Karman Vortex)

Trata-se de um sensor que utilizar os conceitos de Karman Vortex para obter a massa de ar que entra no motor, é mais preciso que o sensor de fluxo por potenciômetro, porém, mais caro. Os principais componentes deste medidor de fluxo são:

  • Gerador de Vórtice;
  • Espelho;
  • LED;
  • Photo Transistor.

O fluxo de ar no coletor de admissão passa por um gerador de vórtices, um dispositivo que perturba o fluxo criando um efeito turbilhão, muito semelhante ao rastro deixado na água por um barco. Este efeito é chamado de Karman Vortex, pois Karman foi um estudioso que deu continuidade às conclusões de Leonardo Da Vinci sobre vórtices.

Depois de passar pelo gerador, os vórtices chegam ao orifício direcionador de pressão, onde agem sobre uma lâmina de metal espelhada. O metal passa a oscilar proporcionalmente a frequência de vórtices, esta frequência depende totalmente da velocidade do fluxo de ar. A oscilação do metal espelhado faz um LED acender alternadamente, a luz do LED é aplicada a um photo transistor que gera os sinais de saída para PCM. No entanto este tipo de sensor informa a PCM sinais de onda quadrada, ou seja, o sinal enviado a central será de 0 ou 5,0 volts. 

Como o sinal é proporcional a frequência, que por sua vez é proporcional a velocidade do fluxo no coletor, a variação de 0 e 5 V é muito rápida, apenas um multímetro convencional não será capaz de ler essa tensão, o ideal é utilizar um osciloscópio. Em geral, a frequência em marcha-lenta é menos de 30 Hz, mas em plena carga pode chegar a 160 Hz. Como o sensor com potenciômetro, este também possui um sensor de temperatura do ar combinado a ele.

Fio aquecido

Este sensor de fluxo mássico opera de acordo com a temperatura de um fio de platina com 70 mm de diâmetro, que fica exposto ao fluxo de ar admitido pelo motor. A corrente elétrica encarrega-se de manter o fio aquecido, mas a medida que o ar flui passando pelo fio, este o resfria.

Dessa forma, a corrente elétrica aumenta para compensar a perda de temperatura, até que o fio atinja o equilíbrio térmico. O valor da corrente elétrica que mantém o fio em sua temperatura de equilíbrio com o fluxo de ar é diretamente proporcional a massa de ar que passa pelo fio, a corrente é convertida em tensão de saída para PCM, que analisa o valor encontrado.

Variações de temperatura e pressão influenciam no valor da densidade do ar, o sensor é preparado para trabalhar com variações de fluxo na faixa do milissegundos (10-³ s). Tamanha precisão é prejudicada pela incapacidade do sensor em detectar para qual direção essa massa de ar está fluindo, com isso o sensor pode enviar sinais incorretos em determinadas situações.

Para a manutenção da temperatura do fio fino, é utilizado um circuito de malha fechada, mais precisamente, uma ponte de wheatstone e um amplificador. Este circuito também monitora o sensor de temperatura, que é outro fio fino sendo este um resistor em regime de temperatura (termistor).

Com a função de assegurar o perfeito funcionamento do sensor ao ser desligado o motor, o sensor ativa o seu processo de limpeza. O aquecimento do fio por alguns segundos  com o objetivo de queimar qualquer sujeira que esteja impregnada no fio, a temperatura de aquecimento pode chegar a aproximadamente 1000°C.

Filme Aquecido

Muito semelhante ao sensor anterior, o sensor de fluxo por filme aquecido é baseado no aquecimento de um filme de platina, que contém um substrato onde está todos os elementos de medição e controle do sensor. O substrato é uma plaqueta de cerâmica que abriga o resistor de aquecimento e o sensor de temperatura. Trabalha de forma similar ao fio aquecido, também possui um circuito interno de malha fechada, mas não dispõe de estratégia de limpeza do sensor, pois sua posição é favorável ao arraste de sujeira pelo fluxo de ar, o pequeno acúmulo que pode se formar é na parte frontal do sensor.

Ao ligar a ignição do veículo sem dar a partida, o sensor já começa a trabalhar enviando a PCM um sinal de 0 volts, pois não ainda fluxo de ar no motor. Quando o motor começa a funcionar, o fio ou filme aquecido troca de calor com o ar que flui pelo coletor, assim o valor informado pelo sensor será diferente. Caso ocorra alguma variação na temperatura do ar, ela será percebida pelo sensor de temperatura. A temperatura de trabalho destes sensores podem chegar a cerca de 200°C.