Programa de Ps-graduao em Engenharia Eltrica Universidade Federal de Minas Gerais

Eduardo de Melo Rezende e Sampaio XavierEngenheiro Eletricista - UFMG

INSTRUMENTAO, MEDIO E MODELAGEM DE PARMENTROS DINMICOS DE UM SISTEMA CONTROLE MOTOR

Orientador: Prof. Dr. Luis Aguirre

Belo Horizonte, Maro de 2011.

Dedicatria

iii

Agradecimentos

v

Resumo

vii

Abstract

ix

Sumrio

Lista de Figuras Lista de Tabelas 1 Introduo 1.1 1.2 2 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiv xv 1 1 3 5 5 6 10 13 16 17 19 23 23 24 25 27

Reviso Bibliogrca 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Uma breve histria do motor ciclo otto . . . . . . . . . . . . . Sistema de gerenciamento do motor, EMS . . . . . . . . . . . Modelo Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ecincia Volumtrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Razo Ar-Combustvel, A/F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Torque Efetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura do Catalisador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes neurais de funes de base radial regularizada . . . . 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.9 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Denio do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estimao dos parmetros . . . . . . . . . . . . . . . .

Representaes No-Lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

xii 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4 3 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelos de Hammerstein . . . . . . . . . . . . . . . . Modelos NARMAX usando funes radiais de base . Regresso por mnimo quadrados estendidos . . . . . 27 28 30 33 37 37 38 40 41 43 46 47 53 53 57 67

Experimento 3.1 Motor E.torq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 3.2 Sistema de gerenciamento do motor . . . . . . . . . .

Dinammetro para ensaio de motores . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 3.2.2 3.2.3 Medidor de combustvel . . . . . . . . . . . . . . . . . Medidor de uxo de ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analisador de A / F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 3.4

Experimento Esttico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Experimento Dinmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 3.4.2 ISAC, Inertia Simulation And Control . . . . . . . . . . Denio do experimento . . . . . . . . . . . . . . . .

Referncias Bibliogrcas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Lista de Figuras

1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Reduo dos limites de emisso de poluentes de acordo com as fases do Proconve (Cetesb, 2011). . . . . . . . . . . . . . . Esquema de um motor de combusto interna com VVT . . . Esquema processo de calibrao . . . . . . . . . . . . . . . . Nikolaus Otto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adoo do sistema controle motor pela industria (Givens, 1976) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema analgico Bosch LE-Jetronic . . . . . . . . . . . . . . Diagrama do sistema controle motor (Sunz et al., 2005) . . . Diagrama de blocos de um modelo motor (Sunz et al., 2005) Ilustrao de um modelo black box . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de aspirao de um motor (Qadeer and Aamer, 2010) Esquema clula de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de um catalisador trivalente . . . . . . . . . . . . . Ecincia de converso do CO e HC versus temperatura do catalisador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos de desativao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo de um RBFNN padro . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo de um RBFNN regularizada . . . . . . . . . . . . . Modelo geral Hammerstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expanso RBF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E.torQ 1.6 16V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ilustrao do software INCA da empresa ETAS . . . . . Ilustrao tpica de uma dinammetro . . . . . . . . . . Sees padro de medio . . . . . . . . . . . . . . . . . Analisador de A / F - MEXA 700 da empresa Horiba xiii . . . . . . . . . .

2 3 4 5 7 8 9 11 12 13 19 20 21 22 27 28 29 32

. 37 . 40 . 42 . 44 . 46

xiv 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Experimento esttico 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Experimento esttico 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Experimento esttico 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Correo da atenuao de medida do uxo de ar . . . . . . Medies das vazo de ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carga rodoviria em uma estrada plena . . . . . . . . . . . Gradiente de resistncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes com momentos de inrcia . . . . . . . . . . . Denio de troca de marcha . . . . . . . . . . . . . . . . . Ciclo FPT 75 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ciclo FPT 72 Hot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funo de autocovarincia da velocidade e da rotao do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18 Dados para identicao dos parmetros e para validao 3.19 Funes de autocovarincia linear e no linear dos sinais de sada para amostragem de 1Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 50 50 52 53 54 55 55 56 57 58

. 59 . 60 . 62

Lista de Tabelas

2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Valores razo ar-combustvel estequiomtrica por tipo de combustvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ficha tcnica E.torQ 1.6 16V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lista de sensores utilizados do E.torQ 1.6 16V . . . . . . . . . Especicao do sensor Bosch de presso absoluta (Cirilo et al., 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dados tcnicos da balana AVL 733S . . . . . . . . . . . . . . Especicao tcnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Especicao tcnica do analisador de A/F (horiba, 2011) . . Lista de variveis medidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 38 39 39 43 44 47 51

xv

Lista de Abreviaes

CONAMA DBW EMS UCE EGR FPT MAP MCI MBC MBT RBF RBFNN NARX NARMAX MLP A/F PROCONVE SAE

Conselho Nacional de meio Ambiente; Drive By Wire (Sistema eletrnico de acionamento da borboleta de acelerao); Engine Management Systems (Sistema de gerenciamento do motor); Unidade de Controle Eletrnico; Recirculao do Gas de Exausto; Fiat Powertrain Technologies; Manifold Absolute Pressure (Presso absoluta no coletor de admisso); Motor de Combusto Interna; Model based Controller (Controle baseado em modelo); Mean Best Torque (Mdia do mximo torque); Radial Basis Function (Funo de Base Radial); Radial Basis Function Neural Networks (Redes Neurais de Funo de Base Radial ); Modelo Mo-Linear Auto-Regressivo com Entradas Exgenas Modelo No-Linear Auto-Regressivo de Mdia Mvel com entradas exgenas Multi Layer Perceptron (multi-camada perceptrons); Razo Ar/Combustvel ; Programa de Controle da Poluio do ar por Veculos Automotores; Society of Automotive Engineers (Sociedade de engenharia automotiva); xvii

xviii TWC ECU VCT ISAC FPT Three-way catalysis (Catalisador de trs estgios); Engine Control Unit (Unidade de Controle Motor); Variable Camshaft Timing (Comando de vlvulas varivel); Inertia Simulation And Control (Simulao e Controle Inercial); Federal Test Procedure (Procedimento de teste federal);

Captulo 1

Introduo

1.1

Motivao

Durante a ltima dcada, rigorosas regulamentaes governamentais, que restringem o consumo de combustvel e as emisses de gases de escape, tm exigido uma forte mudana no sistema eletrnico controle motor (Rask and Sellnau, 2004). No Brasil, o controle governamental das emisses de gases nocivos veiculares iniciou-se com a criao do Conselho Nacional do Meio Ambiente - Conama, em 1986. Foi estabelecido um cronograma de reduo gradual da emisso de poluentes para veculos leves (automveis) e para veculos pesados (nibus e caminhes) pelo Programa de Controle da Poluio do Ar para Veculos Automotores - Proconve. A primeira fase implantada para os veculos leves (L-1), em 1988, foi caracterizada pela eliminao dos modelos mais poluentes e aprimoramento da produo. Na segunda fase (L-2), em 1992, foram necessrios o desenvolvimento e a introduo de novas tecnologias, em especial a injeo eletrnica de combustvel e os conversores catalticos. Nesta fase, foi intensicado o desao tecnolgico, principalmente para permitir a adequao de catalisadores e sistemas de injeo eletrnica para uso com mistura de ethanol, em proporo nica no mundo. Na terceira fase (L-3), que teve incio em 1997, a indstria adicionou aos tens da segunda fase o sensor de oxignio. Em 2003 e em 2008, tiveram incio a quarta (L-4) e quinta fases (L-5), respectivamente. A proxima fase iniciar em 2014. A Figura 1 ilustra a reduo dos limites de emisses com a evoluo das fases do Proconve (Cetesb, 2011). As normas legislativas, a crescente exigncia dos cliente e a eterna busca por motores mais ecientes impulsionam a indstria automobilstica a bus-

2

1 Introduo

Figura 1.1: Reduo dos limites de emisso de poluentes de acordo com as fases do Proconve (Cetesb, 2011).

carem novas tecnologias (Qadeer and Aamer, 2010). Como por exemplo: catalisadores com alta ecincia na converso dos gazes txicos, otimizao da geometria da cmara de combusto, bicos multi-furos, o aumento da presso, Variable Valve timing (VVT) e Variable Valve Actuation (VVA). Estas tecnologias representam o aumento do grau de liberdade do sistema controle motor, tornando-o cada vez mais complexo. Figura 1.2. Por outro lado, o alto ndice de competitividade no ramo automobilstico estimulam as empresas a promoverem um aumento do portfolio de produtos e uma agressiva reduo do time to market, isto , desenvolver uma grande variedade de produtos com qualidade em perodos cada vez menores (Nascimento and Segre, 2006). Contudo, o aumento da complexidade dos sistemas e a necessidade de desenvolver produtos em perodos cada vez mais curtos, pressionam as montadoras a aumentarem o uso de ferramentas virtuais para o desenvolvimento dos projetos (De Nicolao et al., 1996). Simulaes, modelos e otimizaes so palavras cada vez mais comum no mundo automobilstico.

1.2 Objetivo

3

Figura 1.2: Esquema de um motor de combusto interna com VVT .

1.2

Objetivo

O objetivo do presente trabalho realizar a instrumentao e estimao de variveis dinmicas importante para o controle do motor de combusto. So elas: a ecincia volumtrica, torque efetivo e a temperatura de catalisador. Os conceitos de cada parmetro sero descritos nos captulos seguintes. Para a instrumentao, sero realizados dois experimentos: um esttico e outro dinmico, ambos em um ambiente controlado: dinammetro motor ativo. No experimento esttico, os paramentos sero estimados usando tc-

4

1 Introduo

nicas de aproximao por funes base radial regularizadas (Neve et al., 2009). No experimento dinmico, o modelo ser aproximado por representaes no lineares (Aguirre, 2000). Posteriormente, o modelo motor validado ser til para calibrao de algoritmos da unidade de controle motor, ECU. Antecipando e reduzindo as fases de desenvolvimento da calibrao sistema controle motor por meio de um ambiente virtual.

Figura 1.3: Esquema processo de calibrao .

Captulo 2

Reviso Bibliogrca

2.1

Uma breve histria do motor ciclo otto

Figura 2.1: Nikolaus Otto [14 Jun 1832 - 26 Jan 1891] . O motor de combusto interna, MCI, comeou a ser concebido quando em 1862, o fsico francs Alphonse Beau de Rochas props as condies necessrias para que um motor de combusto interna, a quatro tempos, funcionasse com um mximo de economia. Rochas chegou a descrever tambm, a sequncia de eventos, por meio do qual a economia e a ecincia poderiam ser conseguidas. Essa sequncia, que totalizava 4 tempos , em sntese, o que hoje ocorre basicamente em todo motor de combusto interna. Porm, Rochas no chegou a construir motor algum, tendo apenas formulado as condies de funcionamento econmico que ele havia imaginado. O motor apenas construdo experimentalmente em 1872, s

6

2 Reviso Bibliogrca

foi realizado praticamente em 1876 por Nikolaus Otto, gura 2.1, que foi, inclusive, quem determinou o ciclo terico sob o qual trabalha o motor. Quando a rma alem Otto und Langen passou a fabricar os motores 4 tempos, de pistes mveis, ligados a um virabrequim, este tipo de motor passou a se chamar popularmente de motor Otto (Passarini, 1993).

2.2

Sistema de gerenciamento do motor, EMS

O desenvolvimento dos primeiros sistemas mecnicos de injeo de combustvel para motores de ciclo Otto comearam a partir de 1950. Conforme (Givens, 1976), em 1954, a Mercedes-Benz lanou seu modelo esportivo, o 300SL, com um sistema de injeo direta da Bosch, o qual injetava diretamente na cmara de combusto, semelhante aos motores Diesel. Em 1957 a injeo direta foi convertida para a indireta. De acordo com (Givens, 1976), a Cadillac, em 1973, iniciou um programa para a implementao de sistemas de injeo eletrnica em seus veculos. O sistema, que passou a ser instalado como equipamento de srie nos modelos Seville e como opcional em outros modelos, era da Bendix desenvolvido em parceria com a Bosch. Esse sistema era uma verso mais sosticada daquele apresentado em 1957. Nesta verso, o sinal para ativar as vlvulas injetoras, era enviado diretamente pela Unidade de Controle Eletrnico. A ECU, que era um computador analgico pr programado, recebia os sinais dos sensores gerando um pulso com durao adequada para ativar os bicos injetores. No mesmo ano, a Bosch introduziu o KJetronic, um sistema com controle mecnico-hidrulico, com medio do volume de ar e que injetava o combustvel continuamente nas vlvulas de admisso. O L-Jetronic, da mesma poca, era um sistema com controle eletrnico e injeo de combustvel intermitente. Em 1988, o controle eletrnico foi empregado nos veculos de srie no Brasil pela Volkswagen, equipando um de seus modelos esportivos com um sistema analgico (Bosch LE-Jetronic, gura 2.3). No ano seguinte, a GM tambm passou a equipar um de seus modelos com a injeo eletrnica. No ano de 1991 todas as montadoras nacionais estavam empregando tal tecnologia. O avano no emprego da injeo eletrnica no Brasil, ocorreu em um momento de crescimento da produo de modelos a gasolina. Entretanto, os motores a etanol exigiam sistemas especiais de injeo, no

2.2 Sistema de gerenciamento do motor, EMS

7

Figura 2.2: Adoo do sistema controle motor pela industria (Givens, 1976) .

disponveis no mercado internacional. No Brasil, a partir deste momento, houve um grande crescimento na aplicao da tecnologia de gerenciamento de motores a combusto interna. E em 1997, todos os carros produzidos no pais j possuam injeo eletrnica (Bartolomais, 1989). Com fortalecimento da tecnologia de gerenciamento de motores da industria automobilstica brasileira, em 2003, foram desenvolvidos veculos que funcionam com exibilidade no tipo de combustvel, que so conhecidos popularmente como "ex"no Brasil. O motor do veculo ex funciona com qualquer proporo na mistura de gasolina e lcool (etanol), armazenados no mesmo tanque. A injeo ajustada segundo a mistura, no caso da tecnologia brasileira, tal ajuste feito com software automotivo desenvolvido no pas, que no precisa de sensores adicionais que encarea o custo do veculo (Daniel, 2006).

8

2 Reviso Bibliogrca

Figura 2.3: Sistema analgico Bosch LE-Jetronic .

Atualmente, o moderno EMS envolvem muitas funes e utilizam vrios sensores e atuadores (Sunz et al., 2005). As duas principais funes so: 1) sistema de injeo de combustvel e 2) sistema de controle de ignio. O primeiro responsvel por controlar a quantidade ideal de combustvel para cada condio de operao do motor. O segundo responsvel pela aplicao do avano de ignio timo, isto , avano de mximo torque, MBT. Os demais subsistemas (gesto de torque, recirculao de gases e entre outros) atuam de maneira integrada, gerenciando seus funcionamentos, de modo que, operem de forma otimizada. Minimizando o consumo de combustvel, minimizando a emisso de poluentes (cumprindo a legislao), maximizando a performance, dirigibilidade e vida til (Bo-Chiuan et al., 2010). A gura 2.4 ilustra os principais elementos de um EMS tpico, incluindo sensores e atuadores. Os sensor incluem posio do virabrequim, posio das vlvulas de admisso, massa de ar de admisso, presso absoluta do coletor, sensores de oxignio dos gases de escape (tanto pr quanto pscatalisador) e temperatura de arrefecimento. Os atuadores convencionais incluem controle do acelerador, recirculao dos gases, controle de ignio e injeo de combustvel. Motores de tecnologia avanada pode incorporar controle das vlvulas (vlvulas de admisso, vlvulas de escape ou ambos), turbocompressor, controle de presso de combustvel, controle de desativao de cilindros e controle de turbulncia. Avanada tecnologia de

2.2 Sistema de gerenciamento do motor, EMS

9

Figura 2.4: Diagrama do sistema controle motor (Sunz et al., 2005) .

sensoriamento incluem a medies da presso no cilindro ou a ionizao para otimizar a combusto.

As funes de uma ECU so entregar ao motorista o torque exigido, monitorar o sistemas de controle de emisso a bordo, aquecer e resfriar o catalisador, purgar o vapor do combustvel no tanque, entre outras. A adoo de novos sensores e atuadores, devido as regulamentaes mais agressiva, elevam drasticamente a complexidade das funes de controle do motor. Para motores convencionais , trs tarefas de controle afetam diretamente as emisses, o desempenho e a economia de combustvel (Sunz et al., 2005):

10 Controle da relao Ar / Combustvel

2 Reviso Bibliogrca Fornecer a proporo correta de ar e combustvel para uma eciente combusto. Controle da centelha da vela de ignio, gerando torque mximo. Recirculao dos gases de escape, converso dos gases txicos e gesto da temperatura.

Controle de ignio

Dinmica dos gases de escape

Essas trs funes de controle tm aumentada signicativamente, tanto em termos de desempenho e complexidade, quanto na introduo de novos atuadores.

2.3

Modelo Motor

Em Sunz et al. (2005), modelos de motores referem-se representaes linear e no-linear de baixa freqncia fenomenolgica que capturam a dinmica do sistema. So necessrios para desenvolvimento do controle motor. O comportamento esttico, como por exemplo emisses e a ecincia volumtrica, podem ser obtido experimentalmente a partir de mapeamento em estado estacionrio em um dinammetro. A caracterizao de motores teve inicio nos primeiros anos da dcada de 70 por Hazell e Flower (Hazell and Flower, 1971b) e (Hazell and Flower, 1971a). Estes artigos mostram o pionerismo de Hazell e Flower em desenvolver modelo motor discreto com amostragem sincronizada ao evento do ngulo de manivela. Tal modelo tinha o objetivo de desenvolver aproximaes da quantidade de combustvel dependendo do torque em plena e parcial condio, comparar da performace de designer dos componentes e analisar a estabilidade do sistema (Cook and Powell, 1988). Um modelo motor linear, com uma aproximao do comportamento de emisses, foi desenvolvido por Cassidy (Cassidy et al., 1980) e foi utilizado para o projeto de controle linear quadrtico. Posteriormente, o controle quadrtico linear foi aplicado por Kamei (Kamei et al., 1987) para um modelo linear de 23a ordens. Resultados de testes em um dinammetro esttico e dinmico foram utilizados para estimar parmetros do modelo

2.3 Modelo Motor

11

usando o mtodo de identicao estatstica (Cook and Powell, 1988). Modelos de motores no-lineares foram desenvolvidos a partir nal do ano 1970, como relatado em muitos trabalhos, tais como, (Powell and Cook, 1987) e (Moskwa and Hedrick, 1992). O ciclo de quatro tempos, naturalmente divide o processo fsico em quatro eventos: admisso, compresso, gerao de energia e exausto. Modelos explorando a esta natureza intrinsecamente discreta so descritos, por exemplo, em (Cook and Powell, 1987), (Powell et al., 1987) e (Yurkovich and Simpson, 1997).

Figura 2.5: Diagrama de blocos de um modelo motor (Sunz et al., 2005) .

A gura 2.5 mostra o diagrama de bloco de um modelo motor fenomenolgico. A representao matemtica de um motor aspirado convencional inclui os seguintes elementos: 1- o corpo de borboleta, 2- coletor de admisso, 3gerao de torque, 4- dinmica rotacional do motor. O modelo tambm pode incluir o sistema recirculao do gas de exausto, EGR, temperatura de exausto de gases e dinmica, presso e emisses. Segundo De Nicolao et al. (1996), formulaes fsicas tm sido utilizadas na literatura para determinar os modelos adequados de efeitos quasi-estticos, ver, por exemplos Boam et al. (1989) e Matthews et al. (1991). Uma descrio completa, incluindo os fenmenos dinmicos, pode ser obtida pelo misto fsico e modelos caixa-preta, tambm chamado de modelos caixa-cinza, (Siviero et al., 1995). No entanto, tanto modelos fsicos quanto caixa-cinza exigem o conhecimento de alguns valores que no

12

2 Reviso Bibliogrca

esto geralmente disponveis em condies normais de funcionamento. Assim, um abordagem puramente caixa-preta freqentemente usada. Ver exemplos (Hendricks and Sorenson, 1990) e (Siviero et al., 1995).

Figura 2.6: Ilustrao de um modelo black box .

A modelagem caixa preta geralmente realizada por meio de uma abordagem paramtrica: uma dependncia paramtrica (por exemplo, do tipo polinomial) sob variveis de entrada assumida a priori e os coecientes desconhecidos so estimados utilizando mnimos quadrados ou tcnicas de mxima verossimilhana, (Beck and Arnold, 1977) e (Soderstrom and Stoica, 1989). No entanto, este mtodo envolve algumas escolhas crticas, como por exemplo, a seleo das variveis de entrada e da estrutura de dependncia funcional. A experincia tem mostrado que a determinao do melhor modelo de estrutura e ordem pode tornar-se muito demorado. Ento, importante considerar tambm tcnicas no paramtricas de estimao, como modelos aditivos (Hastie and Tibshirani, 1990), o que pode dar dicas adequada "no que depende do que", e dar orientaes para a seleo de parmetros e da estrutura do modelo. Alm disso, funo de base radiais (RBF) e multi-camada perceptrons (MLP) tambm podem ser usados para resolver problemas de identicao caixa-preta (De Nicolao et al., 1996).

2.4 Ecincia Volumtrica

13

2.4

Ecincia Volumtrica

Figura 2.7: Sistema de aspirao de um motor (Qadeer and Aamer, 2010) .

O sistema de admisso (tomada de ar, o ltro de ar, dutos de aspirao, resonadores, a vlvula de admisso) limita a quantidade de ar que um motor pode admitir. A ecincia volumtrica, v , utilizada como uma medida global da eccia de um motor de quatro tempos e seus sistemas de admisso e de escape. A ecincia volumtrica usado somente com motores de quatro tempos. denido como o uxo de ar que entra no sistema de admisso dividido pelo uxo de ar ideal gerado pelo pisto deslocado (Heywood, 1988). map mideal

v =

(2.1)

Onde map representa a massa de ar que ue para o cilindro e mideal representada como:

mideal = 0. 5. atm . Vd . N

(2.2)

Onde atm a densidade atmosfrica, Vd o volume deslocado pelo

14 pisto e N a velocidade do motor. Combinando a equao 2.1 com a equao 2.2. map 0,5. atm . Vd . N

2 Reviso Bibliogrca

v =

(2.3)

Ento, implementado o fator de correo descrito em Heywood (1988). map Ts 1 . ( )2 0,5. atm . Vd . N Tm

v =

(2.4)

Sendo Ts , a temperatura padro do coletor de admisso e Tm , a temperatura medida do coletor de admisso. Um modelo simples, mas bastante realista do uxo de ar no coletor de admisso o chamado modelo preenchimento e esvaziamento (De Nicolao et al., 1996). O uxo de ar que entra no coletor atravs do bombeado, acelerador para fora do coletor para dentro dos cilindros. A equao de conservao de massa aplicada ao coletor de admisso a seguinte:

ma = mat map

(2.5)

Sendo mat , a massa de ar que atravessa a borboleta e ma , a taxa de variao da massa de ar entre a borboleta de admisso e as portas de entrada do cilindro. Assumindo a presso do coletor uniforme, a temperatura no coletor de admisso constante e a lei do gs ideal, o termo ma pode ser escrito como (De Nicolao et al., 1996): pmam . V R. Tmam

ma =

(2.6)

Onde pmam a variao da presso no coletor de admisso, V o volume compreendido entre a corpo de borboleta e as vlvulas de admisso, R a constante dos gases perfeitos e Tmam a temperatura do coletor de admisso. Portanto:

2.4 Ecincia Volumtrica

15

map = mat

pmam . V R. Tmam

(2.7)

Combinando a equao 2.4 com a equao 2.7 pmam .V R.Tmam

v =

Ts 1 )2 0,5. atm . Vd . N Tm .(

mat

(2.8)

Segundo Heywood (1988), v afetada pelo combustvel, design, motor e pelas variveis de operao do motor: 1Tipo de combustvel, relao A / F, taxa de vaporizao do combustvel. Temperatura da mistura como inuenciado pela transferncia de calor. Razo entre presso de escape e da presso de admisso. Razo de compresso. Velocidade do motor. Designe do coletor de escape e do coletor de admisso. Geometria das vlvulas de admisso e escape, tamanho, perl, e tempo de abertura.

2-

34567-

Os efeitos dos pontos citado acima so essencialmente de natureza quase esttica. No entanto, muitas dessas variveis sofrem efeitos que dependem do uxo dinmico e onda de presso que acompanham a variao dos processos de trocas gasosas. Segundo Qadeer and Aamer (2010), v um dos processos mais importantes que rege o desempenho do motor. Ao receber a quantidade ideal de ar dentro do cilindro durante cada ciclo, calcula-se a quantidade de combustvel, e pelo processo de centelhamento da vela de ignio, h a

16

2 Reviso Bibliogrca

converso em potncia de sada. Na literatura, h diversas tentativas de modelar a v do motor. Um grande nmero de autores consideram a v constante, como por exemplo Butt and Bhatti (2008), ignorando assim a dinmica induzida por v ao manipular o ngulo de borboleta. Recentemente, Muller (Martin, 2009) tentou explicar v com uma funo das presso do coletor de admisso e de escape. O autor Jongeneel em Jongeneel et al. (2009), calcula a ecincia volumtrica ao medir a quantidade de abertura da vlvula. Moskwa (Moskwa and J.K., 1987) sugeriu uma equao matemtica de v para condies dinmicas e estveis dependendo da velocidade do motor, ar admitido e vrios outros parmetros do motor. Alguns pesquisadores, por exemplo De Nicolao et al. (1996), utilizaram paramtricas e no paramtricas tcnicas, black box , para medir a v atravs dos dados de sensores.

2.5

Razo Ar-Combustvel, A/F

Em testes sob motores de combusto interna, tanto a vazo mssica do ar, mar , quanto a vazo mssica do combustvel, m f , normalmente so medidos. A rao dessas taxas de uxo til na denio de condies de funcionamento do motor (Heywood, 1988). mar mf

A/F =

(2.9)

A faixa normal de operao para um motor de ignio comandada convencional, usando gasolina sem adio de lcool de 12