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ANTONIO VENTURA GONÇALVES DE OLIVEIRA

SIMULADOR DIDÁTICO DE INJEÇÃO ELETRÔNICA EM UM MOTOR MONOCILÍNDRICO.

Antonio Ventura

CEDRO2009

Monografia apresentada para elaboração do Trabalho de Conclusão de Curso, em cumprimento parcial às exigências do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará (IFCE) Campus Cedro, para obtenção do diploma de graduação.

Orientador: Prof. Francisco Vanier de Andrade.

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TERMO DE APROVAÇÃO

Aluno: Antonio Ventura Gonçalves de Oliveira

Curso: Tecnologia em Mecatrônica Industrial

Matrícula: 1434/10

Título: Simulador Didático de Injeção Eletrônica em um Motor Monocilíndrico

Data da Apresentação:

Banca Examinadora

Conceito: ______________________

Cedro, ____ de ______________ de ______

____________________________________________Francisco Vanier de AndradeOrientador – IFCE – Campus Cedro

____________________________________________Dr. Laurivan da Silva DinizExaminador – IFCE – Campus Cedro

____________________________________________Ms. Walter Macedo Lins FialhoExaminador – IFCE – Campus Cedro

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DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais Luiz e Marilene, e aos meus irmãos Luiz

Filho, Francisco e Luciana.

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AGRADECIMENTOS

A Deus, por toda a existência.

Ao orientador Prof. Francisco Vanier de Andrade pelo estimulo, todo o seu

incentivo e boa vontade, me auxiliando em todo o decorrer deste trabalho e de todo

o curso.

A todos os professores que contribuíram direto e indiretamente a minha

formação ao longo do curso.

Aos meus amigos e colegas por todo o auxilio na minha vida.

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“Não são os lugares que honram os homens, mas os homens que honram os

lugares”.

Autor Desconhecido.

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SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES .......................................................................................08

RESUMO ..................................................................................................................09

ABSTRAT .................................................................................................................10

INTRODUÇÃO ..........................................................................................................11

OBJETIVOS .............................................................................................................11

JUSTIFICATIVA .......................................................................................................12

HIPÓTESE ................................................................................................................12

CAPÍTULO 1 – REFERENCIAL TEÓRICO ..............................................................13

1.1. Histórico..........................................................................................................13

1.2. Estrutura básica de um motor ........................................................................14

1.3. Funcionamento de um motor de combustão interna (CICLO OTTO) ............15

...................................................................................................................................

1.3.1. Formações toxicas do combustível ......................................................17

1.3.2. Resíduos provenientes das descargas ................................................18

1.4. Funcionamento da injeção eletronica ............................................................19

1.4.1. Sistema monoponto e multiponto .........................................................19

1.5. Teoria do hardware ........................................................................................20

1.5.1. Caixa de redução .................................................................................20

1.5.2. O Microcontrolador ...............................................................................21

1.5.3. Sensores ..............................................................................................22

1.5.3.1. Sensor optico ............................................................................22

1.5.3.2. Sensor de posição ....................................................................23

1.5.3.3. Sensor de velocidade (ACOPLADOR ÓPTICO) .......................24

1.5.4. Atuadores .............................................................................................24

1.5.4.1. Bomba de combustivel ..............................................................25

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1.5.4.2. Válvula solenóide ......................................................................25

1.5.4.3. Bico injetor ................................................................................26

1.5.5. Ignição ..................................................................................................27

1.5.6. Display LCD .................................................................................28

CAPÍTULO 2 – ASPECTOS METODOLÓGICOS ....................................................30

2.1. Hardware .......................................................................................................30

2.1.1. Controle de injeção ...............................................................................30

2.1.2. Simulador de rotação do motor ............................................................31

2.1.3. Circuito eletrônico .................................................................................32

2.2. Software .........................................................................................................33

CAPÍTULO 3 – O PROJETO ....................................................................................34

3.1. O motor ..........................................................................................................34

3.2. Central eletronica ...........................................................................................34

3.3. Simulador bico injetor e bomba de combustivel ............................................34

3.4. Simulador vela de ignição ..............................................................................35

3.5. Representação ar e combustivel ...................................................................36

3.6. Simulador da borboleta de admissão ............................................................36

3.7. Simulador do sensor de CO2 .........................................................................37

3.8. Monitor de dados ...........................................................................................37

CAPÍTULO 4 – TRABALHANDO O SIMULADOR ..................................................38

4.1. Controle de velocidade ..................................................................................38

4.2. Controle de ar e de gases .............................................................................38

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS OBTIDOS E POSSÍVEIS MUDANÇAS .................39

CONCLUSÃO ...........................................................................................................40

ANEXO A – CÁLCULOS DE USINAGENS .............................................................41

ANEXO B – PLACAS DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS .......................................42

ANEXO C – CÓDIGO FONTE DO PROGRAMA EM LINGUAGEM C ....................43

ANEXO D – FOTOGRÁFIAS DO PROJETO ...........................................................47

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................51

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Modelo motor a combustão ..................................................................15

Figura 2: Motor Estágio Admissão ......................................................................16

Figura 3: Motor Estágio Compressão ..................................................................16

Figura 4: Motor Estágio Combustão ....................................................................17

Figura 5: Motor Estágio Escape ..........................................................................17

Figura 6: Sistema monoponto .............................................................................20

Figura 7: Sistema multiponto ...............................................................................20

Figura 8: Pinagem PIC 16F877a .........................................................................22

Figura 9: Sensor Óptico ......................................................................................23

Figura 10: Sensor de Posição .............................................................................23

Figura 11: Acoplador Óptico ................................................................................24

Figura 12: Bomba de combustível .......................................................................25

Figura 13: Solenóide ...........................................................................................26

Figura 14: Bicos Injetores ....................................................................................26

Figura 15: Bobinas de ignição .............................................................................28

Figura 16: Vela de Ignição ..................................................................................28

Figura 17: Display LCD tipo caractere .................................................................29

Figura 18: Display LCD tipo Gráfico ....................................................................29

TABELA 1: Tabela da verdade do programa ......................................................31

Figura 19: Aplicação foto-acoplador e virabrequim no projeto ............................32

Figura 20: Circuito Eletrônico ..............................................................................33

Figura 21: Válvula Solenóide ..............................................................................35

Figura 22: Circuito Vela de Ignição .....................................................................36

Figura 23: Circuito Sensores de Falhas ..............................................................38

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RESUMO

Com a crescente preocupação nas taxas de poluentes na atmosfera e

consumo mais eficiente de combustível, a tecnologia do setor automotivo avança no

sentido de sofisticar sistemas de injeção. Hoje, todos os lançamentos de veículos

automotores dispõem de sistema de injeção eletrônica, que apresenta maior

rendimento aos motores que o utilizam. Este projeto mostra como um simulador

didático facilita a compreensão do funcionamento desse sistema. O protótipo é

constituído por um bloco de um motor e um sistema de injeção eletrônica. Para

melhor compreensão, algumas variáveis são analisadas, como rotação do motor,

tempo de abertura do bico injetor, quantidade de ar de entrada e de gases expelidos

e também a simulação de falhas na admissão e no escape. Os dados são exibidos

através de um display LCD.

PALAVRAS CHAVES: Simulador didático, válvulas solenóides, Sistema de injeção

eletrônica.

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ABSTRACT

With the worry crescent in atmosphere pollution’s rate and fuel’s consumption

more efficient, the automotors sector’s technology goes to sophisticate injection’s

systems. Today, all launch of automotors’s vehicle has electronic injection’s system,

which shows more performance for their engines. This project shows how one

didactic simulator improves the understanding of this system’s function. The

prototype consists in one block’s engine and one electronic injection’s system. For

better understanding, some variable are analyzed, like engine’s rotation, injector

nozzle’s open time, air quantity in open and expelled gas, and yet simulation of

failures on admission and escape. The outputs are displayed through one display

LCD.

KEY WORDS: Didactic Simulator, Coil valves, Electronic injection system.

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INTRODUÇÃO

Este projeto visa mostrar um simulador de componentes de um sistema de

injeção eletrônica de combustível, e o controle de alguns outros componentes de um

motor.

O simulador é constituído por um potenciômetro que desempenha o papel do

acelerador de um automóvel, controlando a rotação do motor DC (Corrente

Contínua). O motor DC, além de fornecer a rotação para dois discos encoders,

movimenta também um pistão que está acoplado a um virabrequim e uma manivela,

válvulas solenóides simulam o bico injetor e as válvulas de admissão e escape. As

válvulas de admissão e escape sofrem ação por parte de dois potenciômetros,

representando o ar que entra no motor e o gás CO² que é lançado no meio

ambiente. Também simula as possíveis falhas no sistema. O protótipo dispõe ainda

de um LED (Diodo emissor de luz) para simulação do ponto de ignição, e um display

LCD (display de cristal líquido) que mostra os valores de rotação do motor, tempo de

abertura da válvula que representa o bico injetor, porcentagem de ar e gases que

passam pelas válvulas de admissão e escape.

O simulador é controlado por um microcontrolador que desempenha a função

de central eletrônica, responsável pelo controle de todos os parâmetros.

Este projeto contribui para a interação dos alunos com o sistema, podendo

ser alteradas grandezas e monitorados valores, facilitando o aprendizado.

OBJETIVOS

Construir uma estrutura mecânica de um motor de combustão interna em

dimensões reduzidas que permita observar o funcionamento das partes essenciais

de um motor. Juntamente com um controle eletrônico, o simulador serve como uma

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ferramenta didática de auxílio aos futuros profissionais da área da Mecânica e

Mecatrônica Industrial na análise e compreensão de sistemas de injeção eletrônica.

JUSTIFICATIVA

O projeto aborda um processo industrial já em uso há alguns anos, que se

torna a cada dia um assunto de maior estudo e muitas inovações devido a uma

necessidade de redução dos gases poluentes que são lançados todos os dias na

atmosfera por veículos automotores.

O IFET – CE campus Cedro ainda não dispõe de um sistema para auxiliar os

alunos como essa ferramenta, que mostra de maneira simples e de fácil

compreensão o funcionamento e a importância da injeção eletrônica.

HIPÓTESE

Efetuar o controle de líquidos simuladores de ar, combustível e gases no

exterior e no interior do cilindro, bem como a coleta de dados em tempo real de todo

o processo por sensores, que serão exibidos através de um display LCD.

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CAPITULO 1 – REFERENCIAL TEÓRICO

1.1 – Histórico

É notória a contribuição dos alemães ao longo da evolução de motores à

combustão. O primeiro motor de combustão interna foi feito pelo alemão Etienne

Lenoir, em 1860. O motor com ciclo quatro tempos estudado neste projeto foi

fabricado em 1876 pelo alemão Nikolas Otto. Já o sistema de injeção eletrônica foi

usado pela primeira vez pela alemã Volkswagen.

A alimentação dos motores até a década de 50 era feita somente por um

sistema de carburação, onde uma bóia e uma válvula de agulha controlavam a

quantidade de gasolina no carburador. Pulverizadores regulavam a quantidade de

gasolina a se misturar com o ar da câmara misturadora (Cone de Venturi ou difusor).

Esta mistura ocorria graças à redução de pressão no cone de Venturi que se dava

com o movimento da válvula de admissão, fazendo com que o combustível fosse

sugado para o interior do motor com certa facilidade.

Para substituir os carburadores, surgiu na década de 50 o sistema de injeção

eletrônica. Foi quando os componentes eletrônicos se tornaram mais acessíveis,

começando a ser utilizados em grande escala pelas montadoras.

Apesar dos carros elétricos serem hoje uma realidade, os sistemas de injeção

eletrônica vêm crescendo e tomando espaço graças a alguns fatores, como:

promover melhor desempenho do motor, maior rendimento, economia de

combustível e baixa poluição.

Melhor desempenho do motor: O motor funciona de modo constante,

proporcionando melhor dirigibilidade e tem uma aceleração sem sobressaltos. Um

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diferencial no sistema de injeção eletrônica é a adaptação do mesmo aos diferentes

tipos de aceleração de cada motorista.

Maior Rendimento: Com um controle mais preciso, o motor consegue desenvolver

uma melhor potência e menores níveis de desgaste dos componentes internos,

aumentando com isso a vida útil do motor.

Economia de combustível: O petróleo e seus derivados estão se esgotando em todo

o planeta, pois demoram milhões de anos para serem produzidos. Já possuem data

para acabar em alguns países do Oriente Médio como, os Emirados Árabes Unidos,

onde tem prazo estimado de esgotar em 2012 (Programa Auto esporte fevereiro

2008). Consequentemente, o preço do combustível tende a crescer, o que contribui

para o desenvolvimento de sistemas que o economizem, uma das principais

características da injeção eletrônica.

Baixa Poluição: O aquecimento global vem sendo agravado pela crescente emissão

de gases poluentes na atmosfera. Existem vários tipos de resíduos provenientes de

descargas automotivas, que são na sua maioria asfixiantes.

No decorrer dos últimos anos, as montadoras vêm aprimorando os seus

sistemas de injeção eletrônica para poder satisfazer a estes quatro fatores.

1.2 – Estrutura básica de um motor

Todos os motores de combustão interna são constituídos por componentes

indispensáveis, componentes estes para tornar o motor mais confiável e eficiente.

São inúmeros, mas os essenciais em motores de combustão interna são: O bloco do

motor é o maior e principal componente isso por que praticamente todas as partes

do motor estão montadas nele. Os cilindros são fabricados no bloco ou encaixados

nos mesmos são ligeiramente mais largos que os pistões que deslizam nos cilindros

e transferem a potência gerada pela combustão para biela, e ela ao eixo de

manivelas (virabrequim) que é responsável em converter o movimento vertical do

pistão em rotação. O topo do bloco é parafusado, sendo o cabeçote responsável

pela potência do motor e também suporte de válvulas e dos injetores. Esta estrutura

é mostrada em detalhes na (fig. 1).

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Fig. 1 – Modelo motor a combustão

1.3 – Funcionamento de um motor de combustão interna (Ciclo

Otto)

Em sua grande maioria, os motores de combustão interna são compostos por

um ou vários cilindros, nos quais se movem pistões. O pistão é ligado ao

virabrequim ou haste de manivelas e em cada extremidade do seu curso o pistão

atinge duas posições máximas durante seu percurso, chamadas pontos-mortos. O

ponto-morto junto do cabeçote, quando o pistão sobe, chama-se ponto-morto

superior (PMS). O ponto-morto junto do virabrequim, quando o pistão desce, chama-

se ponto morto inferior (PMI).

O ciclo tem seu inicio no PMS do pistão, que compreende quatro cursos

sucessivos, necessitando de duas rotações do virabrequim. A entrada e a saída dos

gases são comandadas pelas válvulas de admissão e escape.

Com o giro do virabrequim, o pistão se afasta do cabeçote, dando inicio ao

primeiro estágio, chamado Admissão (fig. 2). Nele, o cilindro desce até o PMI,

aspirando uma mistura composta de ar (O2) e combustível. Este gás penetra no

cilindro pela válvula de admissão.

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Fig. 2 – Motor Estágio Admissão

Em seguida, a câmara é selada pelo fechamento da válvula de admissão.

Dá-se início ao segundo estágio, chamado Compressão (fig. 3). Neste estágio, o

pistão é impulsionado para cima, comprimindo a mistura até chegar ao máximo de

compressão.

Fig. 3 – Motor Estágio Compressão

A vela gera uma centelha elétrica, que favorece a queima da mistura ar-

combustível, dando inicio ao terceiro estágio, a Combustão (fig. 4). A inflamação

provoca o surgimento de gases, e de uma considerável elevação de temperatura,

que aumenta a pressão. Os gases se expandem, impulsionando o pistão de volta ao

PMI.

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Fig. 4 – Motor Estágio Combustão

Com a subida do pistão ao PMS acontece o início do último estágio, o

Escape (fig. 5), onde os gases queimados são expulsos para o exterior do motor

pela válvula de escape. Estes são os quatro estágios de um motor de quatro

tempos, ou motor ciclo Otto.

Fig. 5 – Motor Estágio Escape

1.3.1 – Formações tóxicas do combustível

O combustível é formado por moléculas de carbono e hidrogênio agrupados,

que na presença de oxigênio e uma centelha elétrica, resultam em CO2 (gás

carbônico), CO (monóxido de carbono) e H2O (água). A ausência de oxigênio na

descarga provoca uma grande concentração de monóxido de carbono.

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Se durante o refino do petróleo não for retirado o enxofre (S), o mesmo pode,

juntamente com o oxigênio e a água em temperaturas elevadas, formar o composto

H2SO4 (ácido sulfúrico). O aumento de temperatura do motor provoca a formação de

NO2 e NO3. (fontes: Sete Dicas – vídeo carro, revista atualidades ed. Abril, 2008.).

1.3.2 - Resíduos Provenientes das descargas

São vários os compostos poluentes eliminados no meio ambiente pelos

veículos automotivos:

Cs (carbono sólido), uma fumaça negra expelida por motores na grande maioria a

diesel, que causa problemas pulmonares;

SO2 NO2 e/ou NO3 (óxidos de enxofre e nitrogênio), que causam irritações das

mucosas nasais e pulmões;

C2, C3 H2 H3 (combustível não-queimado em forma de vapor), que é carcinogênico

e multagênico;

Aldeídos que causam câncer;

CO (gás carbônico) que após dores de cabeça e palpitações no coração, pode

causar morte.

O poluente mais perigoso para os habitantes das grandes metrópoles é o

monóxido de carbono (CO). Esse gás é produzido pela queima incompleta de

moléculas orgânicas, e sua principal fonte de emissão são os motores a combustão

de veículos automotivos.

A exposição prolongada a esse gás pode levar à perda de consciência e até

mesmo à morte. A injeção eletrônica reduz a emissão do CO, e também do dióxido

de carbono, que é um dos principais responsáveis pelo efeito estufa que provoca o

aquecimento global. (fontes: Sete Dicas – vídeo carro, revista atualidades ed. Abril,

2008. Livro Biologia das populações 3.ed. 2004.).

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1.4 - Funcionamento da injeção eletrônica

A injeção eletrônica utiliza vários sensores e atuadores, que medem as taxas

de poluentes dos gases de escape, as vibrações do motor e a rotação do

virabrequim.

O sistema de injeção eletrônica não controla só a quantidade de combustível,

mas também diversos outros componentes em um automóvel.

A central eletrônica é responsável pelo controle de todo o processo, como

analisar os gases de escape, medir a pressão e o volume do combustível, da massa

e do fluxo de ar, mede a temperatura do ar de entrada e dos gases de saída. Possui

também sensores de velocidade e de rotação do motor. Além dessas vantagens,

propiciou a incorporação do sistema de ignição e converte as vibrações do motor em

sinais elétricos. O controle eletrônico de motores se dá do tanque de combustível até

a saída dos gases.

O sistema de injeção eletrônica tem uma grande capacidade de se adaptar às

inúmeras variações de marcha e também ao modo de dirigir de cada motorista. Os

sistemas mais recentes e mais sofisticados de veículos podem conter mais de uma

centena de elementos e realizar centenas de operações, podendo interagir com o

sistema de ar-condicionado, direção hidráulica, controle de tração e de estabilidade,

etc. Já em competições automobilísticas de alto nível, como a Fórmula 1, esse

sistema se torna muito mais complexo, e seus dispositivos seriam da ordem de

milhares. (fontes: Sete Dicas – vídeo carro, revista mecânica cartech n° 219 e 220,

ed. sisal).

1.4.1 – Sistema monoponto e multiponto

Os primeiros sistemas de injeção que surgiram foram os do tipo single-point

(monoponto), que constituíam-se basicamente de uma válvula injetora, que fazia a

pulverização do combustível junto ao corpo da borboleta do acelerador para todos

os cilindros, desta maneira toda vez que o acelerador é acionado, esta válvula

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(borboleta), se abre admitindo o ar e os sensores informam a quantidade de

combustível necessária. Já no sistema multi-point (multiponto) há uma válvula para

cada cilindro. A composição deste sistema encontra-se nas fig.6 e fig.7.

Fig.6 – Sistema monoponto Fig.7 – Sistema multiponto

1.5 - Teoria do Hardware

1.5.1 – Caixa de Redução

A caixa de redução tem por finalidade multiplicar ou dividir a força de um

motor através de sua velocidade. Através de um sistema de engrenagens que

transmite para o eixo uma rotação diferente aquela do motor, neste tipo de caixa

todas as engrenagens permanecem engrenadas sempre. Quanto maior a rotação de

um motor em relação à rotação do eixo, maior será sua força e, quanto menor a

rotação do motor em relação à rotação do eixo, maior será a velocidade,

funcionando como um multiplicador de força e/ou velocidade. Esse processo

acontece devido o jogo de engrenagens no interior da caixa.

21

1.5.2 – O microcontrolador

Microcontroladores são CI’s (circuitos integrados) que estão modificando

projetos de equipamentos eletrônicos, e estão se tornando cada vez mais acessíveis

e sofisticados.

Estes dispositivos possuem integrados em um único e pequeno dispositivo a

CPU (Unidade Central de Processamento), RAM (memória de acesso aleatório),

EPROM (memória somente de leitura programável e apagável) ou suas variantes

EEPROM (memória somente de leitura programável, e apagável eletricamente),

ROM (memória somente de leitura), PROM (memória programável somente para

leitura), E/S (entradas e saídas digitais e analógicas), Temporizadores (contadores e

temporizadores) Controladores de interrupção (possibilitando rápida reação as

mudanças do ambiente).

No projeto do simulador didático o microcontrolador é útil, pois desempenha o

papel da central eletrônica, que é o cérebro do projeto.

O microcontrolador PIC 16F877A pertence à família 16F, fabricada pela

Microchip, e oferece vários recursos de controle a sua pinagem esta disponível na

fig.8. Possui as seguintes características:

- CPU RISC de 35 instruções;

- Clock de 20 MHz (5 milhões de instruções por segundo);

- Até 8 KWords de memória de programa;

- 368 bytes de RAM;

- 256 bytes de EEPROM;

- Dois comparadores e geradores PWM;

- 8 canais de conversão A/D de 10 bits;

- Comunicação serial;

- 33 pinos de Entrada/Saída.

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Fig. 8 - Pinagem PIC 16F877a

1.5.3 – Sensores

Em automação de sistemas em geral temos que determinar inúmeras

condições. É necessário obter todos os valores indispensáveis para os processos, e

a coleta desses valores é efetuada por sensores. Eles analisam e enviam

informações para a central eletrônica.

1.5.3.1- Sensor Óptico

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O princípio de funcionamento do sensor óptico (fig.9) baseia-se na existência

de um emissor e um receptor de luz. A luz gerada pelo emissor deve atingir o

receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute sua saída.

O sensor altera os seus parâmetros elétricos quando o feixe de luz gerado é cortado

por algum objeto, sem que para isso ocorra contato mecânico entre eles.

Fig.9 – Sensor Óptico

1.5.3.2-Sensor de Posição (encoder)

O sensor de posição (Fig. 10) é um sensor bastante utilizado na indústria

automotiva. Ele exerce papel determinante na posição dos sistemas virabrequim,

biela e pistão no motor. Os sensores mais utilizados deste tipo são os encoders.

“Encoders são dispositivos que convertem um deslocamento linear ou angular em

um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como um byte”. (THOMAZINI,

ALBUQUERQUE, 2007. Pg55).

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Fig.10 – Sensor de Posição

1.5.3.3 – Sensor de velocidade (Acoplador Óptico)

Podemos dizer que este sensor é uma combinação dos dois mencionados

anteriormente. Trata-se de um disco com determinado número de furos que é

conectado de alguma maneira a um eixo de um motor e um par (transmissor e

receptor), mostrado na fig.11, que são também acoplados por meio de um feixe de

luz. Quando o disco gira, a luz passa entre os furos e é interrompida pela parte

sólida do disco. Desta maneira “o foto-acoplador gera um pulso na saída o qual o

período do ciclo depende do tamanho do espaçamento dos furos e que a freqüência

depende da velocidade do motor w”. (THOMAZINI, ALBUQUERQUE, 2007. Pg55).

Fig.11 – Acoplador Óptico

25

1.5.4 – Atuadores

Estes componentes recebem as informações da central eletrônica e atuam

nos sistemas de alimentação dos motores variando volume de combustível e ponto

de ignição, são eles os responsáveis por fornecer a energia mecânica ao sistema

automotivo, como: bomba de combustível, bico injetor, vela de ignição e etc.

1.5.4.1- Bomba de Combustível

A bomba de combustível é responsável por bombear o combustível do tanque

até os bicos injetores sobre uma determinada pressão. Nos veículos as bombas de

combustível ficam alojadas no interior do tanque, para o desempenho mais

satisfatório. Podem ser de roletes ou engrenagem como a (fig. 12).

“Para assegurar um funcionamento correto da bomba de injeção, é necessário que o

carburante lhe chegue sob ligeira pressão e isento de água, ar e impurezas sólidas”.

(CHOLLET, 1981, p.189).

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Fig.12 – Bomba de combustível

1.5.4.2-Válvula Solenóide

As válvulas possuem as características básicas de serem NF (normalmente

fechada) ou NA (normalmente aberta). O pulso de tensão recebido por esta válvula

faz com que ele abra se for NF, ou feche se for NA.

O solenóide é basicamente um pino metálico que é impulsionado por uma

força eletromagnética, impelindo a realizar uma ação mecânica. (Fig. 13).

Fig.13 - Solenóide

1.5.4.3-Bico Injetor

O bico injetor normalmente é montado na válvula de admissão ou muito

próximo da mesma, para que a mistura ar-combustível se torne a mais homogênea

possível. É um dispositivo eletromagnético que contém um solenóide, que é

acionado ao receber um sinal elétrico da central eletrônica.

É constituído por um êmbolo, que ao se deslocar permite a passagem do

combustível em certa pressão, para que ele seja pulverizado em forma de vapor. O

tempo de abertura desta válvula determina a quantidade de combustível a ser

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injetada. Tem por função fornecer uma quantidade de combustível dosada

necessária aos diversos regimes de funcionamento. (Fig. 14).

Fig.14 – Bicos Injetores

1.5.5 – Ignição

Este tipo de sistema começou a ser utilizado no Brasil em 1978. O sistema de

ignição automotiva também é controlado pela injeção eletrônica. O sensor de

posição informa ao módulo de ignição o momento certo em que a vela emite a

centelha elétrica. Estes sistemas eletrônicos trazem algumas vantagens sobre os

outros anteriormente usados, como:

Não usam platinado e condensador, principais causadores da irregularidade

do sistema de ignição;

Mantém a tensão de ignição sempre constante, garantindo maior potência da

faísca em altas rotações;

Mantém o ponto de ignição ajustado (não desregula).

O sistema de ignição é composto basicamente por bobinas (Fig. 15) que

desempenham a função de transformadores. O enrolamento primário está ligado à

alimentação de 12 volts da bateria, e o enrolamento secundário fica ligado à vela de

ignição (Fig. 16), que emite uma fagulha com uma tensão altíssima, podendo atingir

20.000 volts. Quando a central eletrônica aterra a bobina do primário, cria-se um

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campo magnético. Quando este é cortado, o campo magnético se fecha

rapidamente criando no enrolamento secundário da bobina a tensão requerida nas

velas. A distribuição de ignição estática de alta voltagem não é ativada

mecanicamente, mas por um sistema totalmente eletrônico. A distribuição da

voltagem para a ignição fica, dessa forma, livre de desgaste. A temporização da

ignição pode ser regulada dentro de uma ampla gama de opções de ajuste. As

bobinas de ignição e as velas de longa duração de veículos esportivos asseguram

uma confiável ignição da mistura de ar-combustível com uma voltagem de ignição de

até 35.000 volts.

Fig.15 – Bobinas de Ignição

Fig.16 – Vela de Ignição

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1.5.6 – Display LCD

O display LCD é constituído basicamente de um display de cristal líquido e de

um controlador deste display. Podem ser encontrados dois tipos: os de caractere

(Fig.17) e os gráficos (Fig.18).

“Os displays de caractere são mais baratos e capazes de apresentar

caracteres como letras, números e símbolos. Esses displays não funcionam

adequadamente para a apresentação de gráficos, já que a sua tela é dividida em

linhas e colunas, e cada posição armazena um caractere”. (PEREIRA, 2007, p.310).

Já os displays do tipo gráfico são mais sofisticados e consequentemente muito mais

caros, este display tem a capacidade de apresentarem gráficos e inclusive

fotografias.

Fig.17 – Display LCD tipo caractere Fig.18 – Display LCD tipo gráfico

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CAPITULO 2 – ASPECTOS METODOLÓGICOS

Este projeto tem como base a construção de um simulador de injeção

eletrônica, que além de mostrar o funcionamento básico de um motor, controla

diversas funções da injeção eletrônica e mostra alguns dados controlados pelo

simulador.

2.1 – Hardware

2.1.1 – Controle da injeção

O sistema de injeção eletrônica tem como base da sua construção um

microcontrolador PIC 16F877A. Este microcontrolador foi escolhido devido à

velocidade de processamento necessária ao controle de alguns processos.

Outras necessidades que foram consideradas na escolha deste modelo foram

a grande quantidade de pinos de entrada/saída de dados, pois três válvulas

solenóides e um display LCD são controlados pelo mesmo, além de possuir

conversor analógico/digital de 8 bits, implementados internamente. Este conversor

analógico/digital possibilita o tratamento de alguns parâmetros analógicos, que é o

caso de variação das válvulas de admissão e escape. Estas variações são

simuladas por potenciômetros.

O módulo de injeção é responsável pelo tempo de abertura do bico injetor, no

projeto foi utilizada uma válvula solenóide para representá-lo. Este tempo de

abertura permite o controle da quantidade de combustível que deve entrar no interior

31

do cilindro. O sistema de injeção tem a função de controlar as válvulas solenóides de

admissão e escape simultaneamente.

Outra responsabilidade do sistema de injeção é o controle da ignição

eletrônica, que é o momento da queima do combustível no interior do cilindro. O

sensor ótico informa ao microcontrolador a posição do pistão no cilindro, e a partir

destas informações, o microcontrolador determina com precisão o momento da

faísca, que no simulador, é representada por um LED acendendo.

O sistema de injeção também controla algumas informações de dados

mostrados pelo display LCD montados no simulador.

2.1.2 – Simulador de rotação do motor

O simulador de rotações é composto por um motor DC, que tem a velocidade

de rotação determinada por um potenciômetro ou simulador de acelerador. O motor

DC possui preso ao seu eixo dois discos perfurados, permitindo assim ser medida a

sua rotação e a posição em que o pistão se encontra (Fig.19). Como se trata de um

motor quatro tempos, ele só apresenta duas posições distintas, o PMS e o PMI. Foi

necessário utilizar dois discos: ambos com dupla perfuração mais em ângulos

diferentes, alinhados no mesmo eixo, formando uma tabela da verdade que permite

o seguinte:

Disco 1 Disco 2 Tempo

0 0 Admissão

1 0 Compressão

0 1 Combustão

1 1 Escape

Tabela 1 – Tabela da verdade do programa.

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Fig.19 – Aplicação foto-acoplador e virabrequim no projeto

2.1.3 – Circuito eletrônico

Todos os testes do projeto foram efetuados no programa de simulação

Proteus, que também foi usado no desenvolvimento do circuito (Fig.20). Após todas

as etapas de testes de simulação terem sido satisfatórias, o controle de todo o

processo passou a ser no protoboard (Placa com milhares de furos que permite a

montagem de circuitos eletrônicos experimentais) e em seguida nas placas.

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Fig.20 – Circuito Eletrônico

2.2 – Software

O software do microcontrolador foi desenvolvido em linguagem C.

“O desenvolvimento em C permite uma grande velocidade na criação de

novos projetos, devido às facilidades de programação oferecidas pela linguagem e

também à sua portabilidade, que permite adaptar programa de um sistema para

outro com um mínimo esforço”. (PEREIRA, 2007, p.18.).

Um aspecto que destaca a linguagem C das demais é a sua eficiência, como

esta linguagem é extremamente curta, ou seja, um programa C é bem mais curto

que os demais, a leitura e a transformação em código de maquina é bem mais

rápida e eficiente. O programa do simulador encontra-se no ANEXO B.

34

CAPITULO 3 – O PROJETO

3.1 – O motor

No projeto é mostrado o funcionamento de um motor monocilíndrico,

constando de um tubo transparente com três furos para o encaixe das válvulas

solenóides. Este tubo transparente representa o cilindro do motor. O pistão foi

usinado em nylon, a biela em alumínio e o virabrequim em aço. A movimentação do

motor é comandada por um motor DC acoplado a uma caixa de redução, para que o

mesmo tenha força de alternar o pistão entre os PMS e PMI. A alternância em sua

velocidade é de responsabilidade do potenciômetro que é na realidade o simulador

do acelerador. Desta forma, o curso do pistão, abertura das válvulas e a injeção de

combustível são facilmente visualizados. Alguns cálculos referentes a este protótipo

mecânico seguem-se no ANEXO A.

3.2 – Central eletrônica

Como já foi comentada em tópicos anteriores, a central eletrônica é na

realidade o microcontrolador PIC 16F877A. A alimentação do microcontrolador é

determinada por uma fonte de tensão de 5 volts, a central eletrônica gerencia todos

os processos, calcula todas as informações dos sensores e efetua as devidas

correções, além de passar dados em tempo real para o display LCD.

3.3 – Simulador bico injetor e bomba de combustível

A simulação destes dois é representados pela válvula solenóide 2 (Fig.21)

que se encontra ligada ao tanque simulador de combustível e ao cilindro do projeto.

Como o princípio de funcionamento desta válvula é semelhante ao bico injetor, ele

se abrirá quando receber o pulso de 12 volts, tensão esta proveniente de uma fonte

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de tensão independente do microcontrolador, e injetará um liquido no interior do

cilindro. Esta válvula também desempenha o papel da bomba de combustível, já

que, o liquido será impulsionado sob determinada pressão, que assim como nos

sistemas de injeção eletrônica, procura-se manter o mais constante possível.

Fig.21 – Válvula Solenóide

3.4 – Simulador vela de ignição

O dispositivo que simula a centelha elétrica da vela de ignição é representada

por um led que recebe o sinal da central eletrônica e no tempo de ignição pisca

como se fosse a faísca da própria vela. Este processo, assim como na injeção

eletrônica automotiva, poderá ter avanços para uma queima perfeita. O circuito é

mostrado na fig.22.

36

Fig.22 – Circuito Vela de Ignição

3.5 – Representação ar e Combustível

Os dois fatores que efetuam a propulsão de um motor de combustão interna,

o ar e o combustível pulverizado. No projeto são representados por dois compostos

líquidos de cores diferentes. O ar ficará no tanque simulador de ar e o combustível

no tanque simulador de combustível (detalhes no ANEXO D). Apesar da mistura

ar/combustível ser gasosa o máximo possível, fator no qual é crucial para um melhor

desempenho do motor, os líquidos na realidade são uma espécie de ilustração que

poderá ser visto o momento exato da entrada de ambos facilitando a compreensão

do usuário e de observadores.

3.6 – Simulador da borboleta de admissão

A borboleta de admissão é simulada por:

Uma válvula solenóide que está ligada ao tanque de simulação de ar e ao

cilindro do protótipo para promover a passagem do líquido, e no pino dois do

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microcontrolador está ligado um potenciômetro de 1K para simular eventuais falhas

na borboleta de admissão.

3.7 – Simulador do sensor de CO2

O sensor de CO2 funciona da mesma forma que a borboleta de admissão. A

exceção fica por conta da saída do líquido misturado do interior do cilindro e jogado

para o tanque simulador de gases, este líquido composto são os gases. O

potenciômetro desta vez está ligado ao pino 3 do microcontrolador.

3.8 – Monitor de dados

Algumas grandezas deste projeto são visualizadas com certa facilidade no

próprio circuito do projeto. Um display LCD mostra dados pertinentes ao circuito,

dados mostrados:

Sinalizador de tempos mostra em quais dos tempos o motor encontra-se

(Adm/Com/Exp/Esc);

Monitor de rotação, que indica a velocidade do motor;

Monitor de abertura da borboleta, que indica qual percentual de ar na

admissão;

Monitor de CO2, que indica qual percentual de oxigênio nos gases do escape;

Monitor do tempo de abertura do bico (válvula solenóide).

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CAPITULO 4 – TRABALHANDO O SIMULADOR

Apesar de o simulador ter o seu processo controlado pelo microcontrolador e

ser predeterminado pelo programa inserido no mesmo, há algumas alterações

possíveis por parte de um usuário.

4.1 – Controle de Velocidade

O usuário pode começar alterando a velocidade do motor DC através do

potenciômetro que é o acelerador do veículo. Com esta variação, o sistema passará

a funcionar em condições diferentes, na realidade, fazendo isto o operador do

protótipo está configurando o ponto do motor para outras opções, o motor funcionará

em acelerações diferentes adiantando ou atrasando a faísca.

4.2 – Controle de Ar e de Gases

O usuário pode ainda alterar a porcentagem de ar na admissão e de oxigênio

no escape, e consequentemente o tempo de abertura dos bicos através dos

potenciômetros (Fig.23). Todas essas alterações são visualizadas por quem está

operando e assistindo as alterações no simulador através do display LCD que

mostra todos esses parâmetros.

Fig.23 – Circuito Sensores de Falhas

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CAPITULO 5 – RESULTADOS OBITIDOS E POSSÍVEIS

MUDANÇAS

Os resultados obtidos foram todos satisfatórios, já que se trata de um projeto

de função didática. O simulador mostrou-se ser um valioso instrumento para

compreensão do funcionamento de um motor e dos sistemas de injeção eletrônica.

Alguns resultados como a rotação, o ponto do motor, o ponto de ignição e tempo de

abertura da válvula de representação do bico injetor, foram todos os parâmetros

observados e apresentaram valores dentro do esperado.

O projeto pode, inclusive, sofrer alterações nestes parâmetros desde que

algum usuário possa mudar o programa preestabelecido no microcontrolador, sendo

possível alterar:

* Tempo de abertura das válvulas;

* Avanço de ignição;

* Média da mistura ar combustível;

* Aumentar os valores dos potenciômetros possibilitando maiores variações;

* Escolher ou mudar dados para serem mostrados no display.

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CONCLUSÃO

Através do projeto foi possível adquirir mais conhecimentos, pois as

pesquisas e trocas de idéias com professores e colegas é importante para

aprendizagem e crescimento pessoal.

A estrutura mecânica foi determinante para compreensão do controle

eletrônico que efetuou todo o processo de simulação de controle de ar, combustível

e gases e todos esses dados foram apresentados de forma clara no display LCD

concluindo-se que o projeto supriu todas as expectativas nele depositadas, mostrou-

se uma excelente ferramenta para o aprendizado de alunos dos cursos Técnicos e

Tecnológico do IFCE.

No simulador, podem ainda serem incorporadas diversas melhorias como;

Aumento do número de cilindros do motor, implementação de um sistema de nitrox,

usado em competições esportivas e podendo inclusive ser criado uma comunicação

com um computador.

41

ANEXO A – CÁLCULOS DE USINAGEM

42

ANEXO B – PLACAS DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS

43

ANEXO C – CÓDIGO FONTE DO PROGRAMA EM LINGUAGEM C.

/****************************************************** TRABALHO DE CONCLUSAO DE CURSO MECATRONICA INDUSTRIAL IFET CE CAMPUS CEDRO SISTEMA DE INJEÇAO ELETRONICA DIDATICO ALUNO: ANTONIO VENTURA ORIENTADOR: FRANCISCO VANIER DE ANDRADE*******************************************************/#include <16f877A.h>#device adc=10;#use delay (clock=4000000)//#fuses HS,NOWDT,NOPUT,NOBROWNOUT#include "lcd1.c"

int tempo=1;int valor;unsigned long int velocidade=0;unsigned long tensaoGASES,quant_AR;float temp;

#int_TIMER0trata_timer0(){ valor++; if (valor==125){ setup_ADC_ports( ALL_ANALOG ); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(1); quant_AR=read_adc(); temp=(quant_AR*100)/1024; lcd_init(); printf(lcd_putc,"%%COMB %5.2f\n",temp); switch(tempo){ case 1: { printf(lcd_putc,"Adm "); printf(lcd_putc,"Vel. %lu RPM\n",velocidade*60);break;} case 2: { printf(lcd_putc,"Comp "); printf(lcd_putc,"Vel. %lu RPM\n",velocidade*60);break;} case 3: { printf(lcd_putc,"Exp "); printf(lcd_putc,"Vel. %lu RPM\n",velocidade*60);break;} case 4: { lcd_init(); setup_ADC_ports( ALL_ANALOG ); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); tensaoGASES=read_adc();

44

if (tensaoGASES>10){ temp=(tensaoGASES*100)/1024; printf(lcd_putc,"+COMB:%f\n,",temp); } else{ printf(lcd_putc,"COMB. OK:\n"); } printf(lcd_putc,"Esc "); printf(lcd_putc,"Vel.%lu RPM\n",velocidade*60);break;} } velocidade=0; valor=0; set_timer0(131); }}

#int_RBtrata_rb(){ //ADMISSAO (abre o combustivel e AR) if ((input(pin_b6)==1) && (input(pin_b7)==1)){ if(tempo==4){ disable_interrupts(int_RB); delay_ms(10); tempo=1; //velocidade=get_timer0(); //escreve_lcd(1,'Velocidade= vvvv'); set_timer0(131); enable_interrupts(int_RB);

} } else{ //COMPRESSAO (fecha todas as valvulas) if ((input(pin_b6)==0) && (input(pin_b7)==1)){ if(tempo==1){ disable_interrupts(int_RB); delay_ms(10); tempo=2; enable_interrupts(int_RB); } } else{ //EXPLOSAO if ((input(pin_b6)==1) && (input(pin_b7)==0)){ if(tempo==2){ disable_interrupts(int_RB); delay_ms(10); tempo=3; enable_interrupts(int_RB); }

45

} else{ //ESCAPE if ((input(pin_b6)==0) && (input(pin_b7)==0)){ if(tempo==3){ disable_interrupts(int_RB); delay_ms(10); tempo=4; velocidade++; enable_interrupts(int_RB);} } } } } output_c(tempo); switch (tempo){ case 1:{ //escreve_lcd(1,'ADMISSAO'); output_low(pin_c7); //vela apagada output_high(pin_b1); //abre combustivel output_high(pin_b2); //abre AR output_low(pin_b3); //fecha GASES delay_ms(100); break; } case 2:{ //escreve_lcd(1,'COMPRESSAO'); output_low(pin_c7); //vela apagada output_low(pin_b1); //fecha combustivel output_low(pin_b2); //fecha AR output_low(pin_b3); //fecha GASES break; } case 3:{ //escreve_lcd(1,'EXPLOSAO'); output_low(pin_b1); //fecha combustivel output_low(pin_b2); //fecha AR output_low(pin_b3); //fecha GASES output_high(pin_c7); //acende vela delay_ms(100); output_low(pin_c7); break; } case 4:{ //escreve_lcd(1,'ESCAPE'); output_low(pin_c7); //apaga vela output_low(pin_b1); //fecha combustivel output_low(pin_b2); //fecha AR output_high(pin_b3); //abre GASES break;

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} }}main(){ enable_interrupts(GLOBAL | int_TIMER0 | int_RB); lcd_init(); setup_timer_0(RTCC_DIV_64); set_timer0(131); //setup_ADC_ports( ALL_ANALOG ); //setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); //set_adc_channel(0); enable_interrupts(GLOBAL); enable_interrupts(int_RB); printf(lcd_putc,"IFCE- Sistema de Injecao Eletronica\n"); printf(lcd_putc,"Campus Cedro\n"); delay_ms(2000); while(true){ ; }}

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ANEXO D – FOTOGRAFIAS DO PROJETO

Estrutura mostrada frente e verso, respectivamente.

48

Parte frontal do eixo do motor responsável pelo movimento do pistão

49

Parte traseira do eixo responsável pelo sensoriamento do projeto

50

51

À esquerda, módulo acelerador; e à direita, detalhe do cilindro, pistão e motor.

Microc. Saída das válvulas, potenciômetros para simulador de falhas e LED (vela).

52

Display LCD (monitor de dados).

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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CHOLLET, H.M. Curso Prático e Profissional para Mecânicos de Automóveis. 1.ed.São Paulo:Hemus,1981.

MELCONIAN, Sarkis. Elementos de Máquinas. 8.ed.São Paulo: Érica,2007.

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THOMAZINI, Daniel.; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores Industriais fundamentos e aplicações.3.ed. São Paulo:Érica,2007.

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http://www.autonewsbr.hpg.ig.com.br/materias/ignicao.htm (acesso: 12/05/2009)

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ.

CAMPUS CEDROTECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

SIMULADOR DIDÁTICO DE INJEÇÃO ELETRÔNICA EM UM MOTOR MONOCILÍNDRICO.

54

ANTÔNIO VENTURA GONÇALVES DE OLIVEIRA

CEDRO2009