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Faculdade de Tecnologia de Santo AndréCurso de Eletrônica AutomotivaApostila de AtuadoresporA. A. M. Laganácom editoração desenvolvida pelaEquipe da FATEC Santo AndréApostila desenvolvida como material de apoio para o curso de Eletrônica Automotiva da FATEC de SantoAndré.Equipe de ApoioCynthia Thamires da SilvaSanto André SPVerão 2012

Conteúdo1 Introdução1.12Os atuadores do carro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 Válvula eletrônica de controle de ar (Válvula Borboleta)232.1Função da válvula borboleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32.2Descrição da válvula eletrônica de controle de ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32.3Operação da válvula de controle de ar eletrônica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.4Análise de funcionamento do motor detalhada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82.5Descrição dos sensores de posição (TPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82.6Fluxo de massa de ar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.7Caracteristicas do produto e informações complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 Sistema de Ignição153.1Função . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153.2Descrição do sistema de ignição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153.3Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153.4Efeitos da relação Ar/Combustı́vel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183.5Aumento de Energia de Ignição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193.6Emissão de sinais de rádio frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.7Bobina de ignição com módulo de chaveamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.8Tipos de ignição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213.9Sensor Iônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243.10 Velas: Detalhes Técnicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25i

3.11 Cabos elétricos: Detalhes Técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263.12 Descrição completa do sistema de ignição. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271

Capı́tulo 1Introdução1.1Os atuadores do carroIntrodução a ser desenvolvida futuramene.2

Capı́tulo 2Válvula eletrônica de controle de ar(Válvula Borboleta)2.1Função da válvula borboletaA função da válvula eletrônica de controle de ar, que será o foco do nosso estudo no Capı́tulo 2, tem afunção, a partir de sinais fornecidos pela unidade de controle do motor (ECU), controlar o fluxo de massade ar introduzido no motor, mais especificamente admitido nos cilindros. Historicamente, esta função quasepor um século era realizada pelo carburador, componente puramente mecânico e extremamente engenhosoque a partir da tração de um cabo ligado ao pedal acelerador era controlada a abertura para passagem doar. Simultaneamente, o carburador usando o pincı́pio de Venturi aspirava o combustı́vel e o misturava aoar admitido. Com o advento da injeção eletrônica de combustı́vel, realizada através de válvulas injetoras,inicialmente monoponto e depois multiponto, feita após a admissão de ar, o carburador transformou-seem um componente mecânicamente mais simples, mas ainda controlado por um cabo ligado ao pedalacelerador, denominado válvula borboleta, que recebeu um sensor de posição de abertura da passagem doar. Na última década no Brasil, foi introduzido nos sistemas de injeção o pedal eletrônico, eliminando o cabode tração para a abertura, introduzindo na válvua borboleta um motor de torque controlado pela ECU.Nesta última modificação foi possı́vel eliminar alguns servomecanismos utilizados para adaptar melhor ofluxo de entrada de ar aos diversos regimes do motor.2.2Descrição da válvula eletrônica de controle de arA válvula eletrônica de controle de ar pode ser visualizada nas fotos da figura (2.1) e da figura (2.2).3

Figura 2.1: Visualização da válvula de controle de ar eletrônica (Fonte: Delphi)Figura 2.2: Modelos de válvula (Fonte: Delphi)Uma visualização mais detalhada pode ser realizada na figura (2.3)Figura 2.3: Vista explodida de uma válvula de controle de ar eletrônica (Fonte: Delphi)A figura (2.4) mostra o diagrama geral de uma válvula de controle de ar eletrônica, com todos os seus4

componentes básicos e opcionais.Figura 2.4: Diagrama esquemático da válvula de controle de ar eletrônica. (Fonte: Delphi)Observando a figura (2.4) podemos relacionar as seguintes partes constituintes.(a) Básicos Corpo da válvula Borboleta Válvula Borboleta Eixo da válvula Borboleta e respectivo suporte Mola de retorno Dois estágios de engrenagens entre o motor e o eixo da válvula borboleta Motor DC Atuador com escova Dois sensores de posição de abertura da válvula borboleta Conector(b) Opcionais Passagens para passagem de fluidos refrigerantes5

Passagens para sistemas de vácuo Passagens para passagem de ar fresco2.3Operação da válvula de controle de ar eletrônica.Inicialmente, sem a tração do motor, a válvula borboleta através de sistema de fim de curso elástico,deixa a válvula (naturalmente) ligeiramente aberta, com o fluxo de ar necessário para o regime de marchalenta.Figura 2.5: Diagrama de motor atuador. (Fonte: Delphi)Dados caracteristicos do motor podem ser visualizados na tabela (2.1).ParameterDesign VoltageCurrent, AverageCurrent, PeakInductance, Pin A-BPWM FrequencyConditions10 sec 10 0.83varies24UnitsVAAmHKHzTabela 2.1: Dados caracteristicos de funcionamento do motor. (Fonte: Delphi)Para abrirmos a válvula borboleta devemos alimentar o motor com um sinal (PWM - sinal moduladopor largura de pulso) conforme a Figura (2.5) com um duty cicle alto na ordem de 90%. (Porcentualdo perı́odo do pulso em alto em relação ao perı́odo do sinal) Para fecharmos a válvula borboleta numavelocidade menor, reduzimos o duty cicle para a ordem de 10%. No caso de desejarmos aumentar avelocidade de fechamento e exercermos uma força suficiente para fechar totalmente a válvula invertendo apolarização do motor. Para isto é utilizado um circuito integrado especı́fico denominado ponte H, que será6

comentado mais adiante no curso. Quando aplicamos no motor um sinal PWM com duty cicle de 50%,figura (2.6), a válvula borboleta permanecerá parada, independente da posição que se encontra.Figura 2.6: Sinal PWM com 50% de duty cicle.Desta forma se pisamos no pedal, a ECU a partir desta informação, e de outras vinda de sensoresposicionados no motor que caracterizam um regime de funcionamento, define um posição de aberturadesejada e aciona o motor para isto. Simultaneamente a este processo de abertura, a ECU recebe dossensores de posição sinais analógicos que são proporcionais ao ângulo de abertura (em um sinal a tensãoaumenta, e no outro ela diminui.) Com isto a ECU monitora a abertura da válvula e quando esta atingir aposição desejada a ECU volta a alimentar a válvula com um sinal PWM de 50%. Trata-se de uma explicaçãosimples, porém didática já que o controle é bem mais complexo. As figuras (2.7) e (2.8) mostram a interaçãoda válvula de controle de ar eletrônica com outras partes do carro.Figura 2.7: Diagrama para visualização da interação da válvula de controle de ar com o carro.(Fonte: Delphi)7

Figura 2.8: Visualização da integração de componentes do carro para o controle da válvula de controle de ar.(Fonte: Delphi)2.4Análise de funcionamento do motor detalhada(Será desenvolvido futuramente)2.5Descrição dos sensores de posição (TPS)Diagramas esquemáticos dos sensores de posição (TPS) da válvula de controle de ar podem ser visualizados nas figuras (2.9) e (2.10), sendo a primeira mais comum (4 pinos).Figura 2.9: Diagrama do TPS com 4 pinos.(Fonte: Delphi)Figura 2.10: Diagrama do TPS com 6 pinos. (Fonte: Delphi)8

Focaremos aqui, o TPS (Throutle Posicion Sensor) de 4 pinos. Notemos que nos terminais A e D éaplicado uma tensão de 5 volts 0,5V (VA D 5V 0, 5V ). No terminal C correspondente ao TPS 1teremos uma tensão que irá variar entre 10% (totalmente fechada) e 90% (totalmente aberta) da tensãode alimentação, em geral 5V . O valor de 10% será atingido na situação em que aplicamos a tensão inversano motor e fechamos a válvula totalmente. No TPS 2 teremos uma tensão que varia de 90% (totalmentefechada) a 10% (totalmente aberta). A figura (2.11) nos permite complementar a visão dos sensores deposição, que mostra a tensão de saı́da relativa a tensão de alimentação nos terminais TPS1 e TPS2 emfunção do ângulo de abertura da válvula borboleta.Figura 2.11: Tensão de saı́da dos sensores de posição. (Fonte: Delphi)Um modelo que exemplifica bem o TPS é mostrado na figura (2.12)Figura 2.12: Modelo completo.(Fonte: Delphi)Quando a válvula abre, o potenciômetro TPS1 apresenta um movimento para cima variando a resistência entre os pontos C - A de R. Por sua vez o potenciômetro TPS2 apresenta um movimento9

para baixo variando a resistência entre os pontos B - A de R. Aplicando a mesma idéia com o terminalD, concluimos que a resistência entre os terminais B - C não se altera com a abertura ou fechamento daválvula. Também é fácil concluir que a resistência entre os terminais A - D também não se altera. Outraanálise ainda a ser feita é que se não fosse a resistência de contato Rc a resistência entre os terminais AeDe BeC seriam iguais. Desta forma fica fácil concluir que a resistência entre AeD ( 2KΩ) é menor quea existente entre C e D ( 5KΩ). Os valores apresentados nas tabelas (2.2) e (2.3) abaixo nos levam aosvalores para o nosso modelo conforme a figura (2.13).ParameterResistance, Pin A-CContact Resistance, Pin UnitsΩΩTabela 2.2: Dados do TPS 1ParameterResistance, Pin B-CContact Resistance, Pin A-WiperConditionsAllAllMinimum2.7KN/ATabela 2.3: Dados do TPS 2Figura 2.13: Modelo completo com valores a partir da (2.1) e (2.2).2.6Fluxo de massa de ar.Abordaremos agora alguns aspectos do fluxo de massa de ar na válvula borboleta. Inicialmenteapresentamos algumas observações importantes apresentadas no datasheet da Delphi.10

A posição de abertura mı́nima natural acima dela totalmente fechada evita o encurvamento do corpoda válvula borboleta. Esta posição é denominada de posição mecânica mı́nima. O diâmetro do eixo da lâmina da válvula é grande suficiente para afetar a área efetiva aberta,especialmente na condição de válvula totalmente aberta. (WOTC). Alguma fuga de ar é esperada pelas tolerâncias de fabricação. A queda de pressão através da válvula em condições reais de aplicação no motor podem ser menoresdo que aquelas obtidas em laboratório com fluxo de ar em condições de equilı́brio, ou seja, o realpode ser menor que o calculado. O coeficiente de descarga (Cd ) da válvula borboleta varia com o ângulo de abertura, pressão e númerode Reynalds. Este coeficiente pode ser obtido experimentalmente.A figura (2.14) ilustra a visão da área efetiva de passagem da válvula borboleta com a abertura damesma.Figura 2.14: Vista lateral e superior da abertura da válvula (Fonte: Delphi).A equação (2.1) abaixo nos dá o fluxo de massa de ar para uma relação de pressões PT /Po 0, 528.11

MthCD Ath Po RTo PTPo 1/y ""2y1 y 1PT (y 1)/7Po!##1/2(2.1) Po · To Pressão e temperatura ambiente PT Pressão após a válvula CD Coeficiente de descarga R Número de Reynolds y Taxa de calor especı́ficoA área efetiva Ath é dada pela expressão (2.2).4Ath πD2 cosΨacosΨ2acosΨo2221/22 1/2 1 11 (cos Ψ a cos Ψo ) a(1 a ) sin s sincosΨoπ cosΨcosΨocosΨ(2.2)onde a dD,d é o diâmetro do eixo da válvula e D o diâmetro da válvula. Ψo ângulo de abertura na posição fechada Ψ ângulo de aberturaSob condições sub sônicas ou com a taxa PT /Po 0, 528, o fluxo é dado por (2.3).mth CD Ath Po 1/2 yRTo 2y 1 (y 1)/2(y 1)(2.3)O fluxo de ar máximo necessário pode ser calculado a partir de: fluxo de ar mg/s 0, 8 grama.de.ar· potmaxsou(M ax.RP M )X(Engine.Displacement.in.cc)X(V olumetric.Ef f iciency)X(1.02083)10000012(2.4)

2.7Caracteristicas do produto e informações complementaresCARACTERISTICAS FUNCIONAIS Regular fluxo de ar de entrada Medir angulo de abertura Prover sinais de vácuo. (opcional) Prover ar filtrado (opcional) / (fresh air) Prover caracterı́sticas especiais de montagem.REQUERIMENTOS DE PERFORMANCE PARA O PROJETO Capacidade para o fluxo de ar máximo desejado Resolução de fluxo de ar Fluxo de ar na posição mı́nima (default) Tempo de resposta para abertura Taxa de perda mı́nimaCARACTERÍSTICAS FLEXIVEIS PARA O PROJETO Diversos tamanhos de corpo Diversas geometrias de corpo, válvula e ângulos da válvula Sensores de posição da válvula diversos Diversas configurações de conectores Diversas possibilidades para os outros elementos atuadores13

Passagem para fluxo de lı́quido refrigerante Entradas para aplicação de vácuo (opcionais) Entradas para ar fresco (opcionais)INCLINAÇÃO NA EXTREMIDADE DA SUPERFICIE DA VÁLVULAEste ângulo pode ser visualizado na figura (2.15)Figura 2.15: Ângulo da extremidade da válvula. (Fonte: Delphi).CIRCUITO PONTE HA figura (2.16) mostra um diagrama esquemático da ponte H aplicado ao motor da válvula de fluxo dear eletrônica.Figura