Öğrencilere, milletler ailes

A condição de operação em marcha lenta ocorre quando o motor se encontra em baixa rotação e a válvula borboleta está fechada, sendo necessário proporcionar uma passagem de ar para o coletor de admissão de forma a manter o motor funcionando. Esta condição de funcionamento tem grande importância, pois é responsável por até 30% do consumo total de combustível do veículo quando este opera em tráfego urbano [20]. Deste modo, para reduzir o consumo é necessário manter a mais baixa rotação de marcha lenta possível, que proporcione o funcionamento suave do motor e a capacidade de suportar os transitórios de carga aplicados em seu eixo [5], [20]. Para alcançar estes objetivos utiliza se o controle da rotação em malha fechada.

2.3.3.1 Estrutura do controlador

O módulo de controle de marcha lenta manipula a vazão de ar no coletor de admissão e o avanço de ignição para regular a rotação. A malha de vazão de ar depende da dinâmica relativamente lenta de enchimento do coletor de admissão, o que acarreta em um atraso entre a variação na vazão de ar e a geração de torque. Deste modo a banda passante desta malha fica limitada. Por outro lado, o avanço de ignição é capaz de gerar variações bem mais rápidas no torque, de forma que a banda passante desta malha pode ser maior. No entanto, a rotação apresenta um acoplamento estático maior com a vazão de ar e, portanto, esta variável é considerada mais importante no controle de marcha lenta, sendo o avanço utilizado apenas para melhorar o

desempenho dinâmico [23], [19], [45]. A Figura 2 21 mostra o diagrama de um módulo de controle de marcha lenta típico, que consiste em um controlador PI atuando sobre a vazão de ar e uma ação derivativa atuando sobre o avanço de ignição [26].

Figura 2221 – Sistema de controle de marcha lenta típico.

O módulo de controle recebe informações sobre a rotação, a temperatura do motor, e a posição da válvula borboleta. O sistema entra na condição de marcha lenta quando detecta válvula borboleta fechada e rotação abaixo de certo valor. Neste caso o controlador calcula o erro da rotação em relação à referência desejada. A partir do erro obtido o controlador PI aumenta a vazão de ar caso a rotação esteja baixa, ou a diminui caso a rotação esteja alta [5]. Paralelamente, a variação do erro acarreta em ação derivativa sobre o avanço de ignição. A informação de temperatura do motor é utilizada para aumentar a referência de rotação de marcha lenta quando o motor está frio, já que neste caso a combustão fica prejudicada como foi visto na seção 2.3.1. Esta estratégia possibilita o funcionamento suave do motor em marcha lenta, mesmo em baixa temperatura, e ao mesmo tempo traz o benefício de reduzir o tempo de aquecimento do motor [20]. 2.3.3.2 Atuadores de marcha lenta

O atuador de marcha lenta se localiza na passagem de ar auxiliar que faz um bypass da válvula borboleta. Um tipo comum de atuador consiste em duas bobinas e uma válvula giratória presa à armadura. Sinais de tensão modulados em largura de pulso (Pulse Width Modulation PWM) são aplicados às duas bobinas, gerando forças opostas na armadura. A válvula giratória assume o ângulo de abertura que corresponde à razão das larguras de pulso dos sinais aplicados [19], [20], [24]. A válvula giratória tem excursão máxima de 90° e a sua posição determina a vazão de ar pelo bypass. Uma variação deste atuador utiliza apenas uma bobina, e geralmente atua contra a força de uma mola.

Outro tipo de atuador muito utilizado se baseia em um obturador acionado por um motor de passo. O movimento de rotação do motor de passo é convertido em movimento linear do obturador através de um mecanismo de parafuso de rosca interna solidária ao obturador e rosca externa solidária ao eixo do motor de passo. Deste modo, a cada volta completa do motor de passo o obturador desloca a distância equivalente a um passo da rosca [25]. A posição do obturador determina a vazão de ar pelo bypass como mostra a Figura 2 22.

Figura 2222 – Atuador de marcha lenta baseado em motor de passo [25].

Os atuadores de marcha lenta utilizam geralmente um motor de passo bipolar com rotor a imã permanente e duas bobinas independentes. Energizando as bobinas com seqüência e polaridade corretas, cria se um campo magnético girante, que força o rotor a girar também. Deste modo o obturador se desloca e varia a vazão de ar através do bypass. Os sistemas mais modernos, equipados com módulo de comando eletrônico da válvula borboleta (Drive by Wire), realizam o controle de marcha lenta utilizando a própria borboleta.

2.3.3.3 Perturbações na rotação

Vários dispositivos atuam como carga no eixo do motor, consumindo parte da potência gerada. Como exemplo pode se citar: ar condicionado, eletro ventilador, direção hidráulica, transmissão automática, entre outros. O acionamento destes dispositivos gera uma queda abrupta na potência ao freio19 desenvolvida pelo motor, o que acarreta em queda da rotação. O módulo de controle de marcha lenta deve ser capaz de corrigir de forma eficiente esta perturbação, aumentando a vazão de ar no coletor e o avanço de ignição aplicado. Os sistemas mais modernos monitoram o estado dos dispositivos de forma a realizar uma compensação direta da perturbação através de uma ação feedforward [5]. Este tipo de estratégia proporciona ganho de desempenho na rejeição às perturbações, já que o controlador sabe quando a carga vai ser aplicada, e deste modo pode tomar uma ação em paralelo para compensar seu efeito.

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19

Potência ao freio (Brake Horse Power – BHP) é a potência fornecida pelo motor ao eixo, descontadas todas as perdas internas, tanto as térmicas quanto as geradas pelo atrito de êmbolos e mancais, incluindo acionamento de bombas e alternadores, entre outros.

Para proporcionar o menor consumo de combustível durante a condição de marcha lenta, é necessário que a ECU mantenha o controle de lambda em malha fechada, de forma a regular a mistura em torno de região estequiométrica. Porém, alguns sistemas utilizam mistura ligeiramente rica para garantir o funcionamento suave do motor e rápidas respostas à perturbação [20], [19].