Segundo Powell (1993) a obtenção do traço completo da pressão no cilindro só foi possível a partir da década de 1960 com o surgimento dos transdutores eletrônicos de pressão. Estes transdutores permitiram o avanço das pesquisas, principalmente, sobre o controle da relação ar-combustível e do avanço da centelha.
Sellnau et al. (2000) classificou os transdutores de pressão no cilindro em dois tipos, quanto a sua forma e localização no motor:
Intrusivos: são instalados no motor atravessando as paredes do cabeçote até alcançar a câmara de combustão, como mostra a Figura 10, e
Não intrusivos: são instalados no motor incorporados, geralmente, à vela de ignição, como mostra a Figura 11.
Os transdutores intrusivos são os mais comuns, apresentando alto custo. Sua instalação, às vezes, não é possível ou requer grandes adaptações no cabeçote do motor. Em alguns motores, estes transdutores precisam atravessar as galerias de água para alcançarem a câmara de combustão, o que pode provocar sérios problemas na durabilidade do cabeçote.
Os transdutores não intrusivos são mais recentes, mais baratos e não requerem nenhum tipo de alteração na geometria do cabeçote.
Figura 10 - Transdutor de pressão intrusivo. Fonte: Ribbens (1993).
Figura 11 - Transdutor de pressão no cilindro não intrusivo. Fonte: Hata et al. (1988).
Tunestal (2000) fez uma classificação dos transdutores de pressão no cilindro quanto aos tipos de materiais utilizados na sua construção:
transdutores de pressão constituídos por fibras ópticas, e transdutores de pressão constituídos por cristais piezelétricos.
Atkins et al. (1994) e Wlodarczyk et al. (1998) desenvolveram transdutores de pressão no cilindro empregando fibras ópticas. Estes transdutores diferem apenas quanto ao formato e quanto aos componentes geradores de luz (LED ou laser).
Nos transdutores desenvolvidos por Wlodarczyk et al. (1998) um LED gera luz que se propaga por uma fibra óptica até se encontrar com um diafragma metálico, que se deforma proporcionalmente à variação da pressão no cilindro. A luz refletida pelo referido diafragma retorna por outra fibra óptica até um fotodiodo onde é feita a sua captação. Um circuito eletrônico controla a intensidade da luz do LED, amplifica, filtra o sinal do fotodiodo e providencia uma função de referência entre a intensidade da luz refletida e a pressão no cilindro.
Os erros sistemáticos dos transdutores desenvolvidos por Wlodarczyk et al. (1998) (erros caracterizados pela medida de um valor constante, a mais ou a menos, sobre qualquer valor real da medida) são provocados por fenômenos mecânicos causados por stress térmico, envelhecimento e dobramento das fibras ópticas. Estes transdutores foram incorporados às velas de ignição dos motores e foi previsto apresentar custo relativamente baixo (estimado entre US$7 e US$9 cada) e boa durabilidade, porém, as pesquisas sobre suas aplicações nos sistemas de controle de motores ainda não são significativas.
Sellnau et al. (2000) e Berg et al. (1998) desenvolveram transdutores de pressão no cilindro constituídos por materiais piezelétricos que possuem a propriedade de gerar um sinal elétrico quando submetidos a uma variação de pressão. Quando uma força é aplicada ao cristal piezelétrico seus elétrons se redistribuem de tal forma que um dos seus lados fica positivo e o outro fica negativo. Sellnau et al. (2000) desenvolveram e testaram um transdutor piezelétrico de pressão no cilindro não intrusivo, acoplado à vela de ignição, enquanto Berg et al. (1998) desenvolveram transdutores intrusivos de pressão no cilindro por meio da utilização de dois compostos piezelétricos (carboneto de silício sobre um isolador, SiCOI, e silício sobre um isolador, SOI). Segundo Berg et al. (1998) estes compostos apresentam custos relativamente baixos, podendo viabilizar a utilização do sinal da pressão no cilindro nos sistemas eletrônicos de controle de motores. Os erros sistemáticos destes transdutores serão
provocados por variações na temperatura (elevação da temperatura) e por efeitos associados à eletrônica dos amplificadores.
2.6.1 Estimativa do erro sistemático e do drift do sinal dos transdutores de pressão no cilindro
Gilkey e Powell (1985) propuseram um método de estimação do erro sistemático (erro caracterizado pelo valor constante, a mais ou a menos, sobre qualquer valor real da medida) e do drift (escorregamento do sinal provocado por variações nas características elétricas do amplificador de sinais) para os transdutores piezelétricos de pressão no cilindro.
Os efeitos que o erro sistemático ou o drift provocam nos transdutores de pressão no cilindro, de acordo com Gilkey e Powell (1985), estão associados a variações de temperatura sobre os transdutores ou sobre a eletrônica dos amplificadores de sinal. Apesar de provocarem pequenas alterações sobre a forma do sinal de pressão no cilindro, o erro sistemático e o drift afetam significativamente o cálculo dos momentos estatísticos (caracterizados como quantidades numéricas utilizadas para quantificar uma distribuição de frequências ou de probabilidades fornecendo informações resumidas destas distribuições).
A estimativa do erro sistemático e do drift reduz os requisitos de precisão e os custos dos transdutores de pressão no cilindro, sendo que esta estimativa pode ser feita utilizando o equacionamento a seguir, desenvolvido por Gilkey e Powell (1985).
Primeiramente, assume-se a hipótese de que a mistura ar-combustível é um gás perfeito submetido a uma compressão adiabática e internamente reversível (processo isoentrópico). Esta hipótese permite aplicar a lei dos gases ideais, de acordo com as equações (20) e (21).
V T R m P (20) em que:P( ) = pressão dentro do cilindro em [Pa]; m = massa de ar admitida no motor [kg];
R = constante universal dos gases [kJ/kgK];
T( ) = temperatura do ar admitido no motor [K], e V( ) = volume do ar admitido no motor [m3].
1 1 1 ' K V V T T (21) em que:k’ = coeficiente politrópico da mistura ar-combustível (pode ser considerado
aproximadamente igual a 1,3 para a gasolina tipo A, para mistura ar-combustível, ou igual a 1,4, considerando apenas o ar);
V1 = volume antes da combustão em [m3], e
T1 = temperatura antes da combustão [K].
A combinação das equações (20) e (21) permite obter a equação (22).
1 1 1 ' ; K K a mRTV V a P (22)Posteriormente assume-se a hipótese de que o transdutor de pressão tem um ganho (G) e um erro sistemático (e/ou um drift) (Perro) desconhecido, de acordo com a equação (23).
P
medido GP
Perro (23)
A combinação das equações (22) e (23) permite obter a equação (24).
K erromedido aGV P
P ' (24)
Sendo o volume da mistura ar-combustível (V) uma função conhecida a partir do ângulo de manivela pode-se obter o termo aG (que é uma estimativa das condições báricas da carga admitida no motor) e o erro sistemático (Perro) utilizando os dados de pressão no cilindro
durante a fase de compressão do ciclo do motor, por meio de uma regressão linear. Esta regressão linear fornece dois coeficientes que representam os termos aG e Perro.
A subtração do termo Perro do sinal da pressão no cilindro elimina os efeitos do erro
2.7 ESTADO DA ARTE DA UTILIZAÇÃO DA PRESSÃO NO CILINDRO NOS