Sistemas realimentados e o controle em malha fechada, saiba como isso vai te ajudar no diagnóstico

Parte 1

A experiência tem demonstrado que muitos erros de diagnóstico (e que resultam em reparos duvidosos) se devem ao desconhecimento dos referidos conceitos.

Noções de Controle Eletrônico

Os conceitos apresentados a seguir são gerais e, portanto, podem ser aplicados a qualquer sistema de eletrônica embarcada, seja ele de injeção/ignição, ABS, transmissão automática eletrônica, etc.

Os sistemas de controle eletrônico são utilizados no gerenciamento da operação de outro sistema, este último denominado de sistema controlado.

Aplicando este conceito aos sistemas de injeção de combustível, tanto Diesel como Otto, podemos dizer que o motor é o sistema controlado, e a unidade de comando, UC, é o controlador ou sistema de controle eletrônico.

O objetivo do projetista do controlador é melhorar o desempenho do sistema controlado, a partir dos parâmetros ou variáveis de entrada, com o objetivo de obter os resultados desejados. No caso do motor, a unidade de comando regula a mistura ar/combustível (entre outras variáveis), para obter o melhor desempenho com o mínimo de emissões. Os seguintes são requisitos fundamentais de todo controlador:

a) Cumprir sua função com adequada precisão;

b) Compensar rapidamente as perturbações que afetam o bom funcionamento do sistema;

c) Ser estável, ou seja, não oscilar;

d) Ser imune a perturbações externas;

e) Ser confiável ao longo da sua vida útil.

Sistemas de Controle Eletrônico

Todo sistema de controle atua sobre um conjunto de elementos controlados (o sistema controlado), através de uma unidade de comando (UC) ou simplesmente, controlador. Assim, no caso dos sistemas de controle integrado do motor:

– O motor é o sistema controlado;

– A unidade de comando (UC) é o controlador eletrônico. Basicamente, controla a injeção de combustível, tanto em ciclo Otto como em Diesel, o avanço da ignição, em ciclo Otto e o avanço da injeção em ciclo Diesel.

Neste caso, para desempenhar corretamente a função de controle, a UC deve conhecer, a todo instante, o estado de funcionamento do motor, determinado pelos valores dos denominados parâmetros ou variáveis de entrada.

Entre eles: Temperatura do motor, posição da borboleta, pressão de coletor, rotação, massa de ar admitido, ou um conjunto de informações que permitam calcular tal massa.

Os principais elementos e funções controlados pela unidade de comando são: Injeção de combustível, rotação da marcha lenta, avanço da ignição, avanço da injeção (ciclo Diesel), dispositivos auxiliares de controle de emissões (válvula EGR, válvula de purga do canister).

São os “sensores”, os elementos que medem os valores das variáveis de entrada. A unidade de comando, por sua vez, processa as informações recebidas e atua sobre os dispositivos que determinam o funcionamento do motor. Estes dispositivos são os “atuadores”, encarregados de executar os comandos.

Os sistemas de controle ainda podem ser de dois tipos: Realimentados e Não-realimentados. A importância deste fato se deve a que os sistemas de controle realimentados são os únicos que podem funcionar em malha fechada. Os não-realimentados só podem funcionar em malha aberta.

Realimentação e Sistemas Realimentados

O conceito de “realimentação” é de fundamental importância para o entendimento do funcionamento em malha fechada. Os sistemas que assim funcionam denominam-se “sistemas realimentados”.

A principal característica dos sistemas realimentados é que o controlador conhece o resultado da sua ação, ou seja, conhece, a todo instante, o estado das variáveis de entrada e o estado da saída do sistema controlado, isto último, devido a que há uma “realimentação” do valor da saída para a entrada. Quando a saída não corresponde com o resultado esperado, o controlador atua sobre algum dos parâmetros de funcionamento do sistema controlado, no sentido de retornar à condição desejada.

De outra forma, os sistemas realimentados são aqueles em que o controlador compara o sinal de ajuste (desejado) com o sinal realimentado, que reflete o estado do dispositivo controlado, com o objetivo de que a diferença entre ambos seja nula ou pelo menos, a menor possível.

O sistema (simplificado) eletromecânico de direção de um navio do tipo “drive-by-wire”serve como exemplo de aplicação do conceito de realimentação.

Nele, a posição do leme é determinada por um motor (atuador) e mecanismo redutor, comandado por um controlador eletrônico que recebe sinais: 1) do sensor de posição do leme (sinal realimentado) que reflete o estado do leme, e 2) do sensor de posição do timão (sinal de controle ou de ajuste) que reflete a posição desejada.

A função do controlador, que compara constantemente esses sinais, é a de comandar o motor de acionamento do leme até conseguir que a diferença entre eles seja nula ou a menor possível. Nesse momento, o leme estará na posição desejada.

Qualquer modificação na posição do timão implicará na modificação do sinal de ajuste 2 (controle) e conseqüentemente, no ângulo do leme, o qual “segue” constantemente, o primeiro.

Este é um exemplo de sistema de controle realimentado funcionando em “malha fechada”. Pelo fato de não existir nenhuma ligação mecânica entre o timão e o leme, qualquer falha nos sinais ou sensores impede o funcionamento. Nesse caso, o sistema deve funcionar obrigatoriamente, em malha aberta.

A figura abaixo mostra outro exemplo de sistema realimentado que pode funcionar tanto em malha fechada como em malha aberta.

Sistemas realimentados

Corresponde a um sistema de ar-condicionado automático, o qual mantém a temperatura ambiente, no valor ajustado pelo usuário.

Com esse objetivo, o controlador recebe o sinal do sensor de temperatura (sinal de realimentação) que informa a do ambiente. Por outro lado, recebe o sinal de temperatura (sinal de ajuste) determinado, no exemplo, pelo usuário, através do painel frontal. A variável controlada é a temperatura ambiente, a qual é mantida dentro da faixa de ajuste (por exemplo, 24oC mais ou menos 1oC) ativando/desativando o compressor.

Sistemas realimentados

A figura acima mostra o diagrama em blocos do sistema, onde fica evidente que o sinal da variável de saída (a temperatura ambiente) é “realimentado” na entrada, onde é comparado com o valor de ajuste.

Quando a temperatura ambiente é superior ao limite superior de ajuste (25oC), o controlador aciona o compressor. Na situação oposta (inferior a 23oC), o desativa.

Operando da forma descrita, o sistema funciona em “malha fechada” ou “circuito fechado”.

Caso o sistema não utilize sensor de temperatura ambiente, ou o sensor de temperatura ou seu circuito estiverem com defeito, o sistema funcionará em “malha aberta”. Será o usuário quem deverá fazer o “sensoriamento” da temperatura ambiente e ativar ou desativar o compressor manualmente. Neste caso, é o usuário quem “fecha” a malha.

O conhecimento da operação dos sistemas controlados em malha fechada (ou circuito fechado) é de fundamental importância para o diagnóstico de sistemas de injeção/ignição e de forma geral, para os sistemas de eletrônica embarcada.

Foi o advento dos sistemas eletrônicos digitais que permitiu o controle em malha fechada (circuito fechado) da quase totalidade das funções de controle do motor e dos sistemas de emissões.

Em motores de ciclo Otto, um exemplo de aplicação é o controle da relação ar/combustível ou controle do teor da mistura. O controle em malha fechada é utilizado para dosar, com precisão, a quantidade de combustível mais conveniente às condições de funcionamento do motor.

Para atingir tal objetivo, o sistema deve possuir um método de medição adequado da massa de ar admitido, e uma forma apropriada de dosagem da quantidade de combustível calculada.

Nota: Lembrar que um sistema projetado para trabalhar em malha fechada pode, em determinados momentos, funcionar em malha aberta; isto dependerá do programa de controle, residente na UC. Assim, o funcionamento em malha fechada da função de controle da mistura é desativado nas acelerações, desacelerações, e quando o sensor de concentração de O2 apresenta defeito.

Controle da Mistura em Malha Fechada

O controle da mistura em malha fechada pressupõe a existência do sensor de concentração de O2 no sistema: sonda Lambda, sensor de O2 de Banda Larga ou sensor de Relação Ar/Combustível. Sem este sensor, o controle da mistura só poderá ser feito em malha aberta.

A figura 4 mostra uma configuração convencional com sonda lambda, a qual detecta a presença, ou não, de oxigênio nos gases de escape.

A detecção de oxigênio é indicação que a mistura admitida possui excesso de ar (mistura pobre). O caso contrário é indicação de excesso de combustível (mistura rica). A partir dessa informação a UC corrige a quantidade de combustível injetada, no sentido de enriquecer a mistura, quando a sonda informa existência de oxigênio, e empobrecer a mistura quando a sonda informa ausência de oxigênio nos gases de escape.

Qualquer condição de desbalanceamento, que provoque a modificação do fator lambda da mistura, com relação ao desejado, será detectada imediatamente pela UC. Desta forma, poderá ser ajustada a quantidade de combustível injetado, a fim de restabelecer a condição de mínimo consumo e mínimo nível de emissões.

Se, num intervalo de tempo razoável, isso não for possível, a UC indica tal situação, gravando um código de falha.

As vantagens do controle em malha fechada são óbvias: a precisão, rapidez na correção e estabilidade, são fatores que podem ser melhorados até níveis difíceis de atingir com sistemas de controle que trabalham em circuito aberto.

Sensor de Oxigênio Pós-catalisador e o Ajuste de Combustível

A figura abaixo mostra uma configuração típica de sistemas OBDII. Nestes, a sonda pós-catalisador é utilizada:

Sistemas realimentados

– Para avaliar a eficiência de conversão. Esta função é realizada pelo monitor do catalisador.

– Para realizar o ajuste fino da mistura e verificar o funcionamento do sensor pré-catalisador.

Ajuste Fino da Mistura

Nos sistemas OBDII e para o ajuste da mistura, podem ser identificadas duas malhas de controle:

Malha principal que inclui: sensor de O2 pré-catalisador (HO2S11), a UC e o injetor. O sensor informa a concentração de oxigênio nos gases de escape; com esta informação, a UC determina o lambda da mistura admitida e calcula o tempo de acionamento do injetor do próximo ciclo de injeção.

Malha secundária que inclui: sensor pós-catalisador (HO2S12), a UC e o injetor. O sensor informa a concentração de oxigênio depois do catalisador; com isto, a UC realiza o ajuste fino do tempo de injeção calculado a partir da informação da sonda pré-catalisador.

Quando tem autoridade sobre o controle da mistura, o sensor pré-catalisador permite que o sistema funcione em malha fechada.

No entanto, esta malha de controle não consegue autoverificar-se quanto ao seu funcionamento. Precisamente, a função da sonda posterior é verificar continuamente o lambda da mistura admitida formando, assim, outra malha fechada de controle, independente da malha principal.

Lembrar que o catalisador não modifica o lambda, o qual só depende da relação entre as moléculas de oxigênio, hidrogênio e carbono que constituem a mistura ar/combustível admitida.

Após a combustão, as moléculas se rearranjam, formando os gases de escape, mas a relação entre elas permanece.

A figura mostra as duas malhas de controle. Os sinais apresentados são típicos de sistemas funcionando corretamente: Em função da capacidade de armazenamento de oxigênio do catalisador, a sonda posterior apresenta uma menor atividade se comparada com o sensor pré-catalisador. Como consequência, por ser seu sinal mais estável, apresenta uma maior sensibilidade às variações do lambda da mistura admitida.

Desta forma, contribui para a correção do valor do Ajuste de Combustível de longo prazo (LTFT) de forma tal a assegurar a operação com o lambda apropriada às condições de funcionamento do motor naquele momento. A sua informação é utilizada para o ajuste fino do valor controlado pela malha principal.

Como resultado disto, um valor de lambda fora da faixa, informado pelo sensor posterior, será indicação de que o sensor pré-catalisador não está executando corretamente a sua função devido a defeito próprio de falha de combustão ou vazamento no escapamento.

Fonte: Oficina Brasil. Por: Humberto Manavella. 

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