GM POWERTRAIN
Gerenciamento de Sistema de Injeção Eletrônica
em
Motores de Ignição por Centelha
Por:
Data:
Cláudio M. Engler Pinto
18 de abril de 2005
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GM POWERTRAIN
Apresentação
• Motivo do aparecimento da Injeção Eletrônica
• Funcionamento e Calibração do Sistema de Injeção Eletrônica
• Sistemas controlados por “TORQUE”
• Sistemas Flexíveis Multi-combustível gasolina - álcool
• Novas Tendências
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Por que a Injeção Eletrônica?
Gases de Escape
Combustível
+
Motor
Ar
TORQUE
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GM POWERTRAIN
Por que a Injeção Eletrônica?
1) Necessidade de um controle mais preciso do processo de
combustão (mistura ar-combustível e avanço de ignição) em toda
a faixa de operação do motor, visando:
- atender aos requisitos legais de emissões de poluentes cada
vez mais rigorosos;
- tornar a operação do motor mais eficiente, com redução de
consumo de combustível e com melhor desempenho, através
da maximização do torque útil;
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GM POWERTRAIN
Por que a Injeção Eletrônica?
2) Melhoria da dirigibilidade do veículo, através da adequação da
mistura A/C e do avanço de ignição às condições limites para o
carburador convencional como, por exemplo, com a variação da
temperatura do ar de admissão, da temperatura do líquido de
arrefecimento e da altitude;
3) Controle do torque disponível no eixo de saída do motor para
integração com outros módulos eletrônicos do veículo:
- ABS
- controle de tração
- transmissão automática
- controle eletrônico de estabilidade
- ar condicionado, válv. de aceleração sem cabo (drive by
wire), cruise control, etc
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Histórico / Evolução:
Controle de mistura A/C
Controle do Avanço de Ignição
e Distribuição
Carburador
Carburador Eletrônico
Convencional (platinado e distribuidor)
Injeção Eletrônica Central
Transistorizada / por Tiristor
Injeção Eletrônica Multi-ponto
Mapeada Eletronicamente
Sistema de Injeção Direta
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Carburador: capacidade (limitada) para ajustar a quantidade de
combustível requerida nas diversas condições de operação do motor.
Dispositivos auxiliares:
- controle de marcha-lenta (gicleur de mistura),
- partida a frio e aquecimento (warm-up, afogador),
- orifícios de progressão,
- válvula de aceleração (pistão a vácuo, haste mecânica, mola-diafragma).
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Controle do Avanço de Igniçao Convencional: capacidade (limitada)
para ajustar o ângulo da centelha em função de 2 fatores:
- carga: Atuador por vácuo-diafragma-alavanca do distribuidor
(“cuíca”) , aumentando o avanço para as menores cargas = maior
vácuo (misturas mais rarefeitas, > a duração da combustão).
- rotação: avanço centrífugo; sistema massa-molas para girar o
came do distribuidor, adiantando o momento da centelha com o
aumento da rotação.
Obs: A combinação destes 2 métodos de controle de avanço não
permite o “avanço ótimo” para todas as condições de operação do
motor: RPM, carga, temperatura da água, do ar de admissão e da
pressão barométrica.
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Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica:
Sensores:
Atuadores:
- Posição da borboleta
- Posição do virabrequim
(rotação)
- Temperatura do ar de admissão
- Pressão do ar do coletor de admissão
- Temperatura da água
- Sensor(es) de oxigênio
- Sensor de detonação
- Sensor do comando de válvulas
- Tensão da bateria
- Bico injetor
- bobina de ignição
- válvula de controle de marcha-lenta
- válvula de purga de vapor de
combustível
- aquecimento do sensor de oxigênio
- embreagem do compressor do A/C
- ventilador do radiador
- válvula de recirculação dos gases de
exaustão
- lâmpada de diagnóstico no painel de
instrumentos
- válvula de aceleração
- válvula de alívio de pressão (motores
turbo)
Extras:
- sensor de velocidade do veículo
- pressão do ar condicionado
- pressão de óleo
- pedal do acelerador
- quantidade de álcool na gasolina
Módulo de
Controle (ECU)
Diagrama de um sistema de injeção eletrônica DELPHI
Esquema de um sistema de injeção eletrônica BOSCH
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Funcionamento do Sistema de Injeção Eletrônica:
• A unidade de controle eletrônico (ECU) contém um software com
diversas sub-rotinas específicas para cada módulo de calibração.
• A partir da interpretação dos sinais enviados pelos sensores e
identificação da condição de operação do motor, o software envia
comandos para os drivers dos atuadores como, por exemplo:
tempo de abertura da válvula de injeção e avanço de ignição.
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Funcionamento do Software da Unidade de Controle:
Input
Interface de
leitura dos
sinais de
entrada
Processamento dos
sinais em diversas
sub-rotinas
Interface de
comando
dos drivers
Output
Comunicação
com outros
módulos
Variáveis indexadas
por valores
derivados dos sinais
de entrada
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GM POWERTRAIN
No que consiste a calibração do sistema de injeção eletrônica do
motor?
No preenchimento das variáveis de cada módulo do software com
valores adequados para que o conjunto motor-veículo responda
conforme o esperado / requerido para atendimento dos
objetivos de:
dirigibilidade,
desempenho,
consumo e
emissões.
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GM POWERTRAIN
Exemplos de Módulos do Software da ECU:
• Especificações técnicas e curvas características dos sensores e atuadores
• Eficiência volumétrica (enchimento dos cilindros) e correções
• Quantidade de combustível:
- partida do motor e warm-up
- regime permanente e transiente
- controle de emissões e eficiência do catalisador (closed loop)
• Mapas básico de avanço e correções
• Calibração do sensor de detonação e do retardo de avanço necessário
• Abertura da válvula de aceleração (drive by wire)
• Purga de vapor de combustível do canister
• Acoplamento do compressor do ar condicionado
• Acoplamento do ventilador do radiador
• Atuador da marcha-lenta
• Válvula de recirculação dos gases de exaustão (para controle de NOx)
• Diagnósticos dos sensores a atuadores
• Proteçao de temperatura do catalisador
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Programa Genérico para Desenvolvimento da Calibração de um
Motor Novo:
Atividades
Definição de Hardware
Calibração Básica em Dinamômetro
Calibração Básica em Veículo
Sensor de detonação
Transiente de combustível e avanço
Estabilidade de marcha lenta
Partida a frio e aquecimento do motor (-20°C a 92°C)
Desenvolvimento de Emissões
Certificação Legal de Emissões
Partida a quente (92°C < cool < 120°C)
Correção barométrica: nível do mar
Correção barométrica: elevada altitude
Diagnóstico dos sensores e atuadores
Dirigibilidade fine tuning
Liberação da calibração final
Produção do Veículo
J
F
M
A
M
2003
J J
3 meses
A
S
O
N
D
J
F
M
A
M
2004
J J
A
S
O
N
D
J
2005
F M
18 meses
Cal Release
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GM POWERTRAIN
Calibração Básica em Dinamômetro de Motor:
• Mapeamento do motor para determinação da quantidade de
combustível e avanço ótimo para cada ponto de operação, para o
melhor compromisso entre consumo, torque e emissões
• Utiliza-se um dinamômetro elétrico como gerador/motor para
submeter o motor em teste a todas as condições de operação
• A quantidade de combustível é definida para atender ao regime
estequiométrico de queima (lambda = 1) em cargas parciais e ao
regime de máxima potência em carga plena (lambda ~ 0,92)
• Gasolina nacional (com 25% de álcool anidro)
- queima estequiométrica (cargas parciais): A/F = 13,3
- queima “rica” (plena carga): A/F = 12,2
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Calibração Básica em Dinamômetro de Motor:
• A quantidade de combustível é especificada em tempo de
abertura do injetor (ms) e, para dado valor de lambda, deve ser
proporcional ao fluxo mássico de ar admitido nos cilindros
• Para avaliação do fluxo de ar admitido, 2 métodos são utilizados:
- Speed density: medição indireta pela temperatura e pressão
do ar no coletor de admissão
P .V / 2
m AR 
adm
cil
R.Tadm
.vol
- Medição direta do fluxo de ar por deflexão de palheta ou por
sensor de fluxo de ar por filme quente.
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GM POWERTRAIN
Curva característica do bico injetor:
Injector Linearity flow
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Static Flow = 2.58 g/s
Injected Fuel (mg)
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Injector opening (ms)
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GM POWERTRAIN
Curva característica do bico injetor:
• O bico injetor deve ser especificado de forma que sua faixa
linear de operação atenda às demandas de:
- fluxo mínimo de ar (cargas baixas, elevadas altitudes)
- fluxo máximo de ar (plena carga, na rotação de máxima
eficiência volumétrica ~ rotação de torque máximo)
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Cálculo do pulso de injeção: BPW = base pulse width (ms)
m fuel 
m AR
 BPW.K inj
(A/ F)
BPW 
Padm .Vcil / 2
.vol
( A / F ).K inj .R.Tadm
Temperature
A/F Ratio
Volumetric Efficiency
+ correções...
Manifold Air Pressure
Base Pulse Constant
Battery Voltage Correction
Closed Loop correction
BPW
Calculation
Transient Fueling
BPW
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Calibração Básica: definição do pulso do bico injetor
O valor da quantidade de combustível em cada “célula” da
matriz carga x RPM é por fim determinado com a utilização de
um sensor de oxigênio (sensor lambda) nos gases de escape para
verificação da qualidade da mistura.
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GM POWERTRAIN
Calibração Básica: determinação do avanço de ignição
Para cada condição de operação do motor, o momento da centelha é
variado para identificação dos pontos de avanços de ignição:
- MBT (Maximum Brake Torque timing)
- BL (Knock Borderline timing = limite de detonação)
Obs:
a) O ponto de avanço de ignição exerce um forte efeito sobre o
torque do motor.
b) A variação do ponto de ignição provoca rápida alteração no
torque disponível e, por este motivo, constitui-se numa importante
variável no controle da variação de operação do motor.
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GM POWERTRAIN
Calibração Básica: determinação do avanço de ignição
Fonte: J. B. Heywood
21
GM POWERTRAIN
Calibração Básica: determinação do avanço de ignição
Fonte: J. B. Heywood
22
GM POWERTRAIN
Calibração Básica: determinação do avanço de ignição
Fonte: J. B. Heywood
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GM POWERTRAIN
Exemplo de detonação:
Rotação = 1200 RPM,
Pressão no coletor de admissão = 95 kPa
Motor sem detonação:
Variação do Avanço na faixa entre 8° e 18° APMS
°APMS
detonação forte
sem detonação
18
8
t
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GM POWERTRAIN
Calibração Básica: determinação do avanço de ignição
Motor 1.8L 4 cil.: 3200 RPM, 80 kPa
220
3500
210
3000
200
2500
190
Torque
180
O avanço de ignição é decisivo para a
emissão de NOx e custo do
catalisador
170
160
2000
Torque
SFC (g/ CV.h)
NOx (ppm)
1500
150
1000
MBT
140
500
130
120
0
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
° SpK APMS
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões:
Os sistemas iniciais de injeção eletrônica implementados no Brasil
atendiam à legislação de poluentes operando em open-loop (sem
feed-back do sensor de O2) e sem a necessidade do catalisador.
A mistura arcombustível devia ser
calibrada próxima da
estequiométrica
(lambda = 1).
Fonte: J. B. Heywood
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões:
• Os veículos atuais devem utilizar obrigatoriamente a calibração
closed-loop e o catalisador de 3 vias para a redução dos 3 gases
poluentes controlado pela legislação em vigor: HC, CO e NOx.
• A eficiência de conversão do catalisador é ótima para uma janela
estreita de mistura ar-combustível ao redor da proporção
estequiométrica
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio
Esquema básico: célula dielétrica
Escapamento
p’O2
(platina)
Cerâmico
ZrO2, Y2O3
eletrodo
eletrólito
Metal
metal
Ar
referência
p’’O2
Sensor de O2
• Ions de oxigênio são transportados através da célula, gerando uma
tensão proporcional à razão entre as pressões parciais do oxigênio na
atmosfera e nos gases de escapamento.
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio
Fonte: J. B. Heywood
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Sensor de Oxigênio
Fonte: J. B. Heywood
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GM POWERTRAIN
Catalisador:
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Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador
Reações de:
oxidação
redução
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões: Catalisador
Fonte: J. B. Heywood
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões:
• A experiência demonstra que a eficiência do conversor
aumenta, assim como a janela de máxima eficiência é
ampliada, para uma pequena flutuação da mistura (< 10%) ao
redor do valor estequiométrico.
• A calibração closed-loop efetua a oscilação de mistura ricopobre através de parâmetros que definem a amplitude e
frequência da variação do pulso de injeção.
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões:
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GM POWERTRAIN
Desenvolvimento de Calibração para Emissões:
O valor do pulso de injeção é corrigido na calibração closed-loop por
2 varíaveis (Var1 e Var2):
BPWi = (BPW + Var1) * Var2
Var1 = soma da correção INTEGRAL (correção a curto prazo para
manter o sensor de O2 próximo do estequiométrico) +
PROPORCIONAL (para manter o sensor oscilando entre rico
e pobre).
Var2 = Fator multiplicativo que busca manter o Var1 = 0 (correção a
longo prazo).
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GM POWERTRAIN
Teste de Emissões:
• Teste de desaceleração (Coast-down) em pista com o
veículo não tracionado, no plano, para determinação da
potência resistiva. Definição dos coeficientes de:
- Força de rolamento (Fr);
- Força aerodinâmica (Fa).
FT  Fr  Fa  Ar  Ac .Vel
• Reprodução dos tempos de desaceleração no
dinamômetro de chassis, para simulação da inércia e
potência resistiva do veículo em pista.
Pres  FT .Vel
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Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis
Emissões Gasosas e Evaporativas
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Teste de Emissões: Dinamômetro de chassis
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GM POWERTRAIN
Teste padrão de Emissões:
EPA 75:
- 23 ciclos, simulando trânsito urbano, totalizando ~ 18 km.
- 3 fases: fria, quente, e após 9 min. com motor desligado.
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GM POWERTRAIN
Sistemas Estruturados por Torque:
• Software da ECM “mais inteligente” para controle da operação do
motor.
• Software desenvolvido com o modelamento dos fenômenos físicos
que afetam o rendimento do motor e, portanto, o torque disponível
na saída.
• O TORQUE passa a ser a variável de comunicação interna do
software, sendo que seu controle é exercido pela atuação em:
- quantidade de combustível
- avanço de ignição
- fluxo de ar (Drive by Wire, Electronic Throttle Control)
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GM POWERTRAIN
Sistemas Estruturados por Torque:
A posição do pedal do acelerador não representa mais apenas o
ângulo de abertura da válvula de aceleração, mas traduz o “desejo
de torque do motorista”.
A forma de como este torque será gerado depende de uma
combinação dos 3 parâmetros de controle, os quais devem ser
otimizados conforme a condição específica de operação do motor e
da solicitação do torque.
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Momento de Força, Conjugado no eixo ou Torque:
Ft
Ft = P . Ac
= força total do gás sobre o pistão
Fb = força transmitida pela biela
Ftan = força tangencial na árvore de manivelas
(virabrequim), responsável pelo torque.
Fb
Torque = T = Ftan . r
w = velocidade angular = /t = 2 n/60
Ftan

r
W = trabalho de Ftan para uma volta do motor
= 2 r . Ftan = 2 T
Ne = potência de eixo do motor
= 2 r . Ftan . n/60 = 2 T . n/60
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Algumas Equações:
Rendimento Térmico: i 
Pressão média:
2Ti x
trabalho_ m otor
W


energia_ gasta mc .PCI mc .PCI
F S W 2Ti x
IMEP 


A S Vc
Vc
x = 2 p/ motor 4T
PCI = poder calorífico inferior do combustível [kJ/kg]
IMEP = indicated mean effective pressure
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GM POWERTRAIN
Sistemas Estruturados por Torque:
O torque desejado pelo motorista corresponde ao torque no volante
do motor (Te = torque efetivo).
A atuação da injeção eletrônica causa efeito direto sobre a
combustão e, portanto, sobre a curva de pressão do cilindro e do
torque indicado do motor, Ti.
O torque indicado é dado por (ignição em MBT):
mc PCI
Ti  t
2x
t  f (n,  )
Fluxo ideal de comb.
calculado, m
 ci
, valor calibrável
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GM POWERTRAIN
Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma
R ela ç ão
Pe d al x T o rq ue
Pe da l d o a c ele ra do r
+ T ra b alh o de
bo m be a m e nt o
T orq u e d es eja do
=
To rq u e e fe t iv o
T o rq ue e f e tiv o
t ot a l
+ T rab a lho d e
Ac e ss ó rios
T or qu e in dic a do
+ T ra b alh o de
At rito
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Sistemas Estruturados por Torque: Fluxograma
 RPM, lam bda)
Torque indicado
(M BT)
Efic. Torque ( av anço)
MBT x avanço real
Fluxo de com bustív el
ideal
- Fluxo de combustível
- Real,
- Av anço Real
lam bda
- Flux o de Ar Real
Curv a característica da
válvula de aceleração
- Abertura do
acelerador eletrônico
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Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool
Propriedade
PCI (kJ/kg)
dens. (kg/m3)
% Álcool anidro
A/C esteq.
Temp. ebulição (°C)
Octanagem RON
Gasolina bras.
Álcool hidratado
37000
23500
740
790
25
95
13.3
8.3
25 - 215
78
93
106
prop. corrosivas, detergentes
lubrificantes,...
Regulagem do sistema
mistura ar-combustível
e
avanço de ignição
• Para aproveitar todo o benefício do álcool e da gasolina como
combustíveis num único motor, o ideal seria desenvolver um
motor com taxa de compressão variável.
• Custos elevados deste sistema inviabilizam esta opção.
• Alternativa: taxa de compressão intermediária, com software
robusto para adaptação do sistema de injeção eletrônica.
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Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool
Desenvolvimento necessário:
• Nova bomba e linha de combustível
• Sensor de oxigênio aquecido
• Bicos injetores com maior vazão
• Sistema de reconhecimento de combustível no tanque
• Sistema de partida a frio
• Novos materiais e tratamento térmico de componentes do
motor básico para resistir às características do álcool
• Novos software e calibração do sistema de injeção eletrônica
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GM POWERTRAIN
Sistema Flexível de Combustível gasolina-álcool
• A adaptação do sistema de injeção requer a correta
identificação do percentual de álcool no tanque de combustível.
Há 2 métodos de detecção possíveis:
- via sensor capacitivo na linha de combustível: freqüência de
um sinal digital varia com a proporção de etanol.
- via software: estratégia diferenciada de closed-loop após
reabastecimento.
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Aprendizagem do Combustível
Nível do Tanque
Correção do combustível
Correção do avanço de ignição
Estima % Etanol
Estratégia de Partida a frio
Sensor de Oxigênio
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GM POWERTRAIN
Aprendizagem do Combustível
• O reconhecimento de combustível (% de álcool) presente no
tanque é habilitado pela lógica de closed-loop do sensor de
oxigênio. O valor de adaptação de mistura (relação A/C) que
assegura lambda = 1 indica a % de álcool, que pode variar entre
8,3 e 13,3.
Ex:
A/C = 13,3
A/C = 8,3
% álcool = 25
% álcool = 100
• Um modo de aprendizagem rápido é habilitado sempre que
ocorre um reabastecimento.
• Um modo de aprendizagem lento é habilitado para ajuste mais
preciso da mistura.
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Propulsão veicular - novas tendências e perspectivas:
• Motores mais eficientes: menor potência de atrito, maior taxa de compressão
•“Down-sizing”, motores de menor cilindrada
• Combustíveis renováveis (álcool, biodiesel)
• Sistemas bi-combustível ”FLEX”
• GNV
• Injeção Direta na câmara de combustão
• Veículos híbridos: motores de combustão e elétrico
• Célula de combustível a hidrogênio
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GM POWERTRAIN
Obrigado !!
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Referências Bibliográficas
• J. B. Heywood, “Internal Combustion Engines Fundamental”,
New York: McGraw-Hill, 1988
• Catálogo eletrônico de peças Chevrolet 2002
• Manual eletrônico da BOSCH: Sistema de Injeção ME7
Motronic
• Princípios da Injeçao Eletrônica: Manuais técnicos internos da
GM-Powertrain, Delphi e BOSCH
• site http://www.howstuffworks.com
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