Vítor Schwambach
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Agenda
• Introdução
• Como funciona o motor de um carro?
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Combustão interna
Comando de Válvulas
Ignição eletrônica
Injeção eletrônica
ECU (Engine Controller Unit)
CAN (Controller Area Network)
• Dispositivos de segurança
– ABS (Anti-Lock Braking System)
– Airbag
– Cintos de segurança
Agenda
• Dispositivos que melhoram o conforto
– Espelhos, vidros e travas elétricas
– Transmissão automática
– Cruise control
• Novas tecnologias
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Sistemas de diagnóstico
Direção ativa
Stop & Start
Choque do futuro
Introdução
• A cada ano os carros
ficam mais
complexos
• Atualmente os carros
podem chegar a ter
mais de 50
microprocessadores
embarcados
Introdução
• Algumas razões para o aumento do número de
microprocessadores são:
– A necessidade de controle sofisticado do motor para atingir
metas de emissão e economia de combustível
– Diagnósticos avançados
– Simplificação da fabricação e projeto dos carros
– Redução na quantidade de fios
– Melhoria na segurança
– Maior conforto e conveniência
Como funciona o motor
de um carro?
• Motores de combustão interna
– Relativamente eficientes
– Relativamente baratos
– Relativamente fáceis de
reabastecer
Combustão interna
• Praticamente todos os carros
usam o ciclo de combustão de
quatro tempos:
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Admissão
Compressão
Combustão
Exaustão
• Inventado por Nikolaus Otto em
1867
Combustão interna
4 cilindros em linha
6 cilindros em V
Comando de válvulas
• Comando de Válvulas
(Camshaft):
– SOHC (Single Overhead Cam)
– DOHC (Double Overhead Cam)
• Honda VTEC (Variable Valve
Timing and Lift Electronic
Control)
• Variabilidade infinita
Ignição eletrônica
• Vela
– Gera a fagulha que inicia a
combustão no motor
– Feita de cerâmica
Ignição eletrônica
• Distribuidor
– Distribui corrente para as velas
• ECU (Engine Control Unit)
– Sensor que informa qual a posição
exata dos pistões
– Transistores distribuem a corrente
Injeção eletrônica
• Amplamente utilizada desde a
década de 80 na Europa
• Criada devido à crescente
complexidade dos carburadores:
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Circuito principal
Circuito idle
Circuito de aceleração
Circuito de aumento de potência
Engasgue
Injeção eletrônica
• Injeção eletrônica:
– Único bico injetor
(single point)
– Multiponto ou seqüencial
• Comandado pela ECU
(Engine Control Unit)
Injeção eletrônica
• Sensores acoplados à ECU:
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Sensor de
Sensor de
Sensor de
Sensor de
Sensor de
Sensor de
Sensor de
fluxo de massa de ar
oxigênio
posição da válvula de admissão
temperatura do líquido de arrefecimento
voltagem
pressão do ar
velocidade do motor
Injeção eletrônica
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•
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•
Carga 3 a 2000 RPM
A: Temperatura do líquido de arrefecimento
B: Nível de oxigênio
Pulse width = (Base pulse width) x (Factor A) x (Factor B)
8 * 0,8 * 1.0 = 0.64 ms
Injeção eletrônica
• Chips para aumento de performance:
– Substitui chip na ECU que contém as Lookup Tables
– Pode fornecer mais combustível em determinadas condições
– Altera a temporização do sistema de ignição
• Prós:
– Aumenta a performance
• Contras:
– Reduz tempo de vida útil do carro
– Aumenta a emissão de poluentes
Injeção eletrônica
• Catalisadores:
– Criados para reduzir o nível
de emissão
– Trata os gases provenientes
do motor:
• Redução:
2 NO  N2 + O2 ou
2 NO2  N2 + 2 O2
• Oxidação:
2 CO + O2  2 CO2
Injeção eletrônica
• Sensores de oxigênio monitoram a quantidade de
oxigênio presente na gases da exaustão do motor
• A ECU utiliza esta informação para controlar a taxa da
mistura ar-combustível
Controle sofisticado
do motor
• O controle do motor é a tarefa
que demanda maior poder de
processamento no carro
• A ECU é o computador mais
poderoso na maioria dos carros
• Controla desde a temperatura do
líquido de arrefecimento até a
quantidade de oxigênio no
escapamento
Controle sofisticado
do motor
• Uma ECU moderna pode conter um processador de 32
bits a 40 MHz
• Utiliza menos de 1MB de memória
Controle sofisticado
do motor
• O processador é encapsulado num módulo com
centenas de outros componentes numa placa de
circuito multi-nível, alguns desses módulos são:
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–
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Conversores analógico/digital
Saídas digitais de alta voltagem
Conversores digital/analógico
Condicionadores de sinal
Chips de comunicação
Controller Area
Network
• CAN é um barramento serial com capacidades multimaster
• Utiliza prioridade
• Alta confiabilidade
• Cada mensagem pode ter até 8 bytes de dados
• A taxa de transmissão máxima é de 1Mb/s a até 40m
• Cada módulo pode comunicar seu status a um módulo
central para análise posterior
Controller Area
Network
• Um dos benefícios é a padronização da interface dos
módulos
• As montadoras compram um cluster de instrumentos do
fornecedor
• Um único cluster pode conter os módulos necessários
para interpretação dos dados de um sensor
• Há menor interferência, pois o sinal é digital
• Diminui a quantidade de fios no carro
ABS (Anti-Lock
Braking System)
O ABS funciona liberando a
roda travada durante uma
frenagem
• Possui 4 componentes
principais:
–
–
–
–
Sensores de velocidade
Bomba
Válvulas
Controlador
ABS (Anti-Lock
Braking System)
• Sensores de velocidade:
– Determinam a velocidade de cada roda individualmente ou
através do diferencial
• Válvulas:
– Aliviam a pressão em uma dada roda
• Bomba:
– Mantém a pressão mesmo com a válvula aberta
• Controlador:
– Monitora os sensores e controla as válvulas
ABS (Anti-Lock
Braking System)
• O sistema ABS procura por desacelerações bruscas nas
rodas
• Ao detectá-las o sistema alivia a pressão no freio da
roda em questão
• Alguns sistemas de ABS realizam até 15 ciclos por
segundo, o que pode causar vibração no pedal de freio
Airbag
• Airbags são bolsas de ar que se expandem rapidamente
numa colisão de forma a amortecer o impacto da
mesma
• A primeira patente de um dispositivo similar foi
registrada na Segunda Guerra Mundial
• Apareceu comercialmente nos automóveis nos anos 80
• Desde 1998 é equipamento obrigatório em todos os
carros americanos tanto para motorista quanto para
passageiro
• Reduz o risco de morte em até 30%!
Airbag
• Possui 3 componentes
principais:
– A bolsa de ar, feita de nylon
– Um acelerômetro embutido num
micro chip
– O sistema que infla a bolsa de ar,
realiza uma reação química que
libera nitrogênio
• É utilizado combustível sólido,
que literalmente explode,
atingindo até 322Km/h
Cintos de segurança
• Ligado à central do
Airbag, tensiona o cinto
de segurança antes de o
passageiro ser
deslocado, colocando-o
na posição ideal para o
impacto
Espelhos, vidros
e travas elétricas
• Há um controlador na porta que lida com as entradas
– Redução do número de fios
• Módulo central de comando (body controller)
– Controla os espelhos, vidros e travas elétricas
– Possibilita funcionalidades extras como rebater o retrovisor e
subir e descer os vidros automaticamente
Transmissão
automática
• Monitora:
–
–
–
–
–
–
Velocidade do carro
Velocidade do motor
Posição do acelerador
Posição do pedal de freio
Inclinação do carro
Aceleração lateral
• Algumas funcionalidades:
– Reduz a marcha em descidas
– Aumenta a marcha durante
freadas em superfícies
escorregadias
– Evita a troca de marchas
quando realizando uma curva
Cruise control
Cruise control
• Algoritmos de controle
– Controle proporcional
– Controle proporcional integral e derivativo
• Fator derivativo: erro na distância percorrida
• Fator integral: aceleração
– Controle adaptativo
• Possui um radar
• Ajusta a velocidade do carro para evitar colisões
Caixa preta
Caixa preta
• General Motors começou a instalar seus sistemas em
1994
– Ano passado mais de 50 modelos trouxeram o SDM
(Supplemental Diagnostic Module)
• A FORD também equipa seus carros com o RCM
(Restraint Control Module)
• GM, FORD e Isuzu abriram seus códigos de programação
à Vetronix
– Por US$ 2459 pode-se comprar o CDR (Crash Data Retrieval)
Caixa preta
• Módulo OBDConnect da VTTi
– Permite a transferência de dados do carro diretamente ao
celular do motorista
– Dados podem ser transmitidos via internet para a oficina
• Todos os carros americanos desde 1996 vêm com um
sistema OBD-2
Direção ativa
• Possui uma caixa
de marchas entre
a direção e o
pinhão
• Possui um sistema
de freio
• Pode realizar
pequenas
correções na
trajetória
Stop & Start
• Desenvolvido pela Citroën, em uso no C3
• Desliga o motor do carro em baixas velocidades
(6Km/h), com o pedal do freio pressionado
• Liga o motor do carro novamente assim que o pedal do
freio é solto
• Gera uma redução de até 10% na emissão de CO2 e no
consumo de combustível
• Economia pode chegar a 17% em condições extremas
O choque do futuro
• A introdução dos
motores elétricos
causará uma
redução no
tamanho dos
carros
• Perde-se área de
deformação
• Solução é uma
plataforma móvel
Hackers
• Razões:
– Aumentar o desempenho do carro
– Tornar o carro bicombustível sem
comprar um novo
– Alterar informações do carro para
aumentar valor de revenda
Conclusão
• A eletrônica está cada vez mais presente nos carros
atuais
• Aumenta a segurança e o conforto ao dirigir
• Carros sem eletrônica embarcada também terão seu
espaço no mercado
• Surgimento de novos problemas como os hackers
Referências
• Revista Quatro Rodas, Editora Abril, Edições 517, 532,
536 e 537;
• Site “How Stuff Works - Auto Channel”
http://auto.howstuffworks.com
• VTTi
http://www.vtti.com