VALIDAÇÃO DA DIAGNOSE DE FALHAS DE COMBUSTÃO (MISFIRE) PARA
OBDBR-2 EM VEÍCULOS FLEX
Alexandre Moura da Silveira, Diego Ramos, Sandra Cruz Domahovski, Adriano Castro,
François Vaxelaire
Renault do Brasil
E-mails: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected],
[email protected]
RESUMO:
O objetivo deste artigo é apresentar a metodologia de validação da calibração de diagnose de
falhas de combustão (misfire) requerida pela legislação OBDBr-2. Como a estratégia
(algoritmo de detecção) básica foi concebida para as normas Européias e combustível não
alcoolizado, no caso da Renault, o interesse maior é verificar o seu comportamento frente às
especificações locais e em coerência com a norma a ser atingida, OBDBr-2. Esta norma entra
em vigor à partir do início de 2010 e obriga o monitoramento permanente do motor, alertando
o condutor (através de uma indicação no painel) quando houver o risco do aumento de
emissões de gases gerados pela degradação ou falhas da combustão.
LIM – Lâmpada indicadora de mau funcionamento
INTRODUÇÃO:
O controle de emissões de poluentes, provenientes da combustão dos veículos automotores,
tem cada vez mais a atenção das autoridades mundiais e por consequência das brasileiras.
Com a instituição do PROCONVE (Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos
Automotores) em 1986, iniciou-se no Brasil o controle de emissões veiculares e os limites de
emissões permitidos pelas autoridades brasileiras tem se tornado cada mais restritos.
CO (g/km)
2,5
EMISSÃO (g/km)
30
2
CO (g/km)
25
HC (g/km)
1,5
20
NOx (g/km)
15
1
10
5
0,5
0
1989 1992 1993 1994 1997 2003 2005 2006 2007 2009 2009
0
1989 1992 1993 1994 1997 2003 2005 2006 2007 2009 2009
Limites de emissões para motores ciclo OTTO – Fonte: www.cetesb.sp.gov.br (a partir de 2005 o limite de emissões para hidrocarbonetos
passou a ser sobre o NMHC)
No entanto, os veículos podem ter seu sistema de controle de emissões degradado por força de
vários fatores (combustíveis alterados, falta de manutenção, etc.) e com o uso as emissões de
poluentes podem se elevar. Neste contexto surgiu a necessidade de estabelecer um sistema de
diagnose de bordo que possibilite a identificação de falhas em componentes do sistema de
controle de emissões que afetam as emissões de poluentes atmosféricos.
Neste artigo trataremos particularmente do diagnóstico da falha de combustão ou também
conhecido como misfire.
1. Estado da arte da legislação de OBD no Brasil para veículos flex:
A legislação de OBDBr-2 que entrará em vigor no Brasil a partir de 2010, tem como base
a norma em vigor na Europa, o EOBD, com algumas alterações em função das
particularidades do mercado local. A principal diferença do sistema OBDBr-2 em relação
ao EOBD é a possibilidade dos veículos brasileiros funcionarem com E22, E100, ou
qualquer mistura destes combustíveis, tornando as estratégias de monitoramento mais
complexas.
A norma OBD-Br2 prevê que o diagnostico de misfire esteja ativo durante todo o
funcionamento do motor. O diagnostico poderá ser suspenso apenas quando estivermos
em fase de adaptação (aprendizagem) de combustível.
Um veículo com falhas de combustão deve ser diagnosticado antes que as emissões
atinjam os limites estabelecidos pela norma e verificados no ciclo normalizado pela
NBR6601 (FTP75).
CO
4,11 g/km
NMHC
0,3 g/km
NOx
0,75 g/km
Limites de emissões OBD Br2 – Fonte: Instrução normativa OBD Br2
2. O que é uma falha de combustão ou misfire?
Um motor, em seu funcionamento normal e calibrado pela equipe de engenheiros da
fábrica, apresenta valores de potência e torque bem característicos dentro de sua zona de
funcionamento em termos de carga e rotação. Todo comportamento fora da especificação
deve ter a sua causa investigada.
A causa de uma queda de rendimento de um motor, momentaneamente ou de forma
permanente, pode ter inúmeras razões, por exemplo, um combustível que “queima” mal,
uma vela de ignição gasta ou queimada, uma válvula injetora bloqueada, etc.
Todas as causas que geram a perda de rendimento de um motor são consideradas como
falhas de combustão ou misfire.
Desta maneira tem-se que para uma quantidade de mistura ar/combustível admitida por
um motor numa dada condição de carga e rotação espera-se uma resposta em forma de
torque, se o valor obtido não for satisfatório, a estratégia de diagnóstico de misfire a
interpretará como uma falha de combustão.
3. Por que a detecção da falha de combustão é necessária e como é realizada?
Para o condutor a falha de combustão é traduzida como falta de rendimento do seu
veículo, mas devemos lembrar que para cada condição de carga e rotação do motor uma
quantidade de mistura ar/combustível foi calculada para ser admitida. Se a combustão dos
gases não gerou o torque esperado é porque temos ainda uma parcela da mistura que não
foi corretamente queimada.
Esta parcela da mistura é rejeitada na fase da exaustão no ciclo OTTO e jogada para a
atmosfera, fazendo assim aumentar os níveis de emissões de HC, NMHC por
conseqüência e CO (provenientes de uma combustão incompleta).
O gráfico abaixo demonstra a evolução das emissões dos gases com o aumento da taxa de
falha de combustão.
Emissões Relativas
HC
Limite EOBD
CO
Nominal
NOx
Taxa de misfire
Taxa misfire
Emissões
Gráfico de evolução das emissões em função da taxa de misfire – Fonte “Formation_MAP_OBD_FR_RTA”
A detecção do misfire é realizada de forma permanente em um motor após sua partida.
Somente é permitida a suspensão da detecção durante a fase de adaptação de combustível
em motores flex (Texto OBD Br2, anexo I – Definições, 2.3.7).
Como já mencionado anteriormente, um motor pode ser caracterizado em termos de nível
de torque para todas as condições de carga e rotação. O torque medido no volante do
motor varia também em função do combustível utilizado. Características como “calor
latente de evaporação” e “índice de octanas” influenciam diretamente na obtenção do
torque, diferenciando o comportamento do motor quando estivermos consumindo E22 e
quando estivermos com E100.
Conhecendo estes dados podemos avaliar seu comportamento e através da velocidade
angular do volante motor (variação de velocidade – aceleração – rotação/min2) teremos a
capacidade de identificar uma falha de combustão isoladamente para cada um dos quatro
cilindros.
Valor do Torque
Conhecido
MISFIRE
Tempo
Princípio de funcionamento da estratégia de detecção de misfire
O torque instantâneo fornecido pelo motor e lido por meio da velocidade angular do
volante motor é comparado a um valor de referência, se estiver abaixo do especificado
será considerado como misfire.
De acordo com a norma OBDBr-2 um motor deve ser monitorado em permanência de
forma a alertar o condutor antes que exceda os níveis de emissões de poluentes mostrados
anteriormente.
A certificação é realizada com um veículo sobre o ciclo padrão de emissões, que no Brasil
é adotado o FTP75.
Ciclo FTP75 – Fonte Norma NBR6601
Abaixo vemos a figura onde observamos a zona de carga e rotação do motor dentro da
qual existe a obrigatoriedade do diagnóstico do misfire.
CARGA DO MOTOR
REGIÃO DE DETECÇÃO
DE MISFIRE
Pressão no valor de torque
positivo + 13,33 KPa
P3
P2
P1
Curva de torque positivo
Regiões desabilitadas
P2
N1
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
ROTAÇÃO DO MOTOR
Zona de funcionamento do motor onde a detecção do misfire deve estar ativa - Fonte: Instrução normativa OBD Br2
4. Metodologia de calibração:
Nesta parte faremos a diferenciação entre a caracterização do sistema e a posterior
validação da calibração.
4.1. Calibração:
Para que tenhamos uma correta interpretação de uma falha de combustão é
necessário conhecermos o motor em toda sua condição de carga e rotação. Não só o
torque em combustão normal é caracterizado, mas também em corte de injeção para
que saibamos reconhecer um torque resistivo residual.
Nesta fase do desenvolvimento o motor deverá ser colocado em todas as condições
de pressão de admissão (carga) e rotação para estabelecermos os valores de
referência em termos de torque, para serem comparados com os valores de torque
lidos a partir do volante motor, aí a estratégia de detecção de misfire estará apta a
identificar o que é combustão normal e o que é verdadeiramente misfire.
Mas um motor não possui todas as suas combustões com o mesmo exato valor,
mesmo que esteja em condições controladas e estáveis. Esta dispersão é chamada de
aciclismo e deve ser levado em conta na estratégia.
Abaixo vemos uma figura que ilustra a dispersão do valor do torque em uma dada
condição de carga e rotação de um motor.
Caracterização do torque em combustão e misfire
Uma caracterização de torque deve ser extremamente precisa para podermos ter
confiança na detecção do misfire. Caso esta caracterização tenha problemas
poderemos ter mais tarde a ocorrência da falsa detecção de um misfire ou a não
detecção de um misfire.
Como anteriormente mencionado um mesmo motor pode apresentar comportamentos
diferenciados em termos de torque quando estiver funcionando em E22 ou E100.
Então, além de termos a necessidade de caracterização correta do torque num ponto
determinado, deveremos estar certos da correta interpretação da taxa de álcool
presente no combustível (aprendizagem) para evitarmos a falsa detecção e a não
detecção.
A falsa detecção de um misfire pode gerar um alerta ao condutor que seu veículo está
emitindo acima dos limites regulamentado quando na verdade não está. O alerta será
fruto de uma interpretação errônea da estratégia de detecção do misfire que
identificou uma falha de combustão quando na verdade o motor estava em seu
funcionamento normal. Este comportamento pode levar à visitas desnecessárias à
concessionária e o aumento do custo de garantia.
No outro extremo a não detecção é identificada quando temos verdadeiramente um
comportamento degradado do motor, gerando o misfire, e que não é identificado pela
estratégia, tendo nesta condição o risco do verdadeiro aumento das emissões sem a
correta identificação e alerta ao condutor. Neste caso o veículo estará fora das
especificações da lei de emissões OBD e o fabricante sofrerá sanções.
A questão do compromisso entre a falsa detecção e a não detecção será avaliada e
tratada no período da validação da calibração.
4.2. Comentário sobre o álcool:
Existem diferenças significativas entre a combustão do álcool e da gasolina (calor
latente, velocidade de chama, etc.), e por este razão perceberemos que a
caracterização do comportamento do motor em termos de torque terá uma influência
direta do combustível que está sendo utilizado.
Como o condutor está livre para escolher o combustível para abastecer seu veículo
poderemos ter teores de álcool que vão variar entre E22 até E100 (100% álcool) para
serem monitorados em termos de torque gerado pelo motor, e as diferenças de
comportamento de cada combustível deverá também ser tomada em conta.
4.3. Validação da calibração:
A validação é parte fundamental para assegurarmos o correto funcionamento do
diagnóstico do misfire. Como mencionado anteriormente, a calibração final deverá se
comportar de maneira a não nos fornecer “falsas detecções” e nem “não detecções”
nas diversas condições de funcionamento (partida à frio, aquecimento motor,
transitórios e estabilizados) e em toda a faixa de combustível (entre E22 e E100).
O processo de validação de detecção de misfire Renault é realizado de forma
estatística, com base em dados obtidos sobre vários veículos de desenvolvimento.
Um ciclo padrão é estabelecido de forma a conter as condições mais adversas e
representativas de um condutor normal qualquer. Este ciclo simula, então, a
utilização de condutor comum tais como: rodovia, trânsito, aclives e declives, etc.
Durante este ciclo de condução é feita uma aquisição (via acesso ECU) dos valores
de torque medidos no volante motor, valores de referência e outros parâmetros
(velocidade, rotação, pressão da admissão) de forma a poder identificar um ponto
crítico em termos de detecção de misfire.
Ao final de um ciclo de condução teremos aproximadamente 30 minutos de aquisição
(para cada ciclo) e estes dados serão tratados de forma estatística como segue.
É previsto que este ciclo seja repetido nas mais variadas condições de aprendizagem
de taxa de álcool para podermos avaliar de forma segura as diferenças associadas a
cada tipo de combustível.
Pontos particulares:
Fase aquecimento motor:
É impressindível que na validação da calibração seja levado em conta a fase de
aquecimento do motor, por termos condições não propícias à combustão, esta fase
pode interferir no diagnóstico. Aspectos como a temperatura do combustível e
temperatura das paredes da câmara de combustão têm forte influenca no torque
gerado, que não tratados corretamente podem comprometer a qualidade da detecção
do misfire.
Fase de reaspiração ou Blow-by:
Em função da temperatura de partida e a necessidade de enriquecimento da mistura
ar/combustível a frio podemos ter combustível não queimado diluído no óleo
lubrificante do motor. Esta quantidade de combustível é reaspirada durante a fase de
aquecimento do motor atrevés do blow-by. Durante esta fase o vapor de combustível
aspirada pelo blow-by interfere na riqueza global admitida pelo motor e pode
“mascarar” a medição de torque, comprometendo a qualidade do diagnóstico do
misfire.
4.4. Ferramenta de validação e análise:
As validações e análises são feitas a partir da aquisição dos parâmetros da ECU do
motor. Esta aquisição é tratada de forma a nos indicar os risco de falsa detecção
associados à calibração.
Uma ferramenta interna Renault foi desenvolvida de forma a tratar a aquisição
realizada e identificar pontos críticos de detecção. Esta ferramenta baseia-se na
distribuição estatística de um dado ponto (carga e rotação) estabelecendo o risco de
uma falsa detecção comparando o valor lido como torque no volante motor e
comparando com o valor de referência.
De forma geral, o torque lido no motor para cada ponto de funcionamento (carga e
rotação) é avaliado em termos de dispersão e comparado ao seu valor de referência,
assim, estatisticamente, teremos o resultado para o risco de falsa detecção do misfire.
Baseado em seu resultado gráfico será tomada a decisão com base na qualidade do
diagnóstico fornecido pela ferramenta.
Avaliação distribuição do torque em um poto dado
Avaliação dos pontos críticos
CONCLUSÃO
O diagnóstico das falhas de combustão (misfire) é obrigatório a partir de 2010 e
regulamentado pela norma OBDBr-2. A norma exige que o diagnóstico seja feito em toda a
faixa de teor de álcool na gasolina entre E22 e E100.
Este diagnóstico deverá levar em conta as diferenças entre a combustão do álcool e da
gasolina de forma confiável. É imprescindível que o sistema seja corretamente caracterizado
em termos de torque para que a correta detecção do misfire.
A calibração final será um compromisso entre a falsa detecção e a não detecção baseado na
amostragem estatística obtida sobre os meios de ensaio.
REFERÊNCIAS
[1] VAXELAIRE, François; Formation MAP OBD essence
[2] Norma NBR6601
[3] Instrução Normativa OBD Br2 “20_08_ texto obd br2_ final_rev”
[4] Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores - Proconve.
Disponível em http://www..cetesb.sp.gov.br. Acesso em: 19/06/2009