A evolução da Roda Fônica

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A evolução da Roda Fônica

Mensagem  Fabrício Coimbra Kamikaze em Sab Maio 17, 2014 2:42 am

A "MATE-MÁGICA" DA RODA FÔNICA
Postado Originalmente por : André Dantas

Editado Por Fabricio Coimbra

OBS: Marcos qualquer coisa se quiseres editar fique a vontade



A roda fônica é um sensor que revolucionou a engenharia da injeção eletrônica. Muitos a conhecem como o sensor de rotação do motor, mas, apesar de ser um sensor muito simples, ela vai muito além disso.



Nas injeções projetadas para usá-la, ela se torna a espinha dorsal sobre a qual toda a injeção trabalha.

Ao longo dos anos, vários fabricantes a desenvolveram, cada um à sua forma e com referências próprias, mas os princípios básicos são mais ou menos os mesmos.

O modelo funcional que vou mostrar aqui é bem elementar, e é apenas um entre vários possíveis.

A idéia original por trás da roda fônica se origina num instrumento muito simples, um transferidor — conhecido como disco de grau — que mede ângulos de rotação do virabrequim  e informa sobre eventos dos motores, em especial os pontos de abertura e fechamento das válvulas:





Montado no motor, o transferidor é alinhado de forma que seu zero indica o ponto-morto superior (PMS).





Depois, girando o virabrequim, eventos como abertura e fechamento de válvulas podem ser medidos em relação à posição do virabrequim.




Neste modelo de transferidor, escalas coloridas orientam sobre as faixas admissíveis de abertura e fechamento das válvulas:





Mas este transferidor vai além. Ele indica pontos de ignição avançando em função de diferentes rotações e pode ser usado sobre a polia do virabrequim com o motor em funcionamento para comprovação do avanço real de ignição através de uma pistola estroboscópica.

Esta é a idéia por trás da roda fônica.

O motor é uma máquina onde diversos processos ocorrem ciclicamente, porém com temporizações  e posições que devem ocorrer precisamente em uma posição do virabrequim. Processos que respeitem essas temporizações e posições conseguem obter o máximo rendimento do motor, em potência, economia e emissões de poluentes, e estes processos são controlados por um pequeno computador.

A primeira roda fônica surgiu com a primeira versão da Motronic da Bosch, e era simplesmente a coroa dentada do volante do motor, usada para engrenamento do motor de partida, que eram lidos por um sensor magnéticos de pulsos. Um segundo sensor captava um pino adicional no volante, que indicava o ponto-morto superior do primeiro cilindro.

Esse sistema tinha uma série de limitações que logo levaram a Bosch a evoluí-lo para o modelo que conhecemos hoje, com uma polia dentada dedicada, de 60 – 2 dentes.

O termo 60 - 2 indica que a polia é dividida em 60 setores transformados em dentes, como uma engrenagem, porém com a falta dos dois últimos para indicar a referência de posição.

É o modelo mais popular de roda fônica, mas há vários outros, como o 36 - 1, além dos 8 – 1 e 4 + 1 usados em motocicletas.





Para o projeto de uma injeção, uma roda fônica de 60 dentes permite uma flexibilidade de projeto muito ampla da ECU de injeção: 60 é um número divisível por 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 e 12, permitindo apontar com precisão o PMS de motores com diferentes números de cilindros e configurações (em linha,  contrapostos e em V de diferentes aberturas de bancadas), sem que o software precise de grandes adaptações além das mudanças de pontos de referência. Seu funcionamento é bem simples.

O sensor possui um imã permanente que cria um campo magnético, ao qual é montado um núcleo de ferro doce sobre o qual está enrolada uma bobina. Uma polia dentada, semelhante a uma engrenagem, gira presa ao virabrequim a pequena distância do núcleo do sensor.

A passagem sucessiva de dentes e espaços na região do núcleo do sensor varia a intensidade do campo magnético, o que induz uma tensão na bobina. Esse sinal é tratado e usado pelo processador.





Abaixo vemos como ela é montada e o tipo de sinal que ela gera:





Este tipo de sensor é tão robusto e eficiente em medir velocidades e deslocamentos que é usado com pequenas diferenças em outras partes de alta tecnologia do automóvel, como no sistema ABS dos freios e no controle de tração.



EXEMPLOS no Fiat Tempra.






-  

A roda fônica é um sensor digitial puro

Computadores são bons para duas coisas. Eles são muito bons para contar eventos, e se contar pulsos que ocorrem a intervalos calibrados, podem medir o tempo, e os pulsos gerados por ela podem ser contados e ter seus tempos cronometrados. A ECU não mede a tensão gerada no pulso, apenas um circuito compara o pulso com uma referência de tensão, e gera um trem de pulsos digitais que marcam eventos para o software.

O modelo que vou apresentar daqui para frente considera um caso bem simples, de um motor de 4 cilindros, ignição com bobina única e distribuidor. Não vamos nos preocupar agora com os bicos injetores, porque o princípio é o mesmo.

Neste exemplo, a roda fônica deste motor é de 60 – 2 dentes, sendo que o dente 1 representa o ponto-morto superior do cilindro 1, e os dentes faltantes são os de número 59 e 60.

Esta roda fônica trabalha em conjunto com um computador, e vou considerar um modelo antigo, de 8 bits. Portanto, em cada registrador, este computador sabe avaliar valores de 0 a 255. Temos de considerar também que muitas operações matemáticas serão feitas em base binária, tornando números de base 2 (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256) como muito importantes nas operações matemáticas elementares.

A primeira operação que precisamos realizar é o cálculo da rotação.

Aqui há um cálculo que alguns leigos costumam fazer. Se a roda fônica tem 60 dentes (vamos esquecer os dois faltantes por enquanto), e medimos a velocidade em rotações por minuto, bastaria contar o número de dentes que passa pelo sensor em um segundo para termos a rotação precisa em rpm. Se o computador contar 1.000 dentes em um segundo, o motor está a 1.000 rpm.

Não está errado, mas esta não é a forma adequada de medir a rotação do motor porque um segundo é tempo demasiado para uma medida que deve ser acompanhada bem de perto.

Além disso, uma contagem de até 10.000 pulsos exigiria um registrador de 16 bits e cálculos muito mais complexos partindo desse registrador. Nada muito complicado para os processadores atuais, mas nos anos 80, quando a roda fônica surgiu, isto era um problema.

Ao invés disso, usa-se um tempo de amostragem de dentes de 25 milissegundos. Feito desta forma, o computador consegue computar a rotação em valores que vão de 0 a 255 (usando um byte, portanto), com resolução de 40 rpm, e alcançando até uma rotação máxima de 10.200 rpm. E a rotação é medida constantemente a uma razão de 40 vezes por segundo.

Veremos que esta representação binária da rotação é conveniente de diversas formas para efeito de cálculo.

Se quisermos ler a rotação em rpm num mostrador, basta pegar a rotação amostrada e multiplicar por 40. Mas há uma forma mais simples de fazer este cálculo.

Se o computador amostrou 30 dentes, multiplicamos por 4 e obtemos 120. Esse valor de 120 é convertido para caracteres e colocados diretamente no mostrador, onde uma seqüência de caracteres “0 rpm” os sucedem, e lemos expressamente  “1.200 rpm”.

Outro uso importante da rotação neste formato se refere à busca de valores nos mapas de injeção e ignição.

Para esta busca, o byte de rotação é dividido por 8, obtendo-se um quociente na faixa de 0 a 31, e um resto, na faixa de 0 a 7.

Daqui para frente, chamaremos o quociente meramente de “Q” e o resto de “R”.

Para os mais acostumados com matemática binária, Q representa os 5 bits mais significativos do byte de rotação, enquanto R representa os 3 bits menos significativos.

Os mapas como estamos acostumados a vê-los são organizados em formas de tabelas, em linhas e colunas.

Na memória do computador, no entanto, as linhas são encadeadas umas depois das outras, formando longas filas de bytes.

Os bytes consecutivos de um mapa referem-se a rotações crescentes, mas não a cada 40 rpm, mas a cada 320 rpm, totalizando 32 valores para cada linha.

Estes 32 valores propositalmente coincidem com a faixa de valores de Q.

Q entra em um cálculo simples de soma, cujo resultado aponta para um byte de valor de fase ou tempo dentro da tabela. Assim, ao usarmos uma representação binária da rotação, o byte de rotação é usado quase que diretamente para buscar valores nas tabelas.

Pegando este byte da tabela e o byte seguinte, e fazendo uma média ponderada por R, obtemos um valor interpolado intermediário, mais refinado, fazendo com que a variação de mistura ou ponto de ignição com a variação de rotação seja bastante suave e mais próxima da real.

A representação binária da rotação se mostra útil tanto para localizar valores nas tabelas bem como para refiná-los para uso.

Com 60 dentes, a roda fônica oferece uma resolução de 6 graus mecânicos entre dentes, o que é muito grosseiro para uso numa injeção. Não é suficiente para um uso apropriado.

A Bosch, nas primeiras versões de roda fônica usando a coroa dentada do volante do motor, a eletrônica usava os pulsos positivos e negativos do sensor de pulsos, dobrando a resolução. Num volante de 130 dentes, este método permitia contar 260 pulsos por volta, com resolução de 1,38 grau.

Quando passou a usar a roda fônica padrão de 60 - 2 dentes, o método mudou. Havia menos dentes e o projeto tinha que ser mais universal para diferentes tipos de motores.

Uma forma alternativa para melhorar a precisão o suficiente é programar um temporizador, de forma a gerar uma roda fônica virtual, com 4 vezes mais dentes que a roda fônica mecânica, totalizando 240 dentes, com uma resolução de 1,5 grau, próximo ao obtido com o sistema antigo.

A figura a seguir mostra todo processo de conversão da roda fônica real para virtual, da pasaagem do dente pelo sensor até o estabelecimento dos pulsos virtuais:






A roda fônica virtual é mantida rigorosamente em sincronismo com a roda fônica real, de forma a acompanhar as menores variações de velocidade do motor.

Como a roda fônica virtual tem uma resolução 4 vezes maior que a da roda real, para cada pulso da roda real o computador precisa contar 4 pulsos virtuais. Caso haja uma contagem de 8 pulsos entre pulsos reais, o computador conclui que o sensor de pulsos mecânico perdeu algum dente da roda mecânica, e corrige todos os erros que possam ter sido cometidos, incluindo a rotina de cálculo de rotação que vimos previamente.

A rotina de correção de erro é importante também para determinar a referência de posição do virabrequim. A falta proposital dos dentes 59 e 60 causa uma conta de 12 pulsos na contagem final até 240 da roda virtual sem nenhum pulso da roda mecânica.

Esse erro nessa exata posição é esperado e mostra onde as contagens devem ser iniciadas. Caso ocorra fora de posição repetidas vezes, a injeção assumirá um código de erro e a lâmpada de falha da injeção acenderá.

A roda fônica é um sensor que não possui alternativa para a rotina de falha contida, chamada meramente de “volta pra casa”. Entretanto, sua alta tolerância a falhas compensa isso.

O sincronismo cerrado entre as rodas real e a virtual evita muitos dos erros de imprecisão ocasionados nas injeções antigas, baseadas em bobinas impulsoras ou sensores hall montados nos distribuidores.

O velho sistema, apenas uma evolução do velho platinado, indicava pontos específicos de posição do virabrequim, uma ou duas vezes por volta. Posições intermediárias são estimadas por métodos de proporção de tempo entre pulsos, mas este é um método muito impreciso, já que os motores constantemente comprimem mistura e desaceleram o conjunto móvel enquanto isso, e posteriormente tendo os pistões impelidos pela pressão da mistura queimada e reacelerando.

O uso de polias amortecedoras, também conhecidas como polias harmônicas, nos virabrequins de vários motores mostra o quanto essa oscilação de rotação é importante. Portanto, para uma injeção de alta precisão não se pode considerar a rotação constante ao longo do giro completo.

Esse modelo de funcionamento evita outro sério problema que se refere à precisão dos processos de ignição e de injeção.

No processo de ignição, a centelha tem de saltar num ângulo de avanço preciso. Entretanto, para realizar o dwell que carrega a bobina de ignição, é necessário um determinado tempo.

Já para o bico de injeção, o pulso de injeção tem um tempo bem determinado para injetar uma quantidade precisa de combustível, mas este pulso tem uma posição precisa do virabrequim para ser iniciado para garantir o máximo de potência e economia e o mínimo de emissões de poluentes.

Ambos os processos relacionam duas grandezas físicas diferentes (posição e tempo) para serem feitas a contento. Se exigir precisão em uma provavelmente sofrerá com a precisão da segunda. É um problema técnico difícil de ser enfrentado, mas muito fácil de ser contornado, graças à roda fônica.

O truque para evitar problemas nas injeções é passar grandezas de naturezas diferentes para grandezas de mesma natureza. Basta pensarmos que tempo vezes velocidade equivale a espaço percorrido.

Para controlar um tempo com precisão, temos a medida da velocidade do motor feita com precisão, e temos uma medida precisa da posição do virabrequim no tempo, então podemos substituir o controle de intervalo de tempo por uma contagem de pulsos da roda fônica virtual, válida para aquela rotação.

Com o aumento da rotação, a precisão de controle de tempo aumenta na mesma proporção.

Algumas injeções possuem tabelas de tempos para dwell e pulso de injeção. Na forma de tempo, o valor retirado da tabela precisa ser multiplicado pelo byte de rotação e dividido por uma constante de conversão para se obter a contagem equivalente em pulsos da roda fônica virtual.

Outras injeções possuem tabelas com os valores já convertidos para pulsos da roda fônica, e são valores para uso direto, sem conversão.

Ambas as formas possuem vantagens e desvantagens, de tal sorte que cada fabricante escolhe a sua forma de trabalho.

Já vimos como o programa da injeção usa a informação da rotação pra buscar informações nas tabelas dos mapas. Agora vamos ver como usamos os valores obtidos de lá, mostrando um exemplo numérico de ignição.

No nosso motor de exemplo, o PMS dos cilindros 1 e 4 estão n posição 1 (nas duas rodas fônicas), enquanto o PMS dos cilindros 3 e 4 estão na posição 121 da roda fônica virtual (31 da roda mecânica).

Digamos que o motor esteja a 2.400 rpm (byte de rotação = 60) e que os bytes de avanço e dwell, vindos dos mapas, sejam de 10 (avanço) e 48 (dwell).

10 pulsos representam um avanço de 15 graus, enquanto 48 pulsos de dwell são a quinta parte de uma volta da roda virtual, ou o equivalente a 5 milissegundos.

Se os cilindros 2 e 3 tem PMS na contagem 121 da roda fônica virtual, então o ponto de ignição deve ocorrer na posição:
121 – 10 =  111

O dwell deve ocorrer 48 pulsos antes disso, então:
111 – 48 = 63

Já os cilindros 1 e 4 estão na posição 1. Como não manipulamos valores negativos, somamos uma volta completa, indicando a posição 241, e realizamos os mesmos cálculos:

ponto de ignição: 241 – 10 = 231
Dwell: 231 – 48  = 183

Assim, para a injeção controlar plenamente a ignição, basta simplesmente ligar a bobina quando a roda fônica virtual atingir a contagem de 63, desligá-la na contagem 111, voltar a ligá-la em 183 e novamente desligá-la em 231.

Contando em minúcias, parece um processo longo e complexo, mas uma vez entendido, torna-se bastante elementar.

De forma idêntica se controla a fase e o tempo de abertura dos bicos injetores.

Usar o dente 1 como referência de PMS do cilindro 1, como neste exemplo, apresenta uma desvantagem. Os dentes faltantes (59 e 60) criam uma zona de 18 graus antes do PMS dos cilindros 1 e 4 sem que seja possível manter um sincronismo cerrado com a roda fônica virtual, e a imprecisão na determinação de dwell e ponto de ignição aumenta, já que as posições próximas ao PMS em curso de subida é o ponto onde o pistão mais desacelera comprimindo a mistura.

Para evitar este problema, as injeções modernas posicionam o PMS do cilindro 1 geralmente no dente 15 (dente 1 = 90 graus APMS) ou 20 (dente 1 = 120 graus APMS).

Esta é apenas uma mudança de referência, mas os métodos e cálculos permanecem os mesmos.





O uso da roda fônica não termina aqui. Vai muito além. O motor possui muitas sutilezas de funcionamento que interferem com a instrumentação, exigindo leituras sincronizadas com seu funcionamento.

A pressão do coletor de admissão cai quando um cilindro aspira ar do coletor, e sobe quando a válvula de admissão fecha e o ar que entra pela borboleta de aceleração volta a enchê-lo. Essa pulsação da pressão é, portanto, sincronizada com a rotação do motor.

Para um instrumento como o vacuômetro, uma condição de regime de funcionamento do motor pode oferecer uma indicação estável ou pouco oscilante da pressão do coletor de admissão. Isto ocorre porque a resposta mecânica do vacuômetro é muito lenta diante da dinâmica do motor. Já um sensor eletrônico como o MAP (manifold absolute pressure, pressão absoluta do coletor) é rápido o suficiente para ser sensível a ela.

Se a rotina de instrumentação da ECU fizer uma leitura de pressão a intervalos regulares de tempo, a cada instante a rotina lerá um valor aleatório entre os limites da oscilação, e o sistema não terá estabilidade.

Se a rotina de leitura do sensor MAP for disparada em fases específicas do virabrequim, esse problema será bastante reduzido, e esta é uma função muito fácil de ser feita com a arquitetura da injeção baseada em roda fônica.



No caso do sensor de detonação, sabemos que ele é uma espécie de microfone, e que capta qualquer ruído que chega até ele. Entretanto, o motor é uma máquina cheia de ruídos, e diferenciar um ruído qualquer de um sinal de detonação é algo bastante difícil.

Entretanto, sabe-se que a detonação acontece somente nas condições de alta pressão e alta temperatura dentro do cilindro, e, portanto, só pode ocorrer nas proximidades do PMS do cilindro que está queimando a mistura.

Com o uso dos recursos da roda fônica, cria-se uma janela de validação dos sinais de detonação. Qualquer sinal fora desta janela pode ser sumariamente descartado, enquanto sinais dentro da janela ainda precisam passar por outros testes de validação.

E assim como estes exemplos de controle, há muito mais funções trabalhando em sincronismo com o motor através da roda fônica.

Quando falamos em termos de roda fônica para injeção, vamos muito além de nos referir a um tipo de sensor. Estamos falando de uma arquitetura completa, pois tudo funciona em torno dos recursos gerados por este sensor.

No entanto, fora os grandes fabricantes de injeção, são poucos os que conhecem as grandes vantagens oferecidas pela roda fônica e sabem como aplicá-las devidamente.

Muitas injeções do mercado de preparação ainda usam velhos esquemas de sinal de distribuidor, quer seja por bobina impulsora ou por sensor Hall, que, como vimos, são muito imprecisas.

E ainda são oferecidos módulos para roda fônica vendidos à parte, a preços nada convidativos, para traduzir o rico conjunto de informações deste sensor num sinal pobre e impreciso de sensor de distribuidor.

Estas injeções não contemplam as minúcias técnicas nem as tecnologias que fazem a diferença em um motor moderno e eficiente e que há tantos anos o motorista usufrui de fábrica: controle de fase de injeção, ciclo lambda real, preservação do caríssimo catalisador,  sensor de detonação eficiente, capacidade adaptativa e de aprendizado das condições funcionais do motor, integração com módulos ABS e controle de tração, entre tantas outras coisas.

A roda fônica é um sensor que veio para ficar.

Além da injeção indireta a que estamos acostumados, os sistemas modernos de injeção direta de alta eficiência e baixíssimas emissões são altamente dependentes do controle de fase de injeção, algo que a roda fônica realiza com maestria.

Os sistemas modernos de injeção diesel common rail também são dependentes dela.

A roda fônica resume aquilo que mais aprecio como belo. É simples ao ponto de ser minimalista, e ainda assim consegue ser extremamente flexível e poderosa para realizar as mais diversas funções exigidas pelos motores mais modernos, ao ponto de ser quase insubstituível.

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