A importância das velas de pré-aquecimento (velas de incandescência) no funcionamento inicial e também na regeneração dos filtros DPF nos motores diesel leves.
AUTOR: Renato França – Inovar Treinamentos e soluções automotivas
CHAMADA DE CAPA
EDIÇÃO:
TIPO DE DIFICULDADE: (X) BÁSICA ( ) INTERMEDIARIA ( )AVANÇADA
MATERIA: Sistema de pré-aquecimento dos motores diesel leves
O sistema de pré-aquecimento consiste em:
- Velas de aquecimento de baixa tensão
- Unidade de controle de pré-aquecimento.
É usado para aumentar a temperatura na câmara de combustão e a temperatura da mistura do ar / diesel para melhorar a combustão e o desempenho do motor em termos de:
- Redução de emissões de HC
- Redução do tempo de estabilização
- Redução das oscilações padrão do motor
O sistema de pré-aquecimento e partida rápida do motor diesel, permite um arranque imediato do motor em todas as situações climáticas.
Vantagens do sistema de pré-aquecimento:
- Partida confiável do motor a temperaturas de até – 24ºC
- Tempo de aquecimento extremamente breve. Em dois segundos podemos obter até 1000ºC na vela incandescente (depende da aplicação e calibração).
- Temperaturas controladas para pré-incandescência e pós-incandescência.
- O sistema possui auto-diagnóstico. Em caso de falhas em uma das velas de aquecimento ou no módulo de controle do aquecimento, a luz de avarias pode acender juntamente com a luz de indicação do aquecimento e um código de falhas pode ser registrado.
O sistema de pré-aquecimento não é usado apenas antes de começar a aquecer a câmara de combustão, mas também depois de iniciar por um tempo de até 6 minutos (dependendo da aplicação e calibração) e de acordo com as condições de temperatura ambiente durante as quais a partida ocorre.
Velas de pré-aquecimento
As velas utilizadas no motor são em sua maioria do tipo metal de baixa tensão, compreendendo um elemento de aquecimento que recebe uma corrente do modulo de aquecimento, causando um aumento de temperatura.
Com a tecnologia LOW VOLTAGE, os plugues ainda são compostos de um elemento de aquecimento e elemento regulador de temperatura, mas suas dimensões permitem que eles tenham uma tensão nominal de 4,4 V em vez de 12 V.
A verificação do sistema de pré-aquecimento deve ser realizada exclusivamente com a ajuda do ferramentas de diagnóstico computadorizado, e os procedimentos de software correspondentes dedicados à tarefa.
Como a tensão nominal para tomadas de BAIXA TENSÃO é diferente da voltagem da bateria, a voltagem da bateria NÃO DEVE, EM QUALQUER CIRCUNSTÂNCIA, SER CONECTADA AO PLUGUE DA VELA DE PRE-AQUECIMENTO.
SE OS CONECTORES FOREM FORNECIDOS COM UMA VOLTAGEM DE MAIS DE 12 V PARA MAIS DO QUE 1.4 SEGUNDOS, OU COM UMA VOLTAGEM DE 13 V POR MAIS DE 1 SEGUNDO ELES PODEM DERRETER E DANIFICAR O MOTOR. NO CASO ESPECÍFICO, SUBSTITUIR OS PLUGUES.
Velas de pré-aquecimento de cerâmica
Em alguns motores são utilizadas velas de pré-aquecimento de cerâmica nos utilitários. Em comparação com as velas de pré-aquecimento convencionais, as velas de pré-aquecimento de cerâmica alcançam uma temperatura de Incandescência de aprox. 200 °C a mais. A temperatura permanente das velas de pré-aquecimento é de aprox. 1300 °C, o que garante um excelente comportamento na partida, inclusive com relações de compressão baixas.
As características especiais das velas de pré-aquecimento de cerâmica são:
- menor consumo de energia;
- excelente comportamento na partida;
- aumento de temperatura mais rápido;
- grande condutividade;
- alta temperatura de incandescência;
- maior vida útil.
Legenda
1 Filamento calefator com caixa de cerâmica
2 Casquilho
3 Anel
4 Eletrodo
5 Corpo da vela
6 Anel O-ring
7 Isolante
Localização das velas de pré-aquecimento
As velas de pré-aquecimento são instaladas no cabeçote do motor e sua ponta de incandescência fica dentro da câmara de combustão para aquecimento da mesma, cumprindo assim sua função conforme dito anteriormente.
Unidade de pré-aquecimento das Velas
A unidade de controle de pré-aquecimento dialoga diretamente com o modulo de controle do motor e é responsável por:
- Fazer as velas operarem em condições de comutação
- Identificação de avarias em cada vela, como curto-circuito ou circuito aberto
- Notificar a unidade de controle de quaisquer avarias internas
- Protegendo os plugues contra uma possível inversão de polaridade da bateria
- Protegendo-se contra excesso de oferta e excesso de temperatura
- Compensando o sinal PWM do Módulo de Controle do motor com a tensão efetiva da bateria.
Gerenciamento do modulo do aquecedor
O módulo de gerenciamento do motor processa os sinais de:
- sensor de temperatura da água
- Tempo decorrido desde o desligamento do plugue (para gerenciamento rápido de aquecimento)
- Tensão da bateria (para gerenciamento rápido de aquecimento)
- Sensor de rpm do motor
- Sinal de diagnóstico da unidade de controle da vela de incandescência DI e atua o comando ST para a unidade de controle, controlando:
- Energia a ser distribuída durante o pré-aquecimento
- Tensão de aquecimento rápido
- Duração de aquecimento rápido
- Tempo de pós-aquecimento
- Tensão efetiva a ser aplicada
Baseado nessas informações, o modulo de controle do motor define a necessidade de ativação e o tempo de acionamento das velas de pré-aquecimento.
No interior da centralina de preaquecimento está presente um relé “inteligente” que envia uma resposta de retorno (“feedback”) à central de controle do motor que deste modo é informada da eventual avaria da centralina de preaquecimento ou do curto-circuito para a massa das velas.
Para título de exemplo, na figura abaixo estão indicados os conectores situados na base da centralina de preaquecimento aplicado no Fiat Ducato motor 2.3 e o respectivo pin-out:
31 – Massa
86 – Comutador de ignição (+15) via relé T09 e fusível F11.
ST – Central de controle do motor (feedback)
Di – Central de controle do motor (comando)
30 – Positivo bateria (+30)
G1 – Velas de preaquecimento cilindro 1
G2 – Velas de preaquecimento cilindro 2
G3 – Velas de preaquecimento cilindro 3
G4 – Velas de preaquecimento cilindro 4
Funcionamento do sistema
°C. Temperatura das velas de pré-aquecimento (em graus Celsius).
- Tempo em segundos.
- Fase de pré-aquecimento.
- Fase de manutenção de aquecimento sob arranque do motor.
- Fase de pós-aquecimento.
O módulo do motor comanda as velas de pré-aquecimento, durante e após a partida do motor.
A fase de pré-aquecimento inicia antes da partida do motor e permite uma elevação rápida da temperatura na câmara de combustão antes do funcionamento do motor.
O PRÉ-AQUECIMENTO:
- Facilitar partidas a frio (o ar aquecido permite uma combustão mais fácil do diesel injetado).
- Reduzir as emissões de fumaças (o ar aquecido permite reduzir os gases não queimados).
A fase de manutenção de aquecimento sob partida do motor, permite criar a continuidade entre a fase de pré-aquecimento e a fase de pós-aquecimento mantendo a temperatura das velas de pré-aquecimento.
A fase de pós-aquecimento inicia a partir da partida do motor e permite melhorar a combustão para evitar instabilidades do motor em marcha lenta e uma poluição excessiva.
O módulo do motor pode comandar o pós-aquecimento a qualquer momento após a partida motor para ajudar a regeneração do filtro de partículas (em algumas aplicações e calibrações)
Controle do modulo de aquecimento
O módulo do motor comanda a unidade de pré-aquecimento por uma relação cíclica de abertura (PWM). A alimentação elétrica das velas de pré-aquecimento se efetua pela unidade de pré-aquecimento em função das ordens do módulo do motor.
A unidade de pré-aquecimento comanda as velas de pré-aquecimento por uma tensão variável permitindo ajustar a temperatura à necessidade das diferentes fases de funcionamento.
Cada vela de pré-aquecimento é alimentada de forma independente para que o módulo ECM do motor saiba quando alguma delas falhar.
As velas possuem tensão de operação de 4,4 volts, por isso são acionadas em PWM e não energizadas continuamente.
Durante a fase de pré-aquecimento, as velas são alimentadas em sua tensão máxima para atingir a temperatura desejada o mais rápido o possível. O tempo de ativação máximo em aquecimento rápido não ultrapassa 2 segundos.
ESTE TEMPO É DETERMINADO PELO MÓDULO DO MOTOR EM FUNÇÃO DOS PARÂMETROS A SEGUIR:
- A temperatura do líquido de arrefecimento.
- A pressão atmosférica (medida pelo sensor de pressão atmosférica interno ao módulo do motor).
Durante a etapa de pré-aquecimento, uma luz indicadora acende no painel de instrumentos indicando a fase de aquecimento. É recomendado dar a partida no motor somente após essa luz apagar.
Essa luz também pode acender em caso de avarias no sistema de pré-aquecimento (velas ou modulo de controle com falhas presentes).
Em algumas aplicações, como no caso da VW Amarok, essa luz também pode ascender em caso de avarias no sistema de pós-tratamento (filtro DPF, etc.)
Pós-aquecimento
A etapa de pós-aquecimento só é ativada quando o motor funciona nas condições de carga média, para evitar os sobreaquecimentos do motor.
Em algumas aplicações a ativação do pós-aquecimento ajuda na regeneração do filtro de partículas.
Durante a regeneração do filtro de partículas, as velas de pré-aquecimento podem ser ativadas através do módulo do motor.
O objetivo é carregar o motor, a fim de aumentar sua temperatura e de permitir obter as condições ideais de temperatura para a regeneração do filtro de partículas (depende da aplicação e calibração).
A temporização máxima de funcionamento das velas de pré-aquecimento é de 180 segundos, mesmo se a solicitação da ECM for contínua.
Obs.: nas aplicações onde as velas de aquecimento são ativadas durante a regeneração, em caso de falha nas mesmas a regeneração do Filtro de partículas é desativada.
Testes das velas de pré-aquecimento
As velas são comandadas por um positivo de tensão variável oriundo do modulo de controle do pré-aquecimento de acordo com o comando PWM que vem da central de controle do motor e o negativo vem do próprio aterramento das velas no cabeçote do motor.
- Vela de pré-aquecimento.
- Contato de alimentação.
- Resistência de aquecimento.
Um teste de comando de aquecimento das velas com o auxilio de um scanner é o melhor para comprovar o bom funcionamento do módulo de controle das velas e o chicote elétrico entre o modulo e as velas.
Já o teste de resistência elétrica da vela de pré-aquecimento é o teste mais simples e rápido para verificar se a mesma está queimada (circuito aberto), resistência alta (acima do valor permitido) ou se está com funcionamento normal.
Você pode medir a resistência em bancada ou até mesmo instalada no motor.
Medição de resistência em bancada
Valor da resistência – 1 a 3 ohms (valor médio na maioria das velas)
Obs.: não esquecer de descontar a resistência dos cabos do multímetro.
Se o acesso as velas estiverem difíceis no motor para remoção ou medição direto nas mesmas, a opção é remover o conector do modulo de controle de aquecimento e medir a resistência do pino correspondente de cada vela para a massa. Dessa forma, testa-se a vela e a continuidade do chicote.
Obs.: Nunca comprovar o funcionamento das velas incandescentes aplicando 12 volts, porque a vela pode derreter.
Sistema de pré-aquecimento da Amarok 3.0 V6 com sensor de medição de compressão do cilindro
A vela incandescente consta de um corpo, um terminal de conexão, um elemento de aquecimento composto de espiras de aquecimento e espiras regulagem. Em comparação com as velas incandescentes convencionais, na versão autorregulada, a combinação das espiras de regulagem e calefação é um terço mais curto. Com isso foi possível reduzir o tempo de aquecimento para 2 segundos.
Pré-aquecimento
A unidade de controle do motor excita de forma defasada as velas de pré-aquecimento
através da unidade de controle para pré-aquecimento com um sinal modulado em largura de pulsos (PWM). Para uma partida rápida, onde a temperatura externa de até – 24oC, é aplicado durante 2 segundos uma tensão máxima de 11,5 volts. Isto garante que a vela incandescente eleve a sua temperatura a mais de 1000ºC. Desta forma é reduzido o tempo de pré-incandescência para a partida do motor.
Pós-aquecimento
Para o aquecimento de pós-incandescência é ajustado o tempo de ativação da tensão proporcionalmente ao período PWM de forma a resultar uma tensão efetiva de 4,4V. O aquecimento de pós-aquecimento é realizado até uma temperatura do líquido de arrefecimento de 24ºC, durante no máximo 5 minutos após a partida do motor.
Estrutura da vela incandescente 2 com sensor de pressão da câmara de combustão para cilindro 2
Utilização do sinal
A unidade de controle do motor utiliza o sinal de sensor de pressão da câmara de combustão para cilindro 2 para calcular o valor de correção para a injeção de combustível.
Ausência do sinal
Na falta do sinal, não se aplica a correção da injeção gerenciada pela pressão dos cilindros. O motor pode funcionar de forma irregular.
Regulagem da combustão por meio da gestão da pressão dos cilindros
Para regular de forma precisa a injeção de combustível, a gestão do motor leva em conta a evolução da pressão nos cilindros durante a combustão. A unidade de controle do motor recebe a informação da evolução efetiva da pressão no cilindro através do sensor de pressão da câmara de combustão para cilindro 2.
Este sensor está integrado na carcaça da vela de pré-aquecimento do cilindro 2. A regulação da combustão gerenciada por meio da pressão de cilindros é capaz de ajustar o momento de injeção e com isso controlar, a evolução da pressão durante a combustão de acordo com os diferentes índices de gases de escape recirculados, as diferentes qualidades do combustível e as tolerâncias dos componentes durante toda a vida útil do motor.
Partindo de um sinal do sensor de pressão da câmara de combustão para cilindro 2 e do sensor de rotação do motor, um modelo matemático de software presente na unidade de controle do motor calcula a evolução da pressão em cada cilindro. Conforme os desvios entre os valores teóricos e efetivos, são calculados valores de correção do momento de injeção e na duração da excitação do injetor.
Obs.: O sinal do sensor de pressão da câmara de combustão não se aplica a todos os motores, depende da norma de emissões de gases de escape.
Vantagens da regulagem da combustão por meio da gestão da pressão dos cilindros.
- Regulagem precisa do momento e das quantidades de injeção
- Ajuste do volume de injeção e a tolerância dos injetores
- Funcionamento estável e suave em todos os cilindros, durante toda a vida útil do motor.
- Adaptação da injeção em caso de atraso na auto ignição devido a altas taxas de recirculação dos gases de escape.
Funcionamento
O princípio de medição do sensor de pressão da câmara de combustão para o cilindro 2 está baseado em uma barra de aquecimento com movimento no sentido axial, que transmite a pressão de combustão do cilindro à um diafragma de medição. Neste diafragma de medição temos um “strain gauge” que é uma membrana com filetes extensores, cuja a resistência elétrica varia quando são submetidos a uma deformação. Uma eletrônica de análise integrada, gera a partir do valor da resistência, um sinal de tensão analógica proporcional a pressão medida no cilindro e transmite a unidade de controle do motor.
Conclusão
Nos motores atuais, com normas de emissões mais apuradas, as velas de pré-aquecimento têm funções muito importantes no funcionamento do motor e controle de emissões, sendo necessário os devidos cuidados e diagnósticos necessários para o correto funcionamento do sistema, garantindo melhor funcionamento, economia de combustível e menor emissão de poluentes (fumaça).
Renato França
Consultor técnico e instrutor de formação profissional
Proprietário da Inovar Treinamentos Automotivos
Socio-proprietário da Inovar Centro automotivo
Belo Horizonte – MG
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