O que é uma ECU?

O uso do termo ECU pode ser usado para se referir a uma Unidade de Controlo do Motor, contudo ECU também se refere a uma Unidade de Controlo Electrónico, que é um componente de qualquer sistema mecatrónico automóvel, não apenas para o controlo de um motor.

Na indústria automóvel, o termo ECU refere-se frequentemente a uma Unidade de Controlo do Motor (ECU), ou a um Módulo de Controlo do Motor (ECM). Se esta unidade controla tanto um motor como uma transmissão, é muitas vezes descrita como um Módulo de Controlo do Motor (PCM).

Para os fins deste artigo, discutiremos a ECU como uma Unidade de Controlo do Motor.

O que faz uma ECU?

Fundamentalmente, a ECU do motor controla a injecção do combustível e, nos motores a gasolina, o tempo da faísca para a ignição. Determina a posição do interior do motor utilizando um Sensor de Posição da Cambota para que os injectores e o sistema de ignição sejam activados precisamente no momento correcto. Embora isto pareça algo que pode ser feito mecanicamente (e foi no passado), há agora um pouco mais do que isso.

Um motor de combustão interna é essencialmente uma grande bomba de ar que se alimenta a si própria utilizando combustível. À medida que o ar é aspirado, tem de ser fornecido combustível suficiente para criar energia para sustentar o funcionamento do motor, tendo ainda uma quantidade útil para impulsionar o carro quando necessário. Esta combinação de ar e combustível é chamada uma ‘mistura’. Demasiada mistura e o motor será a todo o gás, muito pouco e o motor não será capaz de se alimentar a si próprio ou ao carro.

Não só a quantidade de mistura é importante, mas a proporção dessa mistura tem de ser correcta. Demasiado combustível – demasiado pouco oxigénio, e a combustão é suja e esbanjadora. Demasiado pouco combustível – demasiado oxigénio torna a combustão lenta e fraca.

Motores usados para ter esta quantidade e proporção de mistura controlada por um dispositivo de medição inteiramente mecânico chamado carburador, que era pouco mais do que um conjunto de orifícios de diâmetro fixo (jactos) através dos quais o motor ‘sugou’ o combustível. Com as exigências dos veículos modernos concentrando-se na eficiência do combustível e em menores emissões, a mistura deve ser controlada de forma mais rigorosa.

A única forma de satisfazer estes requisitos rigorosos é entregar o controlo do motor a uma ECU, a Unidade de Controlo do Motor. A ECU tem a função de controlar a injecção de combustível, a ignição e os acessórios do motor utilizando equações armazenadas digitalmente e tabelas numéricas, em vez de o fazer por meios analógicos.

Gestão precisa do combustível

Uma ECU tem de lidar com muitas variáveis ao decidir a razão de mistura correcta.

• Precisão do motor
• Temperatura do motor/coolant
• Temperatura do ar
• Temperatura do combustível
• Qualidade do combustível
• Diferente restrição do filtro
• Pressão do ar
• Eficiência de bombagem do motor

Estes requerem uma série de sensores para medir tais variáveis e aplicá-las à lógica na programação da ECU para determinar como compensá-las correctamente.

Um aumento na procura do motor (como a aceleração) exigirá um aumento na quantidade global de mistura. Devido às características de combustão dos combustíveis em uso, também requer uma alteração na proporção desta mistura. Ao carregar no pedal do acelerador, a tampa do acelerador abrirá para permitir a entrada de mais ar no motor. O aumento do fluxo de ar para o motor é medido pelo sensor de fluxo de ar de massa (MAF) para que a ECU possa alterar a quantidade de combustível injectado, mantendo a proporção da mistura dentro dos limites.

Não pára aí. Para obter melhores níveis de potência e combustão segura, a ECU deve alterar a relação da mistura e injectar mais combustível sob pressão máxima do que faria durante a viagem – a isto chama-se uma “mistura rica”. Pelo contrário, uma estratégia de abastecimento ou uma falha que resulte em menos do que uma quantidade normal de combustível a injectar resultaria numa ‘mistura pobre’.

Além de calcular o abastecimento com base na procura do condutor, a temperatura tem um papel considerável a desempenhar nas equações utilizadas. Uma vez que a gasolina é injectada como líquido, a evaporação tem de ocorrer antes de entrar em combustão. Num motor quente, isto é fácil de gerir, mas num motor frio é menos provável que o líquido se vaporize e é necessário injectar mais combustível para manter a proporção da mistura dentro da gama correcta para a combustão.

Flashback: Antes da utilização da ECU, esta função era gerida por um “estrangulamento” no carburador. Este estrangulamento era simplesmente uma aba que restringia o fluxo de ar no carburador, aumentando o vácuo nos jactos para promover um maior fluxo de combustível. Este método era frequentemente impreciso, problemático e exigia um ajuste regular. Muitos foram ajustados manualmente pelo condutor enquanto conduzia.

A temperatura do ar também desempenha um papel na qualidade da combustão, da mesma forma que a pressão atmosférica variável.

Perfeccionar a combustão

Desde que um motor de automóvel passa a maior parte do seu tempo a acelerar parcialmente, a ECU concentra-se na máxima eficiência nesta área. A mistura ideal, onde todo o combustível injectado é queimado e todo o oxigénio é consumido por esta combustão, é conhecida como ‘estequiométrica’ ou muitas vezes como ‘Lambda’. Em condições estequiométricas, Lambda = 1.0.

O sensor de oxigénio de gases de escape (sensor Lambda, sensor O2, sensor de oxigénio ou HEGO) mede a quantidade de oxigénio restante após a combustão. Isto diz ao motor se existe um excesso de ar na proporção da mistura – e naturalmente se há um excesso ou insuficiência de combustível a ser injectado. A ECU lerá esta medição, e ajustará constantemente a quantidade de combustível injectado para manter a mistura tão próxima quanto possível de Lambda = 1,0. Isto é conhecido como operação de “ciclo fechado”, e é uma contribuição importante para a eficiência avançada que advém da utilização das ECUs do motor.

Por causa dos regulamentos rigorosos sobre emissões actualmente em vigor, existem muitos outros sistemas num motor que ajudam a reduzir o consumo de combustível e/ou o impacto ambiental. Estes incluem:

• Recirculação de gases de escape (EGR)
• Conversor catalítico e Redução Catalítica Selectiva
• Reacção de Injecção de Ar de Exaustão (AIR)
• Filtros de Partículas Diesel (DPF)
• Estrattificação de Combustível
• Injeção de Aditivos de Exaustão (tais como AdBlue)
• Controle de Emissões Evaporativas (EVAP)

li>Turbocharging and superchargingli>Sistemas híbridos de transmissão de potência>li>Controlo variável do trem de força (tal como VTEC ou MultiAir)li>Controlo variável da admissão

Cada um dos sistemas acima referidos afecta o funcionamento do motor de alguma forma e, como consequência, precisa de estar sob controlo total da ECU.

Como funciona uma ECU?

Uma ECU é frequentemente referida como o “cérebro” do motor. É essencialmente um computador, um sistema de comutação e um sistema de gestão de energia, num caso muito pequeno. Para funcionar mesmo a um nível básico, tem de incorporar 4 áreas de operação diferentes.

• Input
  Isto inclui tipicamente sensores de temperatura e pressão, sinais on/off e dados de outros módulos dentro do veículo e é como uma ECU recolhe a informação de que necessita para tomar decisões.
• Um exemplo de uma entrada seria um sensor de Temperatura do Refrigerante, ou um sensor de Posição do Pedal do Acelerador. Pedidos do módulo Antilock Brake System (ABS) também podem ser considerados, tais como para a aplicação de controlo de tracção.
• Processamento

Após os dados terem sido recolhidos pela ECU, o processador deve determinar as especificações de saída, tais como a largura do impulso do injector de combustível, conforme indicado pelo software armazenado dentro da unidade.

• O processador não só lê o software para decidir a saída apropriada, como também regista as suas próprias informações, tais como ajustes de mistura aprendidos e quilometragem.
• Eliminar>br>A ECU pode então executar uma acção no motor, permitindo a quantidade correcta de potência para controlar com precisão os actuadores.
• Estes podem incluir o controlo da largura do impulso do injector de combustível, a temporização exacta do sistema de ignição, a abertura de um corpo de acelerador electrónico ou a activação de um ventilador de arrefecimento do radiador.
• Gestão de potência

A ECU tem muitos requisitos de potência interna para que as centenas de componentes internos funcionem correctamente. Além disso, para que muitos sensores e actuadores funcionem, a ECU tem de fornecer a tensão correcta aos componentes à volta do carro. Isto poderia ser apenas uma voltagem constante de 5 Volts para os sensores, ou mais de 200 Volts para os circuitos dos injectores de combustível.

li>Não só a voltagem tem de corrigir, mas algumas saídas têm de suportar mais de 30 Amps, o que naturalmente cria muito calor. A gestão térmica é uma parte fundamental da concepção da ECU.

Função ECU básica

A primeira fase da operação da ECU é, de facto, a gestão da potência. É aqui que as várias tensões são reguladas e a potência da ECU é gerida. A maioria das ECUs têm uma gestão de energia sofisticada devido à variedade de componentes no interior, regulando com precisão 1,8V, 2,6V, 3,3V, 5V, 30V e até 250V, tudo a partir da alimentação do carro de 10-15V. O sistema de gestão de energia também permite que a ECU tenha controlo total sobre quando se desliga – ou seja, não necessariamente quando se desliga o interruptor de ignição.

Após as tensões correctas serem fornecidas, os microprocessadores podem começar a arrancar. Aqui o microprocessador principal lê o software da memória e efectua uma auto-verificação. Em seguida lê os dados dos numerosos sensores no motor e converte-os em informação útil. Esta informação é frequentemente transmitida através do CANbus – a rede informática interna do seu carro – para outros módulos electrónicos.

Após o microprocessador principal ter interpretado esta informação, refere-se às tabelas ou fórmulas numéricas dentro do software e activa as saídas conforme necessário.

Exemplo. Se o Sensor de Posição da Cambota mostrar que o motor está prestes a atingir a compressão máxima num dos cilindros, activará um transistor para a bobina de ignição relevante. A fórmula e tabelas acima mencionadas dentro do software farão com que a activação deste transístor seja atrasada ou avançada com base na posição do acelerador, temperatura do líquido refrigerante, temperatura do ar, abertura do EGR, relação de mistura e medições anteriores mostrando combustão incorrecta.

O funcionamento do processador principal dentro da ECU e a activação de muitas saídas é supervisionada por um microprocessador de monitorização – essencialmente um segundo computador que assegura que o computador principal está a fazer tudo correctamente. Se o microprocessador de monitorização não estiver satisfeito com qualquer aspecto da ECU, tem o poder de reiniciar todo o sistema ou desligá-lo completamente. A utilização do processador de monitorização tornou-se imperativa com a aplicação do controlo do acelerador drive-by-wire devido a preocupações de segurança, caso o microprocessador principal desenvolva uma falha.

Diagnóstico de uma ECU e periféricos

A complexidade de implementar todo este controlo, todas estas entradas e todas estas saídas exige uma capacidade relativamente avançada de autodiagnóstico – o diagnóstico tradicional do motor torna-se obsoleto. As entradas e saídas de uma ECU são monitorizadas individualmente pelo processador, frequentemente dezenas de vezes por segundo, para garantir que estão dentro das tolerâncias estabelecidas no software. Se uma leitura do sensor ficar fora destas tolerâncias durante o período de tempo pré-determinado, uma falha é registada e um código de falha é armazenado para recuperação pelo técnico.

Códigos de falha

Quando um código de falha é armazenado na memória, normalmente resulta em alguma lógica dentro do software ser contornada com eficiência reduzida do motor, embora com o motor ainda a funcionar a um nível básico. Em algumas circunstâncias, a rotina de auto-diagnóstico descobre uma falha grave que ou impede fundamentalmente o motor de funcionar, ou desliga o motor no interesse da segurança.

Com a gestão moderna do motor, o primeiro passo de diagnóstico de falhas para um técnico de veículos é aceder aos códigos de falha a partir da memória da ECU. Estes são frequentemente armazenados como códigos alfanuméricos de 5 dígitos, começando com um P, B, C ou um U, seguidos de 4 números. Detalhes sobre estes códigos e as suas descrições podem ser encontrados aqui: Códigos de Falha OBDII

Além destes códigos, o técnico pode também visualizar os dados dos sensores ao vivo através da ferramenta de diagnóstico enquanto o veículo está em funcionamento. Isto permite-lhes ver uma leitura do sensor que é incorrecta, mas não fora de tolerância por uma margem suficiente para assinalar um código de falha.

Controlo electrónico do acelerador

Muitas pessoas questionam a necessidade de controlo do acelerador drive-by-wire. Introduzido nos anos 90, é agora montado em quase todos os motores produzidos actualmente, mas quais são as vantagens sobre um cabo tradicional?

Até aos anos 80, a maioria do controlo de aceleração/acelerador era gerido com um cabo desde o pedal até ao carburador. A velocidade do ralenti era definida ajustando simplesmente um parafuso para manter a tampa do acelerador ligeiramente aberta até o motor rodar correctamente ao ralenti. Este método simples exigia um ajuste regular da velocidade do ralenti e era propenso ao desvio quando um motor estava frio ou quando várias peças se gastavam.

Nos anos 80, com a introdução generalizada das ECUs, foram introduzidas válvulas electrónicas de controlo do ralenti que resolveram muitos destes problemas, no entanto a ECU estava agora a controlar parte do fluxo de ar e no entanto todos os outros componentes permaneceram.

Com a eficiência do funcionamento do motor e a eficiência na montagem do carro a avançar, foi introduzido o controlo electrónico do acelerador. Isto acelerou o fabrico de um carro (sem cabos rígidos de acelerador passando pela firewall), eliminou a necessidade de uma válvula de controlo do ar de marcha lenta e permitiu à ECU do motor um controlo adicional sobre o motor para melhorar a função EGR, um melhor controlo sobre a paragem do motor e um melhor arranque.

Uma vantagem importante do controlo electrónico do acelerador é que a ECU pode ajustar o ângulo do acelerador durante a aceleração para complementar o fluxo de ar real através do motor. Isto melhora a velocidade a que o ar passa através da admissão e proporciona ganhos em torque e dirigibilidade. Isto é conhecido como marcação do binário e só é possível com controlo electrónico do acelerador.

Adaptações

Veículos modernos são construídos com tolerâncias muito mais rigorosas do que os do passado, no entanto ainda são susceptíveis à variação de fabrico, desgaste mecânico e aspectos ambientais. Como tal, são capazes de se adaptar a mudanças graduais no funcionamento do motor.

Exemplo. À medida que um filtro de ar fica bloqueado pelo pó, a ECU pode pôr o motor a funcionar com uma quantidade de injecção de combustível ligeiramente reduzida para compensar. Isto permite-lhe ter um rendimento máximo desde o arranque do motor, em vez de arrancar ao nível da fábrica e trabalhar para a mistura óptima em cada viagem. Faz isto armazenando os valores Lambda em viagens anteriores.

Estas adaptações aplicam-se não só aos filtros de ar bloqueados, mas a muitos sistemas de um motor ou transmissão. À medida que os componentes dos sistemas hidráulicos se desgastam, requerem alterações na temporização da activação do solenóide para compensar. Da mesma forma, à medida que o motor se desgasta, a capacidade de ser uma bomba de ar deteriora-se ligeiramente e o ângulo de abertura da tampa do acelerador terá de ser alterado para manter a velocidade de marcha lenta.

A linha de tempo da ECU

1970s

ECUs começaram simplesmente a controlar um par de solenóides nos carburadores para os fazer funcionar mais eficazmente. Alguns começaram a controlar a mistura ao ralenti.

1980s

Com a introdução da injecção de combustível, a ECU assumiu um novo papel de ser completamente responsável pela gestão do combustível e da ignição dos motores a gasolina.

Controlo Lambda de circuito fechado foi rapidamente incluído e a ECU iniciou rapidamente uma nova era na eficiência dos motores.

1990s

A ECU estava agora a tratar da segurança dos veículos. Estava também a começar a aparecer nos motores Diesel, que desempenharam um papel não pequeno no sucesso do motor turbodiesel durante as décadas seguintes.

2000s

A adopção do controlo do acelerador Drive-by-Wire, controlo do turbocompressor e numerosos sistemas de emissões, tudo sob o controlo apertado da ECU.

2010s e posteriores

A ECU tem agora controlo total sobre a combustão da mistura, a abertura do acelerador, o sistema de arrefecimento e os sistemas de emissões. Pode ter mais de uma centena de entradas e saídas e faz parte de uma rede de dezenas de outras Unidades de Controlo Electrónico dentro do veículo. Os sistemas híbridos dependem da comunicação com a ECU para funcionar, enquanto as características de Assistência à Condução comunicam para assumir o controlo da procura do motor sempre que necessário.