prof. George Luckwü
INJEÇÃO ELETRÔNICA·FUNCIONAMENTO
1Por quê
2Evolução
3Central
4Malhas
5Sensores
6Atuadores
7Rede CAN
8OBD
9Confiabilidade
DO CARBURADOR AO OBD2 · SENSORES, CENTRAL E ATUADORES
Injeção eletrônica
Como a central mede o ar, dosa o combustível e se diagnostica
Motivos técnicos e legais · evolução · central e cálculo · malha aberta, fechada e adaptativa · sensores · atuadores · rede CAN · OBD e OBD2 · confiabilidade, sobrecorrente e ruído
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Mistura precisa
Os limites do carburador
O carburador dosa pela depressão no venturi: mais ar, mais vácuo, mais combustível puxado do giclê. A dosagem é indireta e muda com temperatura, altitude e desgaste.
No coletor único, cada cilindro recebe uma mistura diferente, e parte do combustível escorre pelas paredes. Na partida a frio, o afogador enriquece demais.
A injeção mede o ar, calcula a massa de combustível e injeta junto de cada válvula, no momento certo, corrigindo por temperatura, pressão e pela sonda lambda.
Ganhos técnicos: mistura igual em todos os cilindros, corte na desaceleração, partida fácil, mais avanço com controle de detonação, diagnóstico e, no Brasil, o motor flex.
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Leis de emissões
Catalisador de três vias e λ = 1
O catalisador de três vias oxida CO e HC e reduz NOx ao mesmo tempo, mas só numa janela estreita em torno de λ = 1.
Manter a mistura nessa janela exige medir o oxigênio no escape e corrigir a injeção o tempo todo: sonda lambda e injeção eletrônica em malha fechada.
EUA: Lei do Ar Limpo de 1970 e catalisador a partir de 1975, com a Califórnia sempre à frente. Europa: norma Euro 1 em 1992.
Brasil: o PROCONVE (CONAMA 18/1986) baixou o limite de CO de 24 g/km (1988) para 12 g/km (1992) e 2,0 g/km (1997), valor confirmado pela Lei 8.723/1993.
Com o limite de 1997, o carburador saiu de linha: a Kombi foi o último carburado. Depois vieram o diagnóstico de bordo obrigatório e as fases L4 a L8.
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Dos mecânicos ao Motronic
Anos 1950 a 1980
Anos 50: injeção mecânica. O Mercedes 300 SL (1954) injetava direto no cilindro, com bomba Bosch; o Corvette de 1957 injetava nos dutos.
1957–1958: o Bendix Electrojector, primeira injeção eletrônica oferecida. Calor, vibração e interferência impediram a venda, e as patentes foram para a Bosch.
1967: Bosch D-Jetronic no VW 1600 dos EUA, a primeira eletrônica em série. Media a carga pela pressão no coletor (D de Druck, pressão).
1973–1974: K-Jetronic, mecânica e contínua, e L-Jetronic, com palheta medidora de vazão. 1976: sonda lambda e catalisador de três vias, na Volvo.
1979: Motronic no BMW 732i, injeção e ignição numa só central digital, com mapas em memória. 1982: LH-Jetronic, com medidor de massa de ar por fio quente.
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Do monoponto à injeção direta
Anos 1980 até hoje
Anos 80: o monoponto, um injetor acima da borboleta, barateou a injeção dos carros populares. O multiponto, um injetor por cilindro junto da válvula, virou o padrão.
No Brasil, o Gol GTi (1989) estreou a injeção eletrônica nacional, com Bosch LE-Jetronic. O último carburado saiu de linha em 1997.
1987: borboleta motorizada (BMW). 1991: rede CAN (Mercedes). 1996: OBD-II nos EUA e a primeira injeção direta de gasolina em série, da Mitsubishi.
2003: Gol Total Flex, que reconhece a mistura pela sonda lambda. 2009: Polo E-Flex, partida a frio sem o tanquinho de gasolina.
Hoje: injeção direta de 200 a 350 bar com turbo, injeção dupla, nos dutos e direta (Toyota, 2005), controle por torque e integração com motores híbridos.
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Entradas, cálculo e saídas
A arquitetura da injeção
A central lê os sensores, calcula e comanda os atuadores. Os cálculos de injeção e de ignição são sincronizados com o giro do virabrequim.
Entradas analógicas de 0 a 5 V: pressões, temperaturas, borboleta, pedal, sonda. Entradas de pulsos e frequência: rotação, fase, velocidade.
Dentro: fonte com proteções, condicionadores de sinal, microcontrolador de 32 bits com memória flash, drivers de potência e transceptores de rede.
Saídas: injetores, bobinas, borboleta, bomba, cânister, variador de fase, relés. A maioria é chaveada pelo negativo, com diagnóstico de circuito aberto e curto.
Mapas e parâmetros formam a calibração: a mesma central serve a motores diferentes, com outra calibração.
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Sistema de combustível
Do tanque ao injetor
A bomba elétrica fica dentro do tanque, resfriada pelo próprio combustível. Ao ligar a chave, a central a aciona por uns 2 s para pressurizar a linha.
Com retorno: o regulador na galeria mantém a pressão constante em relação ao coletor, perto de 3 bar, e devolve o excesso ao tanque.
Sem retorno: o regulador fica no tanque e a linha leva só o que o motor consome. Como a pressão não acompanha o vácuo do coletor, a central corrige o cálculo.
Nos sistemas mais novos, a bomba é comandada por PWM conforme a demanda, com sensor de pressão: menos consumo de energia e menos ruído.
Na injeção direta, uma bomba mecânica acionada pelo comando eleva de uns 5 bar para 200 a 350 bar, e uma válvula na entrada dosa o volume bombeado.
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Quanto combustível
Do ar medido ao tempo de injeção
O cálculo começa pela massa de ar admitida por cilindro. Com MAF ela é medida; com MAP, é calculada por pressão, temperatura, rotação e eficiência volumétrica.
Combustível = ar ÷ (estequiométrica × λ). A relação estequiométrica é perto de 12,8 : 1 na gasolina E32 e de 8,4 : 1 no etanol hidratado.
Tempo de injeção = massa ÷ vazão do injetor + tempo morto. O tempo morto é o atraso para a agulha abrir, e cresce quando a tensão da bateria cai.
Ao tempo básico somam-se as correções: partida, aquecimento, aceleração (o filme de combustível nas paredes), corte na desaceleração e a correção da sonda.
Na injeção sequencial, cada injetor dispara no seu cilindro e termina antes de a válvula de admissão abrir. Rotação e fase dizem qual é o cilindro.
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Ignição e torque
A mesma central acende a mistura
Desde o Motronic, a central também calcula o avanço: um mapa de rotação × carga, corrigido por temperatura, combustível e detonação.
O sensor de detonação é ouvido numa janela logo após o PMS de cada cilindro. Na batida, a central atrasa só aquele cilindro e depois recupera aos poucos.
Nas centrais modernas, tudo é torque: pedal, câmbio, controle de estabilidade, ar-condicionado e marcha lenta pedem torque, e a central decide ar, combustível e avanço.
O ar é o caminho lento; a ignição, o rápido. Numa troca de marcha, a central atrasa a ignição na hora e só depois fecha a borboleta.
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Malha aberta
Quando a central não ouve a sonda
Em malha aberta, a central injeta o que os mapas mandam, sem conferir o resultado. É o modo da partida e do aquecimento.
Abaixo de uns 300 °C, a cerâmica da sonda quase não conduz e o sinal não serve. O aquecedor elétrico encurta essa espera de minutos para segundos.
Plena carga também é malha aberta: a mistura é enriquecida de propósito, com λ de 0,8 a 0,9, para dar torque e esfriar válvulas, pistões e catalisador.
Na desaceleração, o corte zera a injeção até a rotação cair perto da marcha lenta. Sem a sonda, erro de sensor ou de injetor vai direto para a mistura.
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Malha fechada
A sonda lambda corrige a mistura
Com a sonda quente, a central fecha a malha: lê o oxigênio no escape e corrige a injeção seguinte. O alvo é λ = 1, a janela do catalisador.
A sonda de banda estreita só diz rica (acima de 0,45 V) ou pobre (abaixo). A correção é um controle PI: um salto ao cruzar o limiar e depois uma rampa.
A mistura oscila em torno de λ = 1, cerca de uma vez por segundo em marcha lenta, e o oxigênio guardado no catalisador absorve essas oscilações.
A sonda depois do catalisador ajusta o alvo da sonda de cima e vigia o catalisador: se ela passa a copiar a de cima, o catalisador perdeu capacidade.
Com sonda de banda larga, a central lê o λ real, de rico a pobre, e controla de forma contínua, também fora de λ = 1.
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Malha adaptativa
A central aprende e lembra
A correção rápida (STFT) resolve o momento. Se ela puxa sempre para o mesmo lado, a central passa esse valor para a correção de longo prazo (LTFT), gravada na memória.
O longo prazo é guardado por faixa de rotação e carga. Erro só em marcha lenta sugere entrada falsa de ar; erro que cresce com a carga aponta injetor, MAF ou pressão.
Assim o motor compensa desgaste, tolerâncias e altitude. Perto de 20 a 25% de correção, a central grava o código de mistura pobre ou rica (P0171, P0172).
No flex, a adaptação faz o papel do sensor de combustível: depois de abastecer, a central vê quanto a sonda precisa corrigir e recalcula a proporção de etanol.
Também se aprendem a borboleta em marcha lenta, os limites do pedal, o atraso por detonação de cada cilindro e a vazão de cada injetor.
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Carga do motor
MAP, MAF e temperatura do ar
MAP: membrana de silício com resistores em ponte. A pressão absoluta do coletor vira 0,5 a 4,5 V, em três fios: referência de 5 V, sinal e terra de sensor.
Em marcha lenta, o coletor fica perto de 30 kPa; em plena carga, perto da pressão atmosférica. Com o motor parado, o MAP lê a pressão barométrica.
MAF de filme quente: um elemento aquecido acima da temperatura do ar. Quanto mais massa passa, mais potência ele pede. Mede massa, já corrigida pela densidade.
Os mais novos dão frequência em vez de tensão e reconhecem o fluxo reverso. Óleo e poeira no elemento falseiam a leitura para menos.
Temperatura do ar: um NTC, muitas vezes dentro do MAP ou do MAF. A densidade do ar cai cerca de 1% a cada 3 °C.
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Rotação e fase
Onde está cada pistão
O sensor de rotação lê uma roda fônica no virabrequim, em geral 60-2: 58 dentes, um a cada 6°, e um vão de dois dentes que marca a referência.
Indutivo: ímã e bobina, dois fios e malha. A tensão é alternada e cresce com a rotação, de menos de 1 V na partida a dezenas de volts em alta.
Hall: alimentado, três fios, sinal quadrado de amplitude fixa, que funciona até com o motor parado. A central mede o tempo entre dentes.
O sensor de fase, no comando, dá um pulso a cada duas voltas e indica qual cilindro está em compressão. Sem ele, muitas centrais perdem a sequência e injetam em paralelo.
O tempo entre dentes revela cada aceleração do virabrequim: é assim que a central percebe a falha de combustão de um cilindro.
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Temperatura, borboleta e pedal
NTC e pistas redundantes
Temperatura do motor: um NTC no líquido de arrefecimento. A resistência cai com o calor, de uns 2,5 kΩ a 20 °C a uns 300 Ω a 80 °C.
Um resistor dentro da central forma o divisor de tensão. É o sensor que mais pesa na partida e no aquecimento; se falhar, a central assume um valor e liga o ventilador.
Borboleta motorizada: duas pistas de posição, uma subindo e outra descendo. A soma constante confirma a leitura.
Pedal: duas pistas com alimentações separadas, em geral uma com metade da tensão da outra. Se discordarem, a central limita o torque.
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Sonda, detonação e outros
O que mais a central escuta
Banda estreita: zircônia que gera de 0,1 a 0,9 V, com salto em λ = 1. Banda larga: célula de bombeamento cuja corrente indica o λ, de rico a pobre.
Detonação: um cristal piezoelétrico no bloco. A central filtra a faixa da batida, entre uns 5 e 15 kHz, conforme o diâmetro do cilindro.
Velocidade, hoje lida pelo ABS e recebida pela rede CAN. Pressão na galeria, essencial na injeção direta. Pressão do tanque, para o teste de vazamento do evaporativo.
Sinais de apoio: freio com dois contatos, embreagem, pressão do ar-condicionado, temperatura e pressão do óleo, estado da bateria.
No flex brasileiro não há sensor de etanol: a sonda lambda faz esse papel. Em outros mercados, um sensor capacitivo mede o teor de etanol.
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Injetores
Solenoide, corrente e tempo morto
O injetor é uma válvula de agulha com solenoide. A central aterra o circuito e a agulha abre; ao cortar, a mola fecha. A vazão depende do tempo aberto e da pressão.
Alta impedância, de 12 a 16 Ω: a central só satura o circuito. Baixa impedância, de 2 a 3 Ω: pico de uns 4 A para abrir e manutenção de uns 1 A.
Ao cortar, a bobina gera um pico de tensão. A central o grampeia perto de 60 V: o grampo alto fecha a agulha mais rápido que um simples diodo.
Na injeção direta, o injetor abre contra centenas de bar: a central gera uns 65 V, puxa picos acima de 10 A e pode injetar várias vezes por ciclo.
O jato importa tanto quanto a vazão: no multiponto, mira as costas da válvula de admissão; na direta, a forma e o momento do jato definem a mistura.
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Ignição e borboleta
Os atuadores da centelha e do ar
Bobinas: a central controla o tempo de carga e o instante do corte. Com uma bobina por cilindro e o IGBT na própria bobina, quase não há cabo de alta tensão.
Borboleta motorizada: um motor de corrente contínua em ponte H, comandado por PWM, com a posição confirmada pelas duas pistas.
Sem energia, uma mola deixa a borboleta levemente aberta, na posição de emergência: o carro anda devagar até a oficina.
Com cabo de acelerador, a marcha lenta tem atuador próprio: motor de passo ou válvula rotativa, que abrem um desvio de ar em torno da borboleta.
ATUADORES · 3 DE 3
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Demais atuadores
Bomba, cânister, variadores e relés
Bomba de combustível, por relé ou por PWM. Purga do cânister: válvula em PWM que dosa os vapores do tanque para a admissão, descontados no cálculo.
Válvula de óleo do variador de fase, válvula EGR, atuador da wastegate e válvula de alívio do turbo, abas do coletor de admissão variável.
Aquecedor da sonda em PWM, eletroventilador em dois estágios ou PWM, embreagem do compressor do ar-condicionado e relé principal.
Partida a frio no etanol: antes, um tanquinho de gasolina com bomba e válvula; hoje, injetores ou galeria aquecidos antes da partida.
Cada saída é vigiada: a central compara o comando com a tensão no pino e acusa circuito aberto, curto com o negativo ou com o positivo.
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Por que uma rede
Dois fios no lugar de dezenas
Cada central precisa dos dados das outras: a injeção quer a velocidade, o câmbio quer o torque, o painel quer a rotação. Com fios dedicados, o chicote não teria fim.
O CAN foi criado pela Bosch, apresentado em 1986 e estreou no Mercedes Classe S (W140), em 1991. Virou norma ISO 11898 em 1993.
Todas as centrais ficam no mesmo par trançado. Cada mensagem leva um identificador: quem precisa do dado lê, quem não precisa ignora.
O carro tem várias redes: CAN de alta velocidade (500 kbit/s) para motor, câmbio e freios, redes mais lentas para conforto, LIN de um fio e um gateway entre elas.
REDE CAN · 2 DE 3
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Sinal e terminação
Diferencial, dominante e recessivo
Em repouso (recessivo, bit 1), CAN-H e CAN-L ficam perto de 2,5 V. No dominante (bit 0), CAN-H sobe para uns 3,5 V e CAN-L desce para uns 1,5 V.
O receptor lê a diferença entre os dois fios. O ruído induzido aparece igual nos dois e se cancela; o par trançado reforça isso.
Nas duas pontas há resistores de 120 Ω, que evitam reflexões. Com a bateria desligada, entre CAN-H e CAN-L deve-se medir uns 60 Ω.
Leituras de defeito: 120 Ω, falta uma terminação; perto de zero, curto entre os fios; muito alto, fio rompido no trecho medido.
REDE CAN · 3 DE 3
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Mensagem e prioridade
Arbitragem, conferência e erros
Um quadro CAN tem início, identificador de 11 bits (ou 29), comprimento, até 8 bytes de dados, CRC de 15 bits, confirmação (ACK) e fim.
Quando duas centrais transmitem juntas, vence o identificador menor: o 0 dominante se sobrepõe ao 1. Quem perde percebe e para, sem corromper nada.
Depois de cinco bits iguais, o transmissor insere um bit oposto (bit stuffing), que mantém os relógios sincronizados. O receptor o retira.
Quem detecta erro destrói o quadro e o transmissor repete. Quando o contador de erros de transmissão passa de 255, a central sai do barramento (bus off).
Evoluções: CAN FD (2012), com até 64 bytes e fase de dados mais rápida, e Ethernet automotiva para os maiores volumes.
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Do OBD ao OBDBr
Diagnóstico de bordo por lei
As primeiras centrais já acendiam a lâmpada de anomalia e piscavam códigos, cada fabricante a seu modo. A Califórnia exigiu isso em 1988: o OBD-I.
OBD-II, obrigatório nos EUA desde 1996: vigiar tudo o que afeta as emissões, com conector, códigos e dados padronizados. Na Europa, EOBD em 2001.
Brasil (CONAMA 354/2004): o OBDBr-1, de 2007 a 2009, detecta falhas elétricas. O OBDBr-2, em 2010 e 2011, vigia combustão, catalisador e sonda.
Com a fase L7 (2022) veio o OBDBr-3, com mais monitores e o registro de quantas vezes cada um roda; na L8, também variador de fase e evaporativo.
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Conector, códigos e serviços
J1962, códigos e modos
Conector padronizado de 16 pinos, ao alcance do motorista: 16 é o positivo, 4 e 5 são terras, 6 e 14 são CAN-H e CAN-L, 7 é a linha K.
Código de falha: a letra do sistema (P, C, B ou U), 0 para código genérico ou 1 para código do fabricante, o subsistema e o defeito.
Serviços: 01 dados ao vivo, 02 congelamento de quadro, 03 códigos confirmados, 04 apagar, 06 resultados dos monitores, 07 pendentes, 09 VIN, 0A permanentes.
Protocolos aceitos: SAE J1850, ISO 9141-2, KWP2000 e CAN (ISO 15765-4), obrigatório nos EUA desde 2008 e hoje dominante.
OBD E OBD2 · 3 DE 3
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Monitores e lâmpada
A central vigia a si mesma
Monitores contínuos rodam o tempo todo: falha de combustão, sistema de combustível e componentes. Os outros esperam condições: catalisador, sondas, evaporativo.
Falha de combustão: a central mede o tempo de cada segmento da roda fônica. O cilindro que não queima não acelera o virabrequim, e seu segmento demora mais.
Catalisador: com ele bom, a sonda de baixo fica quase estável, porque o oxigênio armazenado amortece. Se ela passa a oscilar junto, a eficiência caiu.
Falha detectada vira código pendente; confirmada no ciclo seguinte, acende a lâmpada. Falha que pode danificar o catalisador faz a lâmpada piscar.
Prontidão: o scanner mostra quais monitores já rodaram desde que os códigos foram apagados. É como a inspeção percebe um apagamento recente.
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Requisitos
O ambiente mais hostil da eletrônica
A central trabalha de −40 °C a mais de 105 °C no cofre, com vibração, umidade, sal, óleo e combustível, durante toda a vida do carro.
Os 12 V são nominais: a central funciona de uns 9 a 16 V e suporta a queda da partida a frio, a bateria invertida e a partida auxiliar com 24 V.
O pior surto é o load dump: a bateria desconecta com o alternador carregando e, sem supressão, a tensão chega perto de 100 V por centenas de milissegundos.
Componentes qualificados (AEC-Q100, Q101 e Q200), ensaios de ambiente e de transientes (ISO 16750 e 7637) e de compatibilidade eletromagnética (CISPR 25, ISO 11452).
Segurança funcional (ISO 26262): na borboleta motorizada, a função é vigiada por um segundo cálculo de torque e por um circuito vigia separado, que pode cortar tudo.
CONFIABILIDADE · 2 DE 3
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Sobrecorrente e cargas indutivas
Proteções nas saídas e na alimentação
Fusíveis e relés protegem o chicote. Dentro da central, as saídas usam transistores inteligentes, com limite de corrente, desligamento por temperatura e diagnóstico.
Um curto na saída não queima a central: o driver limita a corrente, desliga e avisa, e a central grava o código. As referências de 5 V também suportam curto.
Toda bobina devolve energia ao ser desligada: V = L·di/dt. Injetores e relés usam grampo ou diodo; a bobina de ignição, IGBT com grampo de uns 400 V.
Na entrada: proteção contra polaridade invertida, supressor de transientes, filtro e reguladores que seguram o microcontrolador nas quedas. Um vigia reinicia o processador travado.
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Ruído elétrico
Fontes, caminhos e defesas
Fontes: a ignição, com dezenas de kV e bordas rápidas; injetores e relés chaveando; os motores da bomba e do ventilador; o ripple do alternador.
Caminhos: terra compartilhado, acoplamento capacitivo e indutivo entre fios vizinhos, radiação. Um terra ruim desloca a referência e falseia todos os sinais.
No chicote: par trançado no CAN e no sensor indutivo, malha no sensor de detonação aterrada só na central e retorno de sensor separado do terra de potência.
Na ignição, velas resistivas e cabos supressivos, ou bobina individual. Na central, filtros RC, comparadores com histerese e limiar adaptativo na rotação.
No software: janelas de leitura, filtros digitais, testes de plausibilidade e valores substitutos quando um sinal não faz sentido.