Desenvolvimento de uma plataforma Hardware-in-the-Loop (HIL) para gerenciamento da malha de controle da mistura ar combustível (AFR) em motores de combustão interna

Abstract

Esta pesquisa foi financiada pelo programa Rota 2030, uma iniciativa do governo federal descrita na Lei N° 13.755/2018. O principal objetivo deste programa é desenvolver uma política industrial de longo prazo para o setor automotivo e de autopeças, estimulando o investimento e o fortalecimento das empresas brasileiras do setor. Por meio de diferentes projetos, o programa promove a pesquisa, sendo este caso específico financiado pelo projeto. Estratificação de carga de etanol em motores de ignição por faísca de injeção direta (TSI). A integração de tecnologias nas simulações de motores a combustão tem despertado o interesse tanto de profissionais da indústria automotiva quanto de entidades governamentais, devido à sua capacidade de reduzir a emissão de material particulado derivado da combustão, otimizar a potência entregue e melhorar o conforto na operação dos motores. O uso de plataformas de simulação em tempo real melhora a segurança na implementação e no refinamento de novas estratégias de controle, especialmente na malha da relação ar-combustível, que é crucial para controlar as emissões. As estratégias de controle devem garantir um funcionamento ótimo do motor, mantendo a operação e o seguimento das referências impostas para seu correto funcionamento, especialmente a do fator lambda, assegurando um desempenho tanto em estado transitório quanto estável. É fundamental identificar um modelo com um alto grau de correlação com o sistema real para implementar estratégias de controle adequadas, permitindo avaliar a robustez do modelo e do controlador em condições extremas e repetitivas, o que é impraticável no mundo real. Esta pesquisa desenvolveu e implementou uma plataforma Hardware-in-the-Loop (HIL), a qual permite validar os modelos em cenários virtuais mais próximos da realidade. Além disso, identificou-se um modelo não linear NARMAX para a válvula borboleta por meio da metodologia de caixa preta, além de ajustar um modelo para a relação ar-combustível (AFR) em um motor de combustão interna utilizando a metodologia de caixa branca. Esses modelos foram avaliados e validados em simulação em malha aberta e fechada por meio de Model-in-the-Loop (MIL), Software-in-the-Loop (SIL) e Hardware-in-the-Loop (HIL), juntamente com um controlador PID e um compensador de tempo morto Smith para a gestão da AFR. Os resultados mostraram uma boa correlação nos três cenários avaliados para a válvula borboleta, e a relação AFR foi validada em MIL por meio de um controlador de ganho programado, emulando o comportamento das ECUs comerciais e otimizando o desempenho para diferentes cenários dinâmicos.