O que é ECU? Como elas funcionam?

Em Mecânica e manutenção de veículos por André M. Coelho

O uso do termo ECU pode ser usado para se referir a uma Unidade de Controle do Motor, porém a ECU também se refere a uma Unidade de Controle Eletrônico (Electronic Control Unit), que é um componente de qualquer sistema mecatrônico automotivo, não apenas para o controle de um motor.

O que é ECU?

Na indústria automotiva, o termo ECU geralmente se refere a uma unidade de controle do motor (ECU) ou a um módulo de controle do motor (ECM). Se esta unidade controla tanto um motor quanto uma transmissão, ela é freqüentemente descrita como um Módulo de Controle de Trem de Força (Powertrain Control Module – PCM). Para os fins deste artigo, discutiremos a ECU como uma unidade de controle do motor.

O que faz uma central ECU?

Fundamentalmente, a ECU do motor controla a injeção do combustível e, nos motores a gasolina, o momento da ignição para acendê-lo. Ele determina a posição dos internos do motor usando um sensor de posição do virabrequim para que os injetores e o sistema de ignição sejam ativados precisamente no momento correto. Embora isso pareça algo que pode ser feito mecanicamente (e foi no passado), agora há um pouco mais do que isso.

Um motor de combustão interna é essencialmente uma grande bomba de ar que se alimenta usando combustível. À medida que o ar é sugado, deve-se fornecer combustível suficiente para criar energia para sustentar a operação do motor, enquanto sobra uma quantidade útil para impulsionar o carro quando necessário. Essa combinação de ar e combustível é chamada de “mistura”. Muita mistura e o motor estará a todo vapor, muito pouca e o motor não será capaz de se alimentar sozinho ou do carro.

Não é apenas a quantidade de mistura importante, como também a proporção dessa mistura tem que estar correta. Demasiado combustível e muito pouco oxigênio e a combustão está suja e desperdiçadora. Muito pouco combustível e muito oxigênio torna a combustão lenta e fraca.

Os motores costumavam ter essa quantidade de mistura e proporção controlada por um dispositivo de medição totalmente mecânico chamado carburador, que era pouco mais que uma coleção de furos de diâmetro fixo (jatos) através dos quais o motor “sugava” o combustível. Com as exigências dos veículos modernos, com foco na eficiência de combustível e menores emissões, a mistura deve ser mais rigidamente controlada.

A única maneira de atender a esses requisitos rigorosos é entregar o controle do motor a uma ECU, a unidade de controle do motor. O ECU tem o trabalho de controlar a injeção de combustível, ignição e auxiliares do motor usando equações armazenadas digitalmente e tabelas numéricas, em vez de por meios analógicos.

Entenda as funções e usos para a ECU e compreenda melhor o funcionamento do seu veículo. (Foto: RepairPal)

Sensores do carro, moto, caminhão ou caminhonete e a ECU

Uma ECU tem que lidar com muitas variáveis ao decidir a proporção correta da mistura. Algumas dessas variáveis são as seguintes:

Demanda do motor
Temperatura do motor / líquido de arrefecimento
Temperatura do ar
Temperatura do combustível
Qualidade do combustível
Restrição do filtro de variação
Pressão do ar
Eficiência de bombeamento do motor

Estes requerem um número de sensores para medir tais variáveis e aplicá-las à lógica na programação da ECU para determinar como compensá-las corretamente.

Um aumento na demanda do motor (como aceleração) exigirá um aumento na quantidade total de mistura. Por causa das características de combustão dos combustíveis em uso, também requer uma mudança na relação dessa mistura. Quando você pressiona o pedal do acelerador, a aba do acelerador se abre para permitir mais ar para o motor. O aumento no fluxo de ar para o motor é medido pelo sensor Mass Air Flow (MAF) para que a ECU possa alterar a quantidade de combustível injetado, mantendo a proporção da mistura dentro dos limites.

Para obter melhores níveis de potência e combustão segura, a ECU deve alterar a proporção da mistura e injetar mais combustível sob aceleração total do que durante o cruzeiro. Isso é chamado de “mistura rica”. Por outro lado, uma estratégia de abastecimento ou uma falha que resulte em menos do que uma quantidade normal de combustível sendo injetado resultaria em uma “mistura pobre”.

Além de calcular o abastecimento baseado na demanda do motorista, a temperatura tem um papel considerável a desempenhar nas equações usadas. Como a gasolina é injetada como um líquido, a evaporação deve ocorrer antes de entrar em combustão. Em um motor quente, isso é fácil de administrar, mas em um motor frio o líquido tem menos chance de vaporizar e mais combustível deve ser injetado para manter a proporção da mistura dentro da faixa correta para a combustão.

Antes do uso da ECU, essa função era gerenciada por um afogador no carburador. Este estrangulamento era simplesmente uma aba que restringia o fluxo de ar para o carburador, aumentando o vácuo nos jatos para promover mais fluxo de combustível. Esse método muitas vezes era impreciso, problemático e exigia um ajuste regular. Muitos eram ajustados manualmente pelo motorista durante a condução.

A temperatura do ar também desempenha um papel na qualidade da combustão da mesma maneira que a variação da pressão atmosférica.

Aperfeiçoando a combustão

Como um motor de carro gasta a maior parte do tempo em aceleração parcial, a ECU concentra-se na eficiência máxima nessa área. A mistura ideal, onde todo o combustível injetado é queimado e todo o oxigênio é consumido por esta combustão, é conhecido como “estequiométrico” ou, muitas vezes, como “Lambda”. Em condições estequiométricas, Lambda é igual a 1,0.

O sensor de oxigênio do gás de escape (sensor Lambda, sensor O2, sensor de oxigênio ou HEGO) mede a quantidade de oxigênio que sobra após a combustão. Isto diz ao motor se existe um excesso de ar na relação de mistura e naturalmente, se há combustível excessivo ou insuficiente sendo injetado. A ECU lerá esta medição e ajustará constantemente a quantidade de combustível injetada para manter a mistura o mais próxima possível de Lambda igual a 1,0. Isso é conhecido como operação de “ciclo fechado” e é uma contribuição importante para a eficiência avançada proveniente do uso de ECUs de motor.

Por causa das normas de emissões rigorosas agora em vigor, existem muitos outros sistemas em um motor que ajudam a reduzir o consumo de combustível e/ou o impacto ambiental. Esses incluem:

Recirculação de Gás de Escape (EGR)
Conversor Catalítico e Redução Catalítica Seletiva
Reação de injeção de ar de exaustão (AIR)
Filtros de Partículas Diesel (DPF)
Estratificação de Combustível
Injeção Aditiva de Escape
Controle de emissões por evaporação (EVAP)
Turbocompressão e Sobrealimentação
Sistemas de powertrain híbrido
Controle Valvetrain Variável (como VTEC ou MultiAir)
Controle de Admissão Variável

Cada um dos sistemas acima afeta a operação do motor de alguma forma e, consequentemente, precisa estar sob controle total da ECU.

Como funciona uma ECU?

Uma ECU é muitas vezes referida como o “cérebro” do motor. É essencialmente um computador, um sistema de comutação e um sistema de gerenciamento de energia em um caso muito pequeno. Para executar mesmo em um nível básico, ele deve incorporar 4 áreas diferentes de operação.

Entrada

Isso normalmente inclui sensores de temperatura e pressão, sinais ligado/desligado e dados de outros módulos dentro do veículo e é como uma ECU coleta as informações necessárias para tomar decisões.

Um exemplo de uma entrada seria um sensor de temperatura do líquido de arrefecimento ou um sensor de posição do pedal do acelerador. Solicitações do módulo do Sistema de Freio Antitravamento (ABS) também podem ser consideradas, como para a aplicação do controle de tração.

Processamento

Uma vez que os dados tenham sido coletados pela ECU, o processador deve determinar as especificações de saída, como a largura de pulso do injetor de combustível, conforme indicado pelo software armazenado na unidade.

O processador não apenas lê o software para decidir a saída apropriada, mas também registra suas próprias informações, como ajustes de mistura aprendidos e quilometragem.

Saída

A ECU pode então executar uma ação no motor, permitindo que a quantidade correta de energia controle precisamente os atuadores.

Estes podem incluir o controle da largura de pulso do injetor de combustível, o tempo exato do sistema de ignição, a abertura de um corpo de borboleta eletrônico ou a ativação de um ventilador de resfriamento do radiador.

Gerenciamento de energia

A ECU tem muitos requisitos internos de energia para as centenas de componentes internos funcionarem corretamente. Além disso, para que muitos sensores e atuadores funcionem, a tensão correta deve ser fornecida pela ECU para os componentes ao redor do carro. Isso poderia ser apenas um constante 5 Volts para sensores, ou mais de 200 Volts para os circuitos de injetor de combustível.

Não apenas a tensão tem que ser corrigida, como também algumas saídas precisam lidar com mais de 30 amperes, o que naturalmente cria muito calor. O gerenciamento térmico é uma parte fundamental do design da ECU.

Função ECU Básica

A primeira etapa da operação da ECU é de fato o gerenciamento de energia. É aqui que várias tensões são reguladas e o acionamento da ECU é tratado. A maioria das ECUs possui gerenciamento de energia sofisticado devido à variedade de componentes internos, regulando com precisão 1.8V, 2.6V, 3.3V, 5V, 30V e até 250V, todos da fonte de 10V a 15V do carro. O sistema de gerenciamento de energia também permite que a ECU tenha controle total sobre quando ela se desliga – ou seja, não necessariamente quando você desliga a chave de ignição.

Quando as tensões corretas forem fornecidas, os microprocessadores podem começar a inicializar. Aqui, o microprocessador principal lê o software da memória e executa uma verificação automática. Em seguida, ele lê os dados dos inúmeros sensores no mecanismo e os converte em informações úteis. Esta informação é frequentemente transmitida através do CANbus, que é a rede interna do seu carro, para outros módulos eletrônicos.

Uma vez que o microprocessador principal tenha interpretado essa informação, ela se refere às tabelas numéricas ou fórmulas dentro do software e ativa as saídas conforme necessário.

A operação do processador principal dentro da ECU e a ativação de muitas saídas é supervisionada por um microprocessador de monitoramento que é, essencialmente, um segundo computador que garante que o computador principal esteja fazendo tudo corretamente. Se o microprocessador de monitoramento não estiver satisfeito com qualquer aspecto da ECU, ele terá o poder de reinicializar todo o sistema ou desligá-lo completamente. O uso do processador de monitoramento tornou-se imperativo com a aplicação do controle de aceleração devido a preocupações de segurança, caso o microprocessador principal desenvolva uma falha.

Diagnóstico de uma ECU e periféricos

A complexidade da implementação de todo esse controle, todas essas entradas e todas essas saídas requer capacidade de autodiagnóstico relativamente avançada, onde o diagnóstico tradicional do mecanismo se torna obsoleto. As entradas e saídas de uma ECU são monitoradas individualmente pelo processador, muitas vezes dezenas de vezes por segundo, para garantir que estejam dentro das tolerâncias definidas no software. Se uma leitura do sensor ficar fora dessas tolerâncias pelo período de tempo predeterminado, uma falha será registrada e um código de falha será armazenado para recuperação pelo técnico.

Códigos de falha da ECU

Quando um código de falha é armazenado na memória, geralmente resulta em alguma lógica dentro do software sendo ignorada com eficiência reduzida do motor, embora o mecanismo ainda possa funcionar em um nível básico. Em algumas circunstâncias, a rotina de autodiagnóstico descobre uma falha grave que, fundamentalmente, impede a operação do motor ou desliga o motor por questões de segurança.

Com o moderno gerenciamento do motor, a primeira etapa de diagnóstico de falhas para um técnico de veículo é acessar os códigos de falha da memória da ECU. Estes são frequentemente armazenados como códigos alfanuméricos de 5 dígitos, começando com P, B, C ou U, seguidos por 4 números. Esses códigos são descritos como códigos OBD ou OBDII, que unificam a denominação dos códigos.

Além desses códigos, o técnico também pode visualizar os dados do sensor ao vivo por meio da ferramenta de diagnóstico enquanto o veículo está em funcionamento. Isso permite que eles vejam uma leitura do sensor incorreta, mas não fora da tolerância por uma margem suficiente para sinalizar um código de falha.

Controle Eletrônico de Aceleração

Muitas pessoas questionam a necessidade do controle eletrônico do acelerador. Introduzido nos anos 90, agora está equipado com quase todos os motores produzidos hoje, mas quais são as vantagens em relação a um cabo tradicional?

Até os anos 80, a maior parte do controle do acelerador era gerenciado com um cabo do pedal até o carburador. A marcha lenta foi ajustada simplesmente ajustando um parafuso para manter a aba do acelerador aberta levemente até que o motor funcionasse corretamente. Esse método simples exigia o ajuste regular da velocidade de marcha lenta e estava propenso a desvios quando o motor estava frio ou quando várias partes se desgastavam.

Na década de 1980, com a introdução das ECUs, foram introduzidas válvulas eletrônicas de controle de ar ocioso que resolveram muitas dessas questões, mas a ECU agora controlava parte do fluxo de ar e ainda assim todos os outros componentes permaneciam.

Com a eficiência da operação do motor e a eficiência na montagem do carro, o controle eletrônico do acelerador foi introduzido. Isso acelerou a fabricação de um carro (sem cabos de aceleração rígidos passando pelo firewall), removeu a necessidade de uma válvula de Controle de Ar em Marcha Lenta e permitiu que a ECU do motor controlasse o motor para melhorar a função de EGR, controle aprimorado do desligamento do motor e melhorado começando.

Uma vantagem importante do controle eletrônico 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. Isso melhora a velocidade com que o ar passa pela entrada e proporciona ganhos de torque e dirigibilidade. Isso é conhecido como mapeamento de torque e só é possível com o controle eletrônico do acelerador.

Adaptações na ECU

Os veículos modernos são fabricados com tolerâncias muito menores do que as do passado, mas ainda são suscetíveis à variação de fabricação, desgaste mecânico e aspectos ambientais. Como tal, eles são capazes de se adaptar a mudanças graduais no funcionamento do motor.

Exemplo. Como um filtro de ar fica bloqueado pela poeira, a ECU pode ligar o motor com uma quantidade de injeção de combustível ligeiramente reduzida para compensar. Isso permite que ele atue com eficiência máxima desde a partida do motor, em vez de começar nos níveis de fábrica e trabalhar em direção à mistura ideal em cada jornada. Isso é feito armazenando os valores do Lambda em viagens anteriores.

Essas adaptações não se aplicam apenas a filtros de ar bloqueados, mas a muitos sistemas em um motor ou transmissão. Como os componentes dos sistemas hidráulicos se desgastam, eles exigem mudanças no tempo de ativação do solenoide 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 aba do acelerador terá de mudar para manter a velocidade de marcha lenta correta.

É possível também fazer melhorias e mudanças na ECU para modificar o desempenho do veículo. Por exemplo, é possível reduzir o tempo que demora da pisada no acelerador até a entrega da aceleração para as rodas, dentro outras modificações.

Ficou alguma dúvida sobre o ECU? Deixem nos comentários suas perguntas!

Sobre o autor

O pai de André já teve alguns carros clássicos antes de falecer, como Diplomata, Chevette e Opala. Após completar 18 anos, tirou carteira de moto e carro, comprando então sua primeira moto, uma Honda Sahara 350. Fez um curso de mecânica de motos para começar uma restauração na moto, e acabou aprendendo também como consertar alguns problemas de carros. Seu primeiro carro foi uma Nissan Grand Livina de 2014 e pretende em breve comprar uma picape diesel. No caminho, vai compartilhando tudo que aprende no site Carro de Garagem.

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