Tese de Doutorado

A indústria automotiva utiliza amplamente motores com sistemas de injeção direta de combustível para reduzir consumos e emissões. Quando equipados com um turbocompressor, podem ser reduzidos em tamanho e peso, tornando-o o melhor parceiro do motor elétrico em um veículo híbrido. A alta pressão de combustível é uma característica essencial na Injeção Direta e um sistema de controle eficiente para manter sua precisão é indispensável para garantir a correta atomização durante a injeção do combustível na câmara de combustão. O objetivo e principal contribuição desta tese é projetar e testar um controlador que apresente bom desempenho em todos os pontos de operação de um motor, com um único conjunto de parâmetros de ajuste. A técnica de controle escolhida foi o model-free control com estimadores algébricos para estimar as não linearidades e dinâmicas desconhecidas da planta em tempo real. Um modelo matemático da dinâmica do sistema de Injeção Direta foi definido para simular o sistema de controle no Matlab/ Simulink, obtendo-se excelentes resultados. A validação experimental foi realizada em uma bancada de testes do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), confirmando que o model-free é capaz de entregar eficiência em situações reais. Um protótipo de um sistema de Injeção Direta - uma ferramenta essencial para pesquisa e ensino - foi construído utilizando componentes do mesmo motor de três cilindros utilizado no IPT, criando a possibilidade de testar controladores e esquemas de injeção.

The automotive industry widely uses vehicles with engines equipped with Direct Injection fuel systems, aiming to reduce consumption and emissions. When fitted with a turbocharger, these engines can be downsized, becoming a hybrid vehicles best electrical motor partner. High fuel pressure is an essential feature in direct injection, and an efficient control system to keep its accuracy is mandatory to ensure the correct atomization during fuel injection into the combustion chamber. This thesis pursued goal and main contribution are to design and test a controller that exhibits good performance but with a unique set of adjustment parameters in a broad range of operational engine points; the chosen framework is the model-free control with algebraic estimators to estimate the plant nonlinearities and unknown dynamics in real-time. A mathematical model of the direct injection system dynamics is defined to simulate the system using model-free control in Matlab/Simulink, gathering excellent results. Experimental validation in a test bench at the Technological Research Institute (IPT) confirms that Model-free could perform efficiently in actual situations. A prototype of a direct injection system - an essential tool for research and teaching - was built using genuine three-cylinder engine components, bringing the possibility of testing controllers and injection schemes.