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GEM30 - Máquinas Térmicas

Prof. João Marcelo Vedovoto E-mail: jmvedovoto@mecanica.ufu.br

Sala: 305 – Laboratório de Mecânica dos Fluidos – 5P

Uberlândia, 04 de Setembro de 2013.

Qualidade de ignição Número de cetano - revisão

• O número de cetano mede a qualidade de ignição do óleo diesel e tem influência direta na partida do motor, no funcionamento sob carga e nas emissões;

• A autoignição está relacionada a fragmentação de moléculas, e em motores diesel, a fragmentação fácil das moléculas de combustível é desejável porque intensifica a combustão;

• O número de cetano aumenta com tendência de fragmentação, em oposição à octanagem

Qualidade de ignição Número de cetano

• A figura abaixo representa a relação entre a estrutura e o comprimento da cadeia carbônica, com a temperatura de auto-ignição

• Fisicamente, número de cetano é o tempo decorrido entre o início da injeção de combustível e o início da combustão, e é também denominado como “atraso de ignição”.

• Como visto, quanto maior o número de cetano, menor o atraso de ignição (melhor qualidade de ignição) e maior a resistência à “batida diesel”.

• Contrariamente, com um menor número de cetano, o atraso é maior, e consequentemente a batida diesel é mais provável de acontecer;

• Combustíveis com número de cetano adequado apresentam melhor partida a frio, menor erosão nos pistões, menor tendência a depósitos na CC, menor consumo e emissões mais controladas;

• Emissões:

– CO, que se origina de altas temperaturas e mistura rica;

– HC, que se originam em baixas temperaturas e mistura rica;

– Nox, cuja formação é favorecida pelas altas temperaturas de combustão, presença de oxigênio e particulados;

– Particulados, gerados em altas temperaturas e misturas ricas (localizadas)

Número de cetano e sua influência na combustão

• Em geral, as especificações de NC no mundo estão na faixa de 40 a 55;

• Atrasos menores fazem com que a taxa de entrega de calor na combustão seja mais progressiva, fazendo com que o gradiente de subida de pressão na câmara seja também mais lenta, diminuindo o ruído gerado pelo motor.

• Outra maneira de se reduzir o atraso na ignição é através do uso de sistemas “common rail”, os quais permitem o artifício de pré-pulsos.

Compostos oxigenados

• Álcoois:

– Essencialmente com cadeias de 1-5 carbonos;

• Metanol: obtido de gás de síntese CO+H2, gás natural, carvão. Com baixa solubilidade em gasolinas, utiliza-se com algum solvente como o etanol;

• Etanol: Obtido através da fermentação natural de açucares, ou pela hidrólise enzimática de celulose;

• Mistura Acetona-Butanol-Etanol – ABE: Usado na Europa e obtido da fermentação anaeróbica de diversos componentes, tais como raízes, celulose, grãos, tubérculos com alto teor de açucares

• Éteres:

– Melhor miscibilidade, em função da maior semelhança molecular com a gasolina;

• MTBE: obtido através da reação do metanol com isobuteno;

• ETBE: obtido através da reação do etanol com isobuteno;

• TAME: obtido de maneira similar ao MTBE e ETBE, porém mais pesado.

Compostos oxigenados

Compostos oxigenados Principais propriedades

• Apesar de seu baixo poder calorífico, o calor de mistura é alto, pois a pequena razão ar-combustível exige a adição de maior volume de combustível para o mesmo volume de ar aspirado;

• Como são utilizados principalmente em misturas com gasolinas comerciais, deve-se levar em conta a mudança na relação ar-combustível da mistura;

• Por exemplo, a gasolina, no Brasil recebe 22-25% e etanol anidro e sua relação ar-combustível fica em torno de 13,3kg de ar para 1kg de combustível.

• Comparado a hidrocarbonetos, os oxigenados possuem banda de inflamabilidade muito maior, melhorando a dispersão cíclica da combustão nos motores.

• Apesar deste ganho, tornam-se facilmente inflamáveis, mesmo em misturas muito ricas críticos em termos de segurança;

• O alto calor de vaporização permite um maior enchimento dos motores, isto é, durante a dinâmica de vaporização das gotículas no ciclo de admissão do motor, mais calor é retirado do ar.

• O ar então é “resfriado”, aumentando a massa específica, e assim aumentando a eficiência volumétrica, gerando mais energia.

Octanagem

• Como a detonação é função da temperatura na câmara de combustão, o resfriamento causado pelo alto calor latente de vaporização diminui esta tendência, fazendo com que a octanagem suba.

Óleos vegetais

• A estrutura básica dos óleos e gorduras são os triglicerídios, que dependendo do comprimento da cadeia carbônica do ácido graxo podem ser líquido ou sólido (gorduras);

• Podem ser saturados ou insaturados (duplas cadeias carbônicas). A medida que as insaturações aumentam, a viscosidade e o ponto de fusão diminuem;

• O uso de óleos vegetais puros, ou em misturas com óleo diesel geram uma variedade de problemas práticos devido a sua combustão incompleta, a saber:

– Dificuldade de partida a frio;

– Formação de depósitos de coque nos bicos injetores limpezas frequentes

Óleos vegetais

• O uso de óleos vegetais puros, ou em misturas com óleo diesel geram uma variedade de problemas práticos devido a sua combustão incompleta, a saber (continuação):

– Formação excessiva de depósitos nos cilindros que dificultam trocas térmicas e aumentam a participação de hidrocarbonetos não queimados ou parcialmente queimados nos gases de escapamento

– Diluição do combustível não queimado ao óleo lubrificante, reduzindo o período de troca da carga e de filtros;

– Entupimento dos canais de lubrificação pela formação de polímeros em suas extensões

Biodiesel

• O biodiesel é obtido pela alteração da estrutura química das gorduras de origem animal e vegetal por um processo de transesterificação ou pela esterificação direta de seus ácidos graxos, produzindo ésteres de cadeias menores;

Biodiesel

• Os processos de transesterificação e de esterificação ocorrem na presença de álcoois que, por conveniência, costumam ser de cadeias curta (metanol ou etanol) e de catalisadores;

• A alta viscosidade dos óleos vegetais, que também são ésteres, está intimamente relacionada com a presença do glicerol em sua molécula e a alta massa específica ao tamanho desta molécula (aproximadamente 50 átomos de carbono);

• A transesterificação retira o glicerol do restante da molécula do óleo vegetal, o que reduz significativamente sua viscosidade, e separa os radicais ácidos diminuindo o tamanho da cadeia molecular a praticamente um terço.

– Viscosidade cinemática do óleo vegetal de colza (20C):~71,5 cSt;

– Viscosidade cinemática do biodiesel de colza (20C):~7,0 cSt;

– Viscosidade cinemática do óleo diesel (20C):~3,7 cSt.

Vantagens do Biodiesel

• Em geral, nenhuma modificação é necessária no motor para usar biodiesel. O menor poder calorífico é compensado pela maior massa específica;

• São perfeitamente miscíveis ao óleo diesel;

• Os números de cetano dos ésteres de óleos vegetais são, em geral, mais elevados que o do óleo diesel comercial;

• Como é um composto oxigenado, potencializa a redução de produção de CO e de material particulado no escapamento, promovendo facilidades para uso de catalisadores;

Vantagens do Biodiesel

• Os teores de enxofre e de aromáticos praticamente nulos tornam os ésteres muito indicados aos desenvolvimentos recentes de sistemas de pós tratamento dos gases de escapamento;

• As lubricidades características dos biodieseis são, invariavelmente mais elevadas que as do óleo diesel, reduzindo desgastes nos componentes de sistemas de injeção

• O ponto de fulgor é mais elevado que o do óleo diesel, o que lhe atribui a condição de combustível seguro.

Precauções de uso do Biodiesel

• Alguns tipos de tintas são “atacados” por biodiesel;

• Alguns elastômeros não tem afinidade química com o biodiesel;

• É comum observar formação de depósitos na região da válvula de admissão;

• O óleo lubrificante diluído com biodiesel tem suas capacidades dispersantes e detergentes reduzidas;

• Alguns tipos são altamente higroscópicos (ex: biodiesel de mamona)

Precauções de uso do Biodiesel

• Os biodieseis se oxidam e degradam rapidamente. Isto é bom do ponto de vista ambiental, mas dificulta seu armazenamento. É necessário o uso de aditivos antioxidante como por exemplo a hidroquina;

• O processo de transesterificação gera grandes quantidades de glicerina (~10% da massa do biodiesel produzido)

Introdução

• Serão apresentados:

– Sistemas de preparação da mistura ar-combustível;

– Sistema de ignição

Introdução

• Em motores de ignição comandada é queimada uma mistura de ar-combustível:

• Mistura pobre:

– É fornecido menos combustível do que o necessário para a mistura estequiométrica;

– Motor apresenta menor potência.

• Mistura rica:

– É fornecido mais combustível do que o necessário para mistura estequiométrica;

– O excedente de combustível não pode ser queimado;

– Ocasiona maior consumo e produção de hidrocarbonetos não queimados nos gases de escape (poluentes).

Introdução

• Na prática, prevalece a maior potência:

– Mistura “levemente” rica;

• Motores a gasolina podem funcionar desde os limites da relação A/F=9, até A/F=19;

• Para se obter:

– Menor consumo A/F=16;

– Maior potência A/F=13;

Introdução

• O sistema que fornece a mistura A/F ao motor deve ser capaz de:

– Criar diferentes riquezas da mistura;

– Fornecer diferentes vazões;

• Existem basicamente dois sistemas para dosagem da mistura:

– Carburadores;

– Sistemas de injeção.

Introdução

• Carburadores:

– Passa uma certa quantidade de ar aspirado pelo motor em movimento;

– Então uma certa quantidade de gasolina é sugada e misturada nesta corrente de ar.

• Sistemas de injeção:

– Mede-se a quantidade de ar que entra no motor;

– Uma quantidade proporcional de gasolina é injetada, ou no duto de admissão de ar, ou diretamente no dentro do cilindro.

Introdução

• Os combustíveis dos motores de ignição comandada:

– Derivados do petróleo: gasolina;

– Biocombustíveis: etanol.

• Propriedades importantes dos combustíveis:

– Temperatura de ebulição (volatilidade):

• O combustível deve vaporizado antes de ser queimado;

• É importante que o combustível seja vaporizado em uma manhã fria de inverno e não evapore no depósito durante as altas temperaturas do verão;

• Portanto a composição da gasolina varia de país para país e de estação para estação.

Introdução

• Propriedades importantes dos combustíveis:

– Índice de octano ou octanagem:

• O combustível da mistura deve suportar altas pressões e temperaturas sem explodir por si só;

• Uma gasolina com alta octanagem não produz mais potência;

• O motor que deve ser projetado para ter uma taxa de compressão maior e, consequentemente, maior potência;

• Normalmente, o índice de octano requerido por um dado motor aumenta com o passar do tempo (10 a 20 mil quilômetros);

– Melhoria da vedação e depósito de resíduos nas paredes dos cilindros, aumentam a taxa de compressão e dificultam a transferência de calor.

Carburador

• A parte principal de um carburador é o duto convergente-divergente, denominado: tubo de Venturi;

Carburador

• Como a área de passagem diminuí, o escoamento de ar é acelerado (conservação de massa) e há uma queda de pressão;

• Essa queda de pressão é que succiona a gasolina para o duto de admissão;

• Um carburador elementar é composto por:

– Cuba: uma quantidade de gasolina é mantida à um determinado nível por meio de uma bóia e uma válvula de agulha;

– Pulverizador: localizado no ponto mais estreito do Venturi, é o duto onde o combustível é introduzido junto ao ar;

– Calibre ou “gicleur”: formado por um orifício calibrado, de forma a impor uma maior queda de pressão com o aumento da vazão de combustível;

– Válvula borboleta: dosar a vazão da mistura, ligada ao acelerador.

Carburador

• Um carburador elementar é composto por:

Carburador

• A vazão de gasolina depende da queda de pressão do ar no Venturi;

• Mas aumenta mais rapidamente que a vazão de ar:

– Origina misturas mais ricas com o aumento da vazão de ar;

• Com um carburador elementar não se consegue obter uma mistura constante A/F;

• E para diferentes condições de funcionamento, o motor necessita de diferentes valores de mistura;

Carburador

• Quando um motor trabalha a frio:

– É preciso fornecer-lhe mais gasolina que o normal, mistura rica, já que não tem calor para a vaporização;

– Com mais gasolina, os componentes mais voláteis evaporam, mesmo a baixa temperatura;

– A gasolina líquida que entra nos cilindros, pode passar pelos segmentos dos pistões e misturar com o óleo lubrificante, ou ser expelida junto com os gases de escape;

Carburador

• Quando um motor trabalha a frio:

– A medida que o motor aquece, uma maior proporção de gasolina é vaporizada e não há mais necessidade de uma mistura rica;

• Quando o motor trabalha em marcha lenta:

– Também é necessária uma mistura rica;

– Como a válvula do acelerador está, praticamente, fechada, a pressão existente no coletor de admissão é muito baixa;

– No escape a pressão é um pouco maior;

• Quando se requer o máximo de potência do motor:

– A limitação é a quantidade de ar que ele pode admitir;

– Se o carburador ou o injetor fornecesse a mistura totalmente vaporizada, esta iria ocupar um volume significativo no cilindro, e menos ar seria admitido no motor;

– Resultando em perda de potência;

Carburador

– Nessas condições, grande parte da gasolina que passa pela válvula de admissão é líquida e vaporiza-se durante o processo de compressão, ou mesmo, durante a combustão;

– Quando a válvula do acelerador está totalmente aberta é que se dá o fenômeno da detonação;

• É uma situação bastante destrutiva, que se minimiza não deixando entrar gasolina líquida nos cilindros;

• A gasolina ao ser vaporizada baixa a temperatura das paredes do cilindro;

– Motores com injeção multiponto são menos propensos ao fenômeno da detonação, pois a gasolina é injetada próximo aos cilindros a uma temperatura mais baixa;

– Dessa forma motores com MPI permitem uma maior taxa de compressão e tem maior rendimento e potência;

Carburador

• Quando se requer velocidade constante, não máxima, o fator predominante é a economia de combustível:

– Deve-se admitir uma mistura pobre;

• Desaceleração:

– Não interessa que haja combustão;

– Somente ar, não misturado com gasolina, deve ser aspirado;

– Se alguma gasolina entrar no cilindro, nessa condição, ele não queimará;

Carburador

• Antes das normas sobre controle de poluição serem tão severas, o uso dos carburadores era quase universal;

• Este componente tinha a função de corrigir a mistura A/F de acordo com as especificações requeridas, descritas anteriormente;

• Porém para melhorar a otimização dos catalizadores é necessário uma mistura mais próxima da estequiométrica:

– Surgimento dos sistemas de injeção.

Carburador

• Arranque a frio: enriquecer a mistura;

– Consegue através do fechamento da válvula “choke” ou limitadora de ar, afogador;

– Com essa válvula fechada a pressão baixa muito no Venturi do carburador;

– Resulta em um aumento da vazão de gasolina;

– Esta válvula é comandada por um botão ou pela temperatura do motor:

• Uma mola termostática fecha a válvula quando o motor está frio e abre progressivamente com a elevação da temperatura dos gases de escape ou do fluido de arrefecimento;

Carburador

• Arranque a frio, afogador:

Carburador

• Marcha lenta ou circuito mínimo: enriquecer a mistura:

– Quando a válvula borboleta está fechada, o ar que passa não é suficiente para reduzir a pressão no Venturi;

– Um circuito auxiliar de fornecimento de gasolina deve ser usado, chamado de “circuito de marcha lenta”;

– O combustível é fornecido perto da posição onde a borboleta permite a passagem do ar necessário para o ponto morto;

Carburador

• Carburador SU, a função também é corrigir a mistura A/F;

– O Venturi não é fixo, chamado de “Venturi variável”;

– Tem um êmbolo que produz a variação de área do duto;

– Solidária com o êmbolo, existe uma agulha que trabalha em uma sede (assento) circular;

– A seção transversal da agulha é variável;

– Permitindo maior ou menor vazão de combustível.

Carburador

• Carburador SU, a função também é corrigir a mistura A/F;

– A posição do êmbolo é determinada:

• Pelo peso e força da mola;

• Diferença de pressões na sua parte inferior e superior;

– Não precisa do circuito de marcha lenta, a largura da agulha, mais o fato do êmbolo descer é suficiente para produzir a mistura requerida;

Carburador

• Carburador SU:

– O enriquecimento de aceleração é também conseguido automaticamente;

– Limitando a velocidade de subida do êmbolo, usando um amortecedor hidráulico;

– Quando a borboleta abre rapidamente, uma baixa pressão estabelece na zona da agulha, aumentando a vazão de gasolina antes do êmbolo subir;

– O enriquecimento a baixas temperaturas consegue-se baixando a sede da agulha;

– Assim uma área maior existirá entre a agulha e a sede, resultando em maior vazão de combustível.

Carburador

• Vantagens:

– Sistemas baratos;

– Confiáveis;

– Praticamente universais, podem ser usados em diferentes motores sem modificações;

• Desvantagens:

– Possui uma restrição no duto (Venturi), a qual diminui a potência máxima;

– Incapaz de produzir uma mistura A/F com suficiente precisão;

Carburador

• O problema da restrição resolve-se:

– Aumentando o diâmetro do tubo, o que leva a deficiência de funcionamento a baixas cargas;

– Carburadores de corpo duplo ou Venturis duplo:

• Um lado funciona para baixas cargas e o outro é acionado quando se aperta mais o acelerador;

Carburador

• O problema da restrição resolve-se:

– Normalmente é preciso fornecer a mistura A/F para um conjunto de cilindros e isto é feito por um único carburador;

– Aceleração, frenagem ou curvas resulta que a gasolina líquida possa ser desviada para algum cilindro em detrimento dos demais;

• Estes mesmos problemas podem alterar o nível da cuba do carburador, gerando um descontrole da mistura;

• Outro problema é o arranque a quente:

– Com o coletor de admissão aquecidos transmite calor para o carburador, vaporizando a gasolina presente;

– Como os vapores de gasolina são mais densos que o ar, ao serem produzidos, enchem todo o volume do coletor de admissão, deslocando o ar que ali se encontrava;

Carburador

• Quando se tenta religar o motor, toda a gasolina vaporizada, que não se encontra misturada com ar e não queima, tem que ser aspirada pelo motor, sem este funcionar;

• Outra desvantagem é a regulação da mistura com a altitude e pressão atmosférica:

– Quando um motor funciona em menor pressão, a mistura fica mais rica, em virtude dos carburadores medirem a vazão volumétrica e não mássica;

– Alguns carburadores apresentam sistemas de compensação de altitude, mecânicos ou eletrônicos.

Sistemas de injeção

Sistema de injeção

• A injeção de combustível dentro da câmara de combustão dos motores:

– Dispensa a restrição dos carburadores;

– A gasolina (não vaporizada) não ocupa lugar, deixando mais ar entrar no motor;

– A taxa de compressão pode ser aumentada em virtude da gasolina ao ser injetada baixar a temperatura da mistura;

• Apareceu o sistema de injeção direta;

– O primeiro foi desenvolvido pela Bosch que equipou o primeiro carro de série a gasolina com injeção:

• Mercedes-Benz 300SL de 1954;

– Logo a injeção direta deu lugar a injeção indireta, que é como se conhece hoje;

• Os sistema de injeção prometem, simultaneamente:

– Aumentar a potência;

– Baixa o consumo;

– Melhorar a resposta do motor;

– Diminuir a emissão de poluentes.

• Os carburadores não desapareceram por completo, pois os sistemas de injeção são:

– Complexos;

– Muita manutenção;

– Custo.

• Nos sistemas clássicos de injeção indireta o combustível é injetado perto das válvulas de admissão de cada um dos cilindros;

• A injeção pode ser contínua ou pulsante;

• Tem o nome genérico de injeção multiponto:

– MPI: Multi Point Injection;

• Existem sistemas onde só um injetor ocupa o lugar do carburador – injeção monoponto:

– SPI: Single Point Injection ou TBI: Throttle Body Injection;

• Injeção Multiponto

• Os bicos injetores podem produzir um spray

– Mais atomizado: tem mais facilidade para vaporizar;

– Menos atomizado: tem que ser orientado para um local quente, tal como a traseira da cabeça da válvula de admissão, o que proporciona a vaporização integral da gasolina injetada.

• Os sistemas de injeção tem que medir a vazão mássica de ar e injetar uma quantidade proporcional de gasolina;

• A massa de ar pode ser medida:

– Por um sensor que possui um prato que se movimenta em um duto de seção crescente;

• Na sua posição de repouso, o prato, tapa completamente a entrada e vai se deslocando com a vazão crescente de ar;

• K-Jetronic;

• L-Jetronic.

• Outros sistemas medem a rotação do motor e a posição da válvula borboleta do acelerador;

• Medem a vazão de ar através de um Venturi;

• Todos esses sistemas podem gerar:

– Uma dada pressão de alimentação para os injetores (injeção continua);

– Impulsos de fluxo de duração variável (injeção intermitente);

• Posteriormente, alguns sistemas eletrônicos passaram a medir a vazão de ar pelo método do fio quente:

– Um filamento, de reduzidas dimensões, é mantido em uma certa temperatura;

– O aumento da vazão de ar, implica em uma maior potência elétrica fornecida para o filamento, para que esse se mantenha a dada temperatura;

– O controlador eletrônico converte essa potência em um sinal que é interpretado como uma vazão de ar;

– Determinando a quantidade de ar a ser injetada.

• Existem também os métodos indiretos:

– Em que são medidas a pressão no coletor de admissão e a velocidade do motor;

– Com esses dados é calcula a vazão mássica;

– E, posteriormente, é calculada a vazão de gasolina que deve ser enviada para o injetor

– Este método é conhecido como “medição por velocidade-densidade”;

• Vantagens do sistema de injeção MPI:

– Ótimo controle de riqueza da mistura;

– Maior potência máxima;

– Ótima resposta as solicitações de aceleração;

– Baixo consumo.

• A maior potência se deve:

– A inexistência do Venturi;

– O não aquecimento do coletor de admissão;

– A liberdade de projeto do sistema de admissão, permitindo uma taxa de compressão maior;

• Desvantagens do sistema MPI:

– Custo elevado;

– Um sistema baseado em eletrônica, “delicado”;

– Tem que ser projetado para um determinado motor;

• Injeção eletrônica analógica:

– Após a medição da vazão de ar e de outras variáveis do motor, um circuito eletrônico determina a quantidade de combustível que deve ser injetada;

– Envia essa instrução ao injetor, por meio de impulsos elétricos;

– Abrindo uma eletroválvula e injetando a quantidade exata de gasolina;

• Os injetores eletromagnéticos podem usar pressões bem menores do que os comandados pela pressão da gasolina;

• As informações fundamentais para o controlador eletrônico são:

– Vazão de ar

– Velocidade do motor;

– Temperatura do sistema de arrefecimento;

– Posição e velocidade de abertura da válvula borboleta;

• O sistema eletrônico:

• Uma bomba (2) de gasolina é instalada dentro ou abaixo do reservatório de gasolina;

• A duração do impulso de injeção é calculada pelo controlador (5);

• A partir dos dados de:

– Medidor de vazão (16)

– Posição da borboleta (15)

– Velocidade do motor (24)

– Sensor de temperatura (19)

– Sonda Lambda (18)

• Este sistema ainda conta com:

– Válvula de ar (21) para a marcha lenta;

– Injetor auxiliar (12) para partida a frio;

• Vantagens dos sistemas eletrônicos frente ao mecânico:

– Reduzido número de peças móveis;

– Menor ruído;

– Não necessidade de precisão na fabricação dos componentes;

– Maior controle sobre as condições de operação.

• Com o desenvolvimento dos circuitos integrados, novos sistemas surgiram com:

– Um quarto dos componentes dos antigos;

– Maior confiabilidade;

– Maior flexibilidade de manipulação dos dados;

• Funcionamento:

– O medidor de vazão, indica a quantidade de ar por unidade de tempo;

– O controlador eletrônico tem que calcular a quantidade de gasolina a ser injetada por ciclo;

• Para que o controlador tenha a informação que necessita é necessário entrar com a velocidade do motor nos cálculos;

• Sempre que o virabrequim da meia volta é gerado um impulso elétrico;

• Entre cada dois impulsos elétricos um capacitor (condensador) é carregado e o valor da tensão elétrica (voltagem) no fim da meia volta dá a indicação do inverso da velocidade do motor;

• Multiplicando essa quantidade pelo valor da vazão de ar, chega-se a quantidade de ar admitida por cada cilindro;

• Esses cálculos até a produção do impulso de injeção são feitos com operações nos circuitos integrados;

• As correções, como por exemplo, baixa temperatura, são introduzidas mais tarde no cálculo da duração de injeção.

Injeção eletrônica digital

• Para controlar as emissões de poluentes, segundo a legislação atual, é necessário obter precisão inferior a 1% no teor da mistura para todas as faixas de carga e rotação do motor;

• A forma de se chegar a precisões dessa ordem é calcular e medir o valor exato de combustível a ser injetado;

• Para isso, em vez de serem calculados, os valores A/F são introduzidos na memória do controlador;

• Essa estratégia requer:

– Uma elevada quantidade de dados armazenados em um sistema eletrônico;

– Um sistema de tratamento dessas informações.

• Assim surgiram os sistemas eletrônicos digitais de injeção;

• As quantidades exatas de combustível que devem ser injetadas em diferentes condições de carga e velocidade.

• As quantidades exatas de combustível a ser injetada são determinadas com o motor em uma bancada de testes;

• São guardadas na memória do controlador em forma de tabela com duas entradas;

• Quando o motor está em funcionamento os sensores medem a carga e a velocidade;

• Enviam essa informação para o controlador eletrônico que as compara com valores memorizados;

• Se coincidir com um par de valores previamente ensaiados, a quantidade a injetar será lida diretamente da memória e a injeção decorrerá normalmente;

• Se o par de valores não coincidir com um par memorizado, será efetuada uma interpolação entre os valores memorizados mais próximos, calculando-se a exata massa de gasolina a ser injetada.

• A carga do motor pode ser calculada por instrumentos que medem a pressão do coletor de admissão, a posição da válvula borboleta, ou a vazão de ar;

• Este sinal é analógico e é convertido em digital por meio de um conversor analógico-digital, A/D;

• Os sinais analógicos são simples sinais de tensão elétrica;

• Por exemplo, a carga do motor é medida por um sensor de fio quente:

– Quando não tem ar circulando este sistema de medição apresenta uma tensão de 0 V;

– Quando o máximo de vazão de ar (máximas carga e velocidade) é obtido a tensão máxima é, por exemplo, 5 V;

– Entre estes extremos existe uma variação contínua de possíveis valores, relativos a valores intermediários de vazões de ar;

– No conversor esta tensão é convertida em um valor digital, i.e., em um número inteiro;

• Por exemplo, a carga do motor é medida por um sensor de fio quente:

– 0 V corresponde o valor 0;

– 5 V corresponde o valor 255, se usar um controlador de 8 bits;

– Existem, portanto, 256 diferentes valores nos quais a carga pode ser expressa.

• A memória onde estão guardada as informações sobre a massa de gasolina a injetar chama-se “mapa”;

• Cada coluna representa uma velocidade e cada linha uma carga;

– Com 16 colunas de velocidade e 8 linhas de carga, tem-se 128 diferentes valores memorizados nessa matriz

– Estes valores são obtidos na bancada de testes, a partir das 256 posições do conversor A/D;

• Atualmente (2011), existem controladores com memórias de:

– 16 bits guardam 65.536 valores;

– 32 bits 4,3 x 109 valores distintos;

• Existem algoritmos que “aprendem” com o funcionamento do motor, por exemplo:

– A formulação da gasolina não é constante, varia com a temperatura, de marca para marca, aditivada...

– Dessa forma a relação A/F estequiométrica também varia, fazendo com que o mapa, desenvolvido para uma determinada gasolina, não fiquem mais corretos;

– Os controladores, conseguem verificar a composição da gasolina e ajustar o mapa, isso é feito para cada abastecimento do motor.

• Vantagens, relativamente aos analógicos, os sistemas digitais permitem um controle muito mais apertado da mistura A/F:

– Beneficiando baixas emissões de poluentes, baixo consumo e alto torque;

• Principalmente em condições de baixas temperaturas e aceleração;

• Injeção Monoponto

Injeção monoponto

• A injeção direta de gasolina, foram usadas com o intuito de aumentar a potência do motor;

• A partir da década de 70 foi um meio de permitir a redução de poluentes emitidos;

• Na diminuição de emissões de poluentes, o sistema de controle é mais importante do que o local da injeção de gasolina;

• Daí os construtores optaram pela eliminação dos vários injetores reduzindo os custos.

Injeção monoponto

• A injeção passou a ser feita em um só ponto, no local do carburador:

– Surgiu à injeção monoponto (SPI);

• Com o sistema SPI perde-se a rapidez de resposta dos sistemas MPI:

– A gasolina passa a ser injetada longe das válvulas de admissão;

– A distribuição da gasolina pelos cilindros poderá ser incorretamente efetuada com o motor frio.

– A preparação da mistura poderá ser mais eficaz com o sistema SPI, além de ter menor custo.

Injeção monoponto

• Pode-se ver um esquema detalhado de um sistema de injeção monoponto:

– O injetor (5) está posicionado a montante da válvula borboleta com o seu sensor (9);

– Recebe a gasolina a partir da bomba (2), filtro (3) e limitador de pressão (4);

– A duração do impulso de injeção é calculada pelo controlador (7);

Injeção monoponto

• Pode-se ver um esquema detalhado de um sistema de injeção monoponto:

– A partir dos valores de temperatura do ar (6) e do motor (13), posição da borboleta (9) e da riqueza da mistura (sonda λ, 12);

– O sistema de marcha lenta é controlado por um atuador (8) da borboleta.

Injeção monoponto

• Vantagens

– Como a injeção se dá longe das válvulas, tem espaço e tempo suficiente para que a atomização, vaporização e homogeneização da mistura ar-gasolina e, com isso, melhorar a combustão, permitindo o uso de misturas pobres;

– Baixo custo frente ao MPI.

Injeção direta

• Alguns motores atuais (2011) a gasolina apresentam uma nova solução de produção de mistura:

– A injeção direta.

• O combustível é injetado diretamente na câmara de combustão, fazendo o motor funcionar em dois modos:

– Mistura homogênea: a cargas elevadas, o combustível é injetado simultaneamente com a entrada de ar pela válvula de admissão, de modo a produzir uma mistura homogênea e estequiométrica.

Injeção direta

• Estratificação da carga:

– As cargas baixas o combustível é injetado durante o tempo de compressão, de modo a formar uma mistura heterogênea;

– Na zona da ignição (perto da vela) tem uma mistura aproximadamente estequiométrica;

– Porém o restante do volume terá uma mistura pobre ou somente ar;

– Deste modo consegue-se diminuir a carga do motor sem utilizar a borboleta, ou seja, sem diminuição drástica de rendimento, comum aos motores a gasolina em carga parcial.

Resumo CARBURADORES

SIMPLES

TRIPLO

QUADRUPLO

DIRETO OU POR ESTÁGIOS

Corpo Simples

Corpo Duplo

Corpo Triplo

Corpo Quadruplo

Injeção eletrônica x Carburador

• Melhor atomização do combustível (injeção sob pressão);

• Redução do efeito “retorno de chama” no coletor de admissão;

• Controle da mistura (relação ar/combustível);

• Redução da emissão de gases poluentes pelo motor;

• Eliminação de ajuste de marcha lenta e mistura;

• Maior economia de combustível;

• Eliminação do afogador;

• Facilidade de partidas a frio do motor;

• Melhor dirigibilidade.

Sistema de injeção analógico

• Não possui memória;

• Não possui códigos de defeitos;

• Não possui compensação do sistema por “sonda lambda”;

• Seus componentes eletrônicos não podem ser diagnosticados através de um Scanner.

Sistema digital

• Possui processamento e memória;

• Foi incluído o sistema de diagnóstico;

• Memória de código de defeitos;

• Luz de anomalia;

• Comunicação com – Scanner.

• Inclui o sensor de oxigênio (sonda lambda) que analisa a mistura queimada pelo motor e retorna um sinal elétrico, enviado para a ECU que serve para compensação do sistema.

Bico injetor

• Dispositivo eletromagnético;

• O volume de combustível injetado é proporcional ao tempo de abertura da válvula;

• O volume de combustível injetado depende do tempo durante o qual o solenóide mantém o injetor aberto;

• Este tempo, por sua vez, depende do sinal que o solenóide recebe do modulo de injeção eletrônica.

Admissão de combustivel nos motores diesel

Bomba injetora ou injeção eletrônica

Bomba injetora

Controla a quantidade de óleo injetada no cilindro;

Acoplada ao motor através de engrenagem;

Controla a pressão e volume de combustível a ser

injetado no cilindro.

Motores diesel eletrônicos

• Da mesma forma que os motores que operam com ciclo Otto, que tiveram o sistema de alimentação carburado substituídos por injeção eletrônica ,os motores a diesel trocaram suas famosas bombas injetores pelo mesmo sistema, o exemplo mais conhecido é Common Rail.

• Diferentemente do sistema por bomba injetora no sistema Common Rail (CR) os bicos injetores não estão ligados a uma bomba injetora através de um tubo para cada cilindro mas, sim, acoplados a um único tubo ou galeria de combustível, semelhante aos sistemas de injeção multiponto para ciclo Otto. Daí o nome de Common Rail.

• A alta pressão é gerada por uma bomba acoplada ao motor que fornece o combustível com a pressão necessária para o tubo e o injetor, que, apesar de abrir passagem ao combustível por pressão, isto só ocorre quando a unidade de comando assim determinar através de sinal elétrico.

• Desta forma, a pressão de injeção de combustível pode variar independente da rotação do motor e da própria quantidade de combustível a ser fornecida para o motor nos seus diversos regimes de trabalho.

• Assim podemos dizer que tanto a pressão como a quantidade de combustível são determinadas de forma independente pela unidade de comando e, para estas determinações, a unidade recebe informações de diversos sensores, cada um com sua determinada função.

• O sistema de injeção eletrônica faz com que o motor trabalhe com um bom desempenho, emitindo pouco poluente e um consumo de combustível otimizado. Além do que, tal sistema com as vários sensores e caixa de comando, pode ajudar a prevenir uma pane fazendo o sistema alertar quando algo der errado.

• A caixa de comando em conjunto com os sensores faz com que o sistema de injeção seja ideal para o diesel, pois através da leitura dos sensores a caixa aciona os atuadores, sendo os mesmo os principais reguladores de pressão de combustível nos injetores.

• Entre as informações, quando se pensa em sistema eletrônico de alimentação para um motor, precisamos partir de pontos básicos:

• Rotação do motor

• Massa de ar

• Ponto morto do cilindro 1(devido ao fato de o motor diesel possuir a injeção diretamente na câmara de combustão)

• Sensor de fase

• Pressão no tubo distribuidor(rail)

• Posição do acelerador

• outros

Common Rail Bosch

sensores

Módulo

Sensores

• Todas as variáveis do motor como: temperatura do líquido de arrefecimento, temperatura do ar, pressão absoluta do coletor, posição da borboleta de aceleração, rotação, fase, concentração de oxigênio no escapamento, etc. são capturadas pelos diversos sensores e enviadas para a unidade de comando.

• Os sensores são componentes eletroeletrônicos que transformam sinais mecânicos em sinais elétricos para a unidade de comando.

Sensor de temperatura

do ar admitido

• O sinal do sensor de temperatura do ar normalmente é utilizado pela unidade de comando para corrigir a leitura da massa de ar, em função da sua densidade (quanto menor a temperatura, mais denso é o ar).

Medidor de massa de ar

• O medidor de massa de ar está instalado entre o filtro de ar e a borboleta de aceleração e tem a função de medir a corrente de ar aspirada. Através dessa informação, a unidade de comando calculará o exato volume de combustível para as diferentes condições de funcionamento do motor.

Sensor posição da

borboleta de aceleração

• O potenciômetro da borboleta de aceleração está fixado no corpo da borboleta e é acionado através do eixo da borboleta de aceleração. Este dispositivo informa para a unidade de comando todas as posições da borboleta de aceleração.

• Desta maneira, a unidade de comando obtém informações mais precisas sobre os diferentes regimes de funcionamento do motor, utilizando-as para influenciar também na quantidade de combustível pulverizado.

Sensor de pressão

absoluta do coletor

• O sensor de pressão absoluta do coletor de admissão, também chamado de sensor MAP, tem por função informar a unidade de comando sobre as diversas variáveis da pressão do coletor de admissão, pressão esta chamada absoluta uma vez que se considera a pressão atmosférica.

• Informam à unidade de comando em que condições de aspiração e pressão o motor está funcionando, para receber o volume exato de combustível.

Sensor oxigênio ou sonda lambda

• A Sonda Lambda detecta, continuamente, a composição do gás de escape. Quando o sinal de saída da Sonda Lambda muda, a unidade de comando instrui o sistema de mistura ar/combustível para alterar a sua proporção.

Medidor de fluxo de ar

• Este tipo de sensor também pode ser chamado de medidor volumétrico, pois mede o volume de ar admitido pelo motor. Com essa informação, a unidade de comando multiplica o volume pela densidade do ar ( que varia conforme a temperatura e a pressão do coletor ) e obtém-se a massa de ar admitido, restando somente, a unidade calcular o tempo de injeção.

Unidade de comando-ECU

• A unidade de comando tem como função determinar a quantidade de combustível a ser injetada, com base nas informações que recebe de todos os componentes do sistema. Assim, a quantidade de combustível injetada é dosada pela unidade de comando através do tempo de abertura das válvulas de injeção.

Unidade de comando-ECU

Sistemas de ignição

Sistema de ignição

• Nos motores de ignição comandada a combustão da mistura é iniciada pela ação de uma faísca elétrica de alta tensão entre dois eletrodos situados no interior da câmara de combustão;

• Nos motores clássicos a faísca é produzida:

– Por um interruptor exterior ao cilindro que gera um impulso elétrico quando aberto;

– E por um circuito em que este impulso é amplificado, recorrendo a um transformador de corrente;

Sistema de ignição

• Nos automóveis somente se utiliza a corrente contínua, sendo o circuito denominado “ignição por bateria”;

• Em motos e aviões costuma-se usar corrente alternada, e a ignição é dada por “magneto”:

– São sistemas mais compactos;

– Produzem maiores faíscas a altas rotações;

– Porém não se tem a possibilidade do avanço da ignição.

Sistema de bateria convencional

• Um alternador alimenta a bateria do veículo;

• Mantendo a tensão constante, geralmente (12 V);

• A corrente passa por um interruptor, denominado platinado, e pelo primário do transformador (bobina);

• Às extremidades do platinado estão ligadas em paralelo a um capacitor (condensador);

• Esta é a constituição do circuito primário.

• Sempre que o platinado é aberto a corrente é interrompida neste circuito;

• Quando o platinado é fechado, da origem a um impulso elétrico de elevada tensão na bobina;

• Este impulso é enviado a vela do cilindro, através de um distribuidor, onde ocorre a faísca;

• O platinado, vela e distribuidor formam o circuito secundário;

• Sempre que o platinado interrompe o circuito primário, há tendência para que uma faísca salte entre os seus terminais:

– Para que isso não aconteça, usa-se um capacitor, que armazena a energia excedente;

– Não permitindo a formação da faísca e origine uma violenta variação de tensão;

• O avanço da ignição, ou avanço da faísca depende, principalmente da velocidade do motor:

– O avanço deve aumentar com a velocidade do motor;

• Usa-se um dispositivo centrifugo:

– Velocidade lenta a esquerda

– Velocidade rápida a direita;

Ignição eletrônica analógica

• O sistema convencional de ignição por platinado apresenta certas deficiências:

– Limitação da tensão máxima do circuito secundário a velocidades altas;

– Desgaste do platinado.

• Surgiram, então, os sistemas com transistores;

– Elevada capacidade de resposta;

– Sem elementos móveis.

• Sistema transistorado com platinado:

– O transistor recebe a corrente da bateria, através da bobina;

– Envia uma pequena parte para o platinado;

– A abertura do platinado origina que o transistor interrompa o circuito de corrente da bobina;

– Quando fecha o circuito, cria o pico de tensão no secundário;

– O restante do circuito é semelhante ao convencional, com exceção do capacitor, que não é utilizado:

• A corrente que passa no platinado é reduzida.

• Sistema transistorado com platinado:

• Sistema transistorado sem platinado:

– Os platinados são substituídos por um pequeno gerador magnético de impulsos situado no eixo do distribuidor;

– Cria uma corrente quando está alinhado com um pólo do estator;

– Esta corrente comanda o transistor, originando um pico de alta tensão na bobina;

– Amplificadores e outros componentes eletrônicos são usados para otimizar a produção da faísca;

• Sistema transistorado sem platinado:

– A falta de potência da faísca pode ser causada por:

• Combustão incompleta e tardias;

• Ou mesmo, inexistência da combustão durante alguns ciclos;

– Para que misturas pobres possam ser queimadas é preciso de faíscas de elevada tensão e de longa duração;

– Como a potência das faíscas reduz a vida útil das velas, a sua potência pode ser encurtada:

• Usa-se múltiplos impulsos ;

Ignição eletrônica digital

• Os sistemas transistorados de ignição eliminaram alguns problemas dos sistemas tradicionais, porém, ainda não atingiram as demandas de baixa emissão de poluição e potência requeridas;

• Para que o motor funcione com o máximo de rendimento é necessário que o avanço da ignição seja o maior possível em cada situação:

– Sem o surgimento da auto-detonação, “knock”;

• Os sistemas mecânicos convencionais tem leis lineares de variação do avanço em relação a velocidade do motor;

• Não sendo possível otimizar o funcionamento para todas as circunstâncias:

– Principalmente em motores com grandes efeitos fluidodinâmicos;

– Nesses motores a eficiência volumétrica varia muito com relação a velocidade, além de outros parâmetros;

• Para otimizar o funcionamento do motor:

– Mede-se em cada posição de velocidade e carga o avanço ótimo da ignição;

– E guarda-se essas informações em uma memória (mapa):

• O motor tem um sistema de posição sobre um disco dentado:

– Mede a velocidade do motor;

• Essa velocidade é enviada para uma CPU (controlador eletrônico);

• Com mais outros dados, a CPU, calcula o avanço da ignição;

• Envia um sinal para a bobina, que produz a faísca;

Ignição-resumo

• O principal componente é a bobina de ignição, através do fenômeno da indução consegue elevar a baixa tensão disponível no sistema elétrico do automóvel em uma tensão alta o suficiente para vencer a resistência encontrada dentro da câmara de combustão devido a alta pressão.

• O distribuidor direciona a corrente para a vela do cilindro que se encontra no momento da explosão, para isso trabalha sincronizado com o motor.

• Os cabos de ignição são responsáveis por conduzir a alta tensão produzida na bobina até as velas sem perda, passando ou não pelo distribuidor.

Ignição-resumo

• O platinado é uma chave liga/desliga que fica posicionado de modo que sua abertura dispare a faísca na bobina, fica localizado dentro do distribuidor em contato ao seu eixo que possui um ressalto. Esse componente esta obsoleto, por ter um desgaste elevado.

• A bobina impulsora substitui o platinado, é um gerador de sinal indutivo, ou seja não entra em contato com o eixo garantindo maior durabilidade.

• A vela conduz a alta tensão para dentro da câmara de combustão através do eletrodo central produzindo a faísca.

Ignição-resumo

• Nos sistemas mais modernos o sistema de ignição foi incorporado à central de injeção eletrônica, onde é controlado e modificado momento do disparo da bobina de acordo com os mapas de ignição contidas na central.

Efeitos da detonação

Sensores de detonação

Velas e efeitos de aquecimento

Curiosidade: Uma das primeiras patentes é atribuída a Nikola Tesla

Velas e efeitos de aquecimento

Ignição

Processo de ignição em motores ICE

• Basicamente 3 estágios:

– Período de atraso – ignição e início da chama;

– Aumento rápido de pressão;

– After burning – fim da combustão;

Processo de ignição em motores ICE

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