MOTORES DIESELProfessora: Valria Said de Barros Pimentel

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ndice1. Introduo 2. Motor de Ignio por Compresso (Motor Diesel) 2.1. Funcionamento Termodinmico Ideal 2.2. Funcionamento Mecnico Real 2.3. Parmetros de Operao 2.4. Energia trmica do Combustvel 2.5. Temperatura dos Gases de Descarga 3. Sistema de Admisso de Ar 3.1 Turbocompressor 4. Sistema de Alimentao de Combustvel 4.1. Injeo de Combustvel 4.2. Sistema de Injeo 4.3. Combustvel 5. Fenmeno da Combusto nos Motores Diesel 5.1. Atraso de Ignio 5.2. Perodo de Combusto Descontrolada 5.3. Perodo de Combusto Controlada 5.4. Perodo de Combusto Atrasada 6. Emisses 7. Lubrificao do Motor Diesel 7.1. leo Lubrificante 8. Sistema de Arrefecimento 8.1. gua do Sistema de Arrefecimento Anexo Referncias Bibliogrficas 3 3 3 4 6 11 11 12 13 15 15 18 21 22 24 26 27 27 27 31 31 34 36

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1. INTRODUO

Em 1892 Rudolph Diesel idealizou um novo tipo de motor, capaz de queimar carvo finamente pulverizado. A seqncia de operao era semelhante ao do ciclo Otto ( motor por ignio a centelha). Depois de algumas tentativas de controlar a injeo de combustvel, Diesel concluiu que a injeo de combustveis lquidos produziria resultados muito melhores que a injeo de carvo finamente pulverizado. Desde 1930 o motor Diesel tem tido aplicao cada vez maior no setor automotivo, especialmente em caminhes e transporte urbano de massa. A disposio de seus componentes a mesma que nos motores de ignio por centelha (ciclo Otto), mas nos de ignio por compresso (ciclo Diesel) h diferenas sensveis de funcionamento. Nos motores Diesel, o motor aspira o ar puro, que no segundo tempo do ciclo se reduz a uma compresso to elevada (de 12 a 22) que se aquece o suficiente para que ao injetar o combustvel (leo Diesel), este se inflame por si s e queime. A combusto dos gases produz o curso do motor, realizando-se depois o escape.

2. MOTOR DE IGNIO POR COMPRESSO (MOTOR DIESEL) 2.1 Funcionamento Termodinmico ideal

Figura 1 - O ciclo padro ar-Diesel

Caractersticas termodinmicas do motor Diesel:

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Compresso adiabtica reversvel (1-2) Combusto presso constante (2-3) Expanso adiabtica (3-4) Exausto isovolumtrica (4-1)

Em um motor Diesel o ar comprimido at o momento em que os bicos injetores entram em ao, injetando combustvel na cmara de combusto, aumentado-se efetivamente a presso dentro dos cilindros at uma presso mxima (podendo ser considerada constante nesse instante). Aps isso h uma expanso do pisto at o ponto morto inferior e uma vlvula se abre e os gases da combusto so liberados atravs da vlvula de exausto. A figura 6.2 mostra o funcionamento de um cilindro antes, durante e aps a combusto.

figura 2 - Esquema do funcionamento de um cilindro (motor Diesel)

2.2. Funcionamento Mecnico Real

2.2.1 O Que Caracteriza o Motor Diesel

Duas caractersticas fundamentais distinguem o motor Diesel dos outros motores a combusto interna:

1) O tipo de combustvel utilizado:

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O motor Diesel utiliza como combustvel um leo pardo-escuro, derivado do petrleo e constitudo de uma mistura de hidrocarbonetos que compreende os destilados intermedirios e cuja faixa de destilao se situa aproximadamente entre 190 e 330C. Em virtude de sua utilizao nos motores a Diesel, esse combustvel recebeu o nome de Diesel. Em outros pases chamado de gasoil.

2) A alta compresso nos cilindros; A segunda caracterstica fundamental do motor Diesel a alta compresso no cilindro. A relao volumtrica de compresso varia de 12 a 20:1, enquanto que nos motores a gasolina essa relao de normalmente 8 a 10: 1. Em virtude dessa alta compresso a presso, no ponto morto superior, atinge cerca de 40 atm. ( para se ter uma idia nos motores a gasolina, essa presso atinge apenas 7 atm.). As temperaturas chegam a aproximadamente 500C, inflamando o combustvel sem a necessidade de centelhamento.

2.2.2. Ciclos de Trabalho Sabemos que o ciclo de trabalho a seqncia a que se submete dentro do cilindro, uma poro de combustvel e comburente a fim de que essa poro libere energia trmica. Quanto aos ciclos, os motores Diesel podem ser: Quatro tempos; Dois tempos;

No ciclo de quatro tempos temos a seguinte seqncia:

a) Aspirao de combustvel para a cmara de combusto; b) Compresso da mistura ar-combustvel; c) Expanso (ou tempo do motor); d) Escapamento dos gases da combusto;

V-se que o ciclo de quatro tempos se completa com quatro cursos do mbolo, o que corresponde a duas rotaes do eixo de manivelas, havendo um tempo em cada ciclo. J no ciclo de dois tempos temos:

a) Admisso (lavagem do cilindro) e combusto;

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b) Combusto (abertura das janelas de escape e admisso) e exausto;

2.3. Parmetros de Operao do Motor

Para que se possa escolher um motor/combustvel para uma utilizao especfica, torna-se necessrio conhecer alguns fatores importantes, tais como: o desempenho do motor o consumo de combustvel do motor e o custo do combustvel exigido o rudo do motor e emisses de poluentes a confiabilidade e durabilidade da motor, suas exigncias de manuteno, e custos operacionais Estes fatores controlam o total dos custos operacionais - normalmente a considerao primria do usurio - e se o motor em operao pode satisfazer os regulamentos ambientais. Os parmetros de projeto que definem um motor: propriedades geomtricas potncia e torque trabalho indicado eficincia mecnica presso mdia efetiva consumo especfico do combustvel e eficincia razo ar / combustvel eficincia volumtrica peso e volume especfico emisses de poluentes Entretanto, quando se quer comparar o desempenho de motores, devemos focalizar nos parmetros a seguir: potncia e torque consumo especfico do combustvel eficincia trmica trabalho indicado presso mdia efetiva razo ar / combustvel emisses de poluentes

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2.3.1. Torque e Potncia

O torque uma medida da habilidade de um motor em realizar trabalho e potncia a taxa na qual esse trabalho realizado. O torque exercido por um motor : T = Fb Onde: F = fora b = comprimento A potncia P o produto do torque pela velocidade angular do motor:

P = 2NT

Onde N o nmero de rotao do motor.

2.3.2. Consumo Especfico

Independentemente do mtodo empregado, a medio do consumo de combustvel fundamental para que se conhea a eficincia com que o motor transforma a energia qumica do combustvel em trabalho til. De posse dos valores de massa de combustvel consumido, potncia medida e tempo, pode-se calcular o consumo especifico de combustvel em g/CVh, g/kWh, g/HPh ou lb./HPh. Tomandose medies em diferentes condies de carga e rpm, possvel plotar em grfico os diversos resultados e traar uma curva de consumo para o motor em prova Em testes de motores, o consumo de combustvel medido como uma taxa de fluxo - fluxo de massa por unidade de tempo mf . Um dos parmetros mais teis o consumo especfico de combustvel (sfc) - a taxa de fluxo de combustvel por unidade de potncia . Ela mede quo eficiente um motor usando uma dado combustvel para produzir trabalho:

sfc = mf / P Baixos valores de consumo especfico de combustvel so desejveis. Medindo-se o consumo horrio sob regime conhecido de carga, pode-se determinar o consumo especfico, que uma varivel importante a ser considerada na aplicao do motor. De posse desses valores, a Massa ser igual ao produto do

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Volume pela sua Densidade. [M = v]. Para o leo Diesel, o valor da densidade tomado habitualmente como = 0,854 kg/litro, embora algumas variaes para mais ou para menos possam ser verificadas. O consumo especfico de combustvel um parmetro de comparao muito usado para mostrar quo eficientemente um motor est transformando combustvel em trabalho. O emprego deste parmetro tem maior aceitao que o rendimento trmico porque todas as variveis envolvidas so medidas em unidade padro: Tempo, Potncia e Peso.

2.3.3. Eficincia de converso do combustvel

A razo do trabalho produzido por ciclo para uma dada quantidade de combustvel fornecido ao motor por ciclo que pode ser liberado no processo de combusto mais importante do que saber apenas o consumo especfico de um motor . Essa seria uma medida de eficincia do motor. A energia do combustvel fornecido que pode ser liberado pela combusto dado pela massa de combustvel fornecida ao motor por ciclo vezes o poder calorfico do combustvel Qc. O poder calorfico do combustvel, define seu contedo energtico. Essa eficincia chamada de eficincia de converso do combustvel f

f = Wc / mf Qc = (PnR / N) / [(mf nR / N)Qc] = P / mfQclogo:

f = 1 / sfc QcPodemos observar que a eficincia de converso do combustvel inversamente proporcional ao consumo especfico

2.3.4. Trabalho Indicado

O trabalho indicado por ciclo o trabalho liberado para o pisto sobre os quatro tempo do motor . Wc = pdV onde : p = presso no cilindro

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A potncia indicada Pi por cilindro pode ser relacionada com o trabalho indicado por ciclo por: Pi = pmi x A x L x N x no de cilindros Onde: Pmi = presso mdia indicada A = rea do cilindro ( D2/4) L = curso do cilindro N = rotao por minuto

Pode tambm ser escrita como;

Pi= Wc N / nR onde: Wc = trabalho produzido por ciclo nR = nmero de rotao por tempo do motor ( duas para motores de 2 tempos)

2.3.5. Presso Mdia Efetiva

Apesar do torque ser uma valiosa medida da habilidade particular de um motor para realizar trabalho, ela depende do tamanho do motor. Uma medida relativa mais til de desempenho de um motor obtida dividindo o trabalho por ciclo pelo volume deslocado do cilindro por ciclo. O parmetro assim obtido tem unidade de fora por rea de unidade e chamado a presso mdia efetiva (mep).

mep = PnR / VdN onde : Vd = volume do deslocado

2.3.6 Razo Ar / Combustvel

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Em testes de motores comum medirmos a taxa de fluxo de ar ma e de combustvel mf . A razo dessas taxas so teis na definio das condies de operao do motor A/F = ma / mf para motores Diesel utilizando leo Diesel a variao da razo ar/combustvel em operao normal do motor 18 A / F 70.

2.3.7. Emisses Especficas

Os nveis de emisses dos xidos de nitrognio (NOx) , monxido de carbono (CO), hidrocarbonetos nas queimados (HC) e particulados so importantes caractersticas de operao de um motor. As concentraes de emisses de gases nos gases de descarga do motor so normalmente medidos em partes por milho ou em percentual de volume. Indicadores normalizados dos nveis de emisses so mais teis. Entretanto, um dos mais utilizados a emisso especfica. As emisses especficas so as taxas de fluxo de massa de poluente por unidade de potncia.

sNOx = mNOx / P sCO = mCO / P sHC = mHC / P sPart = mpart / P

2.3.8. Eficincia da Combusto

Devido uma frao de energia qumica do combustvel no ser totalmente liberada dentro do motor durante o processo de combusto, torna-se necessrio definir uma eficincia de combusto. A eficincia da combusto definida como a quantidade de energia qumica liquida liberada pela massa de combustvel devido a combusto sobre a quantidade de energia que pode ser liberada pela combusto, logo:

c = [HRTA - HPTA] / mfQconde c = eficincia

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HR =entalpia dos reagentes HP = entalpia dos produtos TA = temperatura ambiente Quando as espcies que compe o gs de descarga so conhecidas, podemos calcular e eficincia da combusto atravs de:

c =1- {ixiQHVi / [ mf/( ma + mf )]QHVf}onde xi = fraes de massa de CO, H2 e HC no queimados e particulados QHVi= poder calorfico inferior de CO, H2 e HC no queimados e particulados ma = fluxo de massa de ar mf = fluxo de massa de combustvel QHVf = poder calorfico inferior do combustvel

2.4. Energia Trmica do Combustvel

A energia trmica liberada na combusto no totalmente aproveitada para a realizao de trabalho pelo motor. Na realidade, a maior parcela da energia desperdiada de vrias formas. Motores Diesel de grande porte e baixa rotao tem melhor aproveitamento da energia obtida na combusto. O calor gerado pelo poder calorfico do leo Diesel se dispersa e apenas uma parcela transformada em potncia til. Para os motores Diesel de pequeno porte e alta rotao, em mdia, o rendimento trmico se situa entre 36 e 40%, o que para mquinas trmicas, considerado alto. Abaixo vemos um diagrama de fluxo trmico para um motor Diesel de grande cilindrada (diagrama Sankey), onde se pode ter uma idia de como o calor aproveitado.

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Diagrama de fluxo trmico de um motor Diesel de grande cilindrada com turbocompressor acionado pelos gases de escape e refrigerao forada. Calor aduzido de 1508 Kcal / CVh com pe = 8 kp /cm. V-se que 41,5% do calor transformado em potncia til, 22,4% trocado com a gua de refrigerao e 36,1% sai com os gases de escape.

figura 3 - Diagrama de fluxo trmico2.5. Temperatura dos Gases de Descarga

A temperatura dos gases de descarga um bom indicativo do desempenho do motor. Combustveis que provocam baixas taxas de liberao de calor e liberao demorada de calor associada com baixa eficincia trmica, tm temperatura dos gases de descarga com tendncia de subir indicando baixo desempenho.

3. Sistema de Admisso de Ar

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Os motores Diesel podem ser divididos em dois tipos, quanto ao sistema de admisso do ar, aspirados ou turboalimentados. Os motores aspirados, ou de aspirao natural, admitem o ar presso e temperatura atmosfrica. Independente da carga, e em qualquer rotao, um motor Diesel com aspirao natural, sempre recebe um suprimento de ar aproximadamente constante. Quando h mudana na carga a quantidade de combustvel injetado muda, o que altera a razo ar/combustvel. Assim, o motor trabalha com uma razo ar/combustvel menor em altas cargas, quando injetada uma quantidade maior de combustvel por ciclo. A anlise termodinmica dos ciclos do motor estabelece , claramente, que um motor, operando com razo ar/combustvel mais pobre, tem uma melhor eficincia trmica, porm, reduzida presso mdia efetiva e potncia. Nos motores turbo-alimentados, o ar comprimido antes dele ser admitido no interior do cilindro, atravs de um sistema que utiliza os gases de descarga do motor para movimentar uma turbina ou compressor. Dessa forma, o ar admitido com uma densidade maior, alm de ter presso e temperatura maiores do que a atmosfrica. As equaes de potncia e torque mostram que esses parmetros de performance do motor so proporcionais a massa de ar admitida por ciclo: P = f ma N Qc / [nR(A/F)] P=2TN T = f ma Qc / [2 nR (A/F)]

onde P = potncia T = torque f = eficincia trmica ma = massa de ar N = rpm Qc = poder calorfico nR = nmero de rotaes do eixo por cilindro (A/F) = razo ar/ combustvel

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Observa-se que o desempenho de um motor Diesel pode ser melhorado aumentando-se a compresso do ar antes dele ser admitido no cilindro. Uma maior densidade do ar, bem como, maiores presso e temperatura do ar do que a atmosfrica admitida permite, respectivamente: maior nmero de molculas de oxignio disponveis para a oxidao do combustvel. reduo da temperatura de auto-ignio, reduzindo o perodo de atraso. aumento a temperatura do ar comprimido melhorando a troca de calor com o combustvel, e com isso melhorando a vaporizao do mesmo.

3.1. TurbocompressorNormalmente denominado por turbina, supercharger, turbocompressor, sobrealimentador, supercarregador, turboalimentador ou simplesmente turbo, tem grande influncia no desempenho do motor, citado anteriormente. Para melhorar os efeitos do turbo-alimentador, adiciona-se ao sistema de admisso de ar, um processo de arrefecimento do ar admitido, normalmente denominado de aftercooler ou intercooler, dependendo da posio onde se encontra instalado, com a finalidade de reduzir a temperatura do ar, contribuindo para aumentar, ainda mais, a massa de ar no interior dos cilindros. A tendncia, para o futuro, que todos os motores Diesel sejam turbo-alimentados. Nos motores turbo-alimentados, o rendimento volumtrico, em geral, maior que 1. Constitudo por um conjunto de dois rotores montados nas extremidades do mesmo eixo, o turbocompressor acionado pela energia cintica dos gases de escape que impulsiona o rotor quente (ou turbina) fazendo com que o rotor frio (compressor radial) na outra extremidade impulsione o ar para os cilindros. O turbocompressor trabalha em rotaes elevadas (80.000 a 100.000 RPM), temperatura mxima do gs de escape at 790C, proporciona um ganho de potncia, nos motores Diesel, da ordem de 30 a 40% e reduo do consumo especfico de combustvel no entorno de 5%. Devido ao aumento da presso mxima de combusto, exige-se uma vedao slida e uma maior presso da injeo. O fluxo do leo para as guias das vlvulas deve ser garantido, devido a sobrepresso do gs nos canais, e o primeiro anel de segmento do pisto motor deve ser instalado em canaleta reforada com suporte especial de ao ou ferro fundido.

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Turbo-alimentador acionado por gs de escape para motor Diesel. Turbina de gs de escapamento com fluxo de fora para dentro. a = admisso do gs de escapamento; b = sada do gs de escapamento; c = admisso do ar; d = sada do ar; e = entrada do leo lubrificante; f = sada do leo lubrificante; g = roda motriz da turbina; h = rotor da turbina; i = rotor da ventoinha; k = bucha flutuante de mancal.

figura 4 - Turbo-alimentador acionado por gs de escape para motor Diesel

Os reparos no turbocompressor devem ser feitos, de preferncia, pelo fabricante. A maioria dos distribuidores autorizados disponibiliza para os usurios a opo de venda de remanufaturado a base de troca, que alm de ser rpida, tem a mesma garantia da pea nova. Em geral, as oficinas que se dizem especializadas, utilizam buchas de bronze (em substituio das buchas sinterizadas) e usinam as carcaas quando da realizao de recondicionamentos e, na maioria dos casos, no dispem do equipamento para balanceamento do conjunto rotativo, fazendo com que a durabilidade de um turbocompressor recondicionado nessas condies fique ainda mais reduzida. O defeito mais freqente o surgimento de vazamentos de leo lubrificante, que quando ocorre pelo lado do rotor frio (compressor), pode consumir o leo lubrificante do crter sem que seja percebido. Em geral, o mau funcionamento do turbocompressor percebido pela perda de potncia do motor sob plena carga e pela presena de leo lubrificante e fumaa preta na tubulao de escapamento. Em alguns casos, pode-se perceber rudo anormal. Filtro de ar obstrudo tambm uma causa freqente de defeito do turbocompressor. O efeito da suco do rotor do compressor no interior da carcaa

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puxa leo lubrificante atravs das vedaes do eixo, provocando deficincia de lubrificao e consumo excessivo de lubrificante.

4. Sistema de Alimentao de Combustvel

As partes do motor atravs das quais circula o leo Diesel at penetrar no cilindro constituem, em seu conjunto, o que se denomina sistema de combustvel ou sistema de injeo. Todo sistema de alimentao tem por finalidade introduzir o combustvel na cmara de combusto, pela seguintes operaes:

1) Trazer todo o combustvel do depsito at o motor; 2) Elevar a presso do combustvel ou do ar a fim de que a pulverizao seja completa; 3) Dosar a quantidade de combustvel a ser introduzida no cilindro, de acordo com a carga sob a qual se opera o motor; 4) Sincronizar a injeo nos diversos cilindros;

4.1. Injeo de Combustvel

O objetivo do sistema de injeo de combustvel medir a quantidade apropriada de combustvel para uma dada velocidade e carga do motor, a cada ciclo, e injetar o combustvel no tempo apropriado do ciclo uma taxa requerida para o tipo de cmara de combusto utilizada. O combustvel introduzido dentro do cilindro do motor Diesel atravs dos orifcios dos bicos injetores, com um grande diferencial de presso entre a linha de suprimento de combustvel e o cilindro. Diferentes tipos de bicos so utilizados dependendo da necessidade do sistema de combusto empregado. Os motores Diesel podem ser divididos em dois tipos, quanto ao sistema de injeo de combustvel, os de injeo direta e os de injeo indireta.

4.1.1Injeo Direta

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Os motores de injeo direta apresentam pequena superfcie de troca trmica entre a cmara e fluido refrigerante, alm de apresentar ausncia de estrangulamento, inevitvel quando se divide a cmara do motor. Estas caractersticas proporcionam maior rendimento trmico. A partida a frio destes motores tambm se torna muito mais fcil do que os de injeo indireta, pois ele atinge maiores temperaturas ao fim do curso de compresso. A principal dificuldade nos motores Diesel criar turbulncia dentro da cmara, de tal modo que o ar e o combustvel possam se misturar formando uma mistura reativa. A turbulncia pode ser provocada tanto pela forma de admisso do ar e pelo desempenho do sistema de injeo. Nos motores de injeo direta, a ausncia de pre-cmara diminui a turbulncia dentro do cilindro, recaindo sobre o sistema de injeo grande parte da responsabilidade por uma combusto eficiente. Para isto so utilizados injetores de furos mltiplos e altas presses de injeo 150 a 250 kg/cm2 .Normalmente o injetor colocado no centro da cmara, e os furos so posicionados de tal modo a no atingir as partes de menor turbulncia.

Processos de injeo direta. a = injeo direta no ar parado (Cummins); b = jato sobre a cabea do pisto com cmara de mistura trmica (processo MAN-M).

Figura 5 Injeo direta

4.1.2. Injeo Indireta

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Apesar de sua elevada eficincia trmica, os motores de injeo direta necessitam de sistemas de injeo mais sofisticados, devido as elevadas presses de injeo, alm de apresentarem altos valores de presso mxima. Nos motores de injeo indireta a existncia de ante-cmara faz com que esse motores apresentem menores presses mximas e velocidades de elevao de presso do que os de injeo direta. A existncia de uma pre-cmara aumenta os efeitos de turbulncia, melhorando a mistura do ar com o combustvel pulverizado. Uma melhor mistura do ar com o combustvel melhora a vaporizao das gotas de combustvel, diminuindo o atraso de ignio. Dessa forma, os motores de injeo indireta so menos sensveis a qualidade do combustvel do que os de injeo direta.

Antecmara no cabeote de um motor Diesel de 4 tempos. A parte inferior da antecmara a quente, porque se encontra separada das paredes refrigeradas pelo entreferro. Descontinuidade da presso na antecmara e insuflao na parte principal da cmara de combusto mediante um canal injetor. b = tubulao de combustvel; c = ignio auxiliar para partidas a frio; d = passagem da gua de refrigerao para o cabeote.

Antecmara tipo esfrica. A cmara de turbulncia a contm quase toda a carga de ar que, no percurso de compresso, penetra tangencialmente pelo canal b comeando um movimento circular; c = tubulao de combustvel.

figura 6 Injeo indireta

Independentemente do tipo de sistema de injeo utilizado, a presso de injeo deve ser alta para que o jato de combustvel lquido entre na cmara uma velocidade suficientemente alta para:

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1. atomizar-se rapidamente;

em

pequenas

gotculas,

para

ser

capaz

de

vaporizar-se

2. atravessar a cmara de combusto em tempo til e utilizar integralmente a carga de ar.

4.2.Sistema de Injeo

Desde 1927 com o advento da bomba rotativa em linha desenvolvida por Robert Bosch, poucas modificaes ocorreram nos sistemas de injeo de combustvel Diesel. Somente na dcada de 80 ocorreram melhorias no sistema de injeo, com o surgimento dos primeiros sistemas de gerenciamento eletrnicos (EDC, de Electronic Diesel Control). O desenvolvimento dos sistemas EDC, embora trazendo considerveis resultados, esbarrava na limitao mecnica dos sistemas em uso, que no podiam prescindir de um meio de comprimir o leo Diesel pela ao de um pisto comandado no instante adequado. Assim, mantinham-se os componentes bsicos dos sistemas de injeo, utilizando-se os recursos eletrnicos para monitoramento e controle, sem possibilidade de intervenes importantes no processo de injeo. O incio, durao e trmino da injeo permaneciam acoplados posio da rvore de manivelas, uma vez que as bombas injetoras no permitiam variaes, por serem acionadas por engrenagens conduzidas pela rotao do motor. No final da dcada de 90 foi desenvolvido um sistema que , aumentava a potncia e o torque com reduo do consumo e, por conseqncia, os nveis de emisses Para isto so necessrias altas presses de injeo, curvas de injeo exatas e dosagem extremamente precisa do volume do combustvel.. No segmento de motores mais pesados, as fbricas Mercedes, Scania e Volvo desenvolveram novos motores equipados com este sistema, que ganhou a denominao de COMMON RAIL. Segundo a Robert Bosch do Brasil: O sistema de injeo de presso modulada "Common Rail" para motores de injeo direta abre perspectivas completamente novas: Ampla rea de aplicao (para veculos de passeio e utilitrios leves com potncia de at 30 kW / cilindro, para utilitrios pesados chegando at a locomotivas e navios com potncia de at 200 kW / cilindro);

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Alta presso de injeo de at cerca de 1400 bar; Incio de injeo varivel; Possibilidade de pr-injeo, injeo principal e ps-injeo; Volume de injeo, presso no "Rail" e incio da injeo adaptados a cada regime de funcionamento, assim como; Pequenas tolerncias e alta preciso durante toda a vida til. O sistema de injeo de presso modulada "Common Rail", produo de presso e injeo so acoplados. A presso de injeo produzida independente da rotao do motor e do volume de injeo e est no "Rail" (acumulador de combustvel de alta presso) pronta para a injeo. Momento e qualidade de injeo so calculados na unidade de comando eletrnica e transportados pelo injetor (unidade de injeo) em cada cilindro do motor atravs de uma vlvula magntica ativada. Com o injetor e a alta presso sempre iminente, obtm-se uma curva de injeo muito precisa. Com a ajuda dos sensores a unidade de comando pode captar a condio atual de funcionamento do motor e do veculo em geral. Ela processa os sinais gerados pelos sensores e recebidos atravs de cabos de dados. Com as informaes obtidas ela tem condio de exercer comando e regulagem sobre o veculo e, principalmente, sobre o motor. O sensor de rotao do eixo de comando, determina, com o auxlio do efeito "Hall", se o cilindro se encontra no PMS da combusto ou da troca de gs. Um potencimetro na funo de sensor do pedal do acelerador, informa atravs de um sinal eltrico unidade de comando, com que fora o condutor acionou o pedal (acelerao). O medidor de massa de ar informa unidade de comando qual a massa de ar atualmente disponvel para assegurar uma combusto possivelmente completa. Havendo um turbocompressor, atua ainda o sensor que registra a presso de carga. Com base nos valores dos sensores de temperatura do agente de refrigerao e de temperatura do ar. De acordo com o veculos so conduzidos ainda outros sensores e cabos de dados at a unidade de comando para fazer cumprir as crescentes exigncias de segurana e de conforto.

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1. 2. 3. 4.

medidor de massa de ar, unidade de comando,

6. 7.

sensor de rotao do eixo da manivela, sensor de temperatura do motor, filtro de combustvel,

bomba de alta presso, 8. acumulador de alta presso (Rail), 9. sensor do pedal do acelerador.

5. injetores,

figura 7 -Sensores do sistema Common Rail

Um indicativo importante do sucesso do sistema, por exemplo, o anncio da Delphi Diesel de investimento de 2 bilhes de dlares no desenvolvimento das suas linhas de produo para fabricar componentes Common Rail.

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Porta-injetor e Bico injetor. A agulha do bico b que fecha com o auxlio de uma forte mola a, levantada pela elevada presso do combustvel bombeado em c. d = linha de presso; e = parafuso de ajuste para a regulao da presso de injeo; f = linha de retorno do combustvel utilizado para lubrificao e refrigerao do bico injetor.

Injetor Common Rail BOSCH

Figura 8 - Injetor Common Rail BOSCH

4.3. CombustvelMotores Diesel precisam, para a auto-ignio e queima perfeita, de combustveis de alto ponto de ignio. O leo Diesel uma mistura de hidrocarbonetos com ponto de ebulio entre 200 e 360C, obtido por destilao do petrleo por hidrogenao, sntese, ou craqueamento cataltico a baixas temperaturas. Tem poder calorfico mdio (ou calor de combusto) de 11.000 Kcal / Kg. O leo Diesel comum, ou comercial, utilizado universalmente, embora atenda aos requisitos bsicos em termos de caractersticas fsicas e qumicas, requer cuidados quanto ao manejo e utilizao. A gua, presente, em maior ou menor concentrao, o principal contaminante e deve sempre ser removida, por centrifugao ou filtragem especial com decantadores. Como os componentes das bombas e bicos injetores so construdos com folgas adequadas lubrificao pelo

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prprio leo Diesel, a presena de gua os danifica imediatamente. Alm de gua, todo leo Diesel tem um certo teor de enxofre, que no pode ser removido, do qual resulta, aps a combusto, compostos nocivos sade. So as seguintes as caractersticas para o leo Diesel adequado:

PROPRIEDAD ESPECIFICAO MTODO DE TESTE EM LABORATRIO E Viscosidade ASTM D-445 1,3 a 5,8 CentiStoke a 40C No mnimo 40, exceto em clima frio e Numero de servio em marcha lenta por perodos ASTM D-613 Cetano prolongados, quando ser necessrio numero mais elevado. ASTM D-129 Teor de Enxofre No deve exceder a 1,0% em peso.

ou 1552

Teor de gua e sedimentos Resduos de carbono Ponto de fulgor Ponto de Nvoa Corroso por enxofre ativo sobre lmina de cobre Teor de cinzas Destilao

ASTM D-1796 ASTM D524

No deve exceder a 0,1% em peso. No deve exceder a 0,25% em peso em 10% de resduos. 52C (125F) mnimo. Algumas sociedades classificadoras exigem ponto de fulgor mais elevado. 12C abaixo da temperatura esperada de operao. No deve exceder o n 2 aps 3 horas a 50C. No deve exceder a 0,02% em peso. A curva de destilao deve ser suave e contnua. 98% do combustvel deve evaporar abaixo de 360C. Todo o combustvel deve evaporar abaixo de 385C.

ou D-189ASTM D-93 ASTM D-97

ASTM D- 130 ASTM D-482 ASTM D-86

5. Fenmeno da Combusto nos Motores Diesel

No motor Diesel, apenas o ar comprimido atravs de uma alta razo de compresso, o que eleva sua temperatura e presso valores altos que permitem ocorrer a combusto expontnea da mistura combustvel-ar. O combustvel injetado por um ou mais jatos, dentro deste ar altamente comprimido, na cmara de combusto. Nesse momento, o jato desintegra-se em um ncleo de combustvel envolvido por um spray de ar e partculas de combustvel.

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Quando o vapor e o ar, em contato, alcanarem o nvel da temperatura de auto-ignio e a razo combustvel/ar, neste local, estiver dentro das condies apropriadas para a combusto, ter incio a ignio, muito embora o ncleo do jato ainda esteja lquido e relativamente frio. Portanto, inicialmente, haver um certo perodo de atraso antes da ocorrncia de ignio. A combusto da mistura combustvel-ar dentro do cilindro um dos processos que controlam a potncia, o desempenho e as emisses do motor Diesel. Por isso, se faz necessrio um conhecimento preliminar bsico dos mais importantes fenmenos da combusto para o entendimento da operao do motor. A combusto nos motores Diesel ocorre em 4 fases distintas(ver figura 9): perodo de atraso de ignio perodo de rpida combusto perodo de combusto controlada perodo de ps queima

figura 9 Fases da Combusto Diesel

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Essas fases da combusto sero discutidas a seguir para que possamos identificar em cada uma delas, a interferncia da utilizao do leo vegetal como combustvel em motores Diesel, bem como, sugerir modificao nos sistemas que viabilizem seu uso.

5.1 Atraso de Ignio

O atraso de ignio no motor Diesel foi definido como o intervalo de tempo (ou ngulo do eixo de manivela) entre o incio da injeo e o comeo da combusto. O incio da injeo determinado pelo levantamento da agulha do bico injetor. O incio da combusto j mais complicado de determinar, usualmente identificado com o aumento da taxa de liberao de calor, com o aumento da taxa de elevao de presso. Em motores de injeo direta sob condies normais a ignio melhor definida do que em motores de injeo indireta.

5.1.1. Estgios do atraso de Ignio

O atraso de ignio pode ser dividido em dois estgios o atraso fsico e o qumico Os processos fsicos do atraso de ignio so a atomizao do jato do combustvel lquido; a vaporizao das gotas do combustvel; a mistura do vapor de combustvel com o ar; o aquecimento do combustvel at a temperatura de ignio O processo qumico so as reaes de pre-combusto entre o combustvel, ar, e gases residuais. Esses processos so afetados pelo projeto do motor, variveis de operao e caractersticas do combustvel.

6.1.2. Fatores que Afetam o Perodo de Atraso

1) Taxa de compresso - o aumento da taxa de compresso influencia na temperatura de compresso do ar , entretanto, a temperatura mnima de autoignio diminui com o aumento da densidade do ar, reduzindo o atraso de ignio. 2) Velocidade do motor - Com o aumento da velocidade do motor, as perdas de temperatura durante a compresso diminuem, aumentando a temperatura e a presso do ar reduzindo o atraso de ignio.

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3) Potncia - com o aumento da potncia a razo ar-combustvel diminui, a temperatura de operao aumenta diminuindo o perodo de atraso. 4) Atomizao o aumento da presso de injeo aumenta a atomizao do

combustvel facilitando sua vaporizao e conseqente combusto. Para se conseguir uma boa atomizao tambm necessrio dimetros dos orifcios dos bicos injetores pequenos, alta presso do ar no tempo de compresso. A taxa de vaporizao das gotas do combustvel dependem do tamanho das gotas, sua distribuio, e sua velocidade, presso e temperatura no interior da cmara de combusto, e a volatilidade do combustvel. A taxa de mistura do ar e combustvel controlada grandemente pelo projeto do injetor e da cmara de combusto que interferem na turbulncia da carga de ar durante a compresso, e o tipo de spray respectivamente. 5) Tempo de injeo - a quantidade de combustvel injetado por ciclo constante. Como a presso e temperatura no incio da injeo so baixas para grandes avano de injeo, o atraso de ignio aumenta com o aumento do avano de injeo. 6) Qualidade do combustvel - A qualidade de ignio do combustvel definida pelo seu nmero de cetano. Para combustveis com baixo nmero de cetano o atraso de ignio longo, e a maior parte do combustvel injetado antes da ignio ocorrer, o que resulta em muito altas taxas de queima rpida uma vez que a combusto comea com alta taxa de aumento de presso grandes picos de presso. Sob essas extremas condies, quando a auto ignio da maior parte do combustvel j ocorreu, isso provoca um som de batida audvel, a chamada batida Diesel. Para combustveis com nmero de cetano muito baixo, o atraso de ignio muito longo, fazendo com que a ignio ocorra tarde, ao ponto de se processar durante o tempo de expanso apagando o processo de queima, resultando em combusto incompleta, reduzindo a potncia, e uma pobre eficincia de converso de combustvel. Para combustveis com alto nmero de cetano, o atraso de ignio pequeno ocorrendo a ignio antes que a maior parte do combustvel seja injetada, provocando taxas de liberao de calor e aumento de presso adequadas para uma suave do motor. Dessa forma, podemos observar que as caractersticas fsico qumicas do combustvel so muito importantes. O nmero de cetano dependente da estrutura molecular do combustvel. Compostos parafnicos tem alta qualidade de ignio, j compostos aromticos conferem baixa qualidade de ignio ao combustvel como com os lcoois e leos vegetais. Combustveis com nmero de cetano variando entre 40 e 55 proporcionam pequeno atraso de ignio, para

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combustveis com nmero de cetano inferior a 38 h um aumento grande no atraso de ignio. A temperatura de auto-ignio uma das mais importantes propriedades do combustvel, pois afeta o atraso de ignio. Temperaturas de auto-ignio baixas resultam em perodos de atraso de ignio menores . Como as caractersticas do combustvel interferem no atraso de ignio, suas propriedades so de extrema importncia para determinarmos a operacionalidade do motor, tais como eficincia de converso de combustvel, suavidade de operao, falha de ignio, emisso de fumaa negra, barulho e facilidade na partida.

6) Temperatura de admisso - aumento da temperatura de admisso produz umaumento na temperatura do ar comprimido, provocando uma reduo no atraso de ignio. Entretanto, isso provoca uma reduo na densidade do ar reduzindo o eficincia volumtrica e com isso a potncia.

7) Presso de Admisso - O aumento da presso de admisso do ar ousobrealimentao reduz a temperatura de autoignio, reduzindo o perodo de atraso.

5.2. Perodo de combusto descontrolada

O perodo de combusto descontrolada, tambm chamado de perodo de combusto rpida, a fase em que o aumento de presso rpido. Durante o perodo de atraso, as partculas de combustvel tm tempo de espalharse por uma vasta rea e ar fresco sempre disponvel a sua volta. A maior parte do combustvel admitido evaporado, formando uma mistura com o ar, completandose, assim, as reaes de pr combusto. O perodo de combusto descontrolada contado a partir do final do perodo de atraso ignio (ponto de ignio b) at o ponto c, mostrados no diagrama indicador Diesel p na figura 9. de se notar que a presso alcanada durante o perodo de combusto descontrolada depender da durao do perodo de atraso ignio, ou seja, quanto mais longo o atraso, maior e mais rpido ser o aumento da presso, uma vez que mais combustvel estar presente no cilindro antes que a velocidade da combusto fique sob controle.

5.3. Perodo de combusto controlada

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O perodo de combusto descontrolada (rpida combusto) seguido pelo terceiro estgio, a combusto controlada. A temperatura e a presso no segundo estgio so bastante altas. Assim, as partculas de combustvel, injetadas durante o segundo estgio, entram em combusto mais rapidamente, com reduzido atraso ignio, a medida que encontram o oxignio necessrio, e qualquer aumento posterior da presso ser controlado pela taxa de injeo. Esse perodo de combusto controlada termina com o final do perodo de injeo do combustvel, indicado como ponto d no diagrama indicador Diesel na figura 9. Um fato importante que pode ser observado que a taxa de calor liberado pelo combustvel mxima durante os perodos de combusto descontrolada e controlada.

5.4. Perodo de combusto atrasada

A combusto no cessa com o trmino do processo de injeo. As partculas de combustvel, no queimadas e parcialmente queimadas, deixadas na cmara de combusto, iniciam a combusto assim que entram em contato com o oxignio. Este processo continua por um certo perodo, chamado de combusto atrasada. Geralmente este perodo comea a partir do final do perodo de injeo, indicado como ponto d no diagrama indicador p na figura 9, e prossegue at uma parte do ciclo de expanso. A velocidade da combusto atrasada depende da velocidade de difuso e do nvel de turbulncia para a mistura do combustvel no queimado e parcialmente queimado com o ar. O estgio de combusto atrasada tambm pode durar at a abertura da vlvula de descarga, indicada como ponto e no diagrama indicador na Fig. 9.

6. Emisses

As relaes entre a composio dos reagentes (combustvel e ar) de uma mistura e a composio dos produtos dependem, apenas, da conservao de massa de cada elemento qumico nos reagentes. Portanto, so necessrias para defini-las as a composio elementar relativa do combustvel e as propores relativas de combustvel e ar. Com oxignio suficiente, o combustvel pode ser completamente oxidado. Na combusto, o oxignio o componente reativo do ar. Em termos usuais, simplificados, considera-se suficientemente precisa a composio do ar como sendo

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21% (0,2095) de oxignio e 79% de gases inertes feito nitrognio. Para cada mol de oxignio no ar existem : (1 - 0.2095) / 0.2095 = 3.773

Em um combustvel a base de hidrocarbonetos, o carbono convertido em CO2 e o hidrognio em H2O. O ar contm nitrognio, contudo quando os produtos esto baixas temperaturas, ele no afetado significativamente pela reao. As propores estequiomtricas so definidas pela equao:

CaHb + (a + b/4)(O2 + 3.773N2) = a CO2 + (b/2) H2O + 3.773(a + b/4) N2 onde a e b so a quantidade de cada elemento na composio qumica do combustvel. Esta equao genrica para a combusto completa de um combustvel a base de hidrocarbonetos com o ar, cuja composio molecular CaHb, onde esto definidas s as propores relativas sobre uma base molar. Dessa forma a composio combustvel pode ser escrita na forma simplificada CH, onde = b/a . Considerando que o peso molecular do oxignio, do nitrognio atmosfrico, do carbono e do hidrognio so respectivamente 32, 28.16, 12.011 e 1.008, A relao ar/combustvel estequimtrica (A/F)s depende somente de . (A/F)s = [(1 + /4)(32 + 3.773 x 28.16)] / (12.011 + 1.008) (A/F)s = [34.56 (4 + )] / (12.011 + 1.008) Misturas ar/combustvel com mais ou menos ar estequiomtrico requerido podem ser queimadas. Entretanto, devido a composio dos produtos da combusto ser significativamente diferente para misturas pobres ou ricas, e, tambm porque a razo ar/combustvel estequiomtrica depende da composio do combustvel, a razo entre a razo ar combustvel real e a estequimtrica traz mais informao para definir a composio da mistura. A razo ar/combustvel equivalente :

= (A/F)real / (A/F)sLogo: para misturas pobre para misturas estequiomtricas para misturas ricas >1 =1